CN110834729B - 一种基于光谱探测的无人机及喷洒控制方法 - Google Patents

一种基于光谱探测的无人机及喷洒控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明实施例提供一种基于光谱探测的无人机及喷洒控制方法，该方法包括：根据前向反射光谱传感器和后向反射光谱传感器获取作物冠层反射光信息，并根据入射光谱传感器获取入射光信息；根据作物冠层反射光信息和入射光信息分析得到植被指数信息，根据植被指数信息确定喷药量信息；根据主控制器获取飞行状态信息，以根据飞行状态信息和作物冠层反射光信息计算喷药提前时间信息；喷洒系统根据喷药量信息和喷药提前时间信息进行药物喷洒。通过入射光谱传感器、前向反射光谱传感器和后向反射光谱传感器实现对于施药区域作物长势的实时探测，根据植物长势连续调节施药量，更精准更有效利用无人机实现航空施药。

Description

一种基于光谱探测的无人机及喷洒控制方法
技术领域
本发明涉及无人机技术领域，尤其涉及一种基于光谱探测的无人机及喷洒控制方法。
背景技术
航空施药作业是现代农业植保作业的重要手段，在航空施药作业领域中无人机精准施药是未来的技术发展趋势。目前植保无人机上安装有自动作业控制系统，地面指挥软件设置好作业区域和每亩的喷洒药量后，飞机可按照设定的施药路径进行作业，控制系统根据作物的位置信息，在飞行过程中由程序控制打开或关闭喷头。
但是现有技术的是施药过程中，通常按照统一的喷洒药量来进行施药，但是实际过程中，存在长势不同的作物，而长势不同的作物对于药量的需求并不一样，按照统一喷洒量来进行施药容易造成药物的浪费。
因此，如何更有效，更精准的利用无人机实现航空施药已经成为业界亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明实施例提供一种基于光谱探测的无人机及喷洒控制方法，用以解决上述背景技术中提出的技术问题，或至少部分解决上述背景技术中提出的技术问题。
第一方面，本发明实施例提供一种基于光谱探测的无人机，包括无人机，还包括：入射光谱传感器、前向反射光谱传感器、后向反射光谱传感器、主控制器和喷洒系统；
所述入射光谱传感器设置于所述无人机前顶部，所述前向反射光谱传感器倾斜设置在所述无人机的前底部，所述主控制器与所述喷洒系统设置在所述无人机的底部，所述后向反射光谱传感器倾斜设置在所述无人机的后底部，且所述前向反射光谱传感器与所述后向反射光谱传感器背邻设置；
其中，所述前向反射光谱传感器和所述后向反射光谱传感器用于获取作物冠层反射光信息，并将所述作物冠层反射光信息发送到所述主控制器；
其中，所述入射光谱传感器用于获取入射光信息，并将所述入射光信息发送到所述主控制器；
所述主控制器用于获取飞行状态信息，以根据所述飞行状态信息、所述反射光信息和所述入射光信息控制所述喷洒系统进行喷药。
更具体的，所述前向反射光谱传感器中线与所述无人机纵轴方向成30°角，且所述后向反射光谱传感器中线与所述无人机纵轴方向成30°角。
更具体的，所述前向反射光谱传感器和后向反射光谱传感器均由650nm波长的近红外光反射传感器和810nm波长的近红外光反射传感器组成。
更具体的，所述主控制器用于获取无人机机体姿态角度信息和无人机机体飞行速度信息，以根据所述无人机机体姿态角度信息和无人机机体飞行速度信息得到飞行状态信息。
