CN112219515A - 一种基于无人机的水稻抛秧方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于无人机的水稻抛秧方法，包括如下步骤：S101、构建无人机抛秧挂载机构；所述无人机抛秧挂载机构包括秧苗存储箱、挂载孔、伸缩杆、秧苗独立仓；所述秧苗独立仓包括底板旋转轴、秧苗独立仓底板、电磁锁、锁扣；S102、无人机抛秧路径规划和实施抛秧；包括数据设定、稻田网格化、执行无人机秧苗全部抛撒控制算法；S103、进行无人机抛秧补种；包括抛秧独立仓映射、执行无人机秧苗精确抛撒算法；通过上述步骤的执行和实施，实现了基于无人机的水稻抛秧效果。

Description

一种基于无人机的水稻抛秧方法

技术领域

本发明涉及无人机应用领域，特别涉及基于无人机的水稻抛秧装置、方法研究。

背景技术

水稻种植作为农业生产的重要内容，关系到国计民生；传统的水稻种植采用人工插秧方法，劳动强度大，效率低；近年来，面向水稻种植的抛秧技术被提出，并得到了一定应用；人工抛秧模式之一是，农民手拿秧苗向特定区域进行抛撒，利用秧苗的自由落体，实现水稻插秧，这同样存在效率低的问题；机械抛秧模式之一是，农民背负水稻抛秧机，手工将秧苗放入抛撒盒中；通过机械运转在抛撒盒的抛秧口处形成较大气流，农民手工不停将抛撒盒中的秧苗拨向抛秧口，进而被抛向空中；经过自由落体，插入水田中，实现水稻秧苗种植；无人机在农业种植中的应用较为广泛，当前也存在利用无人机进行水稻播种作业的实例；如何利用无人机实现水稻抛秧成为一项研究课题。

当前，面向水稻抛秧的专利研究较为丰富，如2012年11月申请的题为“一种水稻抛秧无人机”的实用新型专利，集成了无人机、贮秧装置、抛秧装置，实现了水稻秧苗的无人机抛秧种植效果；还如2018年12月申请的题为“水稻抛秧机构”的发明专利，包括水平设置的机架、机架两端分别安装有抛秧体和供苗体；抛秧体包括芯轴和若干个抛秧组件，可为水稻抛秧提供支持；还如2017年8月申请的题为“一种水稻抛秧装置”的实用新型专利，包括车体及固定设置在车体内部的驱动机构；车体与水稻箱结为一体，可在稻田上抛秧，车轮上的稳定杆可以将车体扎在稻田内，增加了车体的稳定性，水稻箱用于装置水稻，抛秧装置可以将水稻抛出去，达到抛秧的效果。

发明内容

鉴于上述背景信息，本发明旨在提供一种基于无人机的水稻抛秧方法，设计了无人机抛秧挂载机构，研究了无人机抛秧策略，解决了利用无人机进行水稻秧苗抛撒种植问题；为实现上述目的，本发明采用如下技术方案。

一种基于无人机的水稻抛秧方法，包括如下步骤：

S101、构建无人机抛秧挂载机构；所述无人机抛秧挂载机构包括秧苗存储箱，所述秧苗存储箱为一个上开口的碳纤维材质箱体，其作用是存储要抛撒的水稻秧苗；在秧苗存储箱上开凿四个挂载孔；每个挂载孔上连接一个伸缩杆；伸缩杆的长度可调节，以适应不同的挂载需求；每个伸缩杆挂载到无人机的降落架上；在秧苗存储箱的底板上构造n行m列个秧苗独立仓，秧苗独立仓的作用是存放单个或k个水稻秧苗的小仓室，是秧苗抛撒的最小单元。

所述秧苗独立仓为一个上开口的碳纤维材质的箱体；包括底板旋转轴、秧苗独立仓底板、电磁锁、锁扣；所述秧苗独立仓底板可绕底板旋转轴向下旋转打开160度；所述电磁锁安装在秧苗独立仓底板上；电磁锁在关闭时，伸出的锁舌卡入锁扣中，达到秧苗独立仓底板关闭的效果，此时在秧苗独立仓中存放的水稻秧苗不会被抛出；当电磁锁触发开锁动作时，电磁锁的锁舌从锁扣中收回，秧苗独立仓底板绕底板旋转轴向下自行旋转打开90度至160度,在重力作用下，将秧苗抛出舱外。

