CN112798325A - 无人机土壤定点自动采样联动控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及取样系统的技术领域，具体为一种无人机土壤定点自动采样联动控制方法及系统，该系统包括服务器和采样终端，服务器用于获取布点需求，布点需求包括布点区域，根据布点需求生成布点区域的布点方案；服务器还用于根据布点方案和预设的产业分布图生成采样点的采样方式，根据采样点和采样方式生成采样方案，将采样方案发送给采样终端；采样终端用于接收采样方案，根据采样方案到达采样点，根据采样方案中采样点对应的采样方式对采样点进行土壤采样。采用本方案能够解决现有技术中人工采样导致采样难度大和采样准确度低的技术问题。

Description

无人机土壤定点自动采样联动控制方法及系统

技术领域

本发明涉及取样系统的技术领域，具体为一种无人机土壤定点自动采样联动控制方法及系统。

背景技术

土壤样品的采集工作对专业理论和技术具有很高的要求，在实际工作中，由于人工定位难度大，定位精度低，无论是采用“梅花型”或“蛇型”布点，在布点均匀性和准确性上均难以控制，导致布点和采集的难度大。同时由于不同的土地利用方式，其结构存在特殊性，例如水田，人工采样时，其采样难度和采样选点的误差都较大。除此之外，基层采样人员对土壤分类体系不熟悉、采样技术水平缺乏、工作责任心差等导致采样选点不准确、布点不科学，使得最终采集的土壤样品信息不具备代表性，导致土壤样品数据缺乏有效性、实用性和规范性，给后续区域农业科学决策带来误导性影响，这已经成为目前困扰农业部门土壤样点数据管理与应用的核心限制因素。

在现有的技术水平条件下，土壤样品采集只能由多年从事土壤工作的专业人员设计布点采样方案，基层农业技术部门执行采样，但是由于土壤的土地利用方式导致采样难度大，使得最终采集的土壤样品信息不足，同时采样选点准确度受到人工采样的影响，使得最终采集的土壤样品信息缺乏代表性。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种无人机土壤定点自动采样联动控制系统，以解决现有技术中人工采样导致采样难度大和采样准确度低的技术问题。

本发明提供基础方案一：

无人机土壤定点自动采样联动控制系统，包括服务器和采样终端，服务器用于获取布点需求，布点需求包括布点区域，根据布点需求生成布点区域的布点方案；服务器还用于根据布点方案和预设的产业分布图生成采样点的采样方式，根据采样点和采样方式生成采样方案，将采样方案发送给采样终端；采样终端用于接收采样方案，根据采样方案到达采样点，根据采样方案中采样点对应的采样方式对采样点进行土壤采样。

基础方案一的有益效果：采用本方案，服务器根据布点需求自动生成布点方案，布点方案的设置，一是便于后续生成采样方案，二是通过自动布点，提高采样选点的准确性。服务器根据采样点的采样方式生成采样方案，采样方案的设置，便于了解采样点适宜的采样方式，从而在采样时提前做好相应的采样准备，降低采样难度。采样终端根据采样方案自动进行土壤采样，无需人工前往采样点进行采样，避免了因人为采样所带来的土壤分类体系不熟悉、采样技术水平缺乏、工作责任心差等导致采样选点不准确、布点不科学的影响。通过服务器和采样终端的联动控制，避免人为采样中因采样点的土地利用方式、基层采样人员的技术水平导致采样难度大和采样准确低的问题，降低采样难度，同时提高采样准确度。

进一步，布点需求还包括布点条件和布点规则，服务器包括布点量计算模块和布点方案规划模块，布点量计算模块用于根据布点区域和布点条件生成采样点的布点量，布点方案规划模块用于根据布点量和布点规则生成布点区域的布点方案。有益效果：布点量计算模块的设置，基于用户需求生成相应区域内采样点的数量，便于后续进行采样点的布点规划。布点方案规划模块的设置，基于用户需求自动对采样点进行布点规划，有效控制布点均匀性和准确性，提高采样选定的准确度。

