CN110143281A - 一种自主飞行与变量喷施的植保无人机系统 - Google Patents

Abstract

一种自主飞行与变量喷施的植保无人机系统，用于实现对农田作物的智能监测，并根据作物的病害情况进行农药喷施。它包括无人机，其特征是，还包括：安装单元，所述安装单元设置在无人机底部，用于实现无人机与附属部件的快速安装与拆卸；喷药系统，所述喷药系统设置在无人机上，在喷药系统上设有调节单元，调节单元用于调节喷药量；药桶，作为附属部件与安装单元连接；多光谱相机，作为附属部件与安装单元连接；云服务器，所述云服务器通过4G网络与通讯塔信号连接，通讯塔通过WIFI与现场地面站无线通讯，通讯塔与电台地面端信号连接，电台地面端与无人机无线通讯。本系统可根据病害情况进行农药喷施。

Description

一种自主飞行与变量喷施的植保无人机系统

技术领域

本发明涉及植保无人机技术领域，具体地说是一种自主飞行与变量喷施的植保无人机系统。

背景技术

作物病虫害严重影响农业生产和粮食安全。目前病虫害的监测主要依靠植保人员田间调查，这种传统的病虫害监测方法费时费力且存在以点带面的弊端，难以满足大范围病虫害实时监测的需求。

作物受灾后农民根据经验判断会造成施药严重过量，一方面会影响农产品价值、危害消费者健康，另一方面农药成本高，利用率低，浪费大。精准的病虫害监测结果，可极大提升农药利用率及作业效率。

欧美日等发达国家在精准农业上发展较早，经过多年的技术积累和迭代，目前在无人机精准农业上处于领先地位，国际种业巨头、农业数据分析公司及一些创业公司，都在精准农业上形成了系统化、规模化的产品及服务。典型的有DroneDeploy，一家致力于为无人机提供软件及解决方案的公司，位于旧金山，精准农业方面专业企业。在产品数据方面，DroneDeploy用户分散在超过150个国家并已经测绘超过1000万英亩的土地。该公司是系统性解决无人机在精准农业方面应用的公司，国内很多报道精准农业引用的案例均是来自该公司，该公司产品简述为：通过app规划航线上传到大疆无人机对目标区域自动飞行，机载相机拍摄多光谱影像，可实时传递回地面站进行处理，显示多光谱、三维等地图，统计病虫害区域及显示NDVI指数图，农场主或其他角色参与者可通过app实时查看采集的信息。亦可通过云端处理生成相应农情报告。

国内在病虫害遥测和土壤遥测上起步较晚，大数据的积累限制了此类项目的发展应用，目前正处在数据的积累期。中科院遥感所在水稻病虫害监测及施药植保方面有一定的研究基础，在湖北等水稻种植区逐步开展大范围应用。而我省产量较大的小麦、玉米、棉花等作物，国内并没有相关的研究与应用。因此急需一套科学实用、自动化程度高、精准可靠的智慧农机系统，特别是针对大规模生产基地小麦田间管理的成套装备及系统。

发明内容

本发明的目的在于提供一种自主飞行与变量喷施的植保无人机系统，用于实现对农田作物的智能监测，并根据作物的病害情况进行农药喷施。

本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：一种自主飞行与变量喷施的植保无人机系统，它包括无人机，其特征是，还包括：

安装单元，所述安装单元设置在无人机底部，用于实现无人机与附属部件的快速安装与拆卸；

喷药系统，所述喷药系统设置在无人机上，在喷药系统上设有调节单元，调节单元用于调节喷药量；

药桶，作为附属部件与安装单元连接；

多光谱相机，作为附属部件与安装单元连接；

云服务器，所述云服务器通过4G网络与通讯塔信号连接，通讯塔通过WIFI与现场地面站无线通讯，通讯塔与电台地面端信号连接，电台地面端与无人机无线通讯。

进一步地，安装单元包括固定在无人机底部的壳体、与壳体侧壁上的侧孔滑动连接的锁止销、设置在壳体上用于驱使锁止销伸出或缩回壳体的推拉机构。

进一步地，推拉机构包括固定在壳体内腔顶部的导轨、上下滑动设置在导轨内的轴承、设置在轴承外圈与壳体内壁之间的弹簧、固定在轴承内圈上的主杆、固定在主杆底部且置于壳体外侧的锁止板、套置在主杆外侧且与主杆之间沿轴向滑动连接的中心环、与中心环外壁铰接连接的曲柄、与锁止销铰接连接的连杆，曲柄与连杆铰接连接，在壳体底部设有第一锁止槽和第二锁止槽，第一、第二锁止槽呈十字形交叉设置，锁止板置于第一或第二锁止槽内。

