CN106996766A - 一种飞机喷洒状态监测装置及飞机施药作业面积计量系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种飞机喷洒状态监测装置及飞机施药作业面积计量系统，所述飞机喷洒状态监测装置包括：喷洒状态监测单元、全球卫星导航系统GNSS、高度测量单元、机载监管控制单元和机载显示单元；所述机载显示单元，与所述喷洒状态监测单元、所述全球卫星导航系统GNSS、所述高度测量单元和所述机载监管控制单元分别连接，用于显示所述喷洒状态监测单元采集的喷洒状态监测数据、所述GNSS采集的飞机作业的位置、速度、航向及飞行高度数据、所述高度测量单元采集的喷杆与地面植物冠层的距离数据、与不同的时间节点对应的飞机施药作业状态数据。本发明提供的飞机喷洒状态监测装置，能够有效监测飞机作业过程中的喷洒状态。

Description

一种飞机喷洒状态监测装置及飞机施药作业面积计量系统

技术领域

本发明涉及农业技术领域，具体涉及一种飞机喷洒状态监测装置及飞机施药作业面积计量系统。

背景技术

目前我国农业飞机施药作业大多是通过直升机或固定翼飞机进行作业，在大面积的作业过程中，飞行员面临参照物少等问题，致使在作业过程中产生重复作业或者漏掉某些地块，导致作业效果受到影响，在飞机施药作业结束后也无法获知实际的作业效果以及作业量。只能以地勤人员所记录的飞机飞行架次与添加的药量作为本次作业效果的参考，增加了作业效果的不确定性。

农业飞机施药作业过程中面临着作业状况难以监管、实际作业量难以统计等问题。通过地勤人员的飞机飞行统计数据也仅仅能确定飞机是否进行过作业，但是飞机的具体作业位置、有无重复作业、有无漏掉作业区域等信息仍然无法获知，特别是经过鱼塘、桑树林等敏感区域时，喷洒农药将给养殖户带来重大经济损失。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明提供了一种飞机喷洒状态监测装置及飞机施药作业面积计量系统，本发明能够有效监测飞机作业过程中的喷洒状态。

具体地，本发明提供了以下技术方案：

第一方面，本发明提供了一种飞机喷洒状态监测装置，用于监测飞机上的喷洒设备的喷洒状态，所述飞机喷洒状态监测装置包括：喷洒状态监测单元、全球卫星导航系统GNSS、高度测量单元、机载监管控制单元和机载显示单元；

其中，所述飞机施药喷洒状态监测装置安装在所述喷洒设备上，所述喷洒设备包括一预设长度的喷杆、为所述喷杆供水的水泵以及均匀分布于所述喷杆上的多个喷头；其中，所述喷杆与地面平行设置，所述喷杆的延伸方向与飞机的飞行方向垂直；

所述喷洒状态监测单元，包括压力传感器和流量传感器，所述压力传感器设置在所述喷杆靠近喷头的位置，所述流量传感器设置在所述喷杆的入水口位置；所述GNSS安装在所述喷杆上，用于周期性获取飞机作业的位置、速度、航向及飞行高度数据；所述高度测量单元安装在所述喷杆上，用于测量所述喷杆与地面植物冠层的距离，且高度测量单元需竖直向下安装；

所述机载监管控制单元，包括外置设备接口、数据处理模块、数据存储模块和网络通信模块；

所述外置设备接口，用于接收所述喷洒状态监测单元采集的喷洒状态监测数据、所述GNSS采集的飞机作业的位置、速度、航向及飞行高度数据以及所述高度测量单元采集的喷杆与地面植物冠层的距离数据；

所述数据处理模块，用于读取所述外置设备接口接收的数据，并将位于同一时间节点的喷洒状态监测数据、飞机作业的位置、速度、航向及飞行高度数据以及喷杆与地面植物冠层的距离数据组合为一组飞机施药作业状态数据，同时将组合得到的每组飞机施药作业状态数据按时间节点划分依次存入到数据存储模块中；

所述数据存储模块，用于将对所述数据处理模块处理后的飞机施药作业状态数据、所述喷洒状态监测单元、所述高度测量单元和所述GNSS采集的实时数据进行存储；

所述网络通信模块，用于将所述数据存储模块存储的飞机施药作业状态数据、所述喷洒状态监测单元、所述高度测量单元和所述GNSS采集的实时数据发送至预设服务器；

所述机载显示单元，与所述机载监管控制单元相连，用于显示所述高度测量单元采集的喷杆与地面植物冠层的相对距离数据。

进一步地，所述飞机喷洒状态监测装置还包括：速度检测单元；

所述速度检测单元，用于检测飞机的飞行速度，并将检测到的飞行速度数据发送至预设服务器。

进一步地，所述数据存储模块采用SD卡存储器实现，所述SD卡存储器的容量大于或等于64G。

第二方面，本发明还提供了一种飞机施药作业面积计量系统，包括：服务器以及至少一个如上面所述的飞机喷洒状态监测装置；

所述飞机喷洒状态监测装置安装在执行施药任务的飞机上；

所述服务器接收所述飞机喷洒状态监测装置发送的飞机施药作业状态数据以及喷洒状态监测数据、高度测量数据和GNSS采集的实时数据；

所述服务器包括第一计算模块和/或第二计算模块；

其中，所述第一计算模块用于计算飞机在喷洒过程中的作业面积，以供相关工作人员参考；

所述第一计算模块，具体用于根据以下公式一计算飞机在喷洒过程中的作业面积：

其中，sp_k表示第k个采集时刻飞机的喷洒状态，未喷洒时sp_k为0，正常喷洒时sp_k为1；S_k表示第k个采集间隔内的喷洒面积；V_k表示第k个采集时刻飞机的速度；Δt表示采集时间间隔；F_k表示第k个采集时刻的喷幅；n表示飞机施药过程中共有n个采样时刻；