进一步，布点规则包括对角线布点、S型布点、棋盘布点中的一种或多种。有益效果：布点时根据布点规则确定采样点的位置，对角线布点、S型布点、棋盘布点为常规的布点方式，可将其中一种布点方式作为布点规则，也可将多种布点方式组合作为布点规则，例如根据布点量的不同选择不同的布点方式，使得布点更为合理。

进一步，服务器包括采样方式标记模块，采样方式标记模块用于根据布点方案和产业分布图获取采样点的土地利用方式，根据土地利用方式从预设的土地利用方式与采样方式的映射表筛选出采样点的采样方式。有益效果：产业分布图记录有土地各区域的土地利用方式，基于土地利用方式获取相应的采样方式对采样点进行标记，便于采样前准备相应的采样准备工作，例如人为采样时，携带相应的采样工作，采样终端采样时，使用不同的采样终端或采样终端执行不同的采样策略，从而降低采样难度。

进一步，服务器包括路线规划模块，路线规划模块用于筛选同一采样方式的采样点，根据筛选出的采样点生成对应采样方式的采样路线，依次对所有采样方式生成对应的采样路线。有益效果：将同一采样方式的采样点规划在一条采样路线上，采用同一采样终端便可实现对该采样路线上的采样点进行土壤采样，无需频繁更换采样终端或采样终端上的采样装置，减少大量采样时间，实现对土壤的快速采样。

进一步，采样终端包括无人机，采样方案包括采样点的采样坐标，采样终端包括定位模块、坐标判断模块和飞行控制模块，定位模块用于实时获取无人机的终端坐标，坐标判断模块用于根据终端坐标和采样坐标进行判断，当终端坐标和采样坐标相同时，生成到达信号；飞行控制模块用于根据采样方案控制无人机飞行，当坐标判断模块生成到达信号时，控制无人机下降。有益效果：通过飞行控制模块控制无人机飞行，飞行过程中，通过终端坐标和采样坐标实时判断是否到达采样点，当到达采样点控制无人机下降，从而实现对采样点进行自动土壤区域。采用采样终端前往采样点，有效保证定位精度，提高采样选点的准确度。

进一步，采样终端还包括采样装置，采样终端预设有采样控制策略，采样终端还包括压力检测模块和采样控制模块，压力检测模块用于检测采样装置与采样点的接触信息，根据接触信息判断采样装置是否与采样点相接触，当采样装置与采样点相接触时，生成采样开始信号；采样控制模块用于当压力检测模块生成采样开始信号时，根据采样方式调用对应的采样控制策略，根据采样控制策略控制采样装置进行土壤采样，飞行控制模块还用于当压力检测模块生成采样开始信号时，根据接触信息控制无人机。有益效果：采样装置的设置，用于实现对土壤的自动取样。进行土壤取样的前提是采样装置与土壤进行接触，因此通过压力检测模块的设置判断是否开始采样。采样控制模块的设置，根据采样方式获取采样控制策略控制采样装置进行土壤采样，实现对采样点进行取样，在取样过程中，无人机需要保持相应的状态，因此飞行控制模块根据接触信息控制无人机，保证采样装置能够实现采样点的取样。

进一步，无人机包括旋翼，接触信息包括压力信息，飞行控制模块还用于根据压力信息和预设的采样终端的重力信息实时控制无人机的飞行，当压力信息大于重力信息，控制旋翼反向旋转。有益效果：无人机依靠旋翼产生的升力进行飞行，在取样过程中采样终端需向采样点施加作用力，为实现采样，飞行控制模块的设置，还用于根据压力信息控制旋翼反向旋转，平衡采样点对采样终端造成的作用力，从而保证采样工作的正常进行。

本发明的目的之二在于提供一种无人机土壤定点自动采样联动控制方法。

本发明提供基础方案二：

无人机土壤定点自动采样联动控制方法，使用上述无人机土壤定点自动采样联动控制系统。

基础方案二的有益效果：采用本方案，通过服务器和采样终端的联动控制，避免人为采样中因采样点的土地利用方式、基层采样人员的技术水平导致采样难度大和采样准确低的问题，降低采样难度，同时提高采样准确度。

