CN113589846A - 一种基于无人机喷药的风场监控下的雾滴控制系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于无人机喷药的风场监控下的雾滴控制系统及方法，应用于空中喷药控技术领域，包括中央处理器、多光谱图像采集与预处理模块、激光传感器、北斗导航模块、风速传感器、雾滴中心漂移计算模块、雾滴粒径计算和控制模块、路径调整模块和喷杆角度调整模块。本发明采用风速、风向、温湿度、降雨量等环境信息，可为无人机是否启动喷施作业提供依据，避免因环境因素导致的作业失败；根据机下风场调整雾滴粒径大小，有效地提高了空中喷药的作业精度；根据实时风速和风向进行路径微调，实现实时精准施药的目的。
Description
技术领域
本发明涉及空中喷药控技术领域，尤其涉及一种基于无人机喷药的风场监控下的雾滴控制系统及方法。
背景技术
我国是农业大国，病虫害是制约我国粮食生产的重要因素之一。近年来，随着我国农村土地流转加快，土地兼并产生的家庭农场改变了传统的种植方式，土地集约化程度越来越高。同时，随着城市进程加快，农村人口老龄化造成农业劳动力短缺以及人工成本大幅上升，传统的农药喷洒技术已经不能满足当下农业发展的要求，与常规喷雾施药相比，植保无人机施药时人机分离，能够降低药剂对人的危害。
植保无人机主要包括两种：固定翼无人机和旋翼无人机，其中，旋翼无人机的应用场合最广，由于其具有可空中悬停、无需借助其他辅助起降装置等优点。一般地，在喷施作业中，旋翼无人机的喷头安装在其旋翼的正下方，这样可通过旋翼产生的风场来辅助雾滴的沉降，雾滴刚从喷头喷出时，由于具有较大的运动速度，此时不容易发生飘移；但随着阻力的影响，雾滴运动速度逐渐减小，逐渐趋于零，此时极容易发生飘移。
因此，根据现有技术存在的困难，提出基于无人机喷药的风场监控下的雾滴控制系统及方法，有效控制雾滴漂移、调整作业路径，实现有效喷施药物的目的，是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种基于无人机喷药的风场监控下的雾滴控制系统及方法，可简单、有效的控制雾滴漂移和调整作业路径，指导植保无人机精准施药，减少农药飘移，提高农药利用率。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于无人机喷药的风场监控下的雾滴控制系统，包括：
中央处理器、多光谱图像采集与预处理模块、激光传感器、北斗导航模块、风速传感器、雾滴中心漂移计算模块、雾滴粒径计算和控制模块、路径调整模块和喷杆角度调整模块；
所述多光谱图像采集与预处理模块，与所述中央处理器的第一输入端连接，用于获取目标区域的多光谱图像，并将所述多光谱图像发送至所述中央处理器；
所述激光传感器，与所述中央处理器的第二输入端连接，用于探测地形数据，并将所述地形数据发送至所述中央处理器；
所述北斗导航模块，与所述中央处理模块的第三输入端连接，用于获取无人机飞行速度和飞行坐标，并将所述无人机飞行速度和所述无人机飞行坐标发送至所述中央处理器；
所述中央处理器，利用获取的所述多光谱图像、所述地形数据、所述无人机飞行速度和所述无人机飞行坐标，规划无人机作业路径；
所述风速传感器，与所述中央处理模块的第四输入端连接，用于测量无人机机下风场数据，并将所述无人机机下风场数据发送至所述中央处理器；
所述雾滴中心漂移计算模块，与所述中央处理器的第一输入/输出端连接，用于接收所述中央处理器发送的所述无人机作业路径和所述无人机机下风场数据，利用雾滴飘移中心简化计算模型，得到雾滴中心漂移方向和距离，并将所述雾滴中心漂移方向和所述雾滴中心漂移距离发送至所述中央处理器；
所述雾滴粒径计算和控制模块，与所述中央处理器的第二输入/输出端连接，用于接收所述中央处理器发送的所述无人机飞行速度、所述无人机飞行坐标和所述无人机机下风场数据，结合环境因素，计算出雾滴粒径的目标值，根据所述雾滴粒径的目标值调节雾滴粒径的大小；
所述路径调整模块，与所述中央处理器的第一输出端连接，用于接收所述中央处理器发送的所述雾滴中心漂移方向、所述雾滴中心漂移距离和所述雾滴粒径的目标值，对无人机路径进行调整；
