CN103558130A - 航空施药雾滴沉积特性分析系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种航空施药雾滴沉积特性分析系统，该航空施药雾滴沉积特性分析系统包括雾滴获取介质、感染区识别编码模块以及沉积特性分析模块；该雾滴获取介质，用于捕获航空施药喷洒的雾滴，该雾滴中混有标记试剂；该感染区识别编码模块，用于对该雾滴获取介质中的标记试剂进行识别，并确定该标记试剂在该雾滴获取介质中的分布信息；该沉积特性分析模块，与该感染区识别编码模块连接，用于根据该分布信息对航空施药雾滴沉降特性进行分析。本发明提供的航空施药雾滴沉积特性分析系统操作简单，能够有效提高航空施药雾滴沉降特性分析的效率，降低其操作的复杂性。

Description

航空施药雾滴沉积特性分析系统

技术领域

本发明涉及农业自动化领域，尤其涉及一种航空施药雾滴沉积特性分析系统。

背景技术

航空施药中，雾滴的地面沉积特性（如覆盖率、雾滴粒径分布、漂移距离等）是航空施药效果的直接反应。航空施药应用研究中，主要依靠获取、分析雾滴的地面沉积特性信息来优化航空施药设备和技术方案。当前，航空施药雾滴的地面沉积特性获取手段主要利用在地面铺设水敏纸的方法(A portable scanning system for evaluation of spraydeposit distribution，Computers and Electronics in Agriculture.76（2011）：38-43)，对沉积雾滴进行采样，然后利用图像处理方法获得采样点的雾滴覆盖率、雾滴粒径分布，进而间接计算出喷施区域的施药覆盖率、粒径分布以及漂移距离。

利用水敏纸方法进行地面沉积特性分析的具体实施步骤是：在飞机将要经过的喷施区域按照一定间距（一般2-5米）安装固定水敏纸用水平托盘，在托盘上放置水敏纸，并对水敏纸按照所在位置编号；飞机飞过后，收集水敏纸，回到实验室利用扫描仪逐张扫描水敏纸，并将水敏纸图像存储为图片文件；利用专用图像分析软件分析水敏纸图像，生成地面沉积特性数据文件。该种方式具有如下显著弊端：

1、地面沉积特性数据不连续。地面沉积特性数据的连续性对分析研究航空施药过程中的雾滴沉积规律、施药机喷嘴效果等具有重要意义。因一般以一定间距在飞机喷幅范围内放置水敏纸样点（规格尺寸一般为76mm*26mm），所以样点与样点之间的沉积特性没有被检测到，沉积特性数据连续性差。虽然通过减少水敏纸放置间距、提高样点密度的方式弥补采样不连续带来不足，但因水敏纸单张成本较高（一般每张人民币8-10元），通过增加样点密度的方式会显著增大实验成本。另一方面，增加样点密度的方式也并无法获取完整意义上的连续地面沉积特性数据。

2、实验过程繁琐、占用大量人力和时间，便捷性差。实验开始前，首先要根据风向、飞机航道选择水敏纸布设区域，然后量取样点间距，安装水敏纸支架，再放置水敏纸。实验完成后再收集水敏纸、逐张扫描水敏纸图像，并分析……过程繁琐，需要多人配合进行。

3、操作要求较高，误操作导致的数据误差难免。因水敏纸对水和油极为敏感，实验时需戴胶皮手套操作，稍有不慎，即在水敏纸上留下印记，对实验数据造成直接影响。

发明内容

（一）要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是：提供一种操作简单的航空施药雾滴沉积特性分析系统。