附图说明

图1为本发明无人机土壤定点自动采样联动控制系统实施例一的逻辑框图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式进一步详细说明：

实施例一

无人机土壤定点自动采样联动控制系统，如附图1所示，包括用户终端、服务器和采样终端，服务器包括数据库、布点量计算模块、布点方案规划模块、采样方式标记模块、路线规划模块和方案生成模块。数据库预存有产业分布图、土地利用方式与采样方式的映射表、多种布点方式。布点方式包括对角线布点、S型布点和棋盘布点，例如对角线布点为在划分区域内作一对角线，在对角线上根据布点量等距设置，完成布点。产业分布图用于反映土地各区域的土地利用方式，土地利用方式与采样方式的映射表用于建立土地利用方式和采样方式的对应关系。

用户终端用于获取布点需求，将布点需求上传服务器，布点需求包括布点区域、布点条件和布点规则。布点区域为本次进行土壤采样的区域。布点条件包括最小布点单元，最小布点单元为一个采样点的辐射面积，与后续计算布点区域内的布点量相关，在其他实施例中，最小布点单元可由用户通过用户终端上传至数据库中进行存储，也可固设在软件内，即不能进行修改。布点规则为根据预设的布点方式选定的采样点进行布点的规则，布点规则包括对角线布点、S型布点、棋盘布点中的一种或多种，既可选用单一布点方式进行布点，也可以混合选用布点方式进行布点。

服务器用于获取布点需求，根据布点需求生成布点区域的布点方案。具体的，布点量计算模块用于根据布点区域和最小布点单元生成采样点的布点量，最简单的是布点区域面积除以最小布点单元，取整数位作为其布点量，建立布点量与布点区域的联系，在其他实施例中，直接以布点量标记布点区域。布点方案规划模块用于根据布点需求中的布点规则调用数据库中预存的布点方式，当布点规则为一种布点方式时，根据布点规则和布点量对布点区域进行布点，生成布点区域的布点方案；当布点规则为多种布点方式时，根据多种布点方式生成混合布点规则，根据混合布点规则和布点量对布点区域进行布点，生成布点区域的布点方案。

服务器还用于根据布点方案和预设的产业分布图生成采样点的采样方式，根据采样点和采样方式生成采样方案，将采样方案发送给采样终端。具体的，采样方式标记模块用于调用产业分布图，根据产业分布图和布点方案获取布点方案中每一采样点的土地利用方式；调用土地利用方式与采样方式的映射表，根据土地利用方式从土地利用方式与采样方式的映射表筛选出采样点的采样方式，根据采样方式标记采样点，逐一对每一采样点的采样方式进行标记。例如，采样方式包括土壤采集方式和水源采集方式，采样点所在区域的土地利用方式是种植，则其对应的采样方式为土壤采样方式。路线规划模块用于筛选同一采样方式的采样点，根据筛选出的采样点生成对应采样方式的采样路线，依次对所有采样方式生成对应的采样路线。方案生成模块用于根据采样路线生成采样方案，将采用方案发送给采样终端，采样方案包括每一采样方式对应的采样路线和采样点的采样坐标。

采样终端用于接收采样方案，根据采样方案到达采样点，根据采样方案中采样点对应的采样方式对采样点进行土壤采样。具体的：

采样终端包括存储模块、定位模块、坐标判断模块、飞行控制模块、压力检测模块、采样控制模块、无人机和采样装置。存储模块预存有采样控制策略，采样控制策略为不同采样方式下进行采样时控制采样装置执行操作的对应策略。无人机和采样装置可拆卸连接，无人机携带采样装置进行移动，采样装置实现对土壤的采样。采样装置采用现有设置在无人机上的土壤采样器，无人机和采样装置的可拆卸连接采用现有土壤采样器和无人机的连接结构，因此不再赘述。