其中，所述第二计算模块用于计算飞机在喷洒过程中的作业面积，以供相关工作人员参考；

所述第二计算模块，具体用于根据以下公式二计算飞机在喷洒过程中的作业面积：

其中，sp_k表示第k个采集时刻飞机的喷洒状态，未喷洒时sp_k为0，正常喷洒时sp_k为1；F_k表示第k个采集时刻的喷幅；n表示飞机施药过程中共有n个采样时刻；lat_k表示第k时刻飞机所处的经度信息，lat_k-1表示第k-1时刻飞机所处的经度信息；lon_k表示第k时刻飞机所处的纬度信息，lon_k-1表示第k-1时刻飞机所处的纬度信息。

进一步地，所述服务器还包括：第三计算模块以及选择模块；

所述第三计算模块，用于根据所述飞机喷洒状态监测装置发送的飞机速度数据计算飞机的速度波动变化量是否超过预设临界值，并在确定飞机的速度波动变化量超过预设临界值时，向所述选择模块发送触发信号，以使所述选择模块选择第二计算模块计算飞机在喷洒过程中的作业面积；

所述选择模块，用于在接收到所述速度检测单元发送的触发信号后，选择第二计算模块计算飞机在喷洒过程中的作业面积；

其中，所述选择模块还用于在未接收到所述速度检测单元发送的触发信号时，选择第一计算模块计算飞机在喷洒过程中的作业面积；

其中，飞机的速度波动变化量D(v)通过以下公式三获取：

其中，v_k表示第k个采样时刻飞机的速度，v_m表示第m个采样时刻飞机的速度，n表示飞机施药过程中共有n个采样时刻。

进一步地，第一计算模块或第二计算模块在确定第k个采集时刻飞机的喷洒状态sp_k时用于根据以下公式四以及对应的判断策略进行确定：

若M₁为真，则表示飞机处于正常的喷洒状态，sp_k为1；

若M₂为真，则表示喷洒状态异常，飞机未处于正常作业的飞行状态，sp_k为0；

若M₃为真，则表示喷洒状态异常，喷头出现漏水或压力传感器出现问题，sp_k为0；

若M₄为真，则表示喷洒状态异常，喷头出现堵塞或流量传感器出现异常，sp_k为0；

其中，P_k表示第k个采集时刻压力传感器采集的喷洒压力，P_o表示压力传感器的开启阈值；r_k表示第k个采集时刻流量传感器采集的喷洒流量，R₀表示流量传感器的开启阈值；V_k表示第k个采集时刻GNSS采集的飞行速度，V_o表示飞行速度阈值。

进一步地，第一计算模块或第二计算模块在判断出第k个采集时刻飞机的喷洒状态sp_k异常时，根据M₂、M₃、M₄的真假结果向机载显示单元发送喷洒状态出现异常的原因，以供机载显示单元将喷洒状态出现异常的原因进行显示；

其中，喷洒状态出现异常的原因包括飞机未处于正常作业的飞行状态、喷头出现漏水或压力传感器出现问题、喷头出现堵塞或流量传感器出现异常。

进一步地，所述喷幅F_k与喷杆长度L、喷头类型s、喷杆与地面植物冠层的距离h_k、喷洒压力P_k和喷洒流量r_k有关，即F_k＝f(L,s,h_k,p_k,r_k)；

其中，在获取喷幅F_k时，先获取喷头类型s，然后在与该喷头类型s对应的数据库中查找与获取的喷洒压力P_k、喷洒流量r_k、喷杆与地面植物冠层的距离h_k对应的喷洒幅度F_k1，然后根据查找得到的喷洒幅度F_k1和喷杆长度L获取喷幅F_k；

其中，预先建立与多种预设类型喷头一一对应的数据库，每个数据库中存储有对应类型的喷头在不同的喷洒压力P_k、不同的喷洒流量r_k、不同的喷杆与地面植物冠层的距离h_k下对应的喷洒幅度F_k1。

进一步地，所述服务器还包括：实时监控模块、作业回放模块、任务统计模块和任务管理模块；

所述实时监控模块，用于实时监控正在作业的目标作业飞机的各项作业数据；所述各项作业数据包括安装在目标作业飞机上的飞机喷洒状态监测装置获取的喷洒状态监测数据、飞机作业的位置、速度、航向及飞行高度数据以及喷杆与地面植物冠层的距离数据；

