CN109631834B - 一种航空施药系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及航空植保领域，公开了一种航空施药系统及方法，其中系统包括：水平云台和高度测量系统；水平云台转动安装在施药用飞机上，水平云台可保持水平状态，高度测量系统设置在水平云台上，高度测量系统包括激光测距模块和微波雷达测距模块。本发明提供的一种航空施药系统及方法，可全面检测获得机载相对高度、机载基准高度、植被高度、植被区域以及植被覆盖率等参数，可综合各个参数进行施药控制调节，使施药适应不同的机载相对高度，支持不同地表植被类型，可精确的施药在植被区域，以及适应不同的植被覆盖率，从而实现精准均匀的施药。

Description

一种航空施药系统及方法
技术领域
本发明涉及航空植保领域，特别是涉及一种航空施药系统及方法。
背景技术
在植被生长过程中，合适的药物喷洒能够有效防控病虫害，保证粮食安全生产，提高粮食的产量与质量。飞机飞行自如，适应复杂地形，可重复利用，具有轻巧便携、机动性强、制造和应用成本低等特点，因此被应用于农林航空施药方面。
施药过程中，飞机飞行的高度对施药效果具有很大影响。在飞机的测高元件中，目前普遍采用气压传感器感知大气压强变化，通过气压高度公式计算得到海拔高度，这种测量方式受飞机机动、大气温度以及等压面变化影响较大、精度较低且测得的不是机载相对高度，即飞机与植被之间的距离。另一种直接由全球导航卫星系统(GNSS)接收数据报文得到海拔高度，但是GNSS信号容易丢失会对测量结果造成影响同时测得也不是机载相对高度，因此难以满足实际需求。
现有的飞机施药系统大多不能精确测量飞机的相对高度数据，从而影响施药的精确性。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明的目的是提供一种航空施药系统及方法，用于解决或部分解决现有的飞机施药系统大多不能精确测量飞机的相对高度数据，从而影响施药的精确性的问题。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，根据本发明第一方面提供一种航空施药系统，包括：水平云台和高度测量系统；所述水平云台转动安装在施药用飞机上，所述水平云台可保持水平状态，所述高度测量系统设置在所述水平云台上，所述高度测量系统包括激光测距模块和微波雷达测距模块。
在上述方案的基础上，一种航空施药系统还包括：施药用喷头；所述喷头与所述水平云台固定连接，所述喷头通过电磁阀与药箱相连。
在上述方案的基础上，一种航空施药系统还包括：数据处理模块和控制器；所述数据处理模块分别与所述激光测距模块和所述微波雷达测距模块相连，所述控制器分别与所述数据处理模块和电磁阀相连。
在上述方案的基础上，所述水平云台与电机相连，所述电机与所述控制器相连，所述电机用于带动所述水平云台转动以保持水平状态或者带动水平云台转动实现扫描式喷洒施药。
根据本发明的第二方面，提供一种利用上述任一方案所述的航空施药系统的施药方法，包括：利用激光测距模块获得飞机与植被顶部之间的机载相对高度；利用微波雷达测距模块获得飞机与地面之间的机载基准高度；根据机载相对高度和机载基准高度获得植被高度；根据机载相对高度和植被高度对施药进行控制调节。
在上述方案的基础上，一种航空施药方法还包括：对机载相对高度和机载基准高度进行对比分析，判断地面上的植被区域，根据所述植被区域进行施药。
在上述方案的基础上，一种航空施药方法还包括：对机载相对高度和机载基准高度进行对比分析，获得设定区域内的植被覆盖率，根据所述植被覆盖率对施药进行控制调节。
在上述方案的基础上，一种航空施药方法还包括：根据所述机载相对高度和所述植被区域的大小，对水平云台的扫描转动角度进行控制。
在上述方案的基础上，所述机载基准高度为微波雷达测距模块多次测量结果的平均值；所述机载相对高度为激光测距模块多次测量结果的平均值与第一修正系数的乘积；所述植被高度为微波雷达测距模块与激光测距模块多次测量结果对应差值的平均值与第二修正系数的乘积。