（二）技术方案

为解决上述技术问题，本发明提供了一种航空施药雾滴沉积特性分析系统，包括雾滴获取介质、感染区识别编码模块以及沉积特性分析模块；

所述雾滴获取介质，用于捕获航空施药喷洒的雾滴，所述雾滴中混有标记试剂；

所述感染区识别编码模块，用于对所述雾滴获取介质中的标记试剂进行识别，并确定所述标记试剂在所述雾滴获取介质中的分布信息；

所述沉积特性分析模块，与所述感染区识别编码模块连接，用于根据所述分布信息对航空施药雾滴沉降特性进行分析。

进一步地，所述雾滴获取介质为棉线，所述棉线的直径为0.2-0.5mm。

进一步地，所述标记试剂为荧光试剂或者色剂。

进一步地，所述感染区识别编码模块包括传送装置、第一传感器、第二传感器、控制电路板以及数据输出接口；

所述传送装置，用于将所述雾滴获取介质按照预先设定的路径进行传送；

所述第一传感器和所述第二传感器，用于在所述传送装置传送所述雾滴获取介质的过程中分别对所述雾滴获取介质中的标记试剂进行识别；

所述控制电路板，分别与所述第一传感器和所述第二传感器连接，用于根据所述第一传感器和所述第二传感器输出的电平信号确定所述标记试剂在所述雾滴获取介质中的分布信息；

所述数据输出接口，与所述控制电路板连接，用于将所述控制电路板得到的分布信息进行输出。

进一步地，所述传送装置包括依次设置的导线槽、滑轮以及自动绕线器，所述导线槽用于引导所述雾滴获取介质进入所述感染区识别编码模块，所述滑轮用于引导将所述雾滴获取介质以便所述雾滴获取介质按照预先设定的路径进行传送，所述自动绕线器用于为所述雾滴获取介质提供传送动力。

进一步地，所述自动绕线器包括电动马达和绕线轮，所述绕线轮设置在所述电动马达的输出端上。

进一步地，所述控制电路板包括采样控制器和编码控制器；

所述采样控制器用于以预设的周期读取所述第一传感器和所述第二传感器的电平信号，并将所述读取的电平信号发送所述编码控制器；

所述编码控制器，与所述所述采样控制器连接，用于对所述第一传感器和所述第二传感器的电平信号进行编码。

进一步地，所述沉积特性分析模块根据所述分布信息对航空施药雾滴沉降特性进行分析包括：

将所述编码控制器编码得到的数据流进行拆分，得到第一传感器的数据流和第二传感器的数据流；

按照所述雾滴获取介质的长度对所述第一传感器的数据流和所述第二传感器的数据流进行时段划分；

在所述划分得到的任意时段内选取特征码片，计算所述特征码片在所述第一传感器的数据流和所述第二传感器的数据流中的出现时间差；

根据所述第一传感器与所述第二传感器之间的间距、所述出现时间差计算所述雾滴获取介质的传送速度；

根据所述传送速度计算雾滴在所述雾滴获取介质上的分布。

（三）有益效果

本发明实施方式提供的航空施药雾滴沉积特性分析系统，在航空喷洒药液中加入标记试剂，并通过雾滴获取介质中的标记试剂对航空施药雾滴沉降特性进行分析，弥补了传统水敏纸等方式的不足，其操作简单，能够有效提高航空施药雾滴沉降特性分析的效率，降低其操作的复杂性。

附图说明

图1是本发明实施方式提供的一种航空施药雾滴沉积特性分析系统的结构图；

图2是本发明实施方式提供的第一传感器的数据流片段的示意图；

图3是本发明实施方式提供的第二传感器的数据流片段的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本发明实施方式提供了一种航空施药雾滴沉积特性分析系统，包括雾滴获取介质、感染区识别编码模块以及沉积特性分析模块；

所述雾滴获取介质，用于捕获航空施药喷洒的雾滴，所述雾滴中混有标记试剂；

所述感染区识别编码模块，用于对所述雾滴获取介质中的标记试剂进行识别，并确定所述标记试剂在所述雾滴获取介质中的分布信息；

所述沉积特性分析模块，与所述感染区识别编码模块连接，用于根据所述分布信息对航空施药雾滴沉降特性进行分析。

其中，所述雾滴获取介质为棉线，所述棉线的直径为0.2-0.5mm，此外，还可以选取其他具有一定的液体吸附作用的线作为雾滴捕获介质，棉线的颜色要求纯白色，无杂质、无色斑。

其中，所述标记试剂可以为荧光试剂或者色剂。具体地，在飞机喷洒药液中加入一定量的荧光试剂或色剂，药液中荧光剂浓度可以根据用于识别该荧光剂的荧光传感器的区分精度进行确定，色剂浓度可以根据用于识别该色剂的色标传感器的区分精度进行确定，色剂颜色也可以根据色标传感器进行选定。其中，荧光剂在药液中的浓度应大于4倍的荧光传感器的最小区分精度，药液中色剂浓度选择以棉线上的沉积雾滴有明显视觉色差为准。颜色应与色标传感器反应色一致，例如，可以选择红色色剂，红色色标传感器。

