CN109917798A - 一种农业航空施药方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供一种农业航空施药方法及系统，其中所提供的方法包括：获取飞机的施药区域，根据所述飞机的施药区域，获取预设的飞行路线；获取飞机的定位信息和飞行状态信息，若所述定位信息和飞行状态信息以及所述预设的飞行路线满足预设条件，则飞机进行农药喷施。本发明实施例提供的方法，对农业航空施药的路径进行合理的规划，同时接收多种类型的飞机状态信息，对飞机的施药过程进行判定，提升了农业航空施药的效率，适应农业中精准航空施药更为复杂的作业需求。

Description

一种农业航空施药方法及系统

技术领域

本发明实施例涉及农业技术领域，尤其涉及一种农业航空施药方法及系统。

背景技术

航空施药飞机平台搭载定位导航装置和施药装置对作物进行定量定点有规划的区域性精准施药，具有复杂地形适应性强，作业效率高等优势。大型施药飞机可集成多种传感器的精准导航系统，变量喷施设备等多种任务载荷，从而为精准航空施药提供全方位的支持。特别是在我国，随着农业智能化和机械化的快速发展，航空施药在我国得到了比其他任何国家都更加快速的发展。当前，随着各种计算机软件，传感器硬件技术的快速发展，航空施药向着更加精准，更加智能的方向发展。

航空施药飞机主要是按照规划路径对特定区域的农田进行农药喷施，以达到防治作物病虫害的目的。喷施过程中，施药飞机的飞行路径准确性非常重要。如果飞行路径有偏差，既造成农药喷施区域的遗漏和重叠，农药漏喷将影响病虫害的防治效果，农药重喷则会造成农药浪费。除此之外对喷药即时状态的掌握也是提高施药精准度的必要条件，喷药状态不准确也很难有效地提高施药的精准度。

在现有技术中，对于大型飞机的导航，一般是采用基于遥感地图和全球导航卫星系统(GNSS)的施药区域规划系统。在开始作业前，首先在地图上定位作业农田区域，将作业边界画出，根据飞机施药有效幅宽自动生成飞机作业航线，再由飞行员按照给定的作业规划航线飞行。该方式是目前普遍被采用的技术方案。

然而，现有技术中，依赖全球定位导航系统，如果在飞机飞行过程中无法接受到卫星信号，则飞机就无法实现自身定位，就无法准确地按照预定航线完成施药作业。其次，全球定位系统分为单点定位系统和差分定位系统。差分定位系统需要建立差分基站，不但系统成本高，而且系统使用复杂，飞机飞行区域还要受限于差分基站的覆盖范围，所以当前的飞机定位系统多采用单点定位系统。当前主流系统(GPS，北斗)的民用系统的定位精度大概在5米以内，定位频率最高可到4Hz。航空施药飞机的有效作业幅宽一般8米左右，而航空施药飞机的最高飞行速度能到达40m/s,原本4Hz的频率就会产生大于10米的即时误差，加之原本的定位误差，这对精准施药的准确度是有很大影响的，已经无法满足施药应用。同时，在施药过程中，飞行员需要对喷药状态有清楚的掌握，喷药开始时间，喷药结束时间，喷药速度，单位时间喷药量等都是能够提高施药精准度的参数，目前采用手动调节施药开关的方法不能及时反馈出喷药状态，无法提供实时的喷药量以及喷药速度，遇到异常情况，如药量不足，喷头异常等问题是无法及时反馈和标记作业暂时点，影响施药精准度。并且，在实际导航过程中，面对的作业情况往往会比较复杂，可能会涉及到多区域施药，不规则施药区域，有障碍物的施药区域等等情况，而传统的导航系统在处理这些实际问题时往往会过于单一化，增加飞机施药的工作复杂性。

发明内容

针对现有技术存在的问题，一种农业航空施药方法及系统。

第一方面，本发明实施例提供一种农业航空施药方法，包括：获取飞机的施药区域，根据所述飞机的施药区域，获取预设的飞行路线；获取飞机的定位信息和飞行状态信息，若所述定位信息和飞行状态信息以及所述预设的飞行路线满足预设条件，则飞机进行农药喷施。

其中，所述获取飞机的施药区域，根据所述飞机的施药区域，获取预设的飞行路线的步骤具体包括：若所述施药区域满足第一预设条件时，则通过两点式规划方法，对飞机的飞行路线进行规划，获取第一预设的飞行路线；若所述施药区域满足第二预设条件时，则通过长边优先原则，对飞机的飞行路线进行规划，获取第二预设的飞行路线。

