CN110697047A - 一种航空喷施的变浓度控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种航空喷施的变浓度控制方法，包括以下步骤：(1)拍摄待作业区域的图像，将获取的图像分成若干单元块，对各个单元块的病虫草害严重程度划分等级，形成病虫草害处方图；(2)计算水箱泵和药箱泵的管道流量；(3)得出比较寄存器值与水箱泵的管道流量的线性关系以及比较寄存器值与药箱泵的管道流量线性关系；(4)获取待施药的单元块对应的水箱泵的比较寄存器值和药箱的比较寄存器值；(5)根据对应的比较寄存器值，调节水箱泵和药箱泵的转速，实现药液浓度的配置，最后进行喷施工作，完成变浓度的喷施。本发明能够通过改变喷施农药的浓度，从而适应不同区域的发病情况，有效防治地块的病情。
Description
技术领域
本发明涉及一种航空喷施方法，具体涉及航空喷施的变浓度控制方法。
背景技术
近年来，我国大力发展农机农艺融合基础上的精准、省药、绿色作业，以实现“低投入可持续农业”基础上的农业现代化发展。但在作业过程中发现，作业人员在选择或确定作业参数时，往往并不考虑作业区域病虫草害的严重程度是否一致、所喷施药剂浓度是否与病虫草害严重程度相契合，而在同一作业区域内，往往受土壤、光照、水分等因素影响，造成病虫草害的发病指数并不相同，因此变量喷施技术尤为重要。目前研究较多的是变流量施药控制系统，其工作原理是：在无人机植保作业过程中，该系统能够根据事先采集到的作业区域不同地块上的病虫草害严重程度不同，通过改变无人机的施药装置的流量大小，有针对性的在对应地块上喷施不同流量的药液，即“多需多喷、少需少喷”，从而实现“按需施药、分而治之”的变量作业目的。
然而，现有变量施药控制系统毕竟是一种“变流量”施药方法，若作业地块不同区域发病指数相差很大，则该系统会存在“小病情防治过量、大病情防治不足”的问题，亟需遵循“轻症用轻药、重症用重药”原则研发一种“变浓度”施药方法，以解决现有技术存在的上述问题。
发明内容
本发明目的在于克服现有技术的不足，提供一种航空喷施的变浓度控制方法，该方法能够通过改变喷施农药的浓度，从而适应不同区域的发病情况，有效防治地块的病情。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种航空喷施的变浓度控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)通过无人机先拍摄获取待作业区域的图像，并将获取的图像分成若干单元块，同时对各个单元块的病虫草害严重程度划分等级，形成病虫草害处方图，并传输到无人机的单片机中；
(2)通过以下公式计算出水箱泵和药箱泵转一圈时的排量：
q＝2πRr2
其中，q为水箱泵或药箱泵的排量，R为水箱泵或药箱泵的转辊子外切圆半径，r为水箱泵或药箱泵的泵管内径；
通过以下公式计算出水箱泵和药箱泵的管道流量：
Q＝nq
其中，Q为水箱泵或药箱泵的流量，n为水箱泵或药箱泵的转速；
(3)通过改变比较寄存器值的大小改变PWM的占空比，从而改变水箱泵和药箱泵的转速，进而获取不同的管道流量，分别得出比较寄存器值与水箱泵的管道流量的线性关系以及比较寄存器值与药箱泵的管道流量线性关系；
(4)单片机根据步骤(1)中的各个单元块的病虫草害严重程度设定每个单元块对应的施药浓度；同时，根据步骤(3)中的两个线性关系，对应得出每个单元块对应施药浓度的水量和药量，从而得出对应的水箱泵的比较寄存器值和药箱的比较寄存器值；
(5)作业时，单片机根据此时待施药的单元块匹配对应的水箱泵的比较寄存器值以及药箱泵的比较寄存器值，调节水箱泵和药箱泵的转速，从而实现调节流出水箱的水总量和流出药箱的药总量，进而在混药箱中混合得出与待施药的单元块匹配的药液浓度，最后进行喷施工作，完成变浓度的喷施。
本发明的一个优选方案，其中，在步骤(1)中，无人机搭载光谱相机或高光谱相机，在拍摄图像前合理规划拍摄飞行航线，再根据该拍摄飞行航线进行拍摄图像。
优选地，采用图像处理的方式将各个单元块进行病虫草害的严重程度的等级划分，得出等级信息。
本发明的一个优选方案，所述水箱泵和药箱泵均为蠕动泵。
本发明的一个优选方案，喷施农药前，分别对比较寄存器、计数器和定时器以及I/O口设置进行初始化；喷药时，单片机接受到喷药信号，根据单元块的作业面积以及作业速度设置延时函数，开始读取需要喷施农药的单元块的等级信息，匹配对应的比较寄存器值，开始调节水箱泵和药箱泵的转速，在混药箱内配出对应浓度的农药，最后再通过喷施植保无人机上的机载施药模块进行农药喷施。
