CN206573944U - 旋翼无人机精准喷药系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了本实用新型各实施例的旋翼无人机精准喷药系统，由于主要包括：飞行系统、RTK地面站系统和传感器系统，所述传感器系统将物理传感信息发送至RTK地面站系统，RTK地面站系统结合飞行系统与发送的地图信息和物理传感信息生成飞行路线和喷药方案信息，飞行系统根据生成的飞行路线飞行并根据喷药方案信息进行喷洒；从而可以克服现有技术中田间作业有效风场的利用不足，无人机工作效率低，人工配药存在着很多弊端，忽略了作业时刻的很多关键性因素例如风力大小，温度，湿度等的缺陷。

Description

旋翼无人机精准喷药系统

技术领域

本实用新型涉及喷药无人机的研发和应用技术领域，具体地，涉及旋翼无人机精准喷药系统。

背景技术

近几年来，全国各地都在积极开展喷药无人机的研发和应用，喷药无人机的出现的确改变了我国的农药防治现状，如今国内的喷药无人机在由于其卓越的性能，受到了各级政府及企业的一直看好，所研发的机型也逐渐丰富、应用范围变广、推广速度加快、技术研究越来越深入。精确农业，智慧农业的倡导对我们的科研技术人员提出了更高的要求。无人机实现农作物喷洒化控剂的主要目的是为了根据作物的需求来喷洒化控剂以及控制其长势和调控生理变化而达到预期高产的目的。由于存在田块中施肥不均匀、作物长势参差不齐、水分灌溉差异、虫灾情况成块分布等实际问题。一种依据作物实际生长以及土壤肥力情况划定航空区域解决药剂浪费、实现农情监测的无人机喷药系统成为一种发展趋势。另外针对旋翼无人机有效风场的利用，也是提高无人机工作效率的重要途径。

本实用新型涉及的是一种将无人机航空监测和无人机喷药高效结合的无人机精确植保系统。

通过在带有RTK技术的无人机上搭载高光谱或者多光谱相机，规划航线在指定区域上方进行拍照，通过软件处理得到该区域的作物长势分布图，再结合谷歌地图对喷药无人机(带RTK技术)飞行航线进行规划达到“对症下药”的效果。另外通过对喷药模块改进，使飞机风场得到高效利用并且同时满足对作物不同垄间喷药的需求。

“一种植保无人机”(申请号:201510150806.3申请口:2015-04-01)

摘要：摘要:本实用新型公开了植保无人机的喷药方法，具体方案是:S1、划定一个矩形作业区域；S2,沿其中一个矩形区域的周边呈螺旋状回转飞行，相邻飞行轨迹的间隔为喷洒半径；S3、飞机主体飞行至该矩形区域的中部后停止喷洒药液或往与该矩形区域最接近的另一矩形区域的侧边直线飞行。本实用新型能减少飞机主体转弯，降低损耗。

通过对以上检索并对上述列出的专利文献检索后不难发现，尽管之前已经存在无人机植保的相关专利，但是，其不管是从设计理念还是技术效果方面来讲，存在着本质的差别，有很多不完善和需要提高的地方。

(1)田间作业有效风场的利用不足。现有的旋翼无人机已经存在很多种类，例如四旋翼，八旋翼，十六旋翼等，但是对于植保无人机，对不同飞机有效风场的高效利用尤为重要，另外针对不同作物垄间大小，进行针对性的调节满足生产需要，这是现有很多植保无人机忽略的地方。

(2)目前应用在植保无人机还存在着手持遥控的弊端。手持遥控完全由飞手的经验对飞行速度，飞行高度的把握，如果存在强风，对飞手操作要求很高，这不符合精准农业的要求和植保无人机的推广。甚至在演示过程中都出现过时空和坠落的情况，在实际喷洒农药过程中还会出此案重复喷施和遗漏作业的问题。

(3)在实际作业中，没有能够将作物生长长势监测和实际农田作业情况结合，存在严重“浪费药剂”现象。在实际作业中很多无人机遵照设定的航线完成喷洒任务，没有针对性，另外由于无人机存在续航时间和载荷限制，没有针对性的喷洒，使得作业达不到预期工效，影响作业进度。

(4)现有很多无人机配药都依靠人工经验。人工配药存在着很多弊端，忽略了作业时刻的很多关键性因素例如风力大小，温度，湿度等。这直接影响着飞机作业的飞行速度，飞行高度以及飞机喷幅。现有的很多将这两大块完全脱节或者结合不强，没有一个完善整合的系统，这不符合精准农业的要求。