在上述方案的基础上，所述植被覆盖率为微波雷达测距模块与激光测距模块测量结果的差值大于预设阈值的次数与总测量次数的比值。
(三)有益效果
本发明提供的一种航空施药系统及方法，可全面检测获得机载相对高度、机载基准高度、植被高度、植被区域以及植被覆盖率等参数，可综合各个参数进行施药控制调节，使施药适应不同的机载相对高度，支持不同地表植被类型，可精确的施药在植被区域，以及适应不同的植被覆盖率，从而实现精准均匀的施药。
附图说明
图1为本发明实施例的一种航空施药系统的示意图；
图2为本发明实施例的一种航空施药系统中微波雷达测距模块的示意图；
图3为本发明实施例的一种航空施药系统激光测距模块示意图；
图4为本发明实施例的一种航空施药系统数据处理模块示意图；
图5为本发明实施例的一种航空施药系统中喷头转动示意图。
附图标记说明：
1—水平云台； 2—微波雷达测距模块； 3—激光测距模块；
4—数据处理模块； 5—信号产生器； 6—功率放大器；
7—发射天线； 8—接收天线； 9—信号混频器；
10—信号处理器； 11—计时电路； 12—激光接收器；
13—激光发射器； 14—数据处理芯片； 15—无线通讯模块；
16—喷头。
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。以下实例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，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，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
根据本发明实施例提供一种航空施药系统，参考图1，该施药系统包括：水平云台1和高度测量系统；水平云台1转动安装在施药用飞机上，水平云台1可保持水平状态，高度测量系统设置在水平云台1上，高度测量系统包括激光测距模块3和微波雷达测距模块2。
本实施例提供的一种航空施药系统，设置高度测量系统用于检测飞机飞行施药中的各种高度，根据高度对施药进行控制调节。设置激光测距模块3和微波雷达测距模块2共同对飞机的高度进行检测。
根据微波在空气中的损耗小，具有衍射效应，可以穿过枝叶检测到地面的特点，从而使用微波雷达测距模块2来测量飞机到土壤表面的机载基准高度。利用光的反射原理，使用激光测距模块3来测量飞机到植被冠层，即待施药植被顶部的机载相对高度。
根据机载基准高度和机载相对高度，可以进一步获得植被自身的高度。根据植被的高度可以判断植被的类型。还可以将机载基准高度与机载相对高度进行对比，获得地面上种植有植被的区域以及植被覆盖率。
机载相对高度、植被高度、植被区域以及植被覆盖率均会对施药产生影响，该施药系统可全面检测获得以上各个参数，可综合各个参数进行施药控制调节，使施药适应不同的机载相对高度，支持不同地表植被类型，可精确的施药在植被区域，以及适应不同的植被覆盖率，从而实现精准均匀的施药。
进一步地，可设置水平云台1与飞机转动连接。飞机在执行飞行任务时会出现飞行姿态不稳定的现象，为了避免这种情况对测量结果造成影响，利用水平云台1保持水平的特性，将激光测距模块3和微波雷达测距模块2安装在水平云台1上，增加激光测距模块3和微波雷达测距模块2工作时的稳定性，提高精度。
在飞机姿态不稳发生倾斜时，可通过控制水平云台1转动使水平云台1保持水平，从而便于高度的检测。该航空施药系统不同于以前单一的测距系统而是基于激光和微波雷达共同工作，优势互补，能够提高测量的准确性和精度。
在上述实施例的基础上，进一步地，一种航空施药系统还包括：施药用喷头16；喷头16与水平云台1固定连接，喷头16通过电磁阀与药箱相连。
药箱可设置在飞机上。喷头16通过电磁阀与药箱相连，便于对通过喷头16喷出的施药量进行准确自动控制调节。