所述喷杆角度调整模块，与所述中央处理器的第二输出端连接，用于接收所述中央处理器发送的喷杆角度调整指令进行无人机喷杆角度的调整。
优选的，所述雾滴粒径计算和控制模块中的环境因素包括：风速、环境温度、空气相对湿度。
优选的，所述喷杆角度调整模块所接收到的所述喷杆角度调整指令，是所述中央处理器根据所述无人机飞行速度和所述无人机飞行坐标与设定参数进行比较，得出的调整结果。
优选的，还包括人机交互单元，与所述中央处理器的第三输入/输出端连接，用于输入预设的喷施需求和输出当前的喷施状态。
优选的，还包括云端服务器，与所述中央处理器的第三输出端连接，用于通过曲线图、Web GIS的形式显示所述中央处理器传递回来的农田作业环境信息和无人机农药精准喷施作业效果。
一种基于无人机喷药的风场监控下的雾滴控制方法，包括以下步骤：
喷洒区域确定步骤：无人机通过所述激光传感器得到地形仿真数据，通过所述多普勒图像采集与处理单元元获取目标区域的多光谱图像，所述激光传感器和所述多普勒图像采集与处理单元将采集的数据发送给所述中央处理器，确定喷洒区域；
无人机飞行路径规划步骤：所述北斗导航模块获取无人机的飞行速度、飞行坐标，并将获取的数据发送给所述中央处理器，所述中央处理器结合所述喷洒区域规划无人机飞行路径；
风场获取步骤：无人机通过所述风速传感器测量无人机机下风场数据，并将采集的所述风场数据发送至所述中央处理器；
雾滴中心漂移计算步骤：所述雾滴中心漂移计算模块利用所述中央处理器中所述风场数据，计算雾滴中心漂移距离，并将计算结果发送回中央处理器；
雾滴粒径计算和控制步骤，所述雾滴粒径计算和控制模块利用所述中央处理器发送的所述无人机飞行速度、所述无人机飞行坐标和所述无人机机下风场数据，结合环境因素，计算出雾滴粒径的目标值，根据所述雾滴粒径的目标值调节雾滴粒径的大小，并将所述雾滴粒径的目标值发回所述中央处理器；
路径和喷杆调整步骤：所述中央处理器根据接收的所述雾滴中心漂移距离、所述雾滴粒径的目标值进行分析，发出调整指令至所述路径调整模块和所述喷杆角度调整模块，对无人机喷洒进行控制。
优选的，所述雾滴粒径计算和控制步骤中的环境因素包括：风速、环境温度、空气相对湿度。
优选的，所述路径和喷杆调整步骤中，喷杆的调整为角度调整，是所述中央处理器根据所述无人机飞行速度和所述无人机飞行坐标与设定参数进行比较，得出的调整结果。
优选的，在所述喷洒区域确定步骤前，通过人机交互单元输入预设的喷施需求和输出当前的喷施状态。
优选的，图像显示步骤：用于对农田作业环境信息和无人机农药精准喷施作业效果的显示。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明提供了一种基于无人机喷药的风场监控下的雾滴控制系统及方法，采用风速、风向、温湿度、降雨量等环境信息，可为无人机是否启动喷施作业提供依据，避免因环境因素导致的作业失败；根据机下风场调整雾滴粒径大小，有效地提高了空中喷药的作业精度；根据实时风速和风向进行路径微调，实现实时精准施药的目的。
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简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明一种基于无人机喷药的风场监控下的雾滴控制系统结构框图；
图2为本发明一种基于无人机喷药的风场监控下的雾滴控制方法的流程图。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅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。
参照图1所示，本实发明公开了一种基于无人机喷药的风场监控下的雾滴控制系统，包括：
中央处理器、多光谱图像采集与预处理模块、激光传感器、北斗导航模块、风速传感器、雾滴中心漂移计算模块、雾滴粒径计算和控制模块、路径调整模块和喷杆角度调整模块；
多光谱图像采集与预处理模块，与中央处理器的第一输入端连接，用于获取目标区域的多光谱图像，并将多光谱图像发送至中央处理器；