进一步地，在主杆的外壁上设有同步杆，在中心环上设有与同步杆配合的长槽。

进一步地，在锁止板的底部设有拉环。

进一步地，喷药系统包括固定在无人机上的喷嘴、与喷嘴连接的水管、与水管连接的软管、与软管连接的药泵，调节单元设置在水管上。

进一步地，调节单元包括电机、固定在电机输出端的球阀、设置在水管内腔中且上下设置的上垫块和下垫块，在球阀上设有中心孔，上、下垫块均为圆环形结构，上、下垫块的圆形外壁与水管内壁固定连接，上垫块的下端、下垫块的上端均与球阀紧密接触。

本发明的有益效果是：本发明提供的一种自主飞行与变量喷施的植保无人机系统，具有良好的经济效益、社会效益和环境效益。

(1)经济效益

可用于病虫害防治和土壤监测，数据的监测、大数据的分析结果也有助于农民进行决策，提高农业生产效率和增强病虫害防治的效果，最终增加了种植者的经济效益。

(2)社会效益

提高了病虫害和土壤监测的精准管理装备的智能化水平，优化了传统的地面作业和管理模式，将现今最前沿的无人机、大数据、云计算和多光谱图像处理技术与农业生产相结合，有利于建立农业数据智能化采集、处理、应用、服务与共享体系，形成的农作物病虫害大数据库，可实现生产全过程可监可控、风险预警和决策辅助，提高农业精准化水平。

(3)环境效益

可有效满足种植者和专家对病虫害防治和土壤监测的需要，可提高防治效率50％以上，而利用现代化高新技术更实现了治理方式的创新，可有效保证农产品的质量安全、减少农药对环境的污染，生态效益显著。

附图说明

图1为本发明的三维示意图；

图2为本发明的正视图；

图3为本发明的俯视图；

图4为无人机主体底部安装单元的正视图；

图5为图4的左视图；

图6为安装单元的示意图；

图7为图6中的A-A剖视图；

图8为推拉机构的示意图；

图9为安装单元的仰视图；

图10为过渡件的三维示意图；

图11为调节单元的正面示意图；

图12为调节单元的左侧示意图；

图13为开闭机构的示意图；

图14为在无人机主体上安装多光谱相机的示意图；

图15为本发明的系统示意图；

图中：1无人机主体，2壳体，21侧孔，22锁止销，221第一耳板，23导轨，24轴承，25弹簧，26主杆，261同步杆，27锁止板，271第一锁止槽，272第二锁止槽，28拉环，3中心环，31第二耳板，32曲柄，33连杆，4过渡件，41通孔，42定位孔，5安装杆，51螺纹孔，52喷嘴，53水管，531下垫块，532上垫块，54软管，55电机，56球阀，561凸起，562中心孔，6多光谱相机，7药桶。

具体实施方式

如图1至图15所示，本发明主要包括无人机、图像合成系统、多光谱相机、喷药系统、云服务器、4G、通讯塔、电台地面端和现场地面站，下面结合附图对本发明进行详细描述。

如图1至图5所示，无人机为对现场作物进行全面监测和农药喷施的执行对象，无人机的主要结构组成为无人机主体1，无人机主体的底部设置安装单元，该安装单元的作用是实现无人机主体1与药桶7、多光谱相机6等其他附属部件的快速安装。

下面首先对安装单元的具体结构进行描述：如图4至图9所示，安装单元的主体为壳体2，壳体2为圆柱形的中空结构，在壳体的侧壁上设有四个在同一圆周上均匀设置的侧孔21，侧孔为圆孔。在每一侧孔内设置有锁止销22，锁止销为圆柱形结构，在锁止销上固定有第一耳板221。在壳体的内腔中固定有导轨23，导轨的实质为圆筒，导轨的上端与壳体内腔的顶部固定连接。在导轨的内腔中滑动安装有轴承24，轴承的外圈与导轨的内壁之间沿竖直方向上下滑动连接，在轴承的外圈与壳体的内腔壁之间设有弹簧25，在弹簧的作用下实现对轴承的限位，避免轴承与壳体之间位移过大。在轴承的内圈上固定有主杆26，这样主杆与轴承之间转动连接，主杆与导轨之间可以相对转动，也可以相对移动。在主杆外壁上固定有一对同步杆261，在壳体的下表面上设有垂直设置的第一锁止槽271和第二锁止槽272，在主杆的底部固定有锁止板27，当锁止板置于第一或第二锁止槽中时，锁止板与壳体之间沿水平方向相对静止。第一锁止槽和第二锁止槽垂直设置呈十字形，在锁止板的底部固定有拉环28。锁止板置于第二锁止槽中时，在推拉机构的作用下锁止销伸出壳体一段；锁止板置于第一锁止槽中时，在推拉机构的作用下锁止销被拉入壳体内。