第二方面，本发明实施例提供一种基于第一方面所述基于光谱探测的无人机的喷洒控制方法，包括：
根据所述前向反射光谱传感器和所述后向反射光谱传感器获取作物冠层反射光信息，并根据所述入射光谱传感器获取入射光信息；
根据所述作物冠层反射光信息和所述入射光信息分析得到植被指数信息，根据所述植被指数信息确定植被长势信息，以根据所述植被长势信息确定喷药量信息；
根据所述主控制器获取飞行状态信息，以根据所述飞行状态信息和所述作物冠层反射光信息计算喷药提前时间信息；
所述喷洒系统根据所述喷药量信息和喷药提前时间信息进行药物喷洒。
更具体的，所述根据所述作物冠层反射光信息和所述入射光信息分析得到植被指数信息的步骤，具体包括：
根据所述作物冠层反射光信息和所述入射光信息，计算650nm波长的作物冠层反射率信息和810nm波长别的作物冠层反射率信息；
根据所述650nm波长的作物冠层反射率信息和810nm波长别的作物冠层反射率信息计算得到植被指数信息。
更具体的，所述根据所述主控制器获取飞行状态信息，以根据所述飞行状态信息和所述作物冠层反射光信息计算喷药提前时间信息的步骤，具体包括：
根据所述作物冠层反射光信息得到作物冠层反射面与无人机的距离；
根据所述飞行状态信息中无人机机体姿态角度信息的和所述作物冠层反射面与无人机的距离计算水平目标距离；
根据所述无人机机体飞行速度信息和所述水平目标距离得到无人机飞行时间信息；
获取喷洒系统滞后时间，以根据所述无人机飞行时间信息和所述喷洒系统滞后时间计算喷药提前时间信息。
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第二方面所述喷洒控制方法的步骤。
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第一方面所述喷洒控制方法的步骤。
本发明实施例提供的一种基于光谱探测的无人机及喷洒控制方法，通过入射光谱传感器、前向反射光谱传感器和后向反射光谱传感器实现对于施药区域作物长势的实时探测，采用基于植被归一化指数的评价方式，实现对于作业区域作物长势的精确测量，根据植物长势连续调节施药量，更精准更有效利用无人机实现航空施药，并且通过根据飞行状态信息和所述作物冠层反射光信息计算喷药提前时间信息，实现准确喷药，避免对于作物区域以外的无效施药。
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为本发明一实施例中所描述的基于光谱探测的无人机结构示意图；
图2为本发明一实施例所描述的喷洒控制方法流程示意图；
图3为本发明一实施例所描述的前向反射光谱传感器虚拟坐标系示意图；
图4为本发明一实施例所描述的电子设备结构示意图。
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。
图1为本发明一实施例中所描述的基于光谱探测的无人机结构示意图，如图1所示，包括：入射光谱传感器110、前向反射光谱传感器120、后向反射光谱传感器130、主控制器140和喷洒系统150，还包括无人机160。
具体的，入射光谱传感器110设置于无人机160前顶部，用于接收入射光信息，并将入射光信息发送到主控制器140.