所述作业回放模块，用于查看某一预设时间段内指定飞机的施药作业状态，进行施药作业状态回放；

所述任务统计模块，用于当每一架次的飞机作业结束之后，自动计算每一架次飞机的作业面积，以及当整个作业周期结束后，自动计算出整个作业周期的作业面积，并根据需要生成电子版飞机施药作业情况报告；

所述任务管理模块，用于添加作业任务及任务使用的飞机编号与设备编号。

由上述技术方案可知，本发明提供的飞机喷洒状态监测装置，能够获取飞机施药作业过程中的多项直观有效的喷洒数据，包含喷洒量、喷洒压力、植保飞机距离冠层高度与飞行位置等信息，解决了以往植保作业过程中作业相关数据难以获取的困难。此外，根据本发明提供的飞机喷洒状态监测装置获取的相关参数信息可以进一步判断飞机的作业状态情况，形成有效的评价结论，协助飞机作业人员更好地完成喷洒作业。本发明提供的飞机施药作业面积计量系统，可以有效计算飞机的作业面积，进而为飞机作业质量评价提供参考。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明一实施例提供的飞机喷洒状态监测装置的一种结构示意图；

图2是本发明一实施例提供的飞机喷洒状态监测装置的安装示意图；

图3是本发明一实施例提供的机载监管控制单元400的结构示意图；

图4是本发明一实施例提供的飞机喷洒状态监测装置的另一种结构示意图；

图5是本发明另一实施例提供的飞机施药作业面积计量系统的结构示意图；

图6是本发明另一实施例提供的服务器的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1示出了本发明一实施例提供的飞机喷洒状态监测装置的结构示意图。参见图1所示，本发明一实施例提供的飞机喷洒状态监测装置，用于监测飞机上的喷洒设备的喷洒状态，该飞机喷洒状态监测装置包括：喷洒状态监测单元100、全球卫星导航系统GNSS 200、高度测量单元300、机载监管控制单元400和机载显示单元500；

其中，所述飞机施药喷洒状态监测装置安装在飞机上的喷洒设备上，参见图2，所述喷洒设备包括一预设长度的喷杆、为所述喷杆供水的水泵以及均匀分布于所述喷杆上的多个喷头；其中，所述喷杆与地面平行设置，所述喷杆的延伸方向与飞机的飞行方向垂直；

可以理解的是，由于喷杆上喷头分布的数量越多，飞机单位时间内作业的面积也越广，因此在实际使用时，可根据需要设置喷头的数量。

所述喷洒状态监测单元100，包括压力传感器和流量传感器，所述压力传感器设置在所述喷杆靠近喷头的位置，所述流量传感器设置在所述喷杆的入水口位置；所述全球卫星导航系统GNSS 200安装在所述喷杆上，用于周期性获取飞机作业的位置、速度、航向及飞行高度数据；所述高度测量单元300安装在所述喷杆上，用于测量所述喷杆与地面植物冠层的距离，且高度测量单元300需竖直向下安装；

参见图2，(1-1)表示水泵；(1-2)表示喷杆；(1-3)表示喷头；(1-4)表示喷洒效果示意图；(3-1)表示压力传感器；(3-2)表示流量传感器；(4)表示GNSS；(5)表示高度测量单元200；从图2中可以看出，压力传感器(3-1)安装在喷杆上，与任意喷头(1-3)位置相近。喷洒压力的大小直接影响喷头的喷洒流量，该传感器测量到的压力信息可认为是当前喷头的喷洒压力，喷洒压力的变化可直接用于判断水泵是否处于开启状态，当水泵(1-1)开启时，压力传感器(3-1)的压力数据将迅速升高，当水泵(1-1)关闭时，压力传感器(3-1)的压力数据将迅速降低，根据压力传感器的状态变化，可作为判断飞机是否处于作业状态的条件之一。此外还可用于辅助判断当前水泵的输出端水压与喷头的流量信息。除此之外，喷洒管路中的压力信息是判断作业状态的重要信息之一，

流量传感器(3-2)安装在喷杆(1-2)的入水口处，用于实时计量当前的喷洒流量信息。通过该传感器的流量信息可直观的反映出当前喷洒状态，可用于判断喷洒装置是否开启、何时开启、何时关闭，可作为判断飞机是否处于作业状态的条件之一。除此之外，流量传感器(3-2)在飞机施药过程中的实时流量信息用于计算实时的喷洒浓度信息，作业累计流量信息可用于计算每个架次总的喷洒量信息及整个作业区域的施药量与喷洒浓度信息。

可以理解的是，本发明实施例利用所述高度测量单元300进行飞机施药作业有效作业高度的判断。所述高度测量单元300获取飞机在作业时距离植物冠层的高度，便于进一步计算作业的幅宽与作业的有效性判断，同时能够实时显示给飞行员，供飞行员调整作业高度。

