CN111295486A

CN111295486A - 用于灌溉管理的系统和方法

Info

Publication number: CN111295486A
Application number: CN201880067905.7A
Authority: CN
Inventors: 雅各布·L·拉吕
Original assignee: Valmont Industries Inc
Current assignee: Valmont Industries Inc
Priority date: 2017-10-30
Filing date: 2018-10-25
Publication date: 2020-06-16
Anticipated expiration: 2038-10-25
Also published as: BR112020008270A2; CA3076683A1; AU2018362268A1; EP3704316A1; US10631477B2; US20190124859A1; WO2019089336A1; CN111295486B; MX2020004432A; EP3704316A4; ZA202001778B

Abstract

本发明提供了一种包括农作物/土壤分析模块的系统和方法，该系统和方法分析从一个或更多个源收集的数据并发送给机器学习模块，这些源包括来自UAV、卫星、跨距安装的农作物传感器、原位田地传感器、和气象传感器的成像数据。根据另一优选实施方式，将航空数据组合并与跨距安装的传感器数据几乎实时地进行组合和叠加，以生成灌溉管理建议。根据另一优选实施方式，跨距安装的传感器可以优选地提供当前田地状况的田地特定数据，并且可以优选地使用系统的分析来计算农作物水分利用和农作物水分胁迫指数。根据另一优选实施方式，植被指数可以优选地被计算为对从航空数据计算的值的检验，并且如果存在云层或其他大气干扰则提供信息。根据另一优选实施方式，农作物/土壤分析模块还可以与驱动控制和施用物压力控制接口，以自主地创建和执行灌溉计划，该灌溉计划包括针对给定田地的定制驱动指令和施用物分散速率。

Description

用于灌溉管理的系统和方法

相关申请

本申请要求于2017年10月30号提交的美国临时申请No.62/578688的优先权。

本发明的背景和领域

技术领域

本发明总体上涉及一种用于灌溉管理的系统和方法，更具体地，涉及一种用于灌溉管理的系统和方法或卫星数据、航空数据和安装的传感器数据的用途。

背景技术

监测和控制施加到农田的水和/或农作物产品(施用物)的量的能力增加了世界上可耕种的英亩数，并增加了农作物获得收益的可能性。已知的灌溉系统通常包括被配置成提供用户界面的控制设备，该用户界面允许操作者监测和控制灌溉系统的一个或更多个功能或操作。对于具有当前可用技术的中心枢轴和线性灌溉机的所有者和操作者而言，了解农作物和灌溉田地的状况是一种挑战。

田地中的土壤含水量监测是用于确定何时灌溉和灌溉多少的最常用的工具。可以使用各种数据包来监测土壤含水量，并且它们的安装和管理成本高昂和/或费时，并且无法提供对整个田地的土壤含水量状况的良好观察。为了在许多田地中做好土壤含水量监测工作，需要三个、四个或更多个土壤传感器以监测一系列深度的含水量。但是，即使在给定田地中的多个位置处使用多个土壤含水量传感器并进行人工调查，测量土壤含水量的地点的实际面积和土壤深度也是有限的。此外，访问、应用和解释土壤含水量数据以绘制整个田地通常只能提供广义的结果。另外，当前在田地使用的传感器阻碍了田地操作。

已知的现有技术的系统已经尝试使用航空数据来辅助田地中的监测。例如，美国公开申请No.2012/0290140A1公开了一种使用航空数据来针对给定田地进行一组湿度计算的系统。但是，它不使用任何其他数据源。在第二个示例中，美国公开申请No.2016/0088807A1公开了一般使用传感器来管理灌溉操作。

为了克服现有技术的限制，需要一种能够从各种源收集和集成数据的系统。此外，需要一种可以分析数据并提供全田地灌溉管理图的系统，该系统可以使用额外的数据和传感器读数来进行实时更新。然后，可以将该信息与该田地的水平衡模型进行比较使用该信息来更新该田地的水平衡模型。