具体的，本发明实施例中所描述的前向反射光谱传感器120、后向反射光谱传感器130分别设置在无人机160的前底部和后底部，且前向反射光谱传感器120和后向反射光谱传感器130背邻设置，使得无人机无论在向前飞行或者倒退飞行时，都能有效捕捉到目标作业区域内的植被冠层反射光信息。
本发明实施例中所描述的主控制器140用于根据所述作物冠层反射光信息和所述入射光信息分析得到植被指数信息，根据所述植被指数信息确定植被长势信息，根据所述植被长势信息确定喷药量信息，然后根据飞行状态信息和作物冠层反射光信息计算喷药提前时间信息，通过向喷洒系统150发送压力指令，从而控制喷药量，然后根据喷药提前时间来实现准确喷药。
本发明实施例通过入射光谱传感器、前向反射光谱传感器和后向反射光谱传感器实现对于施药区域作物长势的实时探测，采用基于植被归一化指数的评价方式，实现对于作业区域作物长势的精确测量，根据植物长势连续调节施药量，更精准更有效利用无人机实现航空施药，并且通过根据飞行状态信息和所述作物冠层反射光信息计算喷药提前时间信息，实现准确喷药，避免对于作物区域以外的无效施药。
在上述实施例的基础上，所述前向反射光谱传感器中线与所述无人机纵轴方向成30°角，且所述后向反射光谱传感器中线与所述无人机纵轴方向成30°角。
具体的，本发明实施例中所描述的前向反射光谱传感器中线与所述无人机纵轴方向成30°角，且所述后向反射光谱传感器中线与所述无人机纵轴方向成30°角，有效避免了因传感器垂直设置在集体正下方时，由于采样周期导致飞机不能在进入作业区域的一瞬间同步开启喷洒管路，从而有效避免了漏喷的情况。
在上述实施例的基础上，所述前向反射光谱传感器和后向反射光谱传感器均由650nm波长的近红外光反射传感器和810nm波长的近红外光反射传感器组成。
具体的，本发明实施例通过两种不同波长的近红外光反射传感器从而得到两种波长光线反射率，便于计算植被指数信息。
本发明实施例通过设置两种不同波长的近红外光反射传感器，从而可以有效的实现对于目标区域植被指数信息的计算，便于后续确定喷药量。
在上述实施例的基础上，所述主控制器用于获取无人机机体姿态角度信息和无人机机体飞行速度信息，以根据所述无人机机体姿态角度信息和无人机机体飞行速度信息得到飞行状态信息。
具体的，本发明实施例中所描述的无人机机体姿态角度信息具体是指相对于无人机水平飞行时，无人机机体倾斜的姿态角度信息。
本发明实施例中所描述的无人机机体飞行速度信息是指无人机相对于地面飞行的速度，该数据可以由总控制器通过现有接口获取。
本发明实施例通过获取飞行状态信息，从而可以有效的预测喷药提前时间信息，实现准确喷药，避免对于作物区域以外的无效施药。
图2为本发明一实施例所描述的喷洒控制方法流程示意图，如图2所示，包括：
步骤S1，根据所述前向反射光谱传感器和所述后向反射光谱传感器获取作物冠层反射光信息，并根据所述入射光谱传感器获取入射光信息；
步骤S2，根据所述作物冠层反射光信息和所述入射光信息分析得到植被指数信息，根据所述植被指数信息确定喷药量信息；
步骤S3，根据所述主控制器获取飞行状态信息，以根据所述飞行状态信息和所述作物冠层反射光信息计算喷药提前时间信息；
步骤S4，所述喷洒系统根据所述喷药量信息和喷药提前时间信息进行药物喷洒。
具体的，本发明实施例中所描述的根据作物冠层反射光信息和入射光信息分析得到植被指数信息具体是指分别获取650nm波长和810nm波长的作物冠层反射光信息，然后结合入射光信息，计算得到植被指数信息。
本发明实施例中所描述的植被指数信息确定喷药量信息具体可以是指建立植被指数信息与每亩作业量参数的映射关系，具体为：
Volume＝K*NDVI
K为作业量系数,与对象、温度、作业高度、作业速度相关，可根据作业经验建立查找表获得。
本发明实施例中所描述的根据飞行状态信息和作物冠层反射光信息计算喷药提前时间信息具体是指，对机体到达作物冠层时刻进行预测，根据喷药提前时间信息，合理设定开启时刻。