在一种可选实施方式中，高度测量单元300采用激光测距的方法获取飞机在作业时距离植物冠层的高度。对于采用激光测距的高度测量单元，在安装时必须使激光光束在飞机飞行时处于垂直向下的方向，保证获取到喷杆距离植物冠层的相对高度h。由于飞机的飞行高度直接影响喷洒装置的作业幅宽与喷洒的有效性，喷头喷洒出的药液以扇形角度喷出，如图2中喷洒效果示意图(1-4)所示，当喷头距离作物冠层越近(如H1)时，其扇面角所覆盖到的范围约小，距离越远(如H2)时，覆盖的范围越大。由于喷洒出的药液雾滴非常微小，当喷洒装置距离作物冠层较远时，增加药液在空中的时间，其蒸发量将大幅度增加，且覆盖面积同时增大，落到作物上的药量将大幅度变小，药效降低，对喷洒作业的有效性产生直接影响，因此测量到的高度数据可用于估算喷洒装置的喷幅，同时可作为判断作业有效性的标志之一。此外，农业与林业对于作业时的飞机飞行高度均有不同要求，同一领域内不同的作物及同一作物不同生长阶段，对于飞机的作业高度要求也不尽相同，高度测量装置所测得高度数据可直接供飞行员查看，使飞行员能够及时调整作业高度。

在本实施例中，GNSS代表全球卫星定位系统，其能够以固定的时间间隔输出第k个时间段飞机植保作业的位置(经度lat_k，纬度lon_k)、速度V_k、航向、海拔高度等数据，将相关数据绘制在地图上，生成飞机的飞行轨迹路线，同时将获取到的喷洒状态信息与飞行轨迹路线结合，将处于不同状态下的路线以不同的颜色线条区分开来，即可在地图上清晰的看到当前的作业情况。

参见图3，所述机载监管控制单元400，包括外置设备接口401、数据处理模块402、数据存储模块403和网络通信模块404；

所述外置设备接口401，用于接收所述喷洒状态监测单元采集的喷洒状态监测数据、所述GNSS采集的飞机作业的位置、速度、航向及飞行高度数据以及所述高度测量单元采集的喷杆与地面植物冠层的距离数据；

所述数据处理模块402，用于读取所述外置设备接口接收的数据，并将位于同一时间节点的喷洒状态监测数据、飞机作业的位置、速度、航向及飞行高度数据以及喷杆与地面植物冠层的距离数据组合为一组飞机施药作业状态数据，同时将组合得到的每组飞机施药作业状态数据按时间节点划分依次存入到数据存储模块中；

可见，所述数据处理模块402将位于同一时间节点的喷洒状态监测数据、飞机作业的位置、速度、航向及飞行高度数据以及喷杆与地面植物冠层的距离数据组合为一组飞机施药作业状态数据，可供工作人员时刻了解飞机当前的作业状态，进而方便工作人员及时了解到是否存在漏作业、重复作业、无效作业(如飞机飞出预设作业区域、喷杆距离植物冠层过远、喷头损坏等)或作业效率低(如喷头漏水造成的作业效率下)的问题。可见，本发明实施例通过多参数结合判断飞机的作业状态情况，可以协助飞机上的工作人员更加准确地判断飞机是否处于作业状态，以及飞机的作业效果如何，进而保证喷洒作业状态的准确性。

所述数据存储模块403，用于将对所述数据处理模块处理后的飞机施药作业状态数据、所述喷洒状态监测单元、所述高度测量单元和所述GNSS采集的实时数据进行存储；

所述网络通信模块404，用于将所述数据存储模块存储的飞机施药作业状态数据、所述喷洒状态监测单元、所述高度测量单元和所述GNSS采集的实时数据发送至预设服务器；可见，本发明实施例通过网络通信模块向预设服务器发送获取的状态信息，以供备份或供预设服务器进行相关数据分析。

所述机载显示单元500，与所述机载监管控制单元400相连，用于显示所述高度测量单元300采集的喷杆与地面植物冠层的相对距离数据。

由上面描述可知，本发明实施例提供的飞机喷洒状态监测装置，能够获取飞机施药作业过程中的多项直观有效的喷洒数据，包含喷洒量、喷洒压力、植保飞机距离冠层高度与飞行位置等信息，解决了以往植保作业过程中作业相关数据难以获取的困难。此外，根据本发明提供的飞机喷洒状态监测装置获取的相关参数信息可以进一步判断飞机的作业状态情况，形成有效的评价结论，协助飞机作业人员更好地完成喷洒作业。本发明提供的飞机施药作业面积计量系统，可以有效计算飞机的作业面积，进而为飞机作业质量评价提供参考。

在一种可选实施方式中，参见图4，所述飞机喷洒状态监测装置还包括：速度检测单元600；

所述速度检测单元600，用于检测飞机的飞行速度，并将检测到的飞行速度数据发送至预设服务器。

在一种可选实施方式中，所述数据存储模块403采用SD卡存储器实现，所述SD卡存储器的容量大于或等于64G，这样可以满足一架飞机连续作业一年的数据保存量，以保证飞机作业数据不丢失。

本发明另一实施例提供了一种飞机施药作业面积计量系统，参见图5，该系统包括：服务器以及至少一个如上面实施例所述的飞机喷洒状态监测装置；例如，一个服务器管理1～10个飞机喷洒状态监测装置，一般情况下，一架飞机上设置有一个飞机喷洒状态监测装置。

所述飞机喷洒状态监测装置安装在执行施药任务的飞机上；

所述服务器接收所述飞机喷洒状态监测装置发送的飞机施药作业状态数据、喷洒状态监测数据、高度测量数据和GNSS采集的实时数据；所述高度测量数据包括喷杆与地面植物冠层的距离数据；所述