存储模块用于接收采样方案，存储采样方案。定位模块用于实时获取无人机的终端坐标，发送给坐标判断模块。坐标判断模块用于调用采样方案，根据采样路线获取采样点的采样坐标，根据终端坐标和采样坐标进行判断，当终端坐标和采样坐标相同时，生成到达信号发送给飞行控制模块。飞行控制模块用于调用采样方案，根据采样路线控制无人机飞行，当坐标判断模块生成到达信号时，控制无人机下降。

压力检测模块用于检测采样装置与采样点的接触信息，根据接触信息判断采样装置是否与采样点相接触，当采样装置与采样点相接触时，生成采样开始信号。采样控制模块用于当压力检测模块生成采样开始信号时，调用采样点的采样方式，根据采样方式调用对应的采样控制策略，根据采样控制策略控制采样装置进行土壤采样。例如采样方式为土壤采集方式和水源采集方式，则使用的采样装置不同，相应的控制采样装置进行样品采集的采样控制策略不同。飞行控制模块还用于当压力检测模块生成采样开始信号时，根据接触信息控制无人机。具体的，无人机包括旋翼，接触信息包括压力信息，压力信息是指，当采样装置与采样点相接触时，采样点的地面对采样装置产生的作用力。当压力检测模块检测到的压力信息的数值大于零时，采样装置和采样点相接触，此时生成采样开始信号。飞行控制模块预设有采样终端的重力信息，飞行控制模块还用于根据压力信息和预设的采样终端的重力信息实时控制无人机的飞行，即控制无人机下降，当压力信息大于重力信息，此时土壤对采样装置的作用力大于无人机和采样装置整体的重力，因此控制旋翼反向旋转，提供向下的作用力，从而平衡土壤对采样装置的作用力。

无人机土壤定点自动采样联动控制方法，使用上述无人机土壤定点自动采样联动控制系统。

实施例二

本实施例与实施例一的不同之处在于：采样过程中，由于未实地前往采样点，并不了解采样点的情况，有可能出现采样点存在较多石头等硬物，无法进行土壤采样的情况，因此本实施例中，采样终端还包括图像采集模块、高度检测模块、图像分析模块和故障分析模块。

图像采集模块用于在无人机飞行过程中采集过程图像，上传过程图像。在飞行过程中同时采集过程图像，通过过程图像反映相应土地的地形地貌，辅助进行土地利用方式以及土地分类的调查，同时为下次布点作预测、决策分析的支撑。

高度检测模块用于实时检测无人机与地面的实际高度。图像采集模块预设有高度阈值，图像采集模块还用于当实际高度低于预设的高度阈值时，采集采样点附近的采样环境图像，存储并上传采样环境图像。在无人机下降到指定高度以下时，对采样点附近的采样环境图像进行采集，一是保证采样环境图像的清晰度，能够准确的反映采样点附近环境情况，从而判断当前采样点是否布点合理，进而保证采样样品的可靠性。

图像分析模块预设有故障压力阈值，图像分析模块用于当压力检测模块采集的压力信息大于预设的故障压力阈值时，对采样环境图像进行图像分析，计算采样环境图像中的硬物覆盖率，具体的，通过图像识别技术识别采样环境图像中石头、树木的硬物面积和图像总面积，根据硬物面积和图像总面积计算硬物覆盖率。故障分析模块预设有覆盖率阈值，故障分析模块用于当硬物覆盖率大于预设的覆盖率阈值时，生成放弃采样信号，反之则生成采样更换信号。图像分析模块还用于当故障分析模块生成采样更换信号时，根据采样环境图像生成推荐采样点，将推荐采样点反馈给用户终端。当采样终端在采样过程中受到较大的作用力时，有可能是采样点存在石头、树根等硬物，无法进行采样，此时根据下降时采集的采样环境图像进行图像分析，当采样点附近的环境都存在较多硬物时，不适合对该地进行采样，因此生成采样更换信号，更换采样点，反之则有可能只是采样点存在硬物，则对采样点进行调整，选择采样点附近表面不存在硬物的区域作为推荐采样点反馈给技术人员进行确认，待技术人员确认后对推荐采样点进行土壤采样，保证采样数据的完整性。