在弹簧的作用下锁止板与壳体底部接触，且锁止板与壳体之间具有一定的预压力。捏住锁止板或拉环，向下拉动锁止板，此时可以克服弹簧的弹力作用，使得主杆向下移动一段距离；由于主杆与轴承之间仅可以相对转动，因此轴承也向下移动一段距离。在主杆与锁止销之间设有驱动锁止销沿侧孔移动的推拉机构，如图8所示，推拉机构包括套置在主杆外部的中心环3、固定在中心环外壁上的若干第二耳板31、与第二耳板铰接连接的曲柄32、与第一耳板铰接连接的连杆33，曲柄与对应的连杆之间铰接连接。中心环套置在主杆上，在中心环上设有与同步杆配合的长槽，在同步杆与长槽的配合下中心环与主杆之间沿周向相对静止。第二耳板有四个且沿中心环的外壁均匀设置，锁止销也设置有四个，曲柄的第一端与第二耳板铰接，连杆的第一端与第一耳板铰接连接，曲柄的第二端与连杆的第二端铰接连接。向下拉动拉环使得锁止板从第二锁止槽中移出后，转动锁止板使其转动90度后松开拉环或锁止板，此时在弹簧的作用下锁止板向壳体靠近并置于第一锁止槽内，此时锁止销在推拉机构的作用下缩回至壳体内。曲柄、连杆、锁止销和壳体构成了曲柄滑块机构，只要中心环转动时，便可以带动曲柄的转动，进而驱动锁止销在壳体内的移动。

过渡件4：

如图10所示，过渡件4为圆筒形结构，在过渡件的外壁上固定有若干通孔41，在过渡件的内壁上设有与锁止销一一对应的定位孔42，当锁止销置于定位孔中时，壳体与过渡件之间相对固定。

过渡件的设置是为了方便各种辅助部件的快速安装，过渡件可以为多光谱相机6、药桶7的一部分，也可以是独立的部件。药桶与过渡件之间、药桶与多光谱相机之间均是螺纹连接，相应的在过渡件内壁上设有内螺纹。

为实现将药桶内的农药喷出，在无人机主体上设有喷药系统，喷药系统包括安装杆5、固定在安装杆上的喷嘴52、与喷嘴连通的水管53、与水管连接的软管54、固定在安装杆上的电机55、设置在电机与水管之间的调节单元，在安装杆上设有螺纹孔51，安装杆通过设置在螺纹孔内的螺钉实现安装杆与无人机主体的固定连接。软管与药泵连通，药泵直接抽取药桶内的农药。在安装杆上固定有电机55，在电机输出端与水管之间设有调节单元，调节单元的作用下调节水管开闭的大小，进而调节喷嘴内的液体流量。软管与药泵连接，药泵则抽取药桶内的待喷药液。使用时，根据作物遭受灾害的程度，调节单元调节球阀开闭程度实现变量喷施。

如图13所示，调节单元包括设置在水管内的球阀56、设置在球阀下方的下垫块531、设置在球阀上方的上垫块532，球阀为圆球形塑料件，在球阀上设有中心孔562贯穿球阀的外壁，在球阀上还固定有凸起561，该凸起与电机输出轴固定连接或通过联轴器连接在一起。下垫块和上垫块的形状相同，下垫块和上垫块的圆弧形外壁固定在水管的内壁上，下垫块和上垫块的圆球形内壁与球阀的外壁接触且密封性好。上、下垫块均为橡胶件，上、下垫块的获得，可以通过在一个圆环的一端做旋转切削得到。中心孔的内径小于上垫块的最小内径，当中心孔与上垫块的内腔完全连通时，此时通过球阀的药液流量最大。当中心孔与上垫块的内腔错开后，经球阀流出的药液流量减小；当中心孔与上、下垫块的内腔完全错开、不连通时，流经球阀的药液流量为零。

如图14所示，在安装单元的下方还可以安装多光谱相机6，用于进行航拍作物的生长情况。虽然药桶、多光谱相机可以直接安装在无人机主体上，但是由于药桶、多光谱相机等其他附属部件的结构形状均不同，因此安装单元的设置可以解决通用性问题，即附属部件可以直接、快速的安装在无人机主体上，各附属部件仅需分别配置过渡件即可。安装时，首先将过渡件套在壳体下端的外部，然后将手伸入通孔中向下拉动拉环并旋转拉环，使得锁止销缩回壳体内，然后将定位孔与锁止销对准；再次拉动拉环并反向旋转拉环使得锁止板置于第二锁止槽内，此时锁止销再次伸出并置于定位孔中。喷药系统可以根据作物的受灾情况进而合理喷药，以确保遭受病害严重的作物得到更多的药液，未遭受病害的作物上喷施较少的药液，以实现变亮喷施。