实用新型内容

本实用新型的目的在于，针对上述问题，提出旋翼无人机精准喷药系统，以实现依据作物实际生长以及土壤肥力情况划定航空区域解决药剂浪费、实现农情监测，提高无人机工作效率的优点。

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：旋翼无人机精准喷药系统，主要包括：飞行系统、RTK地面站系统和传感器系统，所述传感器系统将物理传感信息发送至RTK地面站系统，RTK地面站系统结合飞行系统与发送的地图信息和物理传感信息生成飞行路线和喷药方案信息，飞行系统根据生成的飞行路线飞行并根据喷药方案信息进行喷洒。

进一步地，所述传感器系统包括风力传感器、温度传感器和湿度传感器分别采集检测风力、温度和湿度的大小数值。

进一步地，所述飞行系统包括旋翼无人机，所述旋翼无人机包括电路部分，具体包括图像处理模块，对作业地块的光谱信息图进行处理，得到作物长势分布图片；

光谱图像分析模块，对图片进行波段分析并结合人工勘察结果建立数据库，判定作物生长所需，划定需要进行作业的矩形区域；

地图呈现模块，读取矩形区域顶点的坐标信息结合地图信息，将作业区域呈现在地图上，得到作业地图信息，将地图信息发送至RTK地面站；

和控制模块，对旋翼无人机各模块之间的工作进行协调处理。

进一步地，所述旋翼无人机具体还包括机载药箱，液位计、分流器和抽水泵，所述液位计设置在机载药箱内部，测量机载药箱的药液面，所述抽水泵固定设置在机载药箱外侧，抽水泵将药剂抽出后通过分流器进行分流；

所述分流器通过支架固定设置在机载药箱的底部，还包括T字型支架，所述T字型支架具体包括第一长条形轻质板和垂直于第一长条形轻质板的第二长条轻质板，所述第一长条形轻质木板和第二长条形轻质板在垂直交点部分通过螺丝固定，所述长条形轻质板上均分别设置有多个孔洞，在第一长条形轻质板上位于垂直交点两侧的任一孔洞分别与分流器上的软管贯穿连接，在第二长条形轻质板上位于垂直交点一侧的任一孔洞与分流器上的软管贯穿连接，

所述T型支架还包括设置在长条轻质板孔洞上的带孔螺丝，将贯穿孔洞的软管通过带孔螺丝与喷头连接，通过旋拧带孔螺丝对应的螺母对软管进行固定

进一步地，所述喷头为液压喷头或离心喷头。

本实用新型各实施例的旋翼无人机精准喷药系统，由于主要包括：飞行系统、RTK地面站系统和传感器系统，所述传感器系统将物理传感信息发送至RTK地面站系统， RTK地面站系统结合飞行系统与发送的地图信息和物理传感信息生成飞行路线和喷药方案信息，飞行系统根据生成的飞行路线飞行并根据喷药方案信息进行喷洒；从而可以克服现有技术中田间作业有效风场的利用不足，无人机工作效率低，人工配药存在着很多弊端，忽略了作业时刻的很多关键性因素例如风力大小，温度，湿度等的缺陷。

本实用新型的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本实用新型而了解。

下面通过附图和实施例，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

附图用来提供对本实用新型的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本实用新型的实施例一起用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的限制。在附图中：

图1为本实用新型实施例所述的旋翼无人机的结构图及局部结构图；

图2为本实用新型实施例所述的旋翼无人机基于RTK技术精准施药逻辑图；

图3a为本实用新型实施例所述的旋翼飞机飞行方向风场分布图；

图3b为本实用新型实施例所述的旋翼飞机平面上垂直于飞行方向风场分布图；

图4a为本实用新型实施例所述的作物长势分布图获取的坐标图；

图4b为本实用新型实施例所述的谷歌地图圈定作业区域图；

图4c为本实用新型实施例所述的划定飞行计划航线图。

结合附图，本实用新型实施例中附图标记如下：

1-机载药箱；2-可调量水泵；3-飞行控制器；4-分流器；5-“T”字形支架； 6-旋翼飞机；7-喷头(离心或者液压)；8-带洞均匀夹板；9-固定螺丝；10-液位计。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

尽管之前已经存在无人机植保的相关专利，但是，其不管是从设计理念还是技术效果方面来讲，存在着本质的差别，有很多不完善和需要提高的地方。

(1)田间作业有效风场的利用不足。现有的旋翼无人机已经存在很多种类，例如四旋翼，八旋翼，十六旋翼等，但是对于植保无人机，对不同飞机有效风场的高效利用尤为重要，另外针对不同作物垄间大小，进行针对性的调节满足生产需要，这是现有很多植保无人机忽略的地方。