具体为，图3为本发明一实施例所描述的前向反射光谱传感器虚拟坐标系示意图，如图3所示，设本地导航坐标系为O{X,Y,Z}，无人机机体坐标系Ob{Xb,Yb,Zb}，机体姿态角为θ、φ、ψ；传感器探测面法线在XbObZb平面内，与机体xb轴夹角为α，l为作物冠层反射面与传感器的距离，hG为机体相对作物冠层高度，d为在l水平面上的投影。此时传感器探测视线角与水平面的夹角为(θ+α)，对应投影变换矩阵为：
Figure BDA0002262650360000071
在航线飞行作业时，机体与前方作物距离可通过下式计算，
Figure BDA0002262650360000072
预计到达作物冠层的时间为Δt＝d/v，引入喷洒系统滞后时间τ，计算喷药提前时间信息为Δt-τ。
本发明实施例通过入射光谱传感器、前向反射光谱传感器和后向反射光谱传感器实现对于施药区域作物长势的实时探测，采用基于植被归一化指数的评价方式，实现对于作业区域作物长势的精确测量，根据植物长势连续调节施药量，更精准更有效利用无人机实现航空施药，并且通过根据飞行状态信息和所述作物冠层反射光信息计算喷药提前时间信息，实现准确喷药，避免对于作物区域以外的无效施药。
在上述实施例的基础上，所述根据所述作物冠层反射光信息和所述入射光信息分析得到植被指数信息的步骤，具体包括：
根据所述作物冠层反射光信息和所述入射光信息，计算650nm波长的作物冠层反射率信息和810nm波长别的作物冠层反射率信息；
根据所述650nm波长的作物冠层反射率信息和810nm波长别的作物冠层反射率信息计算得到植被指数信息。
所述根据所述主控制器获取飞行状态信息，以根据所述飞行状态信息和所述作物冠层反射光信息计算喷药提前时间信息的步骤，具体包括：
根据所述作物冠层反射光信息得到作物冠层反射面与无人机的距离；
根据所述飞行状态信息中无人机机体姿态角度信息的和所述作物冠层反射面与无人机的距离计算水平目标距离；
根据所述无人机机体飞行速度信息和所述水平目标距离得到无人机飞行时间信息；
获取喷洒系统滞后时间，以根据所述无人机飞行时间信息和所述喷洒系统滞后时间计算喷药提前时间信息。
具体的，本发明实施例中所描述的水平目标距离即为无人机与作物冠层的直线距离，在水平面上的投影。
本发明实施例中所描述的无人机飞行时间信息具体是指无人机飞行到作物冠层所花费的时间。
本发明实施例中所描述的喷洒系统滞后时间是指，喷洒系统从接受到喷药指令到实现喷洒所需要花费的时间。
在得到喷药提前时间信息后，根据喷药提前时间信息启动喷洒系统，依据喷药量信息，利用压力与管路流量之间的线性关系，进行管路压力反馈控制，作为系统快状态控制回路；涡轮流量计输出为最终管路喷洒流量，测量精度较高。
本发明实施例通过根据飞行状态信息和所述作物冠层反射光信息计算喷药提前时间信息，实现准确喷药，避免对于作物区域以外的无效施药。
图4为本发明一实施例所描述的电子设备结构示意图，如图4所示，该电子设备可以包括：处理器(processor)410、通信接口(Communications Interface)420、存储器(memory)430和通信总线440，其中，处理器410，通信接口420，存储器430通过通信总线440完成相互间的通信。处理器410可以调用存储器430中的逻辑指令，以执行如下方法：根据所述前向反射光谱传感器和所述后向反射光谱传感器获取作物冠层反射光信息，并根据所述入射光谱传感器获取入射光信息；根据所述作物冠层反射光信息和所述入射光信息分析得到植被指数信息，根据所述植被指数信息确定喷药量信息；根据所述主控制器获取飞行状态信息，以根据所述飞行状态信息和所述作物冠层反射光信息计算喷药提前时间信息；所述喷洒系统根据所述喷药量信息和喷药提前时间信息进行药物喷洒。
此外，上述的存储器430中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，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)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