所述秧苗存储箱的底板上构造了n行m列个秧苗独立仓，每个独立仓上安装了电磁锁，无人机抛秧挂载机构的电磁锁有n行m列个，构成电磁锁阵列；电磁锁阵列的控制电路包括横控制线n条，纵控制线m条，横控制线和纵控制线均与无人机微处理器芯片的特定I/O口相连；无人机微处理器芯片的I/O口通过一条横控制线和一条纵控制线控制电磁锁的开关；其原理为，对于一个电磁锁，其对应的横控制线电平为低，纵控制线电平为高时，此电磁锁打开；其对应的横控制线电平为低，纵控制线电平为低时，电磁锁关闭；用户可通过无人机精确控制特定秧苗独立仓电磁锁的开关，实现秧苗全部抛撒和精确抛撒的效果。

秧苗全部抛撒无人机控制算法为：第一步，构建无人机与遥控器的通信协议，若无人机微处理器收到”#0XALL#”命令字符串，则执行秧苗全部抛撒程序；第二步，构建电磁锁微处理器I/O口集合Q，并建立横控制线I/O口集合H、纵控制线I/O口集合Z，令集合Q、H、Z为空；遍历无人机微处理器I/O口，若当前I/O口为电磁锁控制口，则将此I/O口放入集合Q中；第三步，遍历集合Q，假设当前元素为E，若E为纵控制线，则将E放入集合Z中；若E为横控制线，则将E放入集合H中；第四步，令集合H中的I/O口电平为低，令集合Z中的I/O口电平为高，则将无人机抛秧挂载机构中的全部电磁锁打开，所述秧苗独立仓中的水稻秧苗将全部抛出。

秧苗精确抛撒算法为：第一步，构建电磁锁微处理器I/O口集合Q，并建立横控制线I/O口集合H、纵控制线I/O口集合Z，令集合Q、H、Z为空；遍历无人机微处理器I/O口，若当前I/O口为电磁锁控制口，则将此I/O口放入集合Q中；第二步，遍历集合Q，假设当前元素为E，若E为纵控制线，则将E放入集合Z中；若E为横控制线，则将E放入集合H中；第三步，假设无人机抛秧挂载机构中的电磁锁有n行m列，且与秧苗存储箱底板上的n行m列个秧苗独立仓一一对应；则构建两个二维数据矩阵H[n][m]和Z[n][m]，矩阵H为n行m列，矩阵Z为n行m列；按照从左到右、从上到下的顺序遍历无人机抛秧挂载机构中的电磁锁；若当前电磁锁为P，且P位于电磁锁阵列中的第i行第j列，则锁定数据矩阵M和矩阵Z中的第i行、第j列的变量元素；遍历集合H，若当前元素为h；遍历集合Z，若当前元素为z；若I/O口h为低电平，且I/O口z为高电平时，电磁锁P打开，则将I/O口h记录到H[i][j]中，将I/O口z记录到Z[i][j]中；第四步，构建无人机与遥控器的通信协议，若无人机微处理器收到”#0XIND”+”H”+”Z”+”#”命令字符串，则执行秧苗精确抛撒程序，其中H为用户输入的电磁锁阵列的行信息，Z为用户输入的电磁锁阵列的列信息；第五步，用户通过遥控器向无人机发送精准打开第i行第j列的电磁锁的命令信息”#0XIND”+”i”+”j”+”#”，无人机接收到信息后，令I/O口H[i][j]为低电平，I/O口Z[i][j]为高电平，则可将电磁锁阵列中第i行第j列的电磁锁打开，进而将秧苗存储箱底板上的i行j列的秧苗独立仓中的水稻秧苗将抛出。