(2)目前应用在植保无人机还存在着手持遥控的弊端。手持遥控完全由飞手的经验对飞行速度，飞行高度的把握，如果存在强风，对飞手操作要求很高，这不符合精准农业的要求和植保无人机的推广。甚至在演示过程中都出现过时空和坠落的情况，在实际喷洒农药过程中还会出此案重复喷施和遗漏作业的问题。

(3)在实际作业中，没有能够将作物生长长势监测和实际农田作业情况结合，存在严重“浪费药剂”现象，。在实际作业中很多无人机遵照设定的航线完成喷洒任务，没有针对性，另外由于无人机存在续航时间和载荷限制，没有针对性的喷洒，使得作业达不到预期工效，影响作业进度。

(4)现有很多无人机配药都依靠人工经验。人工配药存在着很多弊端，忽略了作业时刻的很多关键性因素例如风力大小，温度，湿度等。这直接影响着飞机作业的飞行速度，飞行高度以及飞机喷幅。现有的很多将这两大块完全脱节或者结合不强，没有一个完善整合的系统，这不符合精准农业的要求。

本实用新型通过对旋翼飞机风场的分布情况，设计硬件满足对风场的利用。使得药剂能在有效风场的作用下，到达作物的冠层和底部。翼飞机风场分布情况如图3a和图3b所示。如图3a和图3b所示，地方颜色越深代表风力强度越大，在旋翼飞机飞行过程中，存在三个有效风场(垂直于飞行方向2个，沿飞行方向1个，)本实用新型采用“T”字形设计，将抽水泵出水口水流分成三股，用三根软管连接三股水流，分别将其通向设计的“T”字板的三个末端位置(具体位置可按照垄间大小调整)，并对其进行固定，再在软管末端位置装置喷头。

本实用新型通过结合机载多光谱或高光谱相机，对所需要作业的地块进行拍照，再利用图像处理软件(本设计采用Pix4Dmapper软件)对所得图像进行处理，得到作物长势分布图片，利用光谱图像分析软件(本设计采用ENVI软件) 进行波段分析并结合人工勘察结果建立数据库，最终判定作物生长所需。将作物长势分布图结合谷歌地图(将作物长势分布图和经纬度坐标建立联系，确定要进行作业的矩形地域块数，分别获得各个矩形地块四个顶点的经纬度坐标，将坐标信息结合作业使用的谷歌地图，将信息反映在具有RTK功能的无人机地面站，地面站进行飞行速度，飞行高度和喷幅设置，采集飞机起飞地点，完成飞行航线制定)，从而获得精确的作业区域和路线。如图4所示。

本设备通过手持设备(集成温度、湿度、风速三传感器)实时获得作业现场的三大影响因子，按农户要求提前预设农田每亩喷洒量，结合实验数据建立的模型和数据库，向地面站发送得出的最优飞行参数(飞行速度，飞行高度，喷幅)和最终所需的总药量(水+药剂)，代替人工经验，使得配药更加精准，避免药剂浪费现象。

本实用新型通过对旋翼无人机风场的研究，设计了一种“T”字形支架，这能有效利用旋翼飞机的三个下风场，并实现了可以根据不同垄间大小实时调控的目的，设计简单明了，易操作，能够满足实际生产需要。

本实用新型使用航拍照片和图像处理软件获得作物长势分布图，画出需要作业范地域的矩形框，结合经纬度坐标得到各个矩形框顶点的经纬度坐标，将坐标信息结合作业使用的谷歌地图，最终将信息反映在具有RTK功能的无人机地面站，利用风力，温度，湿度传感器信息得出最佳的参数信息，技术人员结合实际作业要求和地形需要，选取最终的飞行速度，飞行高度和喷幅参数，再采集飞机起飞地点，完成飞行航线制定，获得精确的作业区域和路线。该系统由无人机设备系统布局图(图1)、无人机精准喷药逻辑图(图2)二部分组成。 2.2.1无人机载设备布局图：无人机载设备布局图如图1所示，(1)机载药箱； (2)可调量水泵；(3)飞行控制器；(4)分流器；(5)“T”字形支架，其是由(8)、(9)两部分组成；(6)旋翼飞机；(7)喷头(离心或者液压)； (8)带洞均匀夹板；(9)是固定螺丝；(10)液位计；

如图1所示，是对无人机的改装设计，多数植保无人机都自带喷药箱和可调流量的抽水泵，装置一个能实现一分三，一分多的分流器，利用我们设计的“T”字形支架(由两块长条形带孔的轻质板子在如图1的D孔用螺丝进行固定，其中A，B，C孔分别接入从分流器导出的三根软管，将软管从装有特殊的固定螺丝中穿过，扭紧螺丝实现最喷药软管的固定，用户可按实际需要安装再合适的位置和喷头。