GNSS采集的实时数据包括飞机作业的位置、速度、航向及飞行高度数据；

参见图6，所述服务器包括第一计算模块和/或第二计算模块；

其中，所述第一计算模块用于计算飞机在喷洒过程中的作业面积，以供相关工作人员参考；

所述第一计算模块，具体用于根据以下公式一计算飞机在喷洒过程中的作业面积：

其中，sp_k表示第k个采集时刻飞机的喷洒状态，未喷洒时sp_k为0，正常喷洒时sp_k为1；S_k表示第k个采集间隔内的喷洒面积；V_k表示第k个采集时刻飞机的速度；Δt表示采集时间间隔；F_k表示第k个采集时刻的喷幅；n表示飞机施药过程中共有n个采样时刻；

从上面描述可知，第一计算模块采用动态速度积分法获取飞机在喷洒过程中的作业面积。具体地，第一计算模块利用飞机采集到的速度信息V_k与采集时间间隔Δt计算出飞行距离，然后与喷幅F_k表相乘，得到对应采集时间间隔内的喷洒面积S_k，最后再将多个采样间隔内的喷洒面积进行叠加，得到总的作业面积。本实施例提供的动态速度积分法适用于飞机作业飞行速度较为稳定的状态，匀速飞行时，其理论计算结果与实际喷洒面积相同。

其中，所述第二计算模块用于计算飞机在喷洒过程中的作业面积，以供相关工作人员参考；

所述第二计算模块，具体用于根据以下公式二计算飞机在喷洒过程中的作业面积：

其中，sp_k表示第k个采集时刻飞机的喷洒状态，未喷洒时sp_k为0，正常喷洒时sp_k为1；F_k表示第k个采集时刻的喷幅；n表示飞机施药过程中共有n个采样时刻；lat_k表示第k时刻飞机所处的经度信息，lat_k-1表示第k-1时刻飞机所处的经度信息；lon_k表示第k时刻飞机所处的纬度信息，lon_k-1表示第k-1时刻飞机所处的纬度信息。

从上面描述可知，第二计算模块采用静态路线计算法获取飞机在喷洒过程中的作业面积。具体地，第二计算模块利用GNSS获取到的经度lat_k、lat_k-1与纬度lon_k、lon_k-1，计算第k时刻与k-1时刻的经纬度信息计算出两点之间的距离，通过距离长度与第k时刻的喷幅F_k的乘积计算出Δt时间间隔内的喷洒面积。静态路线计算法适用于直行路线，两次采集时刻的飞行路线弧度越小，采用该方法计算所得的喷洒面积越准确，直线飞行时理论计算结果与实际喷洒面积一致。

从上面两种作业面积计算方式可以看出，根据接收到的喷洒状态、飞机的飞行位置、飞行速度等信息，可以按照飞行架次、飞行时间等条件统计出植保作业面积，并最终计算出整个作业过程中总的作业量。进一步地，还可以生成飞机施药作业情况报告。例如，每一个作业周期结束之后，可生成飞机施药作业情况报告，包含作业面积、作业时长、作业里程等信息，使工作人员系统的了解整个喷洒作业过程。

在一种可选实施方式中，所述服务器还包括：第三计算模块以及选择模块；

所述第三计算模块，用于根据所述飞机喷洒状态监测装置发送的飞机速度数据计算飞机的速度波动变化量是否超过预设临界值，并在确定飞机的速度波动变化量超过预设临界值时，向所述选择模块发送触发信号，以使所述选择模块选择第二计算模块计算飞机在喷洒过程中的作业面积；

所述选择模块，用于在接收到所述速度检测单元发送的触发信号后，选择第二计算模块计算飞机在喷洒过程中的作业面积；

其中，所述选择模块还用于在未接收到所述速度检测单元发送的触发信号时，选择第一计算模块计算飞机在喷洒过程中的作业面积；

其中，飞机的速度波动变化量D(v)通过以下公式三获取：

其中，v_k表示第k个采样时刻飞机的速度，v_m表示第m个采样时刻飞机的速度，n表示飞机施药过程中共有n个采样时刻。

可以理解的是，飞机在大面积作业时，其飞行状态一般相对稳定，飞行速度较为均匀，故优先第一计算模块，也即采用动态速度积分的方法计算喷洒面积。而当检测到速度波动变化量D(v)超过临界值时，则可以考虑采用第二计算模块，也即采用静态路线计算法计算喷洒面积。

可见，在本可选实施方式中，为了保证作业面积计量结果的准确性，设置了选择模块，以便根据飞机的飞行状态数据选择与该飞行状态对应的作业面积计算方法，以保证面积计量结果的准确性。

在一种可选实施方式中，第一计算模块或第二计算模块在确定第k个采集时刻飞机的喷洒状态sp_k时用于根据以下公式四以及对应的判断策略进行确定：

若M₁为真，则表示飞机处于正常的喷洒状态，sp_k为1；

若M₂为真，则表示喷洒状态异常，飞机未处于正常作业的飞行状态，sp_k为0；

若M₃为真，则表示喷洒状态异常，喷头出现漏水或压力传感器出现问题，sp_k为0；

若M₄为真，则表示喷洒状态异常，喷头出现堵塞或流量传感器出现异常，sp_k为0；

其中，P_k表示第k个采集时刻压力传感器采集的喷洒压力，P_o表示压力传感器的开启阈值；r_k表示第k个采集时刻流量传感器采集的喷洒流量，R₀表示流量传感器的开启阈值；V_k表示第k个采集时刻GNSS采集的飞行速度，V_o表示飞行速度阈值。

