CN109720578A - 一种无人机变量精确施药系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种无人机变量精确施药系统及方法，包括无人机、树冠检测系统、药液输送系统、控制系统。树冠检测系统由图像采集装置和二维激光测距扫描装置组成。药液输送系统由药箱、水泵、连接管、喷头组成。控制系统由飞行控制模块和施药控制模块组成。变量精确施药系统由树冠检测系统、药液输送系统和控制系统完成。这种变量精确施药方法可以控制无人机悬停在树冠中心正上方，调节无人机相对高度，由施药控制模块控制各水泵流量，多点同时喷洒药剂，从而保证施药的精确性与全面性，有效控制树木病情。

Description

一种无人机变量精确施药系统及方法

技术领域

本发明涉及植保技术领域，具体涉及一种无人机变量精确施药系统及方法。

背景技术

目前，树冠病虫害机械化施药方式有以下几种：

(1)地面施药。挥发明显，残留严重，不便于高处树冠施药的进行，且使得农药弥漫在土壤表面和树木周围，造成较大面积化学污染，且药剂对地面工作人员影响较大；另外大型车辆对地面平整度要求较高，也不便于进入林业密集区施药，覆盖面积有限；

(2)空中施药。大型载人机一方面用药量大，对环境影响较重，另一方面成本很高，机动性差。目前小型无人机施药技术虽然发展较快，但是仍存在较多问题，比如：施药精度仍然较差，往往需要扩大喷洒面积，这样又造成了浪费；而且施药不够均匀，存在施药不足或过度施药的问题，施药效果大打折扣。另外，现有无人机施药模块为增加雾滴对作物的穿透性，将施药喷头置于下方，由产生的向下气流提高农药在靶标上的附着率，此设计不能充分利用无人机空间，造成施药面积局限，无法全方位有效地覆盖树冠。

发明内容

本发明的目的是提供一种无人机变量精确施药系统与方法，该系统通过控制无人机悬停在树冠中心正上方，调节无人机相对高度，由施药控制模块控制各水泵流量，多点同时喷洒药剂，实现无人机施药的精确性和全面性。

为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：

一种无人机变量精确施药系统，包括无人机、树冠检测系统、药液输送系统、控制系统；

所述树冠检测系统包括二维激光测距扫描装置和图像采集装置；所述的图像采集装置至少包括一套全局图像传感器和一套局部图像传感器；

所述药液输送系统包括药箱、水泵、连接管和喷头；其中，所述连接管一端通过水泵连接药箱，另一端连接喷头；所述水泵受控于施药控制模块以控制水泵流量；每一个喷头配置一个水泵和两根连接管，所述药箱安装在无人机下方；

所述控制系统包括飞行控制模块和施药控制模块；

还包括GPS定位模块、数传系统、电池，以及辅助风扇或旋翼，所述GPS定位模块用于进行无人机定位，所述数传系统提供与地面计算机通信功能；电池安装在无人机机架上，提供无人机变量精确施药系统的动力来源。

所述全局图像传感器及二维激光测距扫描装置固定安装在无人机下方药箱的底部，并与无人机底部中心有一定偏离，将已知偏移量录入施药控制模块，实现无人机悬停于树冠中心正上方；所述局部图像传感器紧邻各喷头安装。

所述的全局图像传感器用于采集树冠的轮廓信息，所述的局部图像传感器用于采集树冠枝叶的密度信息，当因枝叶茂密树木相交影响图像传感器成像质量时，二维激光测距扫描装置辅助局部图像传感器采集树冠枝叶的密度信息。

每一个喷头配置一个旋翼或一个辅助风扇。

所述的喷头由无人机的几何中心至外围划分为喷头组，包括一级喷头、二级喷头和三级喷头；所述一级喷头安装在无人机机身正下方，附着在药箱底端；所述二级喷头安装在无人机的机架下支撑面上，按照圆周阵列安装；所述三级喷头相对于二级喷头按照圆周阵列进行错位安装；根据现场环境和作业时间，施药控制模块自动选择一个或者多个喷头协同工作。