发明内容

为了解决现有技术中存在的缺点，本发明提供了一种包括农作物/土壤分析模块的系统和方法，该农作物/土壤分析模块分析从一个或更多个源收集的数据，包括来自UAV、MAV、卫星、跨距安装的农作物传感器、原位田地传感器、和气象传感器的成像和含水量数据。根据另一优选实施方式，将航空数据与跨距安装的传感器数据几乎实时地进行组合与叠加，以产生灌溉和农作物管理建议。根据另一优选实施方式，跨距安装的传感器可以优选地提供当前田地状况的田地特定数据，并且可以优选地使用系统的分析来计算农作物水分利用和农作物水分胁迫指数。根据另一优选实施方式，来自跨距安装的传感器的数据可以优选地用于补充和/或验证从航空数据计算的值，并且如果存在云层或其他大气干扰则提供信息。另外，可以使用原位田地传感器来提供备用数据。根据另一优选实施方式，农作物/土壤分析模块还与驱动控制和施用物压力控制相接口，以自主地创建和执行灌溉和/或农作物计划，该计划包括针对给定田地的定制驱动指令和施用物分散速率。

结合在说明书中并构成说明书的一部分的随附附图示出了本发明的各种实施方式，并且与描述一起用于解释本发明的原理。

附图说明

图1示出了与本发明一起使用的示例性线性灌溉系统。

图2示出了根据本发明的第一优选实施方式的控制设备的示例性处理架构的框图。

图3示出了根据本发明的另一优选实施方式的框图，其包括可以与本发明一起使用的各种传感器。

具体实施方式

为了促进对本发明原理的理解，现在将参考附图中示出的实施方式，并且将使用特定语言来描述它们。然而，将理解的是，在此不意图限制本发明的范围，并且可以预期本领域技术人员通常会想到的对所示设备的这种改变和其他修改。

本文所使用的术语“程序”、“计算机程序”、“软件应用程序”、“模块”等被定义为设计用于在计算机系统上执行的指令序列。程序、计算机程序、模块或软件应用程序可以包括子例程、函数、过程、对象实现、可执行应用程序、小应用程序、小服务程序、源代码、对象代码、共享库、动态负载库和/或设计用于在计算机系统上执行的其他指令序列。如本文所定义的，数据存储装置包括许多不同类型的计算机可读介质，该计算机可读介质允许计算机从其读取数据并且维持所存储的数据以供计算机能够再次读取数据。这样的数据存储装置可以包括例如非易失性存储器，诸如ROM、闪存、备用电池RAM、磁盘驱动器存储器、CD-ROM、DVD和其他永久性存储介质。然而，甚至考虑诸如RAM、缓冲器、高速缓冲存储器和网络电路之类的易失性存储装置，以用作根据本发明的不同实施方式的这种数据存储装置。本发明还可以包括从远程和/或基于云的数据源发送和接收数据，以实现本发明的各方面而没有限制。

图1-图3示出了可以与本发明的示例实施方式一起使用的灌溉系统的各种配置。应当理解，图1至图3所示的灌溉系统是可以在其上集成本发明的特征的示例性系统。相应地，图1至图3仅旨在示意性的，并且各种系统中的任一种系统(即，固定式系统以及线性和中心枢轴自走式灌溉系统；静止系统；转角系统)都可以与本发明一起使用而没有限制。例如，尽管图1示出为中心枢轴灌溉系统，但是本发明的示例性灌溉系统100也可以被实现为线性灌溉系统。示例灌溉系统100不旨在以任何方式限制或限定本发明的范围。根据另外的优选实施方式，本发明可以与各种电动机类型一起使用，诸如气体动力、直流动力、开关磁阻、单相交流等。

另外，本文给出的任何示例或说明均不以任何方式视为对其使用的任何一个或更多个术语的约束、限制或明确定义。相反，这些示例或说明应被认为仅是说明性的。本领域普通技术人员将理解，与这些示例或说明一起使用的任何一个或更多个术语将涵盖可以与其一起给出或未一起给出或在说明书中的其他地方给出或未在说明书中的其他给出的其他实施方式，并且所有这样的实施方式旨在被包括在该一个或更多个术语的范围内。

现在参考图1，跨接件104、106被示出为由驱动塔架108、109、110支撑。此外，各个驱动塔架108、109、110被示出为具有各自的电动机117、119、120，这些电动机向驱动轮115、116、118提供扭矩。还如图1所示，灌溉机100还可以优选地包括延伸部/悬垂部121，该延伸部/悬垂部可以包括端枪(未示出)。还如图所示，如下面进一步讨论的，可以提供位置传感器123以提供用于本发明的系统的位置和角度取向数据。还如图所示，如下面进一步讨论的，示出了控制面板112，其用于封闭示例性控制设备150的元件。还应该理解，图1提供了未添加许多动力元件和传感器的灌溉机100的图示。然而，可以添加各种不同的感测系统中的任何一种感测系统而没有限制。