如图15所示，为实现对作物的监测，在无人机主体底部安装多光谱相机，现场地面站通过WIFI与通讯塔无线通讯，通讯塔通过4G与云服务器信号连接，通讯塔还与电台地面端信号连接，操作者通过电台地面端操纵无人机的飞行，并通过多光谱相机采集光谱数据，将光谱数据以及无人机的POS数据导入图像处理计算机中，通过图像合成系统合成正射影像图，图像合成系统将TIFF文件上传至云服务器，云服务器对无人机数据进行处理，进行正射影像图展示，并生成报告将其传送至农业部门或农田决策者。云服务器则通过4G网络传输至通讯塔，通讯塔将采集的图像通过WIFI上传至现场地面站，现场地面站规划飞行路径。电台地面端与无人机无线通讯，电台地面端实际为具有信号发射与接收功能的遥控器，通过遥控器控制无人机的飞行轨迹等。通过现场地面站规划飞行路径、电台地面端控制飞行轨迹，可实现无人机按照最佳路径的自主飞行，以实现对作物的有效监测。

该系统具有良好的经济效益、社会效益和环境效益。

(1)经济效益

可用于病虫害防治和土壤监测，数据的监测、大数据的分析结果也有助于农民进行决策，提高农业生产效率和增强病虫害防治的效果，最终增加了种植者的经济效益。

(2)社会效益

提高了病虫害和土壤监测的精准管理装备的智能化水平，优化了传统的地面作业和管理模式，将现今最前沿的无人机、大数据、云计算和多光谱图像处理技术与农业生产相结合，有利于建立农业数据智能化采集、处理、应用、服务与共享体系，形成的农作物病虫害大数据库，可实现生产全过程可监可控、风险预警和决策辅助，提高农业精准化水平。

(3)环境效益

可有效满足种植者和专家对病虫害防治和土壤监测的需要，可提高防治效率50％以上，而利用现代化高新技术更实现了治理方式的创新，可有效保证农产品的质量安全、减少农药对环境的污染，生态效益显著。

Claims (7)

1.一种自主飞行与变量喷施的植保无人机系统，它包括无人机，其特征是，还包括：

安装单元，所述安装单元设置在无人机底部，用于实现无人机与附属部件的快速安装与拆卸；

喷药系统，所述喷药系统设置在无人机上，在喷药系统上设有调节单元，调节单元用于调节喷药量；

药桶，作为附属部件与安装单元连接；

多光谱相机，作为附属部件与安装单元连接；

云服务器，所述云服务器通过4G网络与通讯塔信号连接，通讯塔通过WIFI与现场地面站无线通讯，通讯塔与电台地面端信号连接，电台地面端与无人机无线通讯。

2.根据权利要求1所述的一种自主飞行与变量喷施的植保无人机系统，其特征是，安装单元包括固定在无人机底部的壳体、与壳体侧壁上的侧孔滑动连接的锁止销、设置在壳体上用于驱使锁止销伸出或缩回壳体的推拉机构。

3.根据权利要求2所述的一种自主飞行与变量喷施的植保无人机系统，其特征是，推拉机构包括固定在壳体内腔顶部的导轨、上下滑动设置在导轨内的轴承、设置在轴承外圈与壳体内壁之间的弹簧、固定在轴承内圈上的主杆、固定在主杆底部且置于壳体外侧的锁止板、套置在主杆外侧且与主杆之间沿轴向滑动连接的中心环、与中心环外壁铰接连接的曲柄、与锁止销铰接连接的连杆，曲柄与连杆铰接连接，在壳体底部设有第一锁止槽和第二锁止槽，第一、第二锁止槽呈十字形交叉设置，锁止板置于第一或第二锁止槽内。

4.根据权利要求3所述的一种自主飞行与变量喷施的植保无人机系统，其特征是，在主杆的外壁上设有同步杆，在中心环上设有与同步杆配合的长槽。

5.根据权利要求1所述的一种自主飞行与变量喷施的植保无人机系统，其特征是，在锁止板的底部设有拉环。

6.根据权利要求1所述的一种自主飞行与变量喷施的植保无人机系统，其特征是，喷药系统包括固定在无人机上的喷嘴、与喷嘴连接的水管、与水管连接的软管、与软管连接的药泵，调节单元设置在水管上。

7.根据权利要求6所述的一种自主飞行与变量喷施的植保无人机系统，其特征是，调节单元包括电机、固定在电机输出端的球阀、设置在水管内腔中且上下设置的上垫块和下垫块，在球阀上设有中心孔，上、下垫块均为圆环形结构，上、下垫块的圆形外壁与水管内壁固定连接，上垫块的下端、下垫块的上端均与球阀紧密接触。