S102、无人机抛秧路径规划和实施抛秧；第一步，数据设定；假设无人机秧苗存储箱底板面积为R，长为a，宽b，无人机秧苗存储箱具有i行j列个秧苗独立仓，每个秧苗独立仓长c，宽d，面积为W；第二步，稻田网格化；假设拟抛秧的稻田二维平面形状不规则，面积估计为U；则从稻田的中央开始，按照顺时针的顺序将稻田划分为若干连续的数字网格，每个数字网格面积为R，长为a，宽b；对因面积小于R而无法划分网格的稻田区域进行标记，如稻田边缘部分，并将无法划分网格的稻田区域范围纳入到集合K中；第三步，因无人机秧苗存储箱底板的面积与稻田的一个网格的面积相同，故无人机一次装载的水稻能够投放稻田的一个网格区域；则可按照从上到下、从左到右的顺序对稻田的网格区域依次进行抛秧作业，无人机执行秧苗全部抛撒控制算法，且抛秧一次秧苗，装载一次秧苗。

S103、进行无人机抛秧补种；第一步，由S102可知，无法划分网格的稻田区域范围被纳入到了集合K中；遍历集合K，假设当前元素为k，其长为x，宽为y，面积为B，且B小于R，x小于等于a，y小于等于b；将区域k映射到面积为R，长为a，宽为b的无人机秧苗存储箱底板上；将区域k覆盖到的秧苗独立仓纳入到集合V中；第二步，遍历集合V，假设当前元素为v，无人机执行秧苗精确抛撒算法，将秧苗独立仓v的电磁锁打开，将秧苗独立仓v中的水稻秧苗抛出；区域k抛秧完毕后，无人机进行一次秧苗装载。

附图说明

图1为本发明所述的一种基于无人机的水稻抛秧方法的步骤图。

图2为所述的无人机抛秧挂载机构的结构图。

图3为图2中所述的秧苗独立仓的结构图。

图4为所述的无人机抛秧挂载机构的电磁锁阵列的控制电路的原理图。

具体实施方式

下面将结合本发明附图，对本发明的具体实施方式进行描述；一种基于无人机的水稻抛秧方法，包括如下步骤：

S101、构建无人机抛秧挂载机构；由图2所示，101为一个上开口的碳纤维材质的箱体，此箱体被称为秧苗存储箱，其作用是存储要抛撒的水稻秧苗；在秧苗存储箱上开凿四个挂载孔，如104为挂载孔；每个挂载孔上连接一个伸缩杆，如103为伸缩杆；伸缩杆的长度可调节，以适应不同的挂载需求；每个伸缩杆挂载到无人机的降落架上，如105为降落架；在秧苗存储箱的底板上构造n行m列个秧苗独立仓，如102为秧苗独立仓，秧苗独立仓的作用是存放单个或k个水稻秧苗的小仓室，是秧苗抛撒的最小单元。

图3为图2中所述的秧苗独立仓102的结构图；由图3所示，秧苗独立仓102为一个上开口的碳纤维材质的箱体；204为底板旋转轴，201为秧苗独立仓底板，秧苗独立仓底板201可绕底板旋转轴204向下旋转打开160度；202为电磁锁，电磁锁202安装在秧苗独立仓底板201上；203为锁扣，电磁锁202在关闭时，伸出的锁舌卡入锁扣203中，达到秧苗独立仓底板201关闭的效果，此时在秧苗独立仓102中存放的水稻秧苗不会被抛出；当电磁锁202触发开锁动作时，电磁锁202的锁舌从锁扣203中收回，秧苗独立仓底板201绕底板旋转轴204向下自行旋转打开90度至160度,在重力作用下，将秧苗抛出舱外。