现在参考图2，现在将讨论示例性控制设备138，其代表控制灌溉系统100的一个或更多个操作方面的功能。如图所示，示例性控制设备138包括处理器140、存储器142和网络接口144。处理器140为控制设备138提供处理功能，并且可以包括任何数量的处理器、微控制器或其他处理系统。处理器140可以执行实现本文描述的技术的一个或更多个软件程序。此外，处理器可以被配置为从远程和/或基于云的数据源和处理器发送和接收数据，以实现本发明的各方面。存储器142是有形计算机可读介质的示例，该有形计算机可读介质提供存储功能以存储与上述软件程序和代码段的操作相关联的各种数据、或其他数据，以指示处理器140和控制设备138的其他元件执行本文所述的步骤。存储器142可包括例如可移动和不可移动存储元件，诸如RAM、ROM、闪存(例如SD卡、迷你SD卡、微型SD卡)、磁性存储设备、光学存储设备、USB存储设备等。存储器142还可以为指令或模块的集合(诸如，例如灌溉路径数据模块150、位置地形补偿模块151等)提供存储。网络接口144提供如下功能：所述功能使控制设备138能够通过诸如无线接入点、收发器等之类的各种部件以及这些部件所使用的任何相关联的软件(例如，驱动器、配置软件等)而与一个或更多个网络146进行通信。

在实现方式中，灌溉位置确定模块148可以包括全球定位系统(GPS)接收器等，以计算灌溉系统100的位置和/或定位。此外，控制设备138可耦接至灌溉系统100的引导设备或类似系统152(例如，转向组件或转向机构)以控制灌溉系统100的运动。如图所示，控制设备138还可以包括位置地形补偿模块151，以辅助控制系统的运动和位置感知。此外，如下面进一步讨论的，控制设备138还可以优选地包括多个输入和输出，以从传感器154和监测设备接收数据。

现在参考图3，现在将讨论本发明的另一详细实施方式。不同于图1的示例性示例，图3中所示的示例性灌溉系统300是中心枢轴灌溉系统。然而，如上所述，本发明可以在任何灌溉系统中使用和实现，而不管它是线性的、中心枢轴的还转角机。如图3所示，优选地通过以下来实现本发明：将本发明的元件附接至灌溉系统的一个或更多个跨接件310，该跨接件连接至水或井源330。还如图所示，示例性灌溉系统优选地还包括被设置为监测水压的换能器326、328，以及优选地被编程为监测和控制灌溉单元驱动系统的部分的驱动单元316、317、324。根据优选实施方式，所示系统的换能器326、328和其他部件的放置仅是示例性的。应当理解，本文讨论的任何部件都可以重新定位或移除而没有限制。例如，换能器326、328可以被放置在全部的驱动单元上、驱动单元中的一些上或不放在驱动单元上。

此外，本发明的系统优选地还包括诸如用于接收位置数据的GPS接收器320和用于监测系统中的水流量的流量计332之类的元件。此外，根据本发明的另一优选实施方式，该系统还包括间接农作物传感器314、318，该间接农作物传感器可以优选地包括可以间接确定给定土壤区域中的水分含量并且可以包括直接在田地农作物中的传感器或土壤传感器。另外，传感器314、318可以安装在上面、下面或上方，并且还可以包括光学器件，以允许检测农作物类型、生长阶段、健康状况、疾病的存在、生长速率等。更进一步，检测系统还可以包括气象站322等，该气象站能够测量诸如湿度、压力、降水、太阳辐射、温度等之类的气象特征。更进一步，该系统可以包括用于在系统元件之间接收和发送信号的无线收发器/路由器311。

优选地，由连接至跨接件310的检测器和传感器收集的数据被转发至主控制面板308，该主控制面板优选地包括：CPU、存储器、用于接收和处理所收集的数据的处理软件(如下面详细讨论的)、以及控制设备138中的一个或更多个元件(以上参考图2讨论的)。可替代地，可以收集接收到的数据，并重新发送至远程服务器/云以进行处理和分析。根据本发明的另一方面，该系统还可以优选地包括遥感元件，诸如位于无人航空载具302(UAV)或有人航空载具(MAV)上的传感器套件。更进一步，该系统优选地还被设计成接收和处理由卫星304或其他高空监测系统提供的传感器数据。