激光传感器，与中央处理器的第二输入端连接，用于探测地形数据，并将地形数据发送至中央处理器；
北斗导航模块，与中央处理模块的第三输入端连接，用于获取无人机飞行速度和飞行坐标，并将无人机飞行速度和无人机飞行坐标发送至中央处理器；
中央处理器，利用获取的多光谱图像、地形数据、无人机飞行速度和无人机飞行坐标，规划无人机作业路径；
风速传感器，与中央处理模块的第四输入端连接，用于测量无人机机下风场数据，并将无人机机下风场数据发送至中央处理器；
雾滴中心漂移计算模块，与中央处理器的第一输入/输出端连接，用于接收中央处理器发送的无人机作业路径和无人机机下风场数据，利用雾滴飘移中心简化计算模型，得到雾滴中心漂移方向和距离，并将雾滴中心漂移方向和雾滴中心漂移距离发送至中央处理器；
雾滴粒径计算和控制模块，与中央处理器的第二输入/输出端连接，用于接收中央处理器发送的无人机飞行速度、无人机飞行坐标和无人机机下风场数据，结合环境因素，计算出雾滴粒径的目标值，根据雾滴粒径的目标值调节雾滴粒径的大小；
路径调整模块，与中央处理器的第一输出端连接，用于接收中央处理器发送的雾滴中心漂移方向、雾滴中心漂移距离和雾滴粒径的目标值，对无人机路径进行调整；
喷杆角度调整模块，与中央处理器的第二输出端连接，用于接收中央处理器发送的喷杆角度调整指令进行无人机喷杆角度的调整。
在一个具体实施例中，雾滴粒径计算和控制模块中的环境因素包括：风速、环境温度、空气相对湿度。
在一个具体实施例中，雾滴粒径计算公式参照下式所示：
f(w)＝w0*ew
f(v)＝v0*v2
其中，D0为当前的雾滴粒径，D为雾滴粒径的目标值，a、b、c、d为因素影响系数，a、b、c、d根据喷施的药剂的油性度、密度进行调整，v为侧向风速，t为环境温度，w为空气相对湿度，h为飞行器距离地面的相对高度，t0，w0，h0，v0为调整系数。
在一个具体实施例中，雾滴飘移中心简化计算模型为：
x＝0.167XW×cos(θw-2θf)-0.12sinθf-0.797cosθf
y＝0.167XW×sinθw-0.12cosθf-0.797sinθf
其中，Xw表示风速；θw表示风向与正东方向的夹角；θf表示植保无人机飞行方向与正东方向的夹角；x，y分别表示雾滴中心沿正东方向和正北方向飘移的距离。
在一个具体实施例中，喷杆角度调整模块所接收到的喷杆角度调整指令，是中央处理器根据无人机飞行速度和无人机飞行坐标与设定参数进行比较，得出的调整结果。
在一个具体实施例中，位置调节机构设置在无人机机身的下方，包括X向调节机构、Y向调节机构以及Z向调节机构，Z向调节机构包括竖向放置的Z伸缩杆和用于驱动Z伸缩杆进行竖向伸缩的Z伸缩驱动件；X向调节机构包括横向放置的X伸缩杆和用于驱动X伸缩杆进行横向伸缩的X伸缩驱动件，喷头设置在X伸缩杆上，X伸缩杆的延伸方向与无人机飞行的方向垂直；Y向调节机构包括横向设置的Y伸缩杆和用于驱动Y伸缩杆进行横向伸缩的Y伸缩驱动件；Z伸缩杆的顶端固定在机身上，Y伸缩杆的一端固定连接在Z伸缩杆的底端，另一端固定连接在X伸缩杆的中部；X伸缩驱动件、Y伸缩驱动件以及Z伸缩驱动件均为电动推杆，X伸缩杆、Y伸缩杆以及Z伸缩杆分别固定在电动推杆的推杆上。喷头为多个，且均匀地排列在X伸缩杆上，X伸缩杆至少为两个。
以飞行速度V0、飞行高度H0作为对比的临界参数，在该临界参数下，雾滴沉积在作物上时，其速度为零，且不发生飘移；
当飞行速度V＞V0时，Y伸缩驱动件驱动Y伸缩杆沿着无人机飞行的方向往前延伸，同时Z伸缩驱动件驱动Z伸缩杆往上收缩，X伸缩驱动件驱动X伸缩杆往其中心收缩；当飞行速度V＜V0时，Y伸缩驱动件驱动Y伸缩杆沿着无人机飞行的方向往后收缩，Z伸缩驱动件驱动Z伸缩杆往下延伸；
当飞行高度H＞H0时，Z伸缩驱动件驱动Z伸缩杆往下延伸；当飞行高度H＜H0时，Z伸缩驱动件驱动Z伸缩杆往上收缩，同时X伸缩驱动件驱动X伸缩杆往其中心收缩。
在一个具体实施例中，还包括对喷嘴、滤网与剂型的组配与优化，通过地面试验筛选后的组配分别为：乳油剂型与1.0mm的喷嘴和0.3mm的滤网，悬浮剂剂型与1.5mm的喷嘴和0.3mm的滤网，可湿性粉剂剂型与1.5mm的喷嘴和0.6mm的滤网，水分散粒剂剂型与2.0mm的喷嘴和0.6mm的滤网。