在一种可选实施方式中，第一计算模块或第二计算模块在判断出第k个采集时刻飞机的喷洒状态sp_k异常时，根据M₂、M₃、M₄的真假结果向机载显示单元发送喷洒状态出现异常的原因，以供机载显示单元将喷洒状态出现异常的原因进行显示；

其中，喷洒状态出现异常的原因包括飞机未处于正常作业的飞行状态、喷头出现漏水或压力传感器出现问题、喷头出现堵塞或流量传感器出现异常。

可以理解的是，飞机的喷洒幅度(简称喷幅)直接与飞机的作业量或作业面积相关。因此在计算飞机的作业面积时，首先需要知道飞机的喷幅。

在一种可选实施方式中，所述喷幅F_k与喷杆长度L、喷头类型s、喷杆与地面植物冠层的距离h_k、喷洒压力P_k和喷洒流量r_k有关，即F_k＝f(L,s,h_k,p_k,r_k)；

其中，在获取喷幅F_k时，先获取喷头类型s，然后在与该喷头类型s对应的数据库中查找与获取的喷洒压力P_k、喷洒流量r_k、喷杆与地面植物冠层的距离h_k对应的喷洒幅度F_k1，然后根据查找得到的喷洒幅度F_k1和喷杆长度L获取喷幅F_k；

可以理解的是，由于喷杆长度L与喷幅F_k成正比例的关系，因此可以将喷杆长度L与喷洒幅度F_k1相乘得到喷幅F_k。此外，也可以先获取喷杆上安装的喷头数量，然后根据喷头数量、喷头间距以及喷洒幅度F_k1计算喷幅F_k。例如，将喷洒幅度F_k1乘以喷头数量，然后再加上多个喷头间距即可得到喷幅F_k。

其中，预先建立与多种预设类型喷头一一对应的数据库，每个数据库中存储有对应类型的喷头在不同的喷洒压力P_k、不同的喷洒流量r_k、不同的喷杆与地面植物冠层的距离h_k下对应的喷洒幅度F_k1。

可以理解的是，预先通过大量实验，可以获取到多种常用型号的喷头的相关喷洒参数并保存于相关数据库中，然后结合机载监管控制单元获取到的实时喷洒压力、流量、喷杆与地面植物冠层的距离、喷杆长度等信息，得出作业飞机实时的有效作业喷幅，将有效作业喷幅用于作业面积计算。

在一种可选实施方式中，参见图6，所述服务器还包括：实时监控模块、作业回放模块、任务统计模块和任务管理模块；

所述实时监控模块，用于实时监控正在作业的目标作业飞机的各项作业数据；所述各项作业数据包括安装在目标作业飞机上的飞机喷洒状态监测装置获取的喷洒状态监测数据、飞机作业的位置、速度、航向及飞行高度数据以及喷杆与地面植物冠层的距离数据；

所述作业回放模块，用于查看某一预设时间段内指定飞机的施药作业状态，进行施药作业状态回放；

可以理解的是，所述作业回放模块可以将喷洒状态与飞机飞行轨迹相结合生成作业路线图，并以不同的颜色将作业区域与非作业区域区分开，以使工作人员能够直观有效的对漏喷的区域重新喷洒；

所述任务统计模块，用于当每一架次的飞机作业结束之后，自动计算每一架次飞机的作业面积，以及当整个作业周期结束后，自动计算出整个作业周期的作业面积，并根据需要生成电子版飞机施药作业情况报告；

所述任务管理模块，用于添加作业任务及任务使用的飞机编号与设备编号。

本发明实施例提供的所述服务器用于管理对应的飞机施药作业任。例如利用任务管理模块添加作业任务及任务使用的飞机编号与设备编号。在任务添加完成之后，当植保飞机处于作业状态时，通过实时监控模块可以实时监控当前作业的各项植保作业参数以及当前的作业位置区域，当植保飞机作业完成之后，其所有的相关数据均会保存下来，通过作业回放模块可查看某一时间段内指定飞机的作业状态，进行作业状态回放。此外，所述服务器还还具有任务统计功能，利用利用任务统计模块进行任务统计。例如当每一个架次的飞机作业结束之后，任务统计模块会自动计算出每一个架次的植保作业面积，当整个作业周期结束后，任务统计模块将自动计算出整个作业周期的作业面积，并根据需要生成电子版飞机施药作业情况报告。