在优选实施方式中，在远程服务器306上提供了农作物/土壤分析模块，该远程服务器从灌溉系统300的传感器接收若干输入。在该实施方式中，农作物/土壤分析模块优选地包括可以经由因特网或其他网络架构访问的服务端软件。可替代地，本发明的农作物/土壤分析模块和其他方面可以包括存在于主控制面板308中或另一位置处的客户端软件。无论如何，应当理解，该系统可以由被配置为实现本发明的特征的任何合适的软件、硬件、或两者构成。

根据另一优选实施方式，本发明的系统优选地一起操作以收集和分析数据。根据本发明的一个方面，数据优选地从一个或更多个源收集，包括来自UAV302、MAV、卫星304、跨距安装的农作物传感器308、314、以及气象站322、中心枢轴或线性操作信息和其他系统元件的成像和土壤含水量感测数据。优选地，数据的组合和分析被连续地处理和更新。根据另一优选实施方式，传感器数据优选地包括分辨率为1m至3m或更高的频繁获取的航空数据，该航空数据与卫星和跨距安装的传感器数据相结合并且可以集成原位土壤或植物数据。

优选地，农作物/土壤分析模块处理航空数据以提供给定田地的完整视图，该给定田地被组合并覆盖有跨距安装的传感器数据，该跨距安装的传感器数据几乎实时地提供额外的数据。原位田地数据优选地用作检验并提供基线数据。根据一优选实施方式，可以从有载具或无人载具(UAV或无人机)接收航空数据。根据另一优选实施方式，可以使用诸如但不限于以下的植被指数来处理和比较来自卫星的成像数据：RVI(ratio vegetation inde，比率植被指数)、NDVI(normalized difference vegetation index，归一化植被指数)、SAVI(soil-adjusted vegetation index，土壤调整的植被指数)、MASVI(modified soil-adjusted vegetation index，经修改的土壤调整的植被指数)和RSR(reduced simpleratio index，降低的简单比率指数)。

根据另一优选实施方式，农作物/土壤分析模块将优选地处理、组合和评估从所有源收集的数据，更新水分平衡并生成包括但不限于VRL的灌溉管理建议。例如，跨距安装的传感器可以优选地提供当前田地状况的田地特定数据，并且可以优选地使用系统的分析来计算农作物水分利用、农作物水分胁迫指数、植物产量比率和其他指数。另外，植被指数可以优选地被计算为对从航空数据计算的值的检验，并且如果存在云层或其他大气干扰则提供信息。更进一步，农作物/土壤分析模块还可以与驱动控制和施用物压力控制相接口，以自主地创建并执行灌溉计划(诸如以提供可变速率灌溉等)，该灌溉计划包括用于给定田地的定制驱动指令和施用物分散速率。

根据另一优选实施方式，本发明还可以优选地包括机器学习算法以处理传感器输入和经处理的数据。这些算法可以作为系统控制器设备138内的模块运行，或者可替代地作为远程系统上的模块运行。优选地，机器学习算法可以优选地包括数据处理以改善对农作物健康指标的识别以及对传感器数据的分析。此外，本发明的机器学习算法可以优选地包括数据处理以与之后确定的结果相比来识别传感器数据中的模式。

尽管以上关于本发明的描述包含很多特异性，但是这些描述不应被解释为对范围的限制，而应作为示例。许多其他变体是可能的。例如，本发明的处理元件可以在若干频率上操作。此外，本发明提供的通信本质上可以设计为双工或单工。此外，根据需要，可以将向本发明发送数据和从本发明发送数据的过程设计成本质上是推或拉的。更进一步，本发明的每个特征都可以被制成可以被从诸如计算机、平板电脑或智能电话之类的遥远的监测站远程激活和访问。相应地，数据可以优选地根据需要上载到本发明和从本发明下载。另外，尽管主要关于水讨论了本系统，但是应当理解，本发明适用于任何施用物，并且水仅仅是示例。例如，可以优选地通过所公开的系统经由罐、注入泵、控制阀等的任意组合而选择性地提供和分配诸如肥料、除草剂和其他施用物之类的化学品的混合物。

相应地，本发明的范围不应由所示出的实施方式确定，而应由所附权利要求及其合法等同物确定。

Claims

1.一种与具有至少一个跨接件的机械化灌溉系统和用于移动所述跨接件的驱动系统一起使用的系统，其中，所述系统包括：

多个跨距安装的传感器，其中，至少一个跨距安装的传感器包括被配置为允许用于检测农作物数据的至少一个传感器；其中，所述农作物数据选自包括以下农作物数据的组：农作物类型、生长阶段、健康状况、杂草的存在、疾病的存在、昆虫的存在以及生长速率；