所述的喷头根据树冠的大小、无人机的承载能力和用户需要，扩展至四级或以上的喷头组，形成蛛网式的喷药结构，增大施药覆盖面。

所述喷头选型为离心喷头或圆锥喷头。

本发明还公布了所述的无人机变量精确施药系统的施药方法，包括以下步骤：

1)施药准备：在药箱内事先装好药液，待用；对变量精确施药系统进行调试，检测药液输送系统是否存在漏水等问题；

2)无人机自主飞行：在地面站上预先设定自主飞行路线，无人机起飞，根据GPS定位模块提供的定位信息，在无人机飞控模块的控制下，无人机前往树冠上方指定区域和高度待命；

3)树冠检测和无人机调整：图像采集装置下的全局图像传感器采集图像，将图像发送至施药控制模块，改变无人机相对树冠高度，使图像采集装置恰好获得完整树冠轮廓；施药控制模块通过扫描、取样采点、拟合轮廓步骤，获得树冠中心点，控制无人机水平移动，使无人机几何中心位于树冠几何中心正上方；二维激光测距扫描装置获取实时无人机相对树冠高度，由施药控制模块根据树冠轮廓，验算无人机施药面积恰好能够覆盖树冠时要求的高度，保持无人机水平位移量为零，继续改变无人机高度，满足施药要求；

4)精确变量施药：图像采集装置下的局部图像传感器开始采集图像，施药控制模块对图像进行处理以获得树冠枝叶分布情况，当因枝叶茂密树木相交影响图像传感器成像质量时，二维激光测距扫描装置辅助局部图像传感器采集树冠枝叶的密度信息；根据喷头安装位置，划分施药区域工作面，计算各工作面所需的施药剂量和施药时间；各水泵通过改变电流大小，按照施药控制模块预期指定流量大小工作；水泵工作的同时，喷头中的离心转子以固定的转速开始旋转；

5)无人机重复2-4步骤，直至完成所有施药工作；

6)无人机返航：在完成所有施药工作后，无人机按照地面站预先设定的返航路线，返航。步骤4)中，局部图像传感器对树冠施药情况进行图像采集，施药控制模块根据图像对各水泵流量进行微调，以保证施药的有效性。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、将无人机技术引入到喷雾施药工作中，利用其可悬停、移动快速的优点，克服了传统方法容易受限于自然环境的缺点，如树干遮挡、森林茂密造成的测量不便，地面测定间距有限等，会导致测高不准、量程有限和调整繁琐的问题；

2、将GPS定位和目测结合，可远程精确定位待测树木位置，克服了传统地面施药方法设备携带和移动不便等问题；

3、采用多图像采集装置阵列布置，保证树冠密度采集信息的精确性与准确性，并提出用二维激光测距扫描装置辅助图像传感器，克服了图像方法易受图像传感器成像质量和茂密森林中树木相交影响而产生误差的缺点；

4、采用多级喷头圆周阵列布置，保证施药范围完全覆盖树冠；

5、将树冠面积作为调控无人机施药的参数之一，无人机可根据树冠大小改变无人机相对树冠高度，保证喷药范围不超出树冠边缘，有效提高药剂利用率；

6、将树冠密度作为调控无人机施药的参数之一，无人机可根据树冠各区域密度，通过改变各水泵电流大小改变水泵流量，实现对一个树冠不同区域的变量施药，克服了果树个体生长差异导致的施药浪费或施药不足等问题；

7、除无人机提供的下压风场，本发明为离心喷头设计的辅助风扇，可提高雾滴穿透性，实现精确施药；

8、采用地面计算机实时储存显示树冠病虫害信息与无人机姿态信息，实现可视化操作，同时可作为林园生成信息采集设备使用。

附图说明

图1是本发明无人机变量精确施药系统整体结构示意图。

图2是本发明机架及其载体部分的结构示意图。

图3是本发明药液输送系统的结构示意图。

图4是本发明辅助风扇的结构示意图。

图5是本发明施药系统通过测定无人机相对树冠高度控制施药边界的基本原理图。

图6是本发明施药系统实现全方位覆盖施药区域的基本原理图。

图7是本发明施药系统变量精确施药过程的示意图。

图中：1-GPS定位模块、2-数传系统、3-控制系统、4-电池、5-机架、6-药箱、7-二维激光测距扫描装置、8-水泵、9-连接管、10-图像采集装置、11-喷头、12-旋翼、13-辅助风扇。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。