根据上述描述可知，本发明提供的飞机喷洒状态监测装置以及飞机施药作业面积计量系统，能够协助工作人员实时查看到飞机在作业时的作业状态及作业区域，并在作业结束后完成作业面积等相关信息的统计，以便更好的完成农业飞机施药作业的各方面工作。具体地，本发明提供一种有效的喷洒状态检测方式，能够实时准确的判断飞机施药作业的当前的喷洒状态。此外，本发明获取飞机距离植物冠层的高度信息，作业过程中的飞行高度直接影响植保作业的效果，将距离冠层的高度数据实时展示给飞行驾驶员，协助其调整飞机的作业高度，并将数据打包发送到远程服务器。进一步地，本发明还提供一种有效的作业状态图，结合检测到的喷洒状态，使得飞机上的工作人员以及地面人员能够实时地看到当前飞机植保作业的状态、飞机的飞行轨迹，并且在植保作业完成之后，能够在地图上清晰的看到植保作业区域，供相关人员判断植保过程中是否存在重复作业或者未作业区域。进一步地，本发明还能够计算出在所有区域内单位面积上的喷洒量，协助工作人员调整药液或肥料等的喷洒浓度，进一步提高植保作业的有效性。进一步地，本发明还提供一种飞机施药作业量统计方法，能够及时有效的统计出每个架次的植保作业面积、作业时间、作业里程等，并在全部植保作业完成之后生成整个作业过程的报表，以提供比较全面的飞机施药作业报告。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种飞机喷洒状态监测装置，其特征在于，用于监测飞机上的喷洒设备的喷洒状态，所述飞机喷洒状态监测装置包括：喷洒状态监测单元、全球卫星导航系统GNSS、高度测量单元、机载监管控制单元和机载显示单元；

其中，所述飞机施药喷洒状态监测装置安装在所述喷洒设备上，所述喷洒设备包括一预设长度的喷杆、为所述喷杆供水的水泵以及均匀分布于所述喷杆上的多个喷头；其中，所述喷杆与地面平行设置，所述喷杆的延伸方向与飞机的飞行方向垂直；

所述喷洒状态监测单元，包括压力传感器和流量传感器，所述压力传感器设置在所述喷杆靠近喷头的位置，所述流量传感器设置在所述喷杆的入水口位置；所述GNSS安装在所述喷杆上，用于周期性获取飞机作业的位置、速度、航向及飞行高度数据；所述高度测量单元安装在所述喷杆上，用于测量所述喷杆与地面植物冠层的距离，且高度测量单元需竖直向下安装；

所述机载监管控制单元，包括外置设备接口、数据处理模块、数据存储模块和网络通信模块；

所述外置设备接口，用于接收所述喷洒状态监测单元采集的喷洒状态监测数据、所述GNSS采集的飞机作业的位置、速度、航向及飞行高度数据以及所述高度测量单元采集的喷杆与地面植物冠层的距离数据；

所述数据处理模块，用于读取所述外置设备接口接收的数据，并将位于同一时间节点的喷洒状态监测数据、飞机作业的位置、速度、航向及飞行高度数据以及喷杆与地面植物冠层的距离数据组合为一组飞机施药作业状态数据，同时将组合得到的每组飞机施药作业状态数据按时间节点划分依次存入到数据存储模块中；

所述数据存储模块，用于将对所述数据处理模块处理后的飞机施药作业状态数据、所述喷洒状态监测单元、所述高度测量单元和所述GNSS采集的实时数据进行存储；

所述网络通信模块，用于将所述数据存储模块存储的飞机施药作业状态数据、所述喷洒状态监测单元、所述高度测量单元和所述GNSS采集的实时数据发送至预设服务器；

所述机载显示单元，与所述机载监管控制单元相连，用于显示所述高度测量单元采集的喷杆与地面植物冠层的相对距离数据。

2.根据权利要求1所述的飞机喷洒状态监测装置，其特征在于，所述飞机喷洒状态监测装置还包括：速度检测单元；

所述速度检测单元，用于检测飞机的飞行速度，并将检测到的飞行速度数据发送至预设服务器。

3.根据权利要求1所述的飞机喷洒状态监测装置，其特征在于，所述数据存储模块采用SD卡存储器实现，所述SD卡存储器的容量大于或等于64G。

4.一种飞机施药作业面积计量系统，其特征在于，包括：服务器以及至少一个如权利要求1～3任一项所述的飞机喷洒状态监测装置；

所述飞机喷洒状态监测装置安装在执行施药任务的飞机上；

所述服务器接收所述飞机喷洒状态监测装置发送的飞机施药作业状态数据以及喷洒状态监测数据、高度测量数据和GNSS采集的实时数据；

所述服务器包括第一计算模块和/或第二计算模块；

其中，所述第一计算模块用于计算飞机在喷洒过程中的作业面积，以供相关工作人员参考；

所述第一计算模块，具体用于根据以下公式一计算飞机在喷洒过程中的作业面积：

其中，sp_k表示第k个采集时刻飞机的喷洒状态，未喷洒时sp_k为0，正常喷洒时sp_k为1；S_k表示第k个采集间隔内的喷洒面积；V_k表示第k个采集时刻飞机的速度；Δt表示采集时间间隔；F_k表示第k个采集时刻的喷幅；n表示飞机施药过程中共有n个采样时刻；