多个原位传感器，其中，所述多个原位传感器包括至少一个原位土壤传感器和一个原位农作物传感器；

多个气象传感器，其中，至少一个气象传感器被配置为检测气象数据；其中，所述气象数据选自包括以下气象数据的组：湿度、压力、降水、和温度；

至少一个航空传感器，其中，所述至少一个航空传感器包括位于无人航空载具、有人航空载具或卫星上的传感器；另外其中，所述至少一个航空传感器产生并发送航空数据；

农作物/土壤分析模块，其中，所述农作物/土壤分析模块被配置为从至少一个跨距安装的传感器、至少一个航空传感器、至少一个原位传感器和至少一个气象传感器接收数据；另外其中，所述农作物/土壤分析模块被配置为处理所收集的数据以生成灌溉管理建议；

另外其中，所述农作物/土壤分析模块被配置为至少部分地基于来自所述跨距安装的传感器的数据来计算农作物水分利用、农作物水分胁迫指数和植物生产率；

另外其中，所述农作物/土壤分析模块被配置为基于一个或更多个植被指数来确定给定田地的农作物健康状况，

另外其中，所述农作物/土壤分析模块被配置为将植被指数与从所述航空数据计算的植被指数值进行比较；

另外其中，所述农作物/土壤分析模块还被配置为与驱动控制系统和水压系统相接口；

另外其中，所述农作物/土壤分析模块还被配置为自主地创建并执行灌溉计划，所述灌溉计划包括针对给定田地的定制驱动指令和多个施用物分散速率。

2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述系统还包括多个换能器，所述多个换能器被配置为监测所述系统内的所述水压。

3.根据权利要求2所述的系统，其中，所述系统还包括用于监测所述系统中的水流量的流量计。

4.根据权利要求3所述的系统，其中，所述系统还包括至少一个间接农作物传感器，其中，所述间接农作物传感器被配置为间接确定所述田地的区域中的农作物健康状况。

5.根据权利要求4所述的系统，其中，至少一个气象传感器被配置为检测太阳辐射的强度。

6.根据权利要求5所述的系统，其中，所述系统还包括航空图像传感器以从卫星、UAV或MAV接收航空数据。

7.根据权利要求6所述的系统，其中，所述农作物/土壤分析模块包括能够被远程访问的服务端软件。

8.根据权利要求7所述的系统，其中，所述农作物/土壤分析模块被配置为处理分辨率为1.0至3m的航空数据以及跨距安装的传感器数据和原位农作物数据。

9.根据权利要求8所述的系统，其中，所述农作物/土壤分析模块被配置为：处理所述航空数据以提供给定田地的完整视图，并且将所述航空数据与跨距安装的传感器数据几乎实时地进行组合。

10.根据权利要求8所述的系统，其中，所述农作物/土壤分析模块被配置为使用原位田地数据来与从所述至少一个航空传感器接收的所述航空数据进行比较。

11.根据权利要求10所述的系统，其中，所述跨距安装的传感器被配置为提供当前农作物和田地状况的田地特定数据；另外其中，所述农作物/土壤分析模块被配置为使用由所述农作物/土壤分析模块产生的数据来校准至少一个跨距安装的传感器；另外其中，所述农作物/土壤分析模块被配置为基于选自包括以下数据的组的数据来校准至少一个跨距安装的传感器：农作物水分利用、农作物水分胁迫指数和植物生产率。

12.根据权利要求11所述的系统，其中，所述农作物/土壤分析模块被配置为与所述驱动控制和施用物压力控制相接口，以基于从至少一个重新校准的传感器处理的数据来针对给定田地自主创建并执行包括驱动指令和施用物分散速率的灌溉计划。

13.根据权利要求12所述的系统，其中，所述农作物/土壤分析模块被配置为将植被指数与从所述航空数据计算的农作物指数值进行比较。

14.根据权利要求13所述的系统，其中，所述农作物/土壤分析模块还被配置为在执行所述指令之前，经由计算机、智能电话或平板电脑将所述灌溉计划发送给操作者以供批准。

15.根据权利要求14所述的系统，其中，所述系统还包括至少一个间接农作物传感器，其中，所述间接农作物传感器被配置为间接确定所述田地的区域中的水分含量。