一种无人机变量精确施药系统，包括无人机、树冠检测系统、药液输送系统、控制系统3。

所述树冠检测系统包括二维激光测距扫描装置7和图像采集装置10；所述的图像采集装置10至少包括一套全局图像传感器和一套局部图像传感器。

所述药液输送系统包括药箱6、水泵8、连接管9和喷头11；其中，所述连接管9一端通过水泵8连接药箱6，另一端连接喷头11；所述水泵8受控于施药控制模块以控制水泵8流量；每一个喷头11配置一个水泵8和两根连接管9，所述药箱6安装在无人机下方。

所述控制系统3包括飞行控制模块和施药控制模块。

还包括GPS定位模块1、数传系统2、电池4，以及辅助风扇13或旋翼12，所述GPS定位模块1用于进行无人机定位，所述数传系统2提供与地面计算机通信功能；电池4安装在无人机机架5上，提供无人机变量精确施药系统的动力来源。

所述全局图像传感器及二维激光测距扫描装置7固定安装在无人机下方药箱6的底部，并与无人机底部中心有一定偏离，将已知偏移量录入施药控制模块，实现无人机悬停于树冠中心正上方；所述局部图像传感器紧邻各喷头11安装。

所述的全局图像传感器用于采集树冠的轮廓信息，所述的局部图像传感器用于采集树冠枝叶的密度信息，当因枝叶茂密树木相交影响图像传感器成像质量时，二维激光测距扫描装置7辅助局部图像传感器采集树冠枝叶的密度信息。

每一个喷头11配置一个旋翼12或一个辅助风扇13。工作时，无人机旋翼12在提供升力的同时，提供喷头向下气流，而辅助风扇13仅用于提供向下气流，不提供无人机向上升力

如图5至图7所示，使用上述无人机变量精确施药系统的施药方法，由以下过程实现：

在地面计算机中预录入需要施药区域树木的GPS坐标和病虫害信息，在无人机施药决策系统中预录入喷头11喷洒面积信息与相邻喷头之间喷洒面积的重叠信息，做喷头11喷洒面积试验，以喷头11距树冠不同高度差和水泵8流量为变量，记录喷头11工作时喷洒面积，即保证在单个树冠喷洒完全、施药分布均匀、药液使用及漂移最小的情况下，无人机距树冠高度与施药喷头流量。

挂载树冠检测系统、药液输送系统、控制系统3，药箱6内事先装好药液，调试系统确认系统无漏水等异常。在地面站上预先设定自主飞行路线，无人机起飞，根据GPS定位模块1提供的定位信息，在飞控模块的控制下，无人机前往树冠上方指定区域和高度待命。全局图像传感器采集图像，将图像发送至施药控制模块，改变无人机相对树冠高度，使全局图像传感器恰好获得完整树冠轮廓。施药控制模块通过扫描、取样采点、拟合轮廓步骤，获得树冠中心点，控制无人机水平移动，使无人机几何中心位于树冠几何中心正上方。二维激光测距扫描装置7获取实时无人机相对树冠高度，由施药控制模块根据树冠轮廓，验算无人机施药面积恰好能够覆盖树冠时要求的高度，保持无人机水平位移量为零，改变无人机高度，满足施药要求。局部图像传感器采集实时图像，施药控制模块对图像进行处理以获得树冠枝叶分布情况，根据喷头11安装位置，划分施药区域工作面，计算各工作面所需的施药剂量和施药时间。各水泵8通过改变电流大小，按照施药控制模块预期指定流量大小工作。水泵8一端连接药箱6，一端连接喷头。水泵8工作的同时，喷头11中的离心转子以固定的转速开始旋转。此时图像采集装置10开始对树冠施药情况进行图像采集，施药控制模块根据图像对各水泵8流量进行微调，以保证施药的有效性。

