CN110583448A - 一种基于无人机监测的水利灌溉装置 - Google Patents

一种基于无人机监测的水利灌溉装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于无人机监测的水利灌溉装置，涉及水利设施技术领域，包括地面控制站、监测无人机和灌溉无人机，监测无人机在灌溉前对灌溉区域进行图像采集，地面控制站根据采集的图像确定灌溉区域的土壤湿度，并将灌溉区域分为多个区域，结合每个区域中作物的需水量确定相应的灌溉量，确定灌溉量后地面控制站即控制灌溉无人机按照灌溉量对每个区域进行灌溉作业。本发明将灌溉区域划分为多个区域，对每个区域中的作物都制定了相应的灌溉量，这样在灌溉后不但能够使每种作物都处于恰到好处的状态，而且对水资源也做到了最大化利用，对建立资源节约型社会作出了贡献。

Description

一种基于无人机监测的水利灌溉装置
技术领域
本发明涉及水利设施技术领域，特别是涉及一种基于无人机监测的水利灌溉装置。
背景技术
水利灌溉是民生大计，合理的水利灌溉设施能够保证水资源合理利用，为植物良好生长提供重要保障。传统的灌溉设置主要依靠沟渠和各种水泵设备，采用大水漫灌的方式对水资源是一种非常大的浪费。针对这种现象，现在无人机灌溉技术已经大面积应用到了农业生产中。
无人机灌溉技术，主要是采用无人机为载体，将水箱挂载在无人机上，无人机利用水泵将水抽送出来进行灌溉。无人机灌溉的控制形式主要有人工控制和自动控制两种，小面积灌溉主要以人工控制为主，大面积灌溉则以自动控制为主。无论采用哪种控制方式，大多数情况下无人机都是按照固定的速度进行灌溉，但是不同区域的作物在不同时期的需水量并不完全相同，而且不同区域的土地也会存在土壤湿度的差异，单纯的采用固定灌溉速度则无法满足多种作物多种区域的灌溉需求，还会造成一定的水资源浪费。
发明内容
本发明实施例提供了一种基于无人机监测的水利灌溉装置，可以解决现有技术中存在的问题。
本发明提供了一种基于无人机监测的水利灌溉装置，包括地面控制站、监测无人机和灌溉无人机，所述监测无人机采集灌溉区域的图像，由所述地面控制站根据采集的图像确定灌溉区域的土壤湿度情况；
在确定土壤湿度情况后，所述地面控制站将灌溉区域划分为多个区域，每个区域中仅存在一种作物，所述地面控制站根据作物的需水量和土壤湿度情况确定每个区域中的灌溉量；确定灌溉量后所述地面控制站将多个区域分配给所述灌溉无人机，然后所述地面控制站按照灌溉无人机的灌溉能力制定与每个灌溉无人机对应的灌溉计划，该灌溉计划与对应灌溉无人机负责的区域的灌溉量相匹配；
所述灌溉无人机接收灌溉计划后即按照灌溉计划对负责的区域进行灌溉作业。
本发明提供的一种基于无人机监测的水利灌溉装置，包括地面控制站、监测无人机和灌溉无人机，监测无人机在灌溉前对灌溉区域进行图像采集，地面控制站根据采集的图像确定灌溉区域的土壤湿度，并将灌溉区域分为多个区域，结合每个区域中作物的需水量确定相应的灌溉量，确定灌溉量后地面控制站即控制灌溉无人机按照灌溉量对每个区域进行灌溉作业。本发明将灌溉区域划分为多个区域，对每个区域中的作物都制定了相应的灌溉量，这样在灌溉后不但能够使每种作物都处于恰到好处的状态，而且对水资源也做到了最大化利用，对建立资源节约型社会作出了贡献。
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，下面描述中的附图仅仅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为本发明中提供的一种基于无人机监测的水利灌溉装置的组成示意图；
图2为补水设备的俯视图；
图3为定位槽的结构示意图；
图4为无人机与水箱的安装结构示意图。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅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做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。