无人机土壤定点自动采样联动控制方法，使用上述无人机土壤定点自动采样联动控制系统。

以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述，所属领域普通技术人员知晓申请日或者优先权日之前发明所属技术领域所有的普通技术知识，能够获知该领域中所有的现有技术，并且具有应用该日期之前常规实验手段的能力，所属领域普通技术人员可以在本申请给出的启示下，结合自身能力完善并实施本方案，一些典型的公知结构或者公知方法不应当成为所属领域普通技术人员实施本申请的障碍。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

Claims (9)

1.无人机土壤定点自动采样联动控制系统，包括服务器和采样终端，服务器用于获取布点需求，布点需求包括布点区域，根据布点需求生成布点区域的布点方案；其特征在于：服务器还用于根据布点方案和预设的产业分布图生成采样点的采样方式，根据采样点和采样方式生成采样方案，将采样方案发送给采样终端；采样终端用于接收采样方案，根据采样方案到达采样点，根据采样方案中采样点对应的采样方式对采样点进行土壤采样。

2.根据权利要求1所述的无人机土壤定点自动采样联动控制系统，其特征在于：布点需求还包括布点条件和布点规则，服务器包括布点量计算模块和布点方案规划模块，布点量计算模块用于根据布点区域和布点条件生成采样点的布点量，布点方案规划模块用于根据布点量和布点规则生成布点区域的布点方案。

3.根据权利要求2所述的无人机土壤定点自动采样联动控制系统，其特征在于：布点规则包括对角线布点、S型布点、棋盘布点中的一种或多种。

4.根据权利要求1所述的无人机土壤定点自动采样联动控制系统，其特征在于：服务器包括采样方式标记模块，采样方式标记模块用于根据布点方案和产业分布图获取采样点的土地利用方式，根据土地利用方式从预设的土地利用方式与采样方式的映射表筛选出采样点的采样方式。

5.根据权利要求1所述的无人机土壤定点自动采样联动控制系统，其特征在于：服务器包括路线规划模块，路线规划模块用于筛选同一采样方式的采样点，根据筛选出的采样点生成对应采样方式的采样路线，依次对所有采样方式生成对应的采样路线。

6.根据权利要求1所述的无人机土壤定点自动采样联动控制系统，其特征在于：采样终端包括无人机，采样方案包括采样点的采样坐标，采样终端包括定位模块、坐标判断模块和飞行控制模块，定位模块用于实时获取无人机的终端坐标，坐标判断模块用于根据终端坐标和采样坐标进行判断，当终端坐标和采样坐标相同时，生成到达信号；飞行控制模块用于根据采样方案控制无人机飞行，当坐标判断模块生成到达信号时，控制无人机下降。

7.根据权利要求6所述的无人机土壤定点自动采样联动控制系统，其特征在于：采样终端还包括采样装置，采样终端预设有采样控制策略，采样终端还包括压力检测模块和采样控制模块，压力检测模块用于检测采样装置与采样点的接触信息，根据接触信息判断采样装置是否与采样点相接触，当采样装置与采样点相接触时，生成采样开始信号；采样控制模块用于当压力检测模块生成采样开始信号时，根据采样方式调用对应的采样控制策略，根据采样控制策略控制采样装置进行土壤采样，飞行控制模块还用于当压力检测模块生成采样开始信号时，根据接触信息控制无人机。

8.根据权利要求7所述的无人机土壤定点自动采样联动控制系统，其特征在于：无人机包括旋翼，接触信息包括压力信息，飞行控制模块还用于根据压力信息和预设的采样终端的重力信息实时控制无人机的飞行，当压力信息大于重力信息，控制旋翼反向旋转。

9.无人机土壤定点自动采样联动控制方法，其特征在于：使用权利要求1-8任一项所述的无人机土壤定点自动采样联动控制系统。

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