其中变量精确喷雾系统通过测定无人机相对树冠高度控制施药边界的方法如下：集成在电路板中的施药控制模块利用装在水箱底部的全局图像传感器，采集树冠实时图像，改变无人机相对树冠高度，使全局图像传感器恰好获得完整树冠轮廓，由二维激光测距扫描装置7获取当前无人机相对树冠高度H。施药控制模块对树冠轮廓点进行拟合，近似树冠轮廓为圆，通过计算确定圆心，并保存树冠几何中心至树冠轮廓边缘最大距离L₁。操纵无人机悬停在拟合圆心正上方。离心喷头施药区域同样可以近似为一个圆，而且离心喷头中的转子转速一定时，喷头施药时的喷雾角相同。已知喷雾角α，无人机相对树冠高度H，最外围喷头至无人机几何中心距离L。由公式

R＝tan(α/2)*H

可以获得单个喷头在当前喷头相对树冠高度H下的施药半径R，即当前施药系统最大施药半径为

r＝R+L

当

L₁<<r

则喷头相对树冠高度过高，需要适当降低无人机高度；当

L₁>>r

则喷头相对树冠高度过低，需要适当升高无人机高度。当

L₁＝r

则树冠需要施药面积恰好在喷头施药范围内。多次调整无人机高度，使

L₁≈r

因此，通过控制无人机相对树冠高度，就可以保证喷洒区域在有效范围之内。

其中变量精确喷雾系统实现全方位覆盖施药区域的方法如下：喷头11由无人机几何中心至外围，分别划分为一级喷头，二级喷头，三级喷头。分布情况为：一级喷头，安装在无人机机身正下方，附着在药箱6底端；二级喷头，安装在无人机的机架5下支撑面上，按照圆周阵列，根据实际需要，至少安装两个喷头；三级喷头相对于二级喷头，按照圆周阵列进行错位安装，根据实际需要，至少安装两个喷头，根据现场环境和作业时间，施药控制模块自动选择一个或者多个喷头协同工作；所述的喷头，根据树冠的大小、无人机的承载能力和用户的需要，可以扩展有四级或更多级的喷头组，形成一个蛛网式的喷药结构。施药时，通过多级喷头组合，保证相邻喷头之间喷洒面积边缘重叠，就可以实现在有效施药区域内施药全覆盖，无疏漏。

其中变量精确喷雾系统实现变量精确喷雾的方法如下：无人机定位飞行至树冠正上方悬停，由紧邻各喷头安装的局部图像传感器获得不同区域树冠成像，经过施药控制模块处理得到反映树冠密度的点，点密集处为树冠枝叶密集的区域，需要进行大剂量施药，点稀疏的区域为枝叶稀疏的区域，仅需少量施药，空白区域即无树冠覆盖的区域，则不需要施药。

还可以使用二维激光测距扫描装置7辅助图像传感器，克服了图像方法易受图像传感器成像质量和茂密森林中树木相交影响而产生误差的缺点，有助于提高成像的精确性。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，依据本发明的技术实质，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种无人机变量精确施药系统，其特征在于：包括无人机、树冠检测系统、药液输送系统、控制系统；

所述树冠检测系统包括二维激光测距扫描装置和图像采集装置；所述的图像采集装置至少包括一套全局图像传感器和一套局部图像传感器；

所述药液输送系统包括药箱、水泵、连接管和喷头；其中，所述连接管一端通过水泵连接药箱，另一端连接喷头；所述水泵受控于施药控制模块以控制水泵流量；每一个喷头配置一个水泵和两根连接管，所述药箱安装在无人机下方；