参见图1，图1是本发明实施方式提供的一种航空施药雾滴沉积特性分析系统，包括雾滴获取介质1，感染区识别编码模块以及沉积特性分析模块8，其中，所述感染区识别编码模块包括传送装置、第一传感器4、第二传感器5、控制电路板6以及数据输出接口9；

所述传送装置，用于将所述雾滴获取介质1按照预先设定的路径进行传送；

所述第一传感器4和所述第二传感器5，用于在所述传送装置传送所述雾滴获取介质1的过程中分别对所述雾滴获取介质1中的标记试剂进行识别；当棉线感染区经过第一传感器4和所述第二传感器5时，传感器输出电平发生转变，如当无感染区经过传感器时，传感器输出低电平信号；当有感染区经过传感器时，传感器输出高电平信号。其中，第一传感器4和所述第二传感器5可以选取色标传感器，如选取德国西克公司传感器KT3，该传感器可对识别色自学习，对比度较低时，依然能准确读取，通过设置KT3，使其能够在有红色经过其感应区域时输出高电平信号，否则输出低电平信号。

所述控制电路板6，分别与所述第一传感器4和所述第二传感器5连接，用于根据所述第一传感器4和所述第二传感器5输出的电平信号确定所述标记试剂在所述雾滴获取介质1中的分布信息；其中，控制电路板的核心器件可以基于微控制芯片ATmega128A设计。

所述数据输出接口9，与所述控制电路板6连接，用于将所述控制电路板6得到的分布信息进行输出。例如，可以选用基于Max3232芯片设计完成的串行通信接口RS232与沉积特性分析模块8相连

其中，所述传送装置包括依次设置的导线槽2、滑轮3以及自动绕线器7，所述导线槽2用于引导所述雾滴获取介质1进入所述感染区识别编码模块，所述滑轮3用于引导将所述雾滴获取介质1以便所述雾滴获取介质1按照预先设定的路径进行传送，所述自动绕线器7用于为所述雾滴获取介质1提供传送动力。此外，导线槽2还可以对棉线1产生阻力，以使棉线在感染区识别编码模块内部保持一定张力，便于传感器读取。

其中，所述自动绕线器包括电动马达和绕线轮，所述绕线轮设置在所述电动马达的输出端上。当启动系统电源后，绕线轮在驱动马达带动下转动，棉线在绕线轮的带动下分别经过两个识别传感器绕制到绕线轮上。

优选地，所述控制电路板包括采样控制器和编码控制器；

所述采样控制器用于以预设的周期读取所述第一传感器和所述第二传感器的电平信号，并将所述读取的电平信号发送所述编码控制器；采样控制器可以以预设的周期T读取第一传感器和第二传感器的电平信号，并将其发送给编码控制器，周期T的大小可以根据绕线盘转速、识别传感器响应时间、系统雾滴识别精度等进行设定，此外，还通过可以减小周期T、绕线盘转速以及第一传感器和第二传感器的传感器响应时间的方式减小系统雾滴识别直径，从而提高系统的识别精度。

所述编码控制器，与所述所述采样控制器连接，用于对所述第一传感器和所述第二传感器的电平信号进行编码。编码控制器对第一传感器和第二传感器的输出信号进行分别编码，并与采样控制器保持同步输出到数据输出接口。例如，可以采用8位十六进制字节对两个传感器信号进行编码，可以设定第一传感器的高四位为1，第二传感器的高四位为2，第一传感器的高电平信号表示为0x11，第一传感器的低电平信号表示为0x10，第二传感器的高电平信号表示为0x21，第二传感器的低电平信号表示为0x20。这样，经过编码器编码后，当有雾滴感染的棉线经过识别编码模块后，数据输出接口将输出由0x10、0x11、0x20、0x21等十六进制字符组成的字符数据流。

其中，沉积特性分析模块8实时接收并存储感染区识别编码模块输出字符数据流，待棉线全部识别读取完毕后，启动沉积特性分析功能，对字符数据流进行分析并形成沉积特性曲线，具体包括：

将所述编码控制器编码得到的数据流进行拆分，得到第一传感器的数据流和第二传感器的数据流；按照所述雾滴获取介质的长度对所述第一传感器的数据流和所述第二传感器的数据流进行时段划分；在所述划分得到的任意时段内选取特征码片，计算所述特征码片在所述第一传感器的数据流和所述第二传感器的数据流中的出现时间差；根据所述第一传感器与所述第二传感器之间的间距、所述出现时间差计算所述雾滴获取介质的传送速度；根据所述传送速度计算雾滴在所述雾滴获取介质上的分布。