其中，所述获取飞机的定位信息和飞行状态信息的步骤具体包括：通过预设的飞机机载定位模块，按照预设频率，获取所述飞机的定位信息和飞行状态信息；其中，所述预设的飞机机载定位模块包括但不限于：GNSS全球定位模块，INS惯性导航模块，姿态传感器模块，高度传感器模块中的一种或多种的组合；其中，所述飞机的定位信息和飞行状态信息包括但不限于：位置经纬度，加速度，速度，方向，高度，倾角中的一种或多种的组合。

其中，若所述定位信息和飞行状态信息以及所述预设的飞行路线满足预设条件，则飞机进行农药喷施的步骤之后，还包括：获取所述飞机上喷药喷头的压力值和农药流量信息；根据所述飞机上喷药喷头的压力值和农药流量信息，计算获得所述飞机的农药存量信息。

其中，所述飞机进行农药喷施的步骤之后，还包括：根据所述飞机的定位信息和所述飞行状态信息，对所述飞机的导航线路进行引导。

第二方面，本发明实施例提供一种农业航空施药系统，包括：

导航计算模块，用于获取飞机的施药区域，根据所述飞机的施药区域，获取预设的飞行路线；

施药模块，用于获取飞机的定位信息和飞行状态信息，若所述定位信息和飞行状态信息以及所述预设的飞行路线满足预设条件，则飞机进行农药喷施。

其中，所述系统还包括：药量计算模块，用于：获取所述飞机上喷药喷头的压力值和农药流量信息；根据所述飞机上喷药喷头的压力值和农药流量信息，计算获得所述飞机的农药存量信息。

第三方面，本发明实施例提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述第一方面所提供的动态验证码选取方法的步骤。

第四方面，本发明实施例提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如上述第一方面所提供的动态验证码选取方法的步骤。

本发明实施例提供的农业航空施药方法及系统，对农业航空施药的路径进行合理的规划，同时接收多种类型的飞机状态信息，对飞机的施药过程进行判定，提升了农业航空施药的效率，适应农业中精准航空施药更为复杂的作业需求。

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一简单地介绍，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为本发明一实施例提供的农业航空施药方法的流程示意图；

图2为本发明一实施例提供的农业航空施药方法中，飞行路线规划示意图；

图3为本发明一实施例提供的农业航空施药方法中，又一飞行路线规划示意图；

图4为本发明一实施例提供的农业航空施药方法中，飞机引导示意图；

图5为本发明另一实施例提供的农业航空施药方法中，航空施药示意图；

图6为本发明一实施例提供的农业航空施药系统的结构示意图；

图7为本发明一实施例提供的电子设备的结构示意图。

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、完整地描述，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。

参考图1，图1为本发明一实施例提供的农业航空施药方法的流程示意图，所提供的方法包括：

S1，获取飞机的施药区域，根据所述飞机的施药区域，获取预设的飞行路线。

S2，获取飞机的定位信息和飞行状态信息，若所述定位信息和飞行状态信息以及所述预设的飞行路线满足预设条件，则飞机进行农药喷施。

具体的，本实施例提出一种新的用于为航空施药飞行员导引作业的精准导航系统，弥补传统导航系统依靠全球导航卫星定位系统飞行的缺陷以及给飞行员提供施药状态，能够处理多种施药作业情况的导航系统，适应农业中精准航空施药更为复杂的作业需求。

在施药前，首选对飞机的航线进行规划，通过获取需要飞机施药的区域的信息，来规划飞机的飞行路径，飞行员在导航终端的地图上标定出作业区域后，系统通过作业区域的形状，进行飞机的飞行路线规划，给出施药开始点A和施药结束点B，以及相应的飞行路线，飞行员可以直接依照飞行路线进行飞行，进而完成航空施药过程。

在飞机飞行过程中，通过获取飞机的定位信息和飞行状态信息，来进行施药动作的判断，其中，飞机定位信息包括经纬度信息，飞行状态信息包括加速度，速度，方向，高度，倾角等信息，经过导航规划系统融合处理，得到飞机的即时飞行状态，当飞机位置处于施药区域内时，施药开始的过程需要飞机到达一个既定的高度H₀，当H＝H₀时，开始施药，能够有效地使得施药效果达到最佳，飘移量最小，而飞机倾角在飞机施药和转弯的过程中也是一个必不可少的参量。因此在搭载导航传感器之外，添加了高度传感器和姿态传感器作为辅助，能够更准确的反馈出飞机的即时飞行状态。