在上述实施例的基础上，进一步地，一种航空施药系统还包括：数据处理模块5和控制器；数据处理模块5分别与激光测距模块3和微波雷达测距模块2相连，控制器分别与数据处理模块5和电磁阀相连。
设置数据处理模块5可对激光测距模块3和微波雷达测距模块2所检测到的数据进行计算处理分析，获得施药控制过程中的各个参数。控制器对施药过程的控制调节进行综合自动控制。控制器接收数据处理模块5得到的各个参数值，并根据各个参数值通过控制电磁阀对施药量进行控制调节。
进一步地，参考图2，微波雷达测距模块2包括信号产生器5、功率放大器6、发射天线7、接收天线8、信号混频器9和信号处理器10。
微波雷达测距模块2检测机载基准高度的具体过程为：微波雷达测距模块2通过信号产生器5产生微波，利用功率放大器6对微波信号进行放大，通过发射天线7将信号发射出去。微波信号接触到土壤表面后反射回来，产生回波信号，由接收天线8接收。回波信号经过混频器变换为中频信号，这种信号比较稳定。之后经过信号处理器10处理之后，传输到数据处理模块5。
回波信号相比发射信号有一部分功率损耗，数据处理模块5通过将回波信号和发射信号进行比较可得到后滞相位差，进而推求待测机载基准高度。
参考图3，激光测距模块3包括激光发射器13、激光接收器12和计时电路11。机载相对高度的检测过程为：激光发射器13将脉冲信号发射出去，脉冲信号接触到植被的叶子枝干等产生回波信号，回波信号被激光接收器12所接收。计时电路11将发射和接收时的时间记录下来得到时间差△t，并将其发送给数据处理模块5。
数据处理模块5接收到激光测距模块3传输的时间差△t后，根据：H＝△tC/2，即可得到一次测量所得到的机载相对高度。其中H为机载相对高度，△t为时间差，C为光速。
进一步地，参考图4，数据处理模块5包括数据处理芯片14(ARM系列)、串口、存储器和电源芯片。无线通讯模块15用于向控制器或上位机PC传输数据处理模块5的数据信息。
在上述实施例的基础上，进一步地，水平云台1与电机相连，电机与控制器相连，电机用于带动水平云台1转动以保持水平状态或者带动水平云台1转动实现扫描式喷洒施药。
在高度测量过程中，可通过电机带动水平云台1根据飞机或水平云台1倾斜的角度进行转动，使水平云台1处于水平状态，便于测量的准确。在施药过程中，可通过电机带动水平云台1来回转动，从而带动喷头16一体进行转动，进行扫描摇摆式喷洒施药，提高施药效率和均匀性。
进一步地，参考图5，水平云台1带动激光测距模块3、微波雷达测距模块2和喷头16一体进行扫描式转动，工作角度值为θ，即水平云台1偏离竖直方向的夹角为θ。θ值与喷头16有效施药幅宽L，即喷洒的农药可落到植被上的水平宽度；和机载相对高度H有关且可以根据L和H的变化进行自动调整。
当机载相对高度H增大时，有效幅宽L也增大；当机载相对高度H减小时，有效幅宽L也减小。根据公式tanθ＝L/2H；来调整激光测距模块3工作角度θ值。
进一步地，激光测距模块3和微波雷达测距模块2对地测量频率是可变的，可以根据飞机的飞行速度进行调整。
在上述实施例的基础上，进一步地，一种利用上述各实施例中航空施药系统的施药方法，包括：利用激光测距模块3获得飞机与植被顶部之间的机载相对高度；利用微波雷达测距模块2获得飞机与地面之间的机载基准高度；根据机载相对高度和机载基准高度获得植被高度；根据机载相对高度和植被高度对施药进行控制调节。
该施药方法利用激光测距模块3和微波雷达测距模块2相结合，可精确检测出机载相对高度和机载基准高度。提出基于该两个基本的高度参数，获得植被高度，并在传统单一基于机载相对高度对施药量进行控制调节的基础上，提出以机载相对高度和植被自身的高度共同作为调节参数，可适应不同的植被类型，实现更加精准的施药。
可根据计算得到的植被高度来判断植被的类型，根据不同植被需要施药的不同对施药过程进行控制调节。
在上述实施例的基础上，进一步地，一种施药方法还包括：对机载相对高度和机载基准高度进行对比分析，判断地面植被区域，根据植被区域进行施药。