图4为所述的无人机抛秧挂载机构的电磁锁阵列的控制电路的原理图，因在秧苗存储箱的底板上构造了n行m列个秧苗独立仓，每个独立仓上安装了电磁锁，故所述的无人机抛秧挂载机构的电磁锁有n行m列个，构成电磁锁阵列；由图4所示，电磁锁阵列的控制电路包括横控制线n条，如301为横控制线，纵控制线m条，如302为纵控制线，横控制线和纵控制线均与无人机微处理器芯片的特定I/O口相连；无人机微处理器芯片的I/O口通过一条横控制线和一条纵控制线控制电磁锁的开关；其原理为，对于一个电磁锁，其对应的横控制线电平为低，纵控制线电平为高时，此电磁锁打开；其对应的横控制线电平为低，纵控制线电平为低时，电磁锁关闭；用户可通过无人机精确控制特定秧苗独立仓电磁锁的开关，实现秧苗全部抛撒和精确抛撒的效果。

秧苗全部抛撒无人机控制算法为：第一步，构建无人机与遥控器的通信协议，若无人机微处理器收到”#0XALL#”命令字符串，则执行秧苗全部抛撒程序；第二步，构建电磁锁微处理器I/O口集合Q，并建立横控制线I/O口集合H、纵控制线I/O口集合Z，令集合Q、H、Z为空；遍历无人机微处理器I/O口，若当前I/O口为电磁锁控制口，则将此I/O口放入集合Q中；第三步，遍历集合Q，假设当前元素为E，若E为纵控制线，则将E放入集合Z中；若E为横控制线，则将E放入集合H中；第四步，令集合H中的I/O口电平为低，令集合Z中的I/O口电平为高，则将无人机抛秧挂载机构中的全部电磁锁打开，所述秧苗独立仓中的水稻秧苗将全部抛出。

秧苗精确抛撒算法为：第一步，构建电磁锁微处理器I/O口集合Q，并建立横控制线I/O口集合H、纵控制线I/O口集合Z，令集合Q、H、Z为空；遍历无人机微处理器I/O口，若当前I/O口为电磁锁控制口，则将此I/O口放入集合Q中；第二步，遍历集合Q，假设当前元素为E，若E为纵控制线，则将E放入集合Z中；若E为横控制线，则将E放入集合H中；第三步，假设无人机抛秧挂载机构中的电磁锁有n行m列，且与秧苗存储箱底板上的n行m列个秧苗独立仓一一对应；则构建两个二维数据矩阵H[n][m]和Z[n][m]，矩阵H为n行m列，矩阵Z为n行m列；按照从左到右、从上到下的顺序遍历无人机抛秧挂载机构中的电磁锁；若当前电磁锁为P，且P位于电磁锁阵列中的第i行第j列，则锁定数据矩阵M和矩阵Z中的第i行、第j列的变量元素；遍历集合H，若当前元素为h；遍历集合Z，若当前元素为z；若I/O口h为低电平，且I/O口z为高电平时，电磁锁P打开，则将I/O口h记录到H[i][j]中，将I/O口z记录到Z[i][j]中；第四步，构建无人机与遥控器的通信协议，若无人机微处理器收到”#0XIND”+”H”+”Z”+”#”命令字符串，则执行秧苗精确抛撒程序，其中H为用户输入的电磁锁阵列的行信息，Z为用户输入的电磁锁阵列的列信息；第五步，用户通过遥控器向无人机发送精准打开第i行第j列的电磁锁的命令信息”#0XIND”+”i”+”j”+”#”，无人机接收到信息后，令I/O口H[i][j]为低电平，I/O口Z[i][j]为高电平，则可将电磁锁阵列中第i行第j列的电磁锁打开，进而将秧苗存储箱底板上的i行j列的秧苗独立仓中的水稻秧苗将抛出。

S102、无人机抛秧路径规划和实施抛秧；第一步，数据设定；假设无人机秧苗存储箱底板面积为R，长为a，宽b，无人机秧苗存储箱具有i行j列个秧苗独立仓，每个秧苗独立仓长c，宽d，面积为W；第二步，稻田网格化；假设拟抛秧的稻田二维平面形状不规则，面积估计为U；则从稻田的中央开始，按照顺时针的顺序将稻田划分为若干连续的数字网格，每个数字网格面积为R，长为a，宽b；对因面积小于R而无法划分网格的稻田区域进行标记，如稻田边缘部分，并将无法划分网格的稻田区域范围纳入到集合K中；第三步，因无人机秧苗存储箱底板的面积与稻田的一个网格的面积相同，故无人机一次装载的水稻能够投放稻田的一个网格区域；则可按照从上到下、从左到右的顺序对稻田的网格区域依次进行抛秧作业，无人机执行秧苗全部抛撒控制算法，且抛秧一次秧苗，装载一次秧苗。