通过此方法，对农业航空施药的路径进行合理的规划，同时接收多种类型的飞机状态信息，对飞机的施药过程进行判定，提升了农业航空施药的效率，适应农业中精准航空施药更为复杂的作业需求。

在上述实施例的基础上，所述获取飞机的施药区域，根据所述飞机的施药区域，获取预设的飞行路线的步骤具体包括：若所述施药区域满足第一预设条件时，则通过两点式规划方法，对飞机的飞行路线进行规划，获取第一预设的飞行路线；若所述施药区域满足第二预设条件时，则通过长边优先原则，对飞机的飞行路线进行规划，获取第二预设的飞行路线。

具体的，在飞机路径规划模式上，采取双模式规划，来解决不同的规划问题，分别是简单规划模式和复杂规划模式，简单规划模式用于解决相对简单的路径规划问题，当飞行员在导航终端的地图上标定出作业区域后，系统通过作业区域的复杂度自动选择规划模式，当作业区域小且相对规则时，会选用两点式规划方式，系统会给出施药开始点A和施药结束点B，以及从A点到B点的路径，飞行员只需从按照导航路线从A到B完成施药即可。而复杂规划模式是针对较为复杂的施药区域，包括不规则多边区域，多区域串联，以及区域内避障等问题。针对不规则多边区域的规划采取的规划原则是长边优先原则，能有效的减少飞机的往返效率，提高作业效率，如图2所示，有飞行员手动输入作业幅宽和作业区域，规划系统按长边优先的方式制定出了相应线路。面对多区域串联问题，遵循的原则是最短路径原则，在能够有效的串联到各个区域的前提下能使得路径最短。当作业区域较为分散时，如图3所示，在规划出各区域的作业航线之后，还能给出串联路线。区域内避障问题，主要针对施药区域内有障碍或是非施药区的问题，障碍区域的判定可通过飞行员手动给出或者是地图自动识别的方式。在路径规划时，依然按照长边优先的方式设置规划线路，在遇到障碍区域是，选择分段穿过，当作业区域内存在障碍区域，飞机通过关闭喷头开关，必要时提升飞行高度来避开障碍区域。

在上述实施例的基础上，所述获取飞机的定位信息和飞行状态信息的步骤具体包括：通过预设的飞机机载定位模块，按照预设频率，获取所述飞机的定位信息和飞行状态信息；其中，所述预设的飞机机载定位模块包括但不限于：GNSS全球定位模块，INS惯性导航模块，姿态传感器模块，高度传感器模块中的一种或多种的组合；其中，所述飞机的定位信息和飞行状态信息包括但不限于：位置经纬度，加速度，速度，方向，高度，倾角中的一种或多种的组合。

具体的，定位导航系统采用GNSS定位方式和惯性导航定位方式相结合，加之高度传感器和姿态传感器辅助的方式。其特点在于定位方式不再单独依赖于GNSS数据，增加了定位的稳定性和准度。在搭载了惯性导航传感器是因为在所有导航子系统中，惯性导航系统能提供的信息最全，且自主性连续性短期稳定性好。由于GNSS定位的高精度和实时性，采用INS/GNSS为主用组合导航方法。具体是用惯导和GNSS输出的位置之差作为量测值，估计惯导系统的各项误差，然后对惯导系统进行校正。惯导输出位置结合GNSS可见卫星位置，求出相应的计算距离，然后将之与GNSS测量得到的距离之差作为量测值，通过估计惯导系统和GNSS的误差量，然后进行反馈校正，得到更加精准的定位信息。在飞机整个飞行施药的过程中，飞机的飞行高度和机身的倾斜角也是很重要的参量，能够实时获取这两个量对飞机的飞行和施药都很有帮助，施药开始的过程需要飞机到达一个既定的高度H₀，当H＝H₀时，开始施药，能够有效地使得施药效果达到最佳，飘移量最小，而飞机倾角在飞机施药和转弯的过程中也是一个必不可少的参量。因此在搭载导航传感器之外，添加了高度传感器和姿态传感器作为辅助，能够更准确的反馈出飞机的即时飞行状态。

在上述实施例的基础上，若所述定位信息和飞行状态信息以及所述预设的飞行路线满足预设条件，则飞机进行农药喷施的步骤之后，还包括：获取所述飞机上喷药喷头的压力值和农药流量信息；根据所述飞机上喷药喷头的压力值和农药流量信息，计算获得所述飞机的农药存量信息。