本实施例基于上述实施例，增加植被区域作为施药控制的参数，可自动控制针对植被区域进行施药，避免在无植被区域进行施药，可提高农药利用率，减少农药浪费。
在上述实施例的基础上，进一步地，一种施药方法还包括：对机载相对高度和机载基准高度进行对比分析，获得设定区域内的植被覆盖率，根据植被覆盖率对施药进行控制。
在上述实施例的基础上，进一步地，植被覆盖率为微波雷达测距模块2与激光测距模块3测量结果的差值大于预设阈值的次数与总测量次数的比值。
本实施例基于上述实施例，增加在设定待施药区域中的植被覆盖率作为施药控制的参数。在植被覆盖率较高时，说明植被种植的比较密集，可加大施药量；在植被覆盖率较低时，说明植被种植的比较稀疏，可减少施药量。根据植被覆盖率来控制调节施药过程，使施药更加精确，提高农药利用率。
进一步地，植被区域以及植被覆盖率的具体检测过程为：先由微波雷达测距模块2检测获得机载基准高度。然后利用激光测距模块3进行机载相对高度的检测。如果检测得到的机载相对高度与机载基准高度相差不大，则说明检测点没有植被；如果二者相差比较大，则检测点有植被。由此，可判断出种植有植被的区域。
在激光测距模块3的测量过程中，激光发射器13一共发射n次信号，其中有n1次测得机载相对高度与机载基准高度相近，表明n1次激光信号打到土壤表面，则其余n-n1次激光信号打到植被上，根据公式：
η＝(n-n1)/n
可计算得到地表植被覆盖指数，其中η为地表植被覆盖率。
在上述实施例的基础上，进一步地，一种施药方法还包括：根据机载相对高度和植被区域大小，对水平云台1的扫描转动角度进行控制。
因为水平云台1可带动施药用喷头16转动，实现扫描摇摆式施药，以提高施药效率。水平云台1与喷头16转动角度是一致的。且水平云台1的转动角度与机载相对高度和喷头16有效施药幅度之间存在确定的相互关系。
因此，可根据机载相对高度以及设定的喷头16有效施药幅度，确定所需的水平云台1转动角度。通过控制电机来带动水平云台1转动。喷头16有效施药幅度可根据植被区域的大小来设定。
在上述实施例的基础上，进一步地，机载基准高度为微波雷达测距模块2多次测量结果的平均值；机载相对高度为激光测距模块3多次测量结果的平均值与第一修正系数的乘积；植被高度为微波雷达测距模块2与激光测距模块3多次测量结果对应差值的平均值与第二修正系数的乘积。
在机载基准高度测量过程中由于地面凹陷、高凸等因素，测得不同机载基准高度h1，h2…hn，通过公式：
h＝(h1+h2+…+hn)/n；
来得到最终的机载基准高度h，其中n为总的测量次数。
在机载相对高度每次测量过程中，由于叶片、枝干的位置不同，测得相差较大的机载相对高度值H1，H2…Hn，通过公式H＝r1(H1+H2+…+Hn)/n，来确定最终的机载相对高度H，其中r1为修正系数，n为总的测量次数。其中，r1可预先通过实验确定。
进一步地，植被高度可通过公式：
△H＝r2[(h1-H1)+(h2-H2)+…+(hn-Hn)]/n
得到最终的地表植被高度△H，其中r2同样为修正系数。r2同样可预先通过实验确定。
在上述实施例的基础上，进一步地，一种航空施药系统及方法，其中系统包括水平云台1、激光测距模块3、微波雷达测距模块2和数据处理模块5。水平云台1安装在飞机上，激光测距模块3和微波雷达测距模块2安装在水平云台1上，测得的数据汇聚给数据处理模块5。数据处理模块5将测得的和处理的数据通过无线通讯模块15传输给上位机PC，从而获取实时数据。
该系统对地测量频率与飞机飞行速度相关且可调，能够测量不同的地表植被类型，输出机载基准高度、机载相对高度、地表植被覆盖指数和地表植被冠层高度，能够为精准均匀施药提供更好的数据支持。
该施药系统及方法可实现小型飞机针对不同的植物类型进行精准施药和均匀施药，获得较高精度的相对高度数据。针对开发的小型飞机的高度采集系统，该施药系统及方法具有自动化强、精确度高和适应性好的特定，能针对农航施药过程中的各种因素，对飞机施药进行控制和调整，达到精准施药和均匀施药的作用。