优选地，设定计数器的值；当计数器的值大于或等于比较寄存器值时，I/O口输出高电平(1)，水箱泵和药箱泵正常工作，实现单元块对应浓度的农药的配制；当计数器达到自动重装载值时，重新归零，水箱泵和药箱泵停止工作，完成农药配制；对下一个单元块的区域进行喷施农药是，计数器重新向上计数，重新针对下一个单元块进行对应浓度的农药的配制，依次循环进行作业。
本发明的一个优选方案，所述单片机为51系列单片机、PIC系列单片机或STM32系列单片机。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
1、本发明通过在喷施农药前对作业区域进行分析，根据作业区域的中的各个单元块的病虫害程度进行等级划分，从而针对各个单元块匹配对应浓度的农药进行喷施，实现“轻症用轻药、重症用重药”的效果，从而提高作业区域的农药喷施质量，节省农药。
2、通过改变比较寄存器值的大小改变PWM的占空比，从而改变水箱泵和药箱泵的转速，进而控制水箱流出总量和药箱流出总量。通过单片机利用PWM技术控制改变水箱泵和药箱泵的转速，发出指令到接受指令执行的时间很短(一般在几毫秒)，有效避免了系统因延迟造成的勿喷或漏喷，药液混合控制精确。
附图说明
图1为本发明的航空喷施的变浓度控制方法的流程框图。
图2为本发明中的水箱泵和药箱泵的管道流量与比较寄存器值的线性关系图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步描述，但本发明的实施方式不仅限于此。
参见图1，本实施例的航空喷施的变浓度控制方法，包括以下步骤：
(1)通过无人机先拍摄获取待作业区域的图像，并将获取的图像分成若干单元块，同时对各个单元块的病虫草害严重程度划分等级，形成病虫草害处方图，并传输到无人机的单片机中。
首先，在晴朗的天气下使用搭载多光谱或高管谱相机的摄影无人机获取目标作业区域的图像，准确记录遥感区域边界的坐标，以便后期作业时能准确定位做到精确作业，根据作物以及地块大小设置合理的飞行高度、飞行速度、航线重叠度和旁向重叠度，一般对于平坦地区航线重叠度为60％，旁向重叠度为35％-15％(最小不少于13％)；另外，也可直接在喷施植保无人机上搭载相机，在喷施农药前进行作业区域的拍摄，实现一机多用；
其次，使用图像处理软件对拍摄得到图像进行处理，依据地物的光谱特征，确定判别函数和相应的判别准则(可根据病虫草害的严重程度的图像像素点不同来判别)，将图像所有的像元按性质分为若干类达到识别作物、发病作物、虫草的目的，把目标作业区域划分成若干个长20m宽5m的单元块，根据划分后单元块内病虫草害的严重程度(或发病指数)划分五个等级并相应制定不同的农药使用量浓度；单元块的严重程度等级和农药使用量构成等级信息；
最后，将划分的单元块的等级信息以文本文件的形式传输到单片机内，单片机读取为数组形式，并根据此数组信息调节水箱泵和药箱泵的转速控制流过的水和药的总量大小达到不同等级地块喷施不同浓度农药的目的。
(2)喷施植保无人机上的水箱泵和药箱泵均采用KDS-FE-2-B17B型蠕动泵，将水箱泵和药箱泵作为水流量和药流量的调节执行器件；上述型号的蠕动泵转辊子外切圆半径为31.5mm，泵管内径为4mm，通过以下公式计算得出水箱泵和药箱泵转一圈时的排量为3.165ml，其中公式为：
q＝2πRr2
其中，水箱泵和药箱泵均采用蠕动泵，q为水箱泵或药箱泵的排量，R为水箱泵或药箱泵的转辊子外切圆半径，r为水箱泵或药箱泵的泵管内径；
通过以下公式计算得出水箱泵和药箱泵的管道流量，其中公式为：
Q＝nq
其中，Q为水箱泵或药箱泵的流量，n为水箱泵或药箱泵的转速。
(3)通过改变比较寄存器值的大小改变PWM的占空比，从而改变水箱泵和药箱泵的转速，进而获取不同的管道流量，分别得出比较寄存器值与水箱泵的管道流量的线性关系以及比较寄存器值与药箱泵的管道流量线性关系。由于水箱泵与药箱泵均采用蠕动泵，因此两者的管道流量与比较寄存器值之间的线性关系一致。试验中，通过实际测量获取得到对应的线性关系图，具体可参见图2。
(4)单片机根据步骤(1)中的各个单元块的病虫草害严重程度设定每个单元块对应的施药浓度；同时，根据步骤(3)中的两个线性关系，对应得出每个单元块对应施药浓度的水量和药量，从而得出对应的水箱泵的比较寄存器值和药箱的比较寄存器值；设置自动重装载值和预分频系数来控制PWM的周期，同时配置比较模式寄存器的相关位来选择PWM的模式。
(5)作业时，单片机根据此时待施药的单元块匹配对应的水箱泵的比较寄存器值以及药箱泵的比较寄存器值，调节水箱泵和药箱泵的转速，从而实现调节流出水箱的水总量和流出药箱的药总量，进而在混药箱中混合得出与待施药的单元块匹配的药液浓度，最后进行喷施工作，完成变浓度的喷施。