机载光谱相机进行航拍，机载光谱相机可以是安装在本系统的旋翼无人机上的，也可以是利用另一专用无人机进行航拍的。

小型抽水泵将药剂抽出，通过分流器进行分流，水泵就固定在药箱外面，分流器放置在药箱下底部，通过支架进行固定的。

将喷药导管穿过“T”形板上安置的带孔螺丝(可以悬挂在孔洞上)，这是一个上大下小呈"\/"状的螺丝，导管穿过后，通过拧下面的螺丝，从而可以完成对导管的固定。

结合图2对本实用新型作出进一步地说明，

1、通过机载光谱相机获得大面积作业区域光谱信息，利用图像处理软件获得所需作业区域的作物长势图，结合光谱图像处理软件进行波段分析并结合人工勘察结果建立数据库，最终判定作物生长所需，划定需要进行作业的矩形区域。

2、在获得需要作业区域后，读取矩形作业区域顶点的坐标信息结合谷歌地图，将作业区域呈现到地图上。

3、打开无人机地面站(带有RTK技术)，获得所需的地图信息，结合传感器获得的参数建立模型自动获得最佳喷洒及飞行参数生，用户根据实际需要，完成参数设定，生成飞行路线

4、按所得药剂量参数进行药剂配置并进行灌装，根据农田垄间大小调节“T”字形的长短，采集飞机起飞点，检查电量以及喷洒是否正常，发送飞行计划，准备起飞。

5、该设备对大面积作物检测喷洒有着很重的作用，基本技术完全可以达到，随着光谱仪器的不断改进，精度会不断提高。这有效节约了大量人力物力，避免了药剂的浪费现象，对节约农民生产成本和治理环境有着举足轻重的作用，实现了从人工喷洒，机械化喷洒，无人机喷洒到无人机定区域精准喷洒的理念，带有RTK精确导航定位技术，保证了飞行参数的稳定性和准确性。这必将是经后农业向科研工作者努力的方向。

最后应说明的是：以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，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。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (5)

1.旋翼无人机精准喷药系统，其特征在于，包括飞行系统、RTK地面站系统和传感器系统，所述传感器系统将物理传感信息发送至RTK地面站系统，RTK地面站系统结合飞行系统与发送的地图信息和物理传感信息生成飞行路线和喷药方案信息，飞行系统根据生成的飞行路线飞行并根据喷药方案信息进行喷洒。

2.根据权利要求1所述的旋翼无人机精准喷药系统，其特征在于，所述传感器系统包括风力传感器、温度传感器和湿度传感器分别采集检测风力、温度和湿度的大小数值。

3.根据权利要求2所述的旋翼无人机精准喷药系统，其特征在于，所述飞行系统包括旋翼无人机，所述旋翼无人机包括电路部分，具体包括图像处理模块，对作业地块的光谱信息图进行处理，得到作物长势分布图片；

光谱图像分析模块，对图片进行波段分析并结合人工勘察结果建立数据库，判定作物生长所需，划定需要进行作业的矩形区域；

地图呈现模块，读取矩形区域顶点的坐标信息结合地图信息，将作业区域呈现在地图上，得到作业地图信息，将地图信息发送至RTK地面站；

和控制模块，对旋翼无人机各模块之间的工作进行协调处理。

4.根据权利要求3所述的旋翼无人机精准喷药系统，其特征在于，所述旋翼无人机具体还包括机载药箱，液位计、分流器和抽水泵，所述液位计设置在机载药箱内部，测量机载药箱的药液面，所述抽水泵固定设置在机载药箱外侧，抽水泵将药剂抽出后通过分流器进行分流；

所述分流器通过支架固定设置在机载药箱的底部，

还包括T字型支架，所述T字型支架具体包括第一长条形轻质板和垂直于第一长条形轻质板的第二长条轻质板，所述第一长条形轻质木板和第二长条形轻质板在垂直交点部分通过螺丝固定，所述长条形轻质板上均分别设置有多个孔洞，在第一长条形轻质板上位于垂直交点两侧的任一孔洞分别与分流器上的软管贯穿连接，在第二长条形轻质板上位于垂直交点一侧的任一孔洞与分流器上的软管贯穿连接，

所述T字型支架还包括设置在长条轻质板孔洞上的带孔螺丝，将贯穿孔洞的软管通过带孔螺丝与喷头连接，通过旋拧带孔螺丝对应的螺母对软管进行固定。

5.根据权利要求4所述的旋翼无人机精准喷药系统，其特征在于，所述喷头为液压喷头或离心喷头。