所述飞机进行农药喷施的步骤之后，还包括：根据所述飞机的定位信息和所述飞行状态信息，对所述飞机的导航线路进行引导。

具体的，为飞机喷药装置搭载压力传感器和流速传感器，实时提供喷头开关信息和药量的流速信息。搭载喷头压力传感器是为了能够实时得知喷头压力值，让飞行员能够实时掌控喷药的状态，对喷头异常情况能够快速的得到反馈。当喷头压力值为零时，说明喷头处于关闭状态，不为零时，即处于打开状态或其他状态。喷杆中的流速传感器测得的流速值T与单位时间出药量V为正比关系，即V∝T。施药飞机在每个时刻t都会反馈得到一个喷杆流速值T_t来反应施药的状态和单位时间出药量V_t，将这个数据和飞机的位置(x,y，H)信息飞行速度等信息结合起来能够反映出飞机在每个位置的施药量。通过V对施药时间t进行积分得到施药量C＝∫Vdt,通过飞机速度对时间积分得到施药面积(L为施药的喷幅宽度)。对施药量C值和施药面积S值的计算就能实时统计出飞机已用药量，剩余药量，已施药面积，未施药面积等值，方便管理和进一步规划。

引导方式上采用前后双箭头的引导方式，如图4所示，图中实线为导航线路，图中包含飞机当前位置，飞机飞行方向，飞机按当前飞行情况，不调整方向继续飞行Δt时间后的位置，Δt的值飞行员可通过自己的需求来设置。通过这种双标引导方式可有效的现实飞行状态与理想飞行状态之间的差值，利于飞行员做出调整。整个导引过程可通过光棒导引，屏幕导引或者是投影的方式将实时信息呈递给飞行员。

本实施例提供的方法，可弥补传统施药飞机依赖全球导航卫星定位系统飞行的缺陷，适应农业中施药飞机的更为施药作业需求。特别是解决了GPS定位精准度无法满足应用需求，施药中喷头状态信息未知等问题，优化里作业引导方式，在面临复杂施药问题时，有了更多的解决方案。

在本发明的另一实施例中，系统通过机载传感器系统完成对飞机自身空间位置的定位。这里搭载NAV40的组合导航模块(NAV40内部集成三轴陀螺仪，三轴加速度计，三轴磁场计，GPS接收模块，气压高度计等微型传感器，通过内置改进型扩展卡尔曼滤波算法进行信息融合，能够提供可靠的三维位置，三轴姿态，三轴速度，三轴加速度等信息)，喷头上搭载CYYZ11系列压力传感器，喷杆内搭载QVE1901液体流速流量传感器完成对飞机喷头压力值F和药液流量T的反馈。飞行员通过手动标定出作业区域和施药喷幅L，携带药量K等相关参数，由导航系统经过计算得出最优路径，飞机经过导引飞行调整到达预定的施药开始位置(X₀，Y₀,H₀)，然后按照导航规划路径进行施药。

飞机在t时刻的具体状态参数为其中：X_t,Y_t,H_t分别为飞机的经度，纬度和高度，为飞机的飞行速度,为飞机的飞行方向角，θ为飞机的机身倾角，F和T分别为喷头的压力和流速。传感器系统通过一定频率将上述状态参数采集传递到导航终端。导航终端记录状态参数并判断飞机当前施药情况。

…..

如图5所示，飞机当前位置C的状态参数为而系统规划的施药起始点O的状态参数为：只有当飞机到达预定位置O时，即X_c＝X_o，Y_c＝Y_o时，方能开始施药，此时系统记录和检测压力值F和流速值T，当F异常时，即喷头出现异常，会立即提醒飞行员。系统通过记录飞机飞行速度和施药流速来统计飞机的作业情况，通过单位时间出药量V对施药时间t进行积分得到施药量C＝∫Vdt,通过飞机速度对时间积分得到施药面积(L为施药的喷幅宽度)。对施药量C值和施药面积S值的计算就能实时统计出飞机已用药量，剩余药量，已施药面积，未施药面积等值，方便飞行员即时了解作业情况。

在本发明的又一实施例中，参考图6，图6为本发明一实施例提供的农业航空施药系统的结构示意图，所提供的系统包括：导航计算模块61和施药模块62。

其中，导航计算模块61用于获取飞机的施药区域，根据所述飞机的施药区域，获取预设的飞行路线。

施药模块62用于获取飞机的定位信息和飞行状态信息，若所述定位信息和飞行状态信息以及所述预设的飞行路线满足预设条件，则飞机进行农药喷施。

其中，所述系统还包括：药量计算模块，用于：获取所述飞机上喷药喷头的压力值和农药流量信息；根据所述飞机上喷药喷头的压力值和农药流量信息，计算获得所述飞机的农药存量信息。