所述控制系统包括飞行控制模块和施药控制模块；

还包括GPS定位模块、数传系统、电池，以及辅助风扇或旋翼，所述GPS定位模块用于进行无人机定位，所述数传系统提供与地面计算机通信功能；电池安装在无人机机架上，提供无人机变量精确施药系统的动力来源。

2.根据权利要求1所述的无人机变量精确施药系统，其特征在于：所述全局图像传感器及二维激光测距扫描装置固定安装在无人机下方药箱的底部，并与无人机底部中心有一定偏离，将已知偏移量录入施药控制模块，实现无人机悬停于树冠中心正上方；所述局部图像传感器紧邻各喷头安装。

3.根据权利要求1所述的无人机变量精确施药系统，其特征在于：所述的全局图像传感器用于采集树冠的轮廓信息，所述的局部图像传感器用于采集树冠枝叶的密度信息，当因枝叶茂密树木相交影响图像传感器成像质量时，二维激光测距扫描装置辅助局部图像传感器采集树冠枝叶的密度信息。

4.根据权利要求1所述的无人机变量精确施药系统，其特征在于：每一个喷头配置一个旋翼或一个辅助风扇。

5.根据权利要求1所述的无人机变量精确施药系统，其特征在于：所述的喷头由无人机的几何中心至外围划分为喷头组，包括一级喷头、二级喷头和三级喷头；所述一级喷头安装在无人机机身正下方，附着在药箱底端；所述二级喷头安装在无人机的机架下支撑面上，按照圆周阵列安装；所述三级喷头相对于二级喷头按照圆周阵列进行错位安装；根据现场环境和作业时间，施药控制模块自动选择一个或者多个喷头协同工作。

6.根据权利要求5所述的无人机变量精确施药系统，其特征在于：所述的喷头根据树冠的大小、无人机的承载能力和用户需要，扩展至四级或以上的喷头组，形成蛛网式的喷药结构，增大施药覆盖面。

7.根据权利要求1所述的无人机变量精确施药系统，其特征在于：所述喷头选型为离心喷头或圆锥喷头。

8.权利要求1-7任一项所述的无人机变量精确施药系统的施药方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)施药准备：在药箱内事先装好药液，待用；对变量精确施药系统进行调试，检测药液输送系统是否存在漏水等问题；

2)无人机自主飞行：在地面站上预先设定自主飞行路线，无人机起飞，根据GPS定位模块提供的定位信息，在无人机飞控模块的控制下，无人机前往树冠上方指定区域和高度待命；

3)树冠检测和无人机调整：图像采集装置下的全局图像传感器采集图像，将图像发送至施药控制模块，改变无人机相对树冠高度，使图像采集装置恰好获得完整树冠轮廓；施药控制模块通过扫描、取样采点、拟合轮廓步骤，获得树冠中心点，控制无人机水平移动，使无人机几何中心位于树冠几何中心正上方；二维激光测距扫描装置获取实时无人机相对树冠高度，由施药控制模块根据树冠轮廓，验算无人机施药面积恰好能够覆盖树冠时要求的高度，保持无人机水平位移量为零，继续改变无人机高度，满足施药要求；

4)精确变量施药：图像采集装置下的局部图像传感器开始采集图像，施药控制模块对图像进行处理以获得树冠枝叶分布情况，当因枝叶茂密树木相交影响图像传感器成像质量时，

二维激光测距扫描装置辅助局部图像传感器采集树冠枝叶的密度信息；根据喷头安装位置，划分施药区域工作面，计算各工作面所需的施药剂量和施药时间；各水泵通过改变电流大小，按照施药控制模块预期指定流量大小工作；水泵工作的同时，喷头中的离心转子以固定的转速开始旋转；

5)无人机重复2-4步骤，直至完成所有施药工作；

6)无人机返航：在完成所有施药工作后，无人机按照地面站预先设定的返航路线，返航。

9.根据权利要求8所述的无人机变量精确施药系统的施药方法，其特征在于：步骤4)中，局部图像传感器对树冠施药情况进行图像采集，施药控制模块根据图像对各水泵流量进行微调，以保证施药的有效性。