本发明实施方式提供的一种航空施药雾滴沉积特性分析系统，首先，在飞机喷洒药液中加入一定量的荧光试剂或色剂。药液中荧光剂浓度或色剂浓度与可以根据该系统中的传感器的区分精度进行确定，色剂颜色也可以根据传感器的类型进行选定。其中，若选取的标记试剂为荧光试剂，荧光试剂在药液中的浓度应大于4倍的该系统中传感器的最小区分精度。若选取的标记试剂为色剂，色剂在药液中的浓度选择以棉线上的沉积雾滴有明显视觉色差为准，例如，可选取若丹明B作为标记试剂，该标记试剂使药液呈鲜红色。

而后，按照沉积特性监测需求，在与飞机航道平行的位置放置两条棉线，长10m，垂直于飞机航道方向放置五条棉线。棉线两端由两个三角支架支撑，距离地面1m高度，并用若丹明B溶液在棉线两头的三角支架支点正上方做宽3cm的标记点（标记点一般以宽度大于2cm的感染区作为标识）。红色标记点外侧留有1m长度的棉线。分别设定每根棉线的一个端点为“零点”，用GPS定位仪标记其实际GPS位置以及飞机航道的位置。

飞机喷施过后，将棉线的零点端穿过该系统的导线槽1、滑轮3、第一传感器4和第二传感器5后固定到自动绕线器7的绕线轮上，并将感染区识别编码模块与沉积特性分析模块8通过RS232数据线连接，然后启动系统。当每根棉线分别识读完毕后，启动沉积特性分析功能进行沉积特性分析。系统利用数据统计的方式，统计分析距离棉线标记“零点”不同距离段内雾滴沉积粒径大小、粒径沉积线密度、线覆盖率。

具体地，沉积特性分析步骤如下：

A、按照传感器标识位，将字符数据流拆分为第一传感器的数据流和第二传感器的数据流。

B、按照棉线长度，将第一传感器的数据流和第二传感器的数据流分为几个区间段，设定同一时间段内棉线移动速度为恒定值。其中，可以增多区间段划分数量，从而可以提高沉积特性分析模块分析精度。

C、在每个时间段内选取特征码片，计算该特征码片在第一传感器的数据流和第二传感器的数据流中的出现时间差Δt。设两个识别传感器间距为d，则棉绳在对应时间段的移动速度为v=d/Δt。

D、由于编码控制器编码时间非常小，可以忽略不计，则字符流的字符变换可以认为与识别传感器的电平变换同步。如若再忽略识别传感器非常小的响应时间，则字符变换与识别传感器识别区棉绳是否感染相一致，即当识别传感器识别区的棉绳有雾滴感染，则字符数据流字符为高电平信号编码，反之为低电平信号编码。因采样控制器以一定周期T读取识别传感器，则字符数据流字符间隔同样为时间T。字符数据流实际是以时间T间隔的高低电平信号序列。若通过步骤C计算出每段的棉线移动速度v，则字符数据流转换为以（v×T）为距离间隔的高低电平信号序列，而高低电平反应棉绳段是否有雾滴沉降。高低电平信号分布反映雾滴沉降特性。例如，若两个色标传感器间距为20cm，读取周期为1ms。按照传感器标识位，将字符数据流拆分为第一传感器的数据流和第二传感器的数据流。其中，该两个数据流的高低电平序列应完全一致，区别在于第二传感器的电平信号出现的较第一传感器4要迟。图2是截取的第一传感器的数据流片段，图3是截取的相同时段的第二传感器的数据流片段，对于图2所示的数据流片段选取“11 11 11 10 10 10 10 10 10 10 10 11 11 11 11 11 11 11 11 11 11”作为特征码片，则图3中与该特征码片对应的码片为“21 21 21 20 20 2020 20 20 20 20 21 21 21 21 21 21 21 21 21 21”，计算上述两个码片的出现时间差，例如，该出现时间差为20s，则即可计算出当前棉线的移动速度为v=20cm/20s=1cm/s，则可以计算得出该段棉绳的上的雾滴分布，以图2中码流片段“11 11 11 10 10 10 10 10 10 10 10 11 11 11 11 11 11 1111 11 11 10 10 10 10 10 11 11 11 11 10 10”为例，在该段1cm/s*1ms*32=0.32mm的区间上，其中沾染3个区间，区间大小分别为1cm/s*1ms*2=0.02mm、1cm/s*1ms*8=0.16mm、1cm/s*1ms*3=0.03mm。不同的棉绳，根据其纤维材质等具有一定的扩散系数，假设该种棉绳的扩散系数为0.7，则可以推算出该段区间共沉积三个雾滴，雾滴粒径分别为0.014mm、0.112mm、0.021mm。该段区间的粒径沉积线密度3个/0.32mm=9.375个/mm，线覆盖率为（0.02mm+0.16mm+0.03mm）/0.32mm=65.625%。