参照图1和图2，本发明实施例中提供了一种基于无人机监测的水利灌溉装置，该装置包括地面控制站100、监测无人机200、灌溉无人机300和补水设备，所述地面控制站100设置在作物一旁的空地上，用于对所述监测无人机200和灌溉无人机300进行协调控制。
所述监测无人机200用于在灌溉前对灌溉区域进行监测，以确定合适的灌溉量。具体地，所述监测无人机200的底部安装有摄像头，该摄像头采集灌溉区域的图像后，所述地面控制站100根据采集的图像即可确定灌溉区域的土壤湿度和未来一定时间内的土壤湿度情况，具体方法属于现有技术，至少可参见《基于无人机采集图像的土壤湿度预测模型研究》一文，因此本发明中不再对其内容进行介绍。
在确定土壤湿度情况后，所述地面控制站100将灌溉区域按照作物类型分为多个作物区域，每个作物区域仅包含一种作物，然后所述地面控制站100根据每个作物区域中作物在不同阶段的需水量以及作物当前所处的生长阶段确定每个作物区域中作物的当前需水量。最后，所述地面控制站100结合每个作物区域中作物的需水量和土壤的湿度后，确定与每个作物区域对应的灌溉量。
在本实施例中，由于同一个作物区域中可能会存在土壤湿度不相同的情况，此时所述地面控制站100还按照灌溉区域中的土壤湿度情况将每个作物区域再划分为多个子区域，每个子区域具有相同的作物类型和相同的土壤湿度。因此，可以对每个子区域制定相应的灌溉量计划。
灌溉开始后，所述地面控制站100按照灌溉无人机300的数量和具体的灌溉区域面积，为每个灌溉无人机300分配一定面积的灌溉区域，该灌溉区域对于灌溉无人机300的表现形式为一系列定位点围成的区域。应理解，每个灌溉无人机300对应的灌溉区域应包括完整的作物区域或子区域，以便于灌溉无人机300进行控制。
确定每个灌溉无人机300负责的灌溉区域后，所述地面控制站100即将每个灌溉区域的灌溉量情况根据对应灌溉无人机300的具体灌溉能力制定具体的灌溉计划，该灌溉计划包括灌溉无人机300在灌溉区域上空的飞行速度以及灌溉速度，应理解，灌溉计划中的飞行速度和灌溉速度应与灌溉区域中每个位置的灌溉量对应。确定灌溉计划后，所述灌溉无人机300即开始对每个灌溉区域进行灌溉作业。
灌溉过程中，所述监测无人机200也悬停在空中并处于灌溉无人机300的上方，所述监测无人机200通过图像跟踪的方式跟踪每个灌溉无人机300的飞行速度，同时每个所述灌溉无人机300也将实时的灌溉速度发送至所述监测无人机200，所述监测无人机200将每个灌溉无人机300的当前飞行速度和灌溉速度与预先制定的灌溉计划进行对比。当确定灌溉无人机300的当前状态与灌溉计划存在差别时，所述监测无人机200向对应的灌溉无人机300发送修正命令，以控制所述灌溉无人机300按照预定的灌溉计划进行作业。
所述补水设备设置在灌溉区域一侧的空地上，且紧邻所述地面控制站100设置。所述补水设备包括传送带400、补水平台410和补水管420，所述传送带400为环形，所述补水平台410设置在所述传送带400的两侧，以停放需要补水的灌溉无人机300，所述补水管420设置在传送带400一侧且所述补水管420的出水端位于传送带400的正上方，以对所述灌溉无人机300更换下来的空水箱进行补水。
参照图3，由于灌溉无人机300降落至补水平台410的位置不会非常准确，但是更换水箱的操作又要求灌溉无人机300的位置非常准确，因此本发明中所述补水平台410上安装了多组定位槽411，每组中定位槽411的数量为两个，分别安装在所述补水平台410上位于传送带400两侧的位置。所述定位槽411的上部具有开口，该开口向下延伸至定位槽411内部形成槽体，所述槽体的上部尺寸大于下部的尺寸，且所述槽体的每个侧面均在竖直向下的方向上逐渐向内收拢，形成类似漏斗状的结构，使所述灌溉无人机300降落在定位槽411中后，能够滑动至槽体的底部，以提高降落位置的准确性。
参照图4，所述灌溉无人机300包括机架310和可拆卸安装在机架310下方的水箱320，所述机架310为n型结构，其两端分别转动安装有支杆311，所述支杆311与机架310之间背对所述水箱320的一侧连接有压缩弹簧312，使所述灌溉无人机300在降落时支杆311能够产生一定的转动，以缓解对灌溉无人机300的冲击。所述灌溉无人机300上安装有用于将所述水箱320中的水导向灌溉喷头的管道313，该管道313靠近所述水箱320的一段安装在其中一个所述支杆311上，且所述管道313的末端从支杆311上伸出，以便于插入至所述水箱320中。