其中，所述第二计算模块用于计算飞机在喷洒过程中的作业面积，以供相关工作人员参考；

所述第二计算模块，具体用于根据以下公式二计算飞机在喷洒过程中的作业面积：

其中，sp_k表示第k个采集时刻飞机的喷洒状态，未喷洒时sp_k为0，正常喷洒时sp_k为1；F_k表示第k个采集时刻的喷幅；n表示飞机施药过程中共有n个采样时刻；lat_k表示第k时刻飞机所处的经度信息，lat_k-1表示第k-1时刻飞机所处的经度信息；lon_k表示第k时刻飞机所处的纬度信息，lon_k-1表示第k-1时刻飞机所处的纬度信息。

5.根据权利要求4所述的飞机施药作业面积计量系统，其特征在于，所述服务器还包括：第三计算模块以及选择模块；

所述第三计算模块，用于根据所述飞机喷洒状态监测装置发送的飞机速度数据计算飞机的速度波动变化量是否超过预设临界值，并在确定飞机的速度波动变化量超过预设临界值时，向所述选择模块发送触发信号，以使所述选择模块选择第二计算模块计算飞机在喷洒过程中的作业面积；

所述选择模块，用于在接收到所述速度检测单元发送的触发信号后，选择第二计算模块计算飞机在喷洒过程中的作业面积；

其中，所述选择模块还用于在未接收到所述速度检测单元发送的触发信号时，选择第一计算模块计算飞机在喷洒过程中的作业面积；

其中，飞机的速度波动变化量D(v)通过以下公式三获取：

其中，v_k表示第k个采样时刻飞机的速度，v_m表示第m个采样时刻飞机的速度，n表示飞机施药过程中共有n个采样时刻。

6.根据权利要求4所述的飞机施药作业面积计量系统，其特征在于，第一计算模块或第二计算模块在确定第k个采集时刻飞机的喷洒状态sp_k时用于根据以下公式四以及对应的判断策略进行确定：

M₁＝(p_k≥P_o)∩(r_k≥R_o)∩(V_k≥V_o)

M₂＝(V_k≤V_o)

M₃＝(p_k＜P_o)∩(r_k≥R_o)∩(V_k≥V_o)

M₄＝(p_k≥P_o)∩(r_k＜R_o)∩(V_k≥V_o) 公式四

若M₁为真，则表示飞机处于正常的喷洒状态，sp_k为1；

若M₂为真，则表示喷洒状态异常，飞机未处于正常作业的飞行状态，sp_k为0；

若M₃为真，则表示喷洒状态异常，喷头出现漏水或压力传感器出现问题，sp_k为0；

若M₄为真，则表示喷洒状态异常，喷头出现堵塞或流量传感器出现异常，sp_k为0；

其中，P_k表示第k个采集时刻压力传感器采集的喷洒压力，P_o表示压力传感器的开启阈值；r_k表示第k个采集时刻流量传感器采集的喷洒流量，R₀表示流量传感器的开启阈值；V_k表示第k个采集时刻GNSS采集的飞行速度，V_o表示飞行速度阈值。

7.根据权利要求6所述的飞机施药作业面积计量系统，其特征在于，第一计算模块或第二计算模块在判断出第k个采集时刻飞机的喷洒状态sp_k异常时，根据M₂、M₃、M₄的真假结果向机载显示单元发送喷洒状态出现异常的原因，以供机载显示单元将喷洒状态出现异常的原因进行显示；

其中，喷洒状态出现异常的原因包括飞机未处于正常作业的飞行状态、喷头出现漏水或压力传感器出现问题、喷头出现堵塞或流量传感器出现异常。

8.根据权利要求4所述的飞机施药作业面积计量系统，其特征在于，所述喷幅F_k与喷杆长度L、喷头类型s、喷杆与地面植物冠层的距离h_k、喷洒压力P_k和喷洒流量r_k有关，即F_k＝f(L,s,h_k,p_k,r_k)；

其中，在获取喷幅F_k时，先获取喷头类型s，然后在与该喷头类型s对应的数据库中查找与获取的喷洒压力P_k、喷洒流量r_k、喷杆与地面植物冠层的距离h_k对应的喷洒幅度F_k1，然后根据查找得到的喷洒幅度F_k1和喷杆长度L获取喷幅F_k；

其中，预先建立与多种预设类型喷头一一对应的数据库，每个数据库中存储有对应类型的喷头在不同的喷洒压力P_k、不同的喷洒流量r_k、不同的喷杆与地面植物冠层的距离h_k下对应的喷洒幅度F_k1。

9.根据权利要求4～8任一项所述的飞机施药作业面积计量系统，其特征在于，所述服务器还包括：实时监控模块、作业回放模块、任务统计模块和任务管理模块；

所述实时监控模块，用于实时监控正在作业的目标作业飞机的各项作业数据；所述各项作业数据包括安装在目标作业飞机上的飞机喷洒状态监测装置获取的喷洒状态监测数据、飞机作业的位置、速度、航向及飞行高度数据以及喷杆与地面植物冠层的距离数据；

所述作业回放模块，用于查看某一预设时间段内指定飞机的施药作业状态，进行施药作业状态回放；

所述任务统计模块，用于当每一架次的飞机作业结束之后，自动计算每一架次飞机的作业面积，以及当整个作业周期结束后，自动计算出整个作业周期的作业面积，并根据需要生成电子版飞机施药作业情况报告；

所述任务管理模块，用于添加作业任务及任务使用的飞机编号与设备编号。