在一个具体实施例中，从喷嘴喷雾角、防堵塞性、喷嘴压力与流量以及最佳作业粒径4个方面进行喷嘴选型。喷嘴是无人机施药系统的关键部件之一，良好的喷嘴性能能够提升雾滴沉积的均匀性，增加沉积量，减少药液飘移，提升防治效果。依据雾化方式，可分为液力雾化喷嘴和旋转离心雾化喷嘴两类，其中液力雾化喷嘴依据喷雾雾流形状又可分为扇形喷嘴和锥形喷嘴两类；旋转离心雾化喷嘴又可分为转笼式离心喷嘴和转盘式离心喷嘴两类。
在一个具体实施例中，还包括人机交互单元，与中央处理器的第三输入/输出端连接，用于输入预设的喷施需求和输出当前的喷施状态。
在一个具体实施例中，还包括云端服务器，与中央处理器的第三输出端连接，用于通过曲线图、Web GIS的形式显示中央处理器传递回来的农田作业环境信息和无人机农药精准喷施作业效果。
参照图2所示，本发明公开了一种基于无人机喷药的风场监控下的雾滴控制方法，包括以下步骤：
喷洒区域确定步骤：无人机通过激光传感器得到地形仿真数据，通过多普勒图像采集与处理单元元获取目标区域的多光谱图像，激光传感器和多普勒图像采集与处理单元将采集的数据发送给中央处理器，确定喷洒区域；
无人机飞行路径规划步骤：北斗导航模块获取无人机的飞行速度、飞行坐标，并将获取的数据发送给中央处理器，中央处理器结合喷洒区域规划无人机飞行路径；
风场获取步骤：无人机通过风速传感器测量无人机机下风场数据，并将采集的风场数据发送至中央处理器；
雾滴中心漂移计算步骤：雾滴中心漂移计算模块利用中央处理器中风场数据，计算雾滴中心漂移距离，并将计算结果发送回中央处理器；
雾滴粒径计算和控制步骤，雾滴粒径计算和控制模块利用中央处理器发送的无人机飞行速度、无人机飞行坐标和无人机机下风场数据，结合环境因素，计算出雾滴粒径的目标值，根据雾滴粒径的目标值调节雾滴粒径的大小，并将雾滴粒径的目标值发回中央处理器；
路径和喷杆调整步骤：中央处理器根据接收的雾滴中心漂移距离、雾滴粒径的目标值进行分析，发出调整指令至路径调整模块和喷杆角度调整模块，对无人机喷洒进行控制。
在一个具体实施例中，雾滴粒径计算和控制步骤中的环境因素包括：风速、环境温度、空气相对湿度。
在一个具体实施例中，路径和喷杆调整步骤中，喷杆的调整为角度调整，是中央处理器根据无人机飞行速度和无人机飞行坐标与设定参数进行比较，得出的调整结果。
在一个具体实施例中，在喷洒区域确定步骤前，通过人机交互单元输入预设的喷施需求和输出当前的喷施状态。
在一个具体实施例中，图像显示步骤：用于对农田作业环境信息和无人机农药精准喷施作业效果的显示。
对所公开的实施例的上述说明，按照递进的方式进行，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (10)
1.一种基于无人机喷药的风场监控下的雾滴控制系统，其特征在于，包括：
中央处理器、多光谱图像采集与预处理模块、激光传感器、北斗导航模块、风速传感器、雾滴中心漂移计算模块、雾滴粒径计算和控制模块、路径调整模块和喷杆角度调整模块；
所述多光谱图像采集与预处理模块，与所述中央处理器的第一输入端连接，用于获取目标区域的多光谱图像，并将所述多光谱图像发送至所述中央处理器；
所述激光传感器，与所述中央处理器的第二输入端连接，用于探测地形数据，并将所述地形数据发送至所述中央处理器；
所述北斗导航模块，与所述中央处理模块的第三输入端连接，用于获取无人机飞行速度和飞行坐标，并将所述无人机飞行速度和所述无人机飞行坐标发送至所述中央处理器；
所述中央处理器，利用获取的所述多光谱图像、所述地形数据、所述无人机飞行速度和所述无人机飞行坐标，规划无人机作业路径；
所述风速传感器，与所述中央处理模块的第四输入端连接，用于测量无人机机下风场数据，并将所述无人机机下风场数据发送至所述中央处理器；
所述雾滴中心漂移计算模块，与所述中央处理器的第一输入/输出端连接，用于接收所述中央处理器发送的所述无人机作业路径和所述无人机机下风场数据，利用雾滴飘移中心简化计算模型，得到雾滴中心漂移方向和距离，并将所述雾滴中心漂移方向和所述雾滴中心漂移距离发送至所述中央处理器；