由于所述管道313会随着支杆311的转动而产生一定角度的转动，导致管道313的末端的运动轨迹为弧线，而插入所述水箱320的操作要求管道313末端的运动轨迹为水平的直线，因此本发明中所述水箱320的出水口外部安装有导向管322，所述导向管322的端面上具有与所述管道313的末端正对的斜切面，即当所述管道313的末端被抽出水箱320后处于导向管322下方时，所述导向管322的斜切面倾斜朝下；而当所述管道313的末端被抽出水箱320后处于导向管322上方时，所述导向管322的斜切面倾斜朝上。当所述灌溉无人机300降落后，支杆311向外转动一定角度，同时管道313在支杆311的带动下向外移动以抽出水箱320；当灌溉无人机300起飞后，支杆311受到压缩弹簧312的弹力向内转动，管道313在支杆311的带动下向内移动，当管道313的末端接触到导向管322后即插入到导向管322内部，随后所述管道313在导向管322的引导作用下开始沿水平直线向内移动，直到插入所述水箱320中。
本实施例中，由于所述管道313伸出支杆311的长度比较大，为了避免管道313除靠近末端的其他部分产生移动以影响管道313正常插入和拔出水箱320，可以在所述支杆313上安装定形架，使所述管道313靠近支杆311的部分保持不动，仅靠近所述水箱320的部分能够移动。
所述水箱320在出水口处的内侧安装有挡板(图未示)，该挡板的面积大于出水口的截面积，且所述挡板通过弹性件连接在所述水箱320的内侧面上。当水箱320内部有水时，挡板在水压力作用下将出水口堵住，而当管道313从外侧插入水箱320时，所述挡板能够被管道313顶开以使管道313能够顺利进入到水箱320内部。
所述水箱320的外侧面上具有多个插环321，所述机架310在每个与所述插环321对应的位置安装有插接装置314，所述插接装置314包括滑筒、插杆和电磁吸合机构，所述滑筒固定安装在机架310上，所述滑筒朝向插环321的一端开口，所述插杆滑动安装在所述滑筒中，且从所述滑筒的开口伸出滑筒外部。所述电磁吸合机构包括电磁铁和吸合块，所述电磁铁安装在滑筒的内底面上，所述吸合块安装在插杆朝向所述滑筒内底面的侧面上，同时所述插杆还通过弹性件与所述滑筒的内底面连接。当所述电磁铁通电后产生磁场后，由铁磁性金属制成的吸合块受到磁力吸引向所述滑筒的内底面移动，此时所述插杆完全收纳进滑筒内部，而且弹性件受到压缩，水箱320脱离与机架310的连接；当电磁铁断电后磁场消失，插杆在弹性件的弹力作用下从滑筒中弹出并插入到插环321中，使水箱320和机架310建立稳定连接。
实际使用时，所述灌溉无人机300按照预定的灌溉计划作业，当水箱320中的水用完后，所述灌溉无人机300记录当前位置的经纬度坐标然后自动导航飞行到补水平台410上降落，降落前所述地面控制站100根据传送带400上水箱的位置情况向所述灌溉无人机300发送降落位置，该降落位置在传送带400转动方向上前方的传送带400上紧邻放置有装满水的水箱320，所述灌溉无人机300降落在补水平台410上的降落位置，在定位槽411的帮助下达到准确降落。
降落后所述插接装置314与水箱脱离连接，同时管道313也从水箱320中抽出，水箱320即与机架310完全脱离，空的水箱320被放置在传送带400上，随后传送带400转动一个单位距离，前方被装满的水箱320恰好移动到机架310正下方，插接装置314与水箱建立连接后灌溉无人机300起飞，管道313也插入到水箱320中，灌溉无人机300即自动导航至记录的经纬度坐标并继续执行灌溉作业。所述补水设备则将传送带400上的水箱位置情况进行更新，当传送带400上的所有水箱320都是空水箱后，所述传送带400即将水箱320运送至补水管420下方，使补水管420将水从水箱320顶部的进水口灌到水箱内部。
以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，但是，本发明实施例并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于无人机监测的水利灌溉装置，其特征在于，包括地面控制站、监测无人机和灌溉无人机，所述监测无人机采集灌溉区域的图像，由所述地面控制站根据采集的图像确定灌溉区域的土壤湿度情况；