本实施例中，选取市售的阿波罗STM32F429IGT6单片机作为控制器，选择RS232来做电平转接，用于实现单片机与PC机进行串口通讯，阿波罗STM32F429IGT6单片机上设有红外接收头HS0038，能够接收红外遥控器的信号；对于拍摄图像的处理以及比较寄存器值与单元块的匹配或其他计算通过PC机完成，然后再将最后的执行结果通讯传输到单片机中，有单片机控制喷施植保无人机上的执行器件来完成最后的药剂配置和喷施。在喷施植保无人机的红外遥控器上设置启动喷药按键和停止喷药按键，以便人工控制农药喷施。
在作业前，分别对寄存器、计数器和定时器、I/O口设置进行初始化；喷施植保无人机根据定位系统(例如GPS)行驶到作业区域边界处，人工通过红外遥控器打开启动喷药按键，单片机根据作业区域的病虫草害处方图，读取出各个单元块的病虫草害严重程度的等级信息；随后，行驶到作业区域范围内后，再针对此时所在区域对应的单位块，根据比较寄存器值与水箱泵和药箱泵的线性关系，匹配对应IDE比较寄存器值，在水箱泵和药箱泵的作用下，进行药剂的配置，最后再通过喷施植保无人机的机载喷施模块进行农药的喷施。
当计数器的值大于等于比较寄存器值的时候，IO输出高电平(1)，当计数器达到自动重装载值的时候，重新归零，然后重新向上计数，依次循环进行作业完成变浓度喷施作业。
上述为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述内容的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所做的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种航空喷施的变浓度控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)通过无人机先拍摄获取待作业区域的图像，并将获取的图像分成若干单元块，同时对各个单元块的病虫草害严重程度划分等级，形成病虫草害处方图，并传输到无人机的单片机中；
(2)通过以下公式计算出水箱泵和药箱泵转一圈时的排量：
q＝2πRr2
其中，q为水箱泵或药箱泵的排量，R为水箱泵或药箱泵的转辊子外切圆半径，r为水箱泵或药箱泵的泵管内径；
通过以下公式计算出水箱泵和药箱泵的管道流量：
Q＝nq
其中，Q为水箱泵或药箱泵的流量，n为水箱泵或药箱泵的转速；
(3)通过改变比较寄存器值的大小改变PWM的占空比，从而改变水箱泵和药箱泵的转速，进而获取不同的管道流量，分别得出比较寄存器值与水箱泵的管道流量的线性关系以及比较寄存器值与药箱泵的管道流量线性关系；
(4)单片机根据步骤(1)中的各个单元块的病虫草害严重程度设定每个单元块对应的施药浓度；同时，根据步骤(3)中的两个线性关系，对应得出每个单元块对应施药浓度的水量和药量，从而得出对应的水箱泵的比较寄存器值和药箱的比较寄存器值；
(5)作业时，单片机根据此时待施药的单元块匹配对应的水箱泵的比较寄存器值以及药箱泵的比较寄存器值，调节水箱泵和药箱泵的转速，从而实现调节流出水箱的水总量和流出药箱的药总量，进而在混药箱中混合得出与待施药的单元块匹配的药液浓度，最后进行喷施工作，完成变浓度的喷施。
2.根据权利要求1所述的航空喷施的变浓度控制方法，其特征在于，在步骤(1)中，无人机搭载光谱相机或高光谱相机，在拍摄图像前合理规划拍摄飞行航线，再根据该拍摄飞行航线进行拍摄图像。
3.根据权利要求2所述的航空喷施的变浓度控制方法，其特征在于，采用图像处理的方式将各个单元块进行病虫草害的严重程度的等级划分，得出等级信息。
4.根据权利要求1所述的航空喷施的变浓度控制方法，其特征在于，所述水箱泵和药箱泵均为蠕动泵。
5.根据权利要求1所述的航空喷施的变浓度控制方法，其特征在于，喷施农药前，分别对比较寄存器、计数器和定时器以及I/O口设置进行初始化；喷药时，单片机接受到喷药信号，根据单元块的作业面积以及作业速度设置延时函数，开始读取需要喷施农药的单元块的等级信息，匹配对应的比较寄存器值，开始调节水箱泵和药箱泵的转速，在混药箱内配出对应浓度的农药，最后再通过喷施植保无人机上的机载施药模块进行农药喷施。
6.根据权利要求1所述的航空喷施的变浓度控制方法，其特征在于，设定计数器的值；当计数器的值大于或等于比较寄存器值时，I/O口输出高电平(1)，水箱泵和药箱泵正常工作，实现单元块对应浓度的农药的配制；当计数器达到自动重装载值时，重新归零，水箱泵和药箱泵停止工作，完成农药配制；对下一个单元块的区域进行喷施农药是，计数器重新向上计数，重新针对下一个单元块进行对应浓度的农药的配制，依次循环进行作业。
7.根据权利要求1所述的航空喷施的变浓度控制方法，其特征在于，所述单片机为51系列单片机、PIC系列单片机或STM32系列单片机。
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