本发明实施例公开一种计算机程序产品，所述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，所述计算机程序包括程序指令，当所述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：根据所述前向反射光谱传感器和所述后向反射光谱传感器获取作物冠层反射光信息，并根据所述入射光谱传感器获取入射光信息；根据所述作物冠层反射光信息和所述入射光信息分析得到植被指数信息，根据所述植被指数信息确定喷药量信息；根据所述主控制器获取飞行状态信息，以根据所述飞行状态信息和所述作物冠层反射光信息计算喷药提前时间信息；所述喷洒系统根据所述喷药量信息和喷药提前时间信息进行药物喷洒。
本发明实施例提供一种非暂态计算机可读存储介质，该非暂态计算机可读存储介质存储服务器指令，该计算机指令使计算机执行上述各实施例提供的方法，例如包括：根据所述前向反射光谱传感器和所述后向反射光谱传感器获取作物冠层反射光信息，并根据所述入射光谱传感器获取入射光信息；根据所述作物冠层反射光信息和所述入射光信息分析得到植被指数信息，根据所述植被指数信息确定喷药量信息；根据所述主控制器获取飞行状态信息，以根据所述飞行状态信息和所述作物冠层反射光信息计算喷药提前时间信息；所述喷洒系统根据所述喷药量信息和喷药提前时间信息进行药物喷洒。
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 (5)

1.一种基于光谱探测的无人机的喷洒控制方法，其特征在于，
基于光谱探测的无人机，包括无人机、入射光谱传感器、前向反射光谱传感器、后向反射光谱传感器、主控制器和喷洒系统；
所述入射光谱传感器设置于无人机前顶部，所述前向反射光谱传感器倾斜设置在所述无人机的前底部，所述主控制器与所述喷洒系统设置在所述无人机的底部，所述后向反射光谱传感器倾斜设置在所述无人机的后底部，且所述前向反射光谱传感器与所述后向反射光谱传感器背邻设置；
其中，所述前向反射光谱传感器和所述后向反射光谱传感器用于获取作物冠层反射光信息，并将所述作物冠层反射光信息发送到所述主控制器；
其中，所述入射光谱传感器用于获取入射光信息，并将所述入射光信息发送到所述主控制器；
所述主控制器用于获取飞行状态信息，以根据所述飞行状态信息、所述反射光信息和所述入射光信息控制所述喷洒系统进行喷药；
其中，基于光谱探测的无人机的喷洒控制方法，具体包括：
根据所述前向反射光谱传感器和所述后向反射光谱传感器获取作物冠层反射光信息，并根据所述入射光谱传感器获取入射光信息；
根据所述作物冠层反射光信息和所述入射光信息分析得到植被指数信息，根据所述植被指数信息确定喷药量信息；
根据所述主控制器获取飞行状态信息，以根据所述飞行状态信息和所述作物冠层反射光信息计算喷药提前时间信息；
所述喷洒系统根据所述喷药量信息和喷药提前时间信息进行药物喷洒。
2.根据权利要求1所述喷洒控制方法，其特征在于，所述根据所述作物冠层反射光信息和所述入射光信息分析得到植被指数信息的步骤，具体包括：
根据所述作物冠层反射光信息和所述入射光信息，计算650nm波长的作物冠层反射率信息和810nm波长别的作物冠层反射率信息；
根据所述650nm波长的作物冠层反射率信息和810nm波长别的作物冠层反射率信息计算得到植被指数信息。
3.根据权利要求1所述喷洒控制方法，其特征在于，所述根据所述主控制器获取飞行状态信息，以根据所述飞行状态信息和所述作物冠层反射光信息计算喷药提前时间信息的步骤，具体包括：
根据所述作物冠层反射光信息得到作物冠层反射面与无人机的距离；
根据所述飞行状态信息中无人机机体姿态角度信息的和所述作物冠层反射面与无人机的距离计算水平目标距离；
根据无人机机体飞行速度信息和所述水平目标距离得到无人机飞行时间信息；
获取喷洒系统滞后时间，以根据所述无人机飞行时间信息和所述喷洒系统滞后时间计算喷药提前时间信息。
4.一种电子设备，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3任一项所述喷洒控制方法的步骤。
5.一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3任一项所述喷洒控制方法的步骤。
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