本实施例提供是航空施药系统及方法，在飞行施药过程中，使用微波雷达测距模块2来确定飞机到地面的机载基准高度，使用激光测距模块3来检测飞机到植被冠层的机载相对高度。数据处理模块5对采集到的数据进行接收、处理和反馈，输出机载基准高度、机载相对高度、地表植被区域、地表植被覆盖指数和地表植被冠层高度。该系统与方法能够自动，精准的对机载相对高度进行测量，支持不同地表植被类型，能够调节测量频率，量程大且调整简单、误差小、从而实现更加精准均匀的施药。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种航空施药系统，其特征在于，包括：水平云台和高度测量系统；所述水平云台转动安装在施药用飞机上，所述水平云台可保持水平状态，所述高度测量系统设置在所述水平云台上，所述高度测量系统包括激光测距模块和微波雷达测距模块；
还包括：施药用喷头；所述喷头与所述水平云台固定连接；所述水平云台用于带动所述施药用喷头转动；在所述飞机的姿态发生倾斜时，通过控制所述水平云台转动，以使所述水平云台保持水平；所述激光测距模块用于检测所述飞机与植被顶部之间的机载相对高度；所述微波雷达测距模块用于检测所述飞机与地面之间的机载基准高度；所述航空施药系统用于根据所述机载相对高度与所述机载基准高度获取植被高度，并根据所述机载相对高度与所述植被高度对施药进行控制调节；所述水平云台带动所述施药用喷头的转动角度基于所述机载相对高度及所述施药用喷头的有效施药幅度确定，所述有效施药幅度基于植被区域的大小确定；
所述高度测量系统用于根据所述机载相对高度和所述机载基准高度进行对比分析，判断地面上的植被区域，根据所述植被区域进行施药；所述高度测量系统还用于根据所述机载相对高度和所述机载基准高度进行对比分析，获得设定区域内的植被覆盖率，根据所述植被覆盖率对施药进行控制调节；
所述植被覆盖率η＝(n-n1)/n；
其中，n为所述激光测距模块中的激光发射器发射信号的总数，n1为激光信号打到土壤表面的数量。
2.根据权利要求1所述的航空施药系统，其特征在于，所述喷头通过电磁阀与药箱相连。
3.根据权利要求2所述的航空施药系统，其特征在于，还包括：数据处理模块和控制器；所述数据处理模块分别与所述激光测距模块和所述微波雷达测距模块相连，所述控制器分别与所述数据处理模块和电磁阀相连。
4.根据权利要求3所述的航空施药系统，其特征在于，所述水平云台与电机相连，所述电机与所述控制器相连，所述电机用于带动所述水平云台转动以保持水平状态或者带动水平云台转动实现扫描式喷洒施药。
5.一种利用上述权利要求1-4任一所述航空施药系统的施药方法，其特征在于，包括：
利用激光测距模块获得飞机与植被顶部之间的机载相对高度；
利用微波雷达测距模块获得飞机与地面之间的机载基准高度；
根据机载相对高度和机载基准高度获得植被高度；
根据机载相对高度和植被高度对施药进行控制调节。
6.根据权利要求5所述的施药方法，其特征在于，还包括：对机载相对高度和机载基准高度进行对比分析，判断地面上的植被区域，根据所述植被区域进行施药。
7.根据权利要求5所述的施药方法，其特征在于，还包括：对机载相对高度和机载基准高度进行对比分析，获得设定区域内的植被覆盖率，根据所述植被覆盖率对施药进行控制调节。
8.根据权利要求6所述的施药方法，其特征在于，还包括：根据所述机载相对高度和所述植被区域的大小，对水平云台的扫描转动角度进行控制。
9.根据权利要求5所述的施药方法，其特征在于，所述机载基准高度为微波雷达测距模块多次测量结果的平均值；所述机载相对高度为激光测距模块多次测量结果的平均值与第一修正系数的乘积；所述植被高度为微波雷达测距模块与激光测距模块多次测量结果对应差值的平均值与第二修正系数的乘积。
10.根据权利要求7所述的施药方法，其特征在于，所述植被覆盖率为微波雷达测距模块与激光测距模块测量结果的差值大于预设阈值的次数与总测量次数的比值。
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