S103、进行无人机抛秧补种；第一步，由S102可知，无法划分网格的稻田区域范围被纳入到了集合K中；遍历集合K，假设当前元素为k，其长为x，宽为y，面积为B，且B小于R，x小于等于a，y小于等于b；将区域k映射到面积为R，长为a，宽为b的无人机秧苗存储箱底板上；将区域k覆盖到的秧苗独立仓纳入到集合V中；第二步，遍历集合V，假设当前元素为v，无人机执行秧苗精确抛撒算法，将秧苗独立仓v的电磁锁打开，将秧苗独立仓v中的水稻秧苗抛出；区域k抛秧完毕后，无人机进行一次秧苗装载。

显而易见，上述实施方式仅仅为本发明的其中一个示范例，任何在本发明所提供结构或原理上的简单改进均属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于无人机的水稻抛秧方法，其特征在于，包括如下步骤：

S101、构建无人机抛秧挂载机构；所述无人机抛秧挂载机构包括秧苗存储箱，所述秧苗存储箱为一个上开口的碳纤维材质箱体，其作用是存储要抛撒的水稻秧苗；在秧苗存储箱上开凿四个挂载孔；每个挂载孔上连接一个伸缩杆；伸缩杆的长度可调节，以适应不同的挂载需求；每个伸缩杆挂载到无人机的降落架上；在秧苗存储箱的底板上构造n行m列个秧苗独立仓，秧苗独立仓的作用是存放单个或k个水稻秧苗的小仓室，是秧苗抛撒的最小单元。

S102、无人机抛秧路径规划和实施抛秧；第一步，数据设定；假设无人机秧苗存储箱底板面积为R，长为a，宽b，无人机秧苗存储箱具有i行j列个秧苗独立仓，每个秧苗独立仓长c，宽d，面积为W；第二步，稻田网格化；假设拟抛秧的稻田二维平面形状不规则，面积估计为U；则从稻田的中央开始，按照顺时针的顺序将稻田划分为若干连续的数字网格，每个数字网格面积为R，长为a，宽b；对因面积小于R而无法划分网格的稻田区域进行标记，如稻田边缘部分，并将无法划分网格的稻田区域范围纳入到集合K中；第三步，因无人机秧苗存储箱底板的面积与稻田的一个网格的面积相同，故无人机一次装载的水稻能够投放稻田的一个网格区域；则可按照从上到下、从左到右的顺序对稻田的网格区域依次进行抛秧作业，无人机执行秧苗全部抛撒控制算法，且抛秧一次秧苗，装载一次秧苗。

S103、进行无人机抛秧补种；第一步，由S102可知，无法划分网格的稻田区域范围被纳入到了集合K中；遍历集合K，假设当前元素为k，其长为x，宽为y，面积为B，且B小于R，x小于等于a，y小于等于b；将区域k映射到面积为R，长为a，宽为b的无人机秧苗存储箱底板上；将区域k覆盖到的秧苗独立仓纳入到集合V中；第二步，遍历集合V，假设当前元素为v，无人机执行秧苗精确抛撒算法，将秧苗独立仓v的电磁锁打开，将秧苗独立仓v中的水稻秧苗抛出；区域k抛秧完毕后，无人机进行一次秧苗装载。