所述雾滴粒径计算和控制模块，与所述中央处理器的第二输入/输出端连接，用于接收所述中央处理器发送的所述无人机飞行速度、所述无人机飞行坐标和所述无人机机下风场数据，结合环境因素，计算出雾滴粒径的目标值，根据所述雾滴粒径的目标值调节雾滴粒径的大小；
所述路径调整模块，与所述中央处理器的第一输出端连接，用于接收所述中央处理器发送的所述雾滴中心漂移方向、所述雾滴中心漂移距离和所述雾滴粒径的目标值，对无人机路径进行调整；
所述喷杆角度调整模块，与所述中央处理器的第二输出端连接，用于接收所述中央处理器发送的喷杆角度调整指令进行无人机喷杆角度的调整。
2.根据权利要求1所述的一种基于无人机喷药的风场监控下的雾滴控制系统，其特征在于，
所述雾滴粒径计算和控制模块中的环境因素包括：风速、环境温度、空气相对湿度。
3.根据权利要求1所述的一种基于无人机喷药的风场监控下的雾滴控制系统，其特征在于，
所述喷杆角度调整模块所接收到的所述喷杆角度调整指令，是所述中央处理器根据所述无人机飞行速度和所述无人机飞行坐标与设定参数进行比较，得出的调整结果。
4.根据权利要求1所述的一种基于无人机喷药的风场监控下的雾滴控制系统，其特征在于，
还包括人机交互单元，与所述中央处理器的第三输入/输出端连接，用于输入预设的喷施需求和输出当前的喷施状态。
5.根据权利要求1任一项所述的一种基于无人机喷药的风场监控下的雾滴控制系统，其特征在于，
还包括云端服务器，与所述中央处理器的第三输出端连接，用于通过曲线图、WebGIS的形式显示所述中央处理器传递回来的农田作业环境信息和无人机农药精准喷施作业效果。
6.一种应用于上述权利要求1-5任一项所述的一种基于无人机喷药的风场监控下的雾滴控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
喷洒区域确定步骤：无人机通过所述激光传感器得到地形仿真数据，通过所述多普勒图像采集与处理单元获取目标区域的多光谱图像，所述激光传感器和所述多普勒图像采集与处理单元将采集的数据发送给所述中央处理器，确定喷洒区域；
无人机飞行路径规划步骤：所述北斗导航模块获取无人机的飞行速度、飞行坐标，并将获取的数据发送给所述中央处理器，所述中央处理器结合所述喷洒区域规划无人机飞行路径；
风场获取步骤：无人机通过所述风速传感器测量无人机机下风场数据，并将采集的所述风场数据发送至所述中央处理器；
雾滴中心漂移计算步骤：所述雾滴中心漂移计算模块利用所述中央处理器中所述风场数据，计算雾滴中心漂移距离，并将计算结果发送回中央处理器；
雾滴粒径计算和控制步骤，所述雾滴粒径计算和控制模块利用所述中央处理器发送的所述无人机飞行速度、所述无人机飞行坐标和所述无人机机下风场数据，结合环境因素，计算出雾滴粒径的目标值，根据所述雾滴粒径的目标值调节雾滴粒径的大小，并将所述雾滴粒径的目标值发回所述中央处理器；
路径和喷杆调整步骤：所述中央处理器根据接收的所述雾滴中心漂移距离、所述雾滴粒径的目标值进行分析，发出调整指令至所述路径调整模块和所述喷杆角度调整模块，对无人机喷洒进行控制。
7.根据权利要求6所述的一种基于无人机喷药的风场监控下的雾滴控制方法，其特征在于，
所述雾滴粒径计算和控制步骤中的环境因素包括：风速、环境温度、空气相对湿度。
8.根据权利要求6所述的一种基于无人机喷药的风场监控下的雾滴控制方法，其特征在于，
所述路径和喷杆调整步骤中，喷杆的调整为角度调整，是所述中央处理器根据所述无人机飞行速度和所述无人机飞行坐标与设定参数进行比较，得出的调整结果。
9.根据权利要求6所述的一种基于无人机喷药的风场监控下的雾滴控制方法，其特征在于，
在所述喷洒区域确定步骤前，通过人机交互单元输入预设的喷施需求和输出当前的喷施状态。
10.根据权利要求6所述的一种基于无人机喷药的风场监控下的雾滴控制方法，其特征在于，
图像显示步骤：用于对农田作业环境信息和无人机农药精准喷施作业效果的显示。
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