在确定土壤湿度情况后，所述地面控制站将灌溉区域划分为多个区域，每个区域中仅存在一种作物，所述地面控制站根据作物的需水量和土壤湿度情况确定每个区域中的灌溉量；确定灌溉量后所述地面控制站将多个区域分配给所述灌溉无人机，然后所述地面控制站按照灌溉无人机的灌溉能力制定与每个灌溉无人机对应的灌溉计划，该灌溉计划与对应灌溉无人机负责的区域的灌溉量相匹配；
所述灌溉无人机接收灌溉计划后即按照灌溉计划对负责的区域进行灌溉作业。
2.如权利要求1所述的一种基于无人机监测的水利灌溉装置，其特征在于，在确定土壤湿度情况后，所述地面控制站将灌溉区域按照作物类型分为多个作物区域，每个作物区域包含一种作物；
然后所述地面控制站根据每个作物区域中作物在不同阶段的需水量以及作物当前所处的生长阶段确定每个作物区域中作物的当前需水量；
最后所述地面控制站结合每个作物区域中作物的需水量和土壤的湿度后，确定与每个作物区域对应的灌溉量。
3.如权利要求2所述的一种基于无人机监测的水利灌溉装置，其特征在于，所述地面控制站按照灌溉区域中的土壤湿度情况将每个作物区域划分为多个子区域，每个子区域具有相同的作物类型和相同的土壤湿度，所述地面控制站根据子区域中土壤湿度和作物需水量确定每个子区域的灌溉量。
4.如权利要求1所述的一种基于无人机监测的水利灌溉装置，其特征在于，所述灌溉计划包括灌溉无人机的飞行速度和灌溉速度，在灌溉过程中所述监测无人机处于灌溉无人机的上方，所述监测无人机跟踪每个灌溉无人机的飞行速度，同时每个所述灌溉无人机也将实时的灌溉速度发送至所述监测无人机，所述监测无人机将每个灌溉无人机的当前飞行速度和灌溉速度与预先制定的灌溉计划进行对比；
当确定灌溉无人机的当前状态与灌溉计划存在差别时，所述监测无人机向对应的灌溉无人机发送修正命令，以控制所述灌溉无人机按照预定的灌溉计划进行作业。
5.如权利要求1所述的一种基于无人机监测的水利灌溉装置，其特征在于，还包括补水设备，所述补水设备包括传送带、补水平台和补水管，所述传送带为环形，所述补水平台设置在所述传送带的两侧，用以停放需要补水的所述灌溉无人机，所述补水管设置在传送带一侧且所述补水管的出水端位于传送带的正上方，以对所述灌溉无人机更换下来的水箱进行补水。
6.如权利要求5所述的一种基于无人机监测的水利灌溉装置，其特征在于，所述补水平台上安装了多组定位槽，每组中定位槽的数量为两个，该两个定位槽分别安装在所述补水平台上位于传送带两侧的位置；
所述定位槽的上部具有开口，该开口向下延伸至定位槽内部形成槽体，所述槽体的上部尺寸大于下部的尺寸，且所述槽体的每个侧面均在竖直向下的方向上逐渐向内收拢，形成漏斗状的结构。
7.如权利要求1所述的一种基于无人机监测的水利灌溉装置，其特征在于，所述灌溉无人机包括机架和可拆卸安装在机架下方的水箱，所述机架为n型结构，其两端分别转动安装有支杆，所述支杆与机架之间在背对所述水箱的一侧连接有压缩弹簧；
所述机架上安装有用于将所述水箱中的水导出的管道，该管道靠近所述水箱的一段安装在其中一个所述支杆上，且所述管道的末端从支杆上伸出，并插入至所述水箱中。
8.如权利要求7所述的一种基于无人机监测的水利灌溉装置，其特征在于，所述水箱的出水口外部安装有导向管，所述导向管的端面上具有与所述管道的末端正对的斜切面。
9.如权利要求7所述的一种基于无人机监测的水利灌溉装置，其特征在于，所述水箱在出水口处的内侧安装有挡板，该挡板的面积大于出水口的截面积，且所述挡板通过弹性件连接在所述水箱的内侧面上。
10.如权利要求7所述的一种基于无人机监测的水利灌溉装置，其特征在于，所述水箱的外侧面上具有多个插环，所述机架在每个与所述插环对应的位置安装有插接装置；
所述插接装置包括滑筒、插杆和电磁吸合机构，所述滑筒固定安装在机架上，所述滑筒朝向插环的一端开口，所述插杆滑动安装在所述滑筒中，且从所述滑筒的开口伸出滑筒外部；
所述电磁吸合机构包括电磁铁和吸合块，所述电磁铁安装在滑筒的内底面上，所述吸合块安装在插杆朝向所述滑筒内底面的侧面上，同时所述插杆还通过弹性件与所述滑筒的内底面连接。
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