需要说明的是，导航计算模块61和施药模块62配合以执行上述实施例中的一种农业航空施药方法，该系统的具体功能参见上述的农业航空施药方法的实施例，此处不再赘述。

图7为本发明一实施例提供的电子设备的结构示意图，如图7所示，电子设备包括：处理器(processor)701、通信接口(Communications Interface)702、存储器(memory)703和总线704，其中，处理器701，通信接口702，存储器703通过总线704完成相互间的通信。处理器701可以调用存储器703中的逻辑指令，以执行如下方法，例如包括：获取飞机的施药区域，根据所述飞机的施药区域，获取预设的飞行路线；获取飞机的定位信息和飞行状态信息，若所述定位信息和飞行状态信息以及所述预设的飞行路线满足预设条件，则飞机进行农药喷施。

本发明实施例公开一种计算机程序产品，计算机程序产品包括存储在非暂态计算机可读存储介质上的计算机程序，计算机程序包括程序指令，当程序指令被计算机执行时，计算机能够执行上述各方法实施例所提供的方法，例如包括：获取飞机的施药区域，根据所述飞机的施药区域，获取预设的飞行路线；获取飞机的定位信息和飞行状态信息，若所述定位信息和飞行状态信息以及所述预设的飞行路线满足预设条件，则飞机进行农药喷施。

本实施例提供一种非暂态计算机可读存储介质，非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，计算机指令使计算机执行上述各方法实施例所提供的方法，例如包括：获取飞机的施药区域，根据所述飞机的施药区域，获取预设的飞行路线；获取飞机的定位信息和飞行状态信息，若所述定位信息和飞行状态信息以及所述预设的飞行路线满足预设条件，则飞机进行农药喷施。

以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

最后应说明的是：以上实施例仅用以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；而这些修改或者替换，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)

1.一种农业航空施药方法，其特征在于，包括：

获取飞机的施药区域，根据所述飞机的施药区域，获取预设的飞行路线；

获取飞机的定位信息和飞行状态信息，若所述定位信息和飞行状态信息以及所述预设的飞行路线满足预设条件，则飞机进行农药喷施。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获取飞机的施药区域，根据所述飞机的施药区域，获取预设的飞行路线的步骤具体包括：

若所述施药区域满足第一预设条件时，则通过两点式规划方法，对飞机的飞行路线进行规划，获取第一预设的飞行路线；

若所述施药区域满足第二预设条件时，则通过长边优先原则，对飞机的飞行路线进行规划，获取第二预设的飞行路线。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获取飞机的定位信息和飞行状态信息的步骤具体包括：

通过预设的飞机机载定位模块，按照预设频率，获取所述飞机的定位信息和飞行状态信息；

其中，所述预设的飞机机载定位模块包括但不限于：GNSS全球定位模块，INS惯性导航模块，姿态传感器模块，高度传感器模块中的一种或多种的组合；

其中，所述飞机的定位信息和飞行状态信息包括但不限于：位置经纬度，加速度，速度，方向，高度，倾角中的一种或多种的组合。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，若所述定位信息和飞行状态信息以及所述预设的飞行路线满足预设条件，则飞机进行农药喷施的步骤之后，还包括：

获取所述飞机上喷药喷头的压力值和农药流量信息；

根据所述飞机上喷药喷头的压力值和农药流量信息，计算获得所述飞机的农药存量信息。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述飞机进行农药喷施的步骤之后，还包括：

根据所述飞机的定位信息和所述飞行状态信息，对所述飞机的导航线路进行引导。

6.一种农业航空施药系统，其特征在于，包括：

导航计算模块，用于获取飞机的施药区域，根据所述飞机的施药区域，获取预设的飞行路线；

施药模块，用于获取飞机的定位信息和飞行状态信息，若所述定位信息和飞行状态信息以及所述预设的飞行路线满足预设条件，则飞机进行农药喷施。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：药量计算模块，用于：

获取所述飞机上喷药喷头的压力值和农药流量信息；

根据所述飞机上喷药喷头的压力值和农药流量信息，计算获得所述飞机的农药存量信息。

8.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1至5任一项所述农业航空施药方法的步骤。

9.一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至5任一项所述农业航空施药方法的步骤。