本发明实施方式提供的航空施药雾滴沉积特性分析系统，在航空喷洒药液中加入标记试剂，并通过雾滴获取介质中的标记试剂对航空施药雾滴沉降特性进行分析，弥补了传统水敏纸等方式的不足，其操作简单，能够有效提高航空施药雾滴沉降特性分析的效率，降低其操作的复杂性。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (8)

1.一种航空施药雾滴沉积特性分析系统，其特征在于，包括雾滴获取介质、感染区识别编码模块以及沉积特性分析模块；

所述雾滴获取介质，用于捕获航空施药喷洒的雾滴，所述雾滴中混有标记试剂；

所述感染区识别编码模块，用于对所述雾滴获取介质中的标记试剂进行识别，并确定所述标记试剂在所述雾滴获取介质中的分布信息；

所述沉积特性分析模块，与所述感染区识别编码模块连接，用于根据所述分布信息对航空施药雾滴沉降特性进行分析。

2.根据权利要求1所述的航空施药雾滴沉积特性分析系统，其特征在于，所述雾滴获取介质为棉线，所述棉线的直径为0.2-0.5mm。

3.根据权利要求1所述的航空施药雾滴沉积特性分析系统，其特征在于，所述标记试剂为荧光试剂或者色剂。

4.根据权利要求1所述的航空施药雾滴沉积特性分析系统，其特征在于，所述感染区识别编码模块包括传送装置、第一传感器、第二传感器、控制电路板以及数据输出接口；

所述传送装置，用于将所述雾滴获取介质按照预先设定的路径进行传送；

所述第一传感器和所述第二传感器，用于在所述传送装置传送所述雾滴获取介质的过程中分别对所述雾滴获取介质中的标记试剂进行识别；

所述控制电路板，分别与所述第一传感器和所述第二传感器连接，用于根据所述第一传感器和所述第二传感器输出的电平信号确定所述标记试剂在所述雾滴获取介质中的分布信息；

所述数据输出接口，与所述控制电路板连接，用于将所述控制电路板得到的分布信息进行输出。

5.根据权利要求4所述的航空施药雾滴沉积特性分析系统，其特征在于，所述传送装置包括依次设置的导线槽、滑轮以及自动绕线器，所述导线槽用于引导所述雾滴获取介质进入所述感染区识别编码模块，所述滑轮用于引导将所述雾滴获取介质以便所述雾滴获取介质按照预先设定的路径进行传送，所述自动绕线器用于为所述雾滴获取介质提供传送动力。

6.根据权利要求5所述的航空施药雾滴沉积特性分析系统，其特征在于，所述自动绕线器包括电动马达和绕线轮，所述绕线轮设置在所述电动马达的输出端上。

7.根据权利要求4所述的航空施药雾滴沉积特性分析系统，其特征在于，所述控制电路板包括采样控制器和编码控制器；

所述采样控制器用于以预设的周期读取所述第一传感器和所述第二传感器的电平信号，并将所述读取的电平信号发送所述编码控制器；

所述编码控制器，与所述所述采样控制器连接，用于对所述第一传感器和所述第二传感器的电平信号进行编码。

8.根据权利要求7所述的航空施药雾滴沉积特性分析系统，其特征在于，所述沉积特性分析模块根据所述分布信息对航空施药雾滴沉降特性进行分析包括：

将所述编码控制器编码得到的数据流进行拆分，得到第一传感器的数据流和第二传感器的数据流；

按照所述雾滴获取介质的长度对所述第一传感器的数据流和所述第二传感器的数据流进行时段划分；

在所述划分得到的任意时段内选取特征码片，计算所述特征码片在所述第一传感器的数据流和所述第二传感器的数据流中的出现时间差；

根据所述第一传感器与所述第二传感器之间的间距、所述出现时间差计算所述雾滴获取介质的传送速度；

根据所述传送速度计算雾滴在所述雾滴获取介质上的分布。

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