2.根据权利要求1所述的一种基于无人机的水稻抛秧方法，其特征在于，所述步骤S101中，所述秧苗独立仓为一个上开口的碳纤维材质的箱体；包括底板旋转轴、秧苗独立仓底板、电磁锁、锁扣；所述秧苗独立仓底板可绕底板旋转轴向下旋转打开160度；所述电磁锁安装在秧苗独立仓底板上；电磁锁在关闭时，伸出的锁舌卡入锁扣中，达到秧苗独立仓底板关闭的效果，此时在秧苗独立仓中存放的水稻秧苗不会被抛出；当电磁锁触发开锁动作时，电磁锁的锁舌从锁扣中收回，秧苗独立仓底板绕底板旋转轴向下自行旋转打开90度至160度,在重力作用下，将秧苗抛出舱外。

3.根据权利要求1所述的一种基于无人机的水稻抛秧方法，其特征在于，所述步骤S101中，所述秧苗存储箱的底板上构造了n行m列个秧苗独立仓，每个独立仓上安装了电磁锁，无人机抛秧挂载机构的电磁锁有n行m列个，构成电磁锁阵列；电磁锁阵列的控制电路包括横控制线n条，纵控制线m条，横控制线和纵控制线均与无人机微处理器芯片的特定I/O口相连；无人机微处理器芯片的I/O口通过一条横控制线和一条纵控制线控制电磁锁的开关；用户可通过无人机精确控制特定秧苗独立仓电磁锁的开关，实现秧苗全部抛撒和精确抛撒的效果。

所述秧苗全部抛撒无人机控制算法为：第一步，构建无人机与遥控器的通信协议，若无人机微处理器收到”#0XALL#”命令字符串，则执行秧苗全部抛撒程序；第二步，构建电磁锁微处理器I/O口集合Q，并建立横控制线I/O口集合H、纵控制线I/O口集合Z，令集合Q、H、Z为空；遍历无人机微处理器I/O口，若当前I/O口为电磁锁控制口，则将此I/O口放入集合Q中；第三步，遍历集合Q，假设当前元素为E，若E为纵控制线，则将E放入集合Z中；若E为横控制线，则将E放入集合H中；第四步，令集合H中的I/O口电平为低，令集合Z中的I/O口电平为高，则将无人机抛秧挂载机构中的全部电磁锁打开，所述秧苗独立仓中的水稻秧苗将全部抛出。

所述秧苗精确抛撒算法为：第一步，构建电磁锁微处理器I/O口集合Q，并建立横控制线I/O口集合H、纵控制线I/O口集合Z，令集合Q、H、Z为空；遍历无人机微处理器I/O口，若当前I/O口为电磁锁控制口，则将此I/O口放入集合Q中；第二步，遍历集合Q，假设当前元素为E，若E为纵控制线，则将E放入集合Z中；若E为横控制线，则将E放入集合H中；第三步，假设无人机抛秧挂载机构中的电磁锁有n行m列，且与秧苗存储箱底板上的n行m列个秧苗独立仓一一对应；则构建两个二维数据矩阵H[n][m]和Z[n][m]，矩阵H为n行m列，矩阵Z为n行m列；按照从左到右、从上到下的顺序遍历无人机抛秧挂载机构中的电磁锁；若当前电磁锁为P，且P位于电磁锁阵列中的第i行第j列，则锁定数据矩阵M和矩阵Z中的第i行、第j列的变量元素；遍历集合H，若当前元素为h；遍历集合Z，若当前元素为z；若I/O口h为低电平，且I/O口z为高电平时，电磁锁P打开，则将I/O口h记录到H[i][j]中，将I/O口z记录到Z[i][j]中；第四步，构建无人机与遥控器的通信协议，若无人机微处理器收到”#0XIND”+”H”+”Z”+”#”命令字符串，则执行秧苗精确抛撒程序，其中H为用户输入的电磁锁阵列的行信息，Z为用户输入的电磁锁阵列的列信息；第五步，用户通过遥控器向无人机发送精准打开第i行第j列的电磁锁的命令信息”#0XIND”+”i”+”j”+”#”，无人机接收到信息后，令I/O口H[i][j]为低电平，I/O口Z[i][j]为高电平，则可将电磁锁阵列中第i行第j列的电磁锁打开，进而将秧苗存储箱底板上的i行j列的秧苗独立仓中的水稻秧苗将抛出。

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