CN108069027A - 多光谱固定翼无人机配合植保无人机的植保***及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了多光谱固定翼无人机配合植保无人机的植保***，包括多光谱固定翼无人机、地面软件分析***和植保无人机；多光谱固定翼无人机是由固定翼无人机上搭载多光谱成像仪；固定翼无人机上装有GPS***，多光谱成像仪上有四个120万像素的窄带单色传感器和一个1600万像素的RGB三原色传感器，四个120万像素的窄带单色传感器为绿光窄带单色传感器、红光窄带单色传感器、红边光窄带单色传感器、近红外窄带单色传感器，多光谱成像仪上设置有便于导出数据的SD卡槽。植保无人机上搭载塑料药箱。本发明充分了解土地资源和作物群体变异情况，因地制宜地根据田间每一操作单元的具体情况，精细准确地调整各项管理措施和各项物资投入的量，获取最大的经济效益。

Description

多光谱固定翼无人机配合植保无人机的植保***及方法

技术领域

本发明涉及现代农业技术领域，特别是涉及多光谱固定翼无人机配合植保无人机的植保***及方法。

背景技术

据统计，中国目前使用的植保机械以手动和小型机(电)动喷雾机为主，其中手动施药药械、背负式机动药械分别占国内植保机械保有量的93.07％和5.53％，拖拉机悬挂式植保机械约占0.57％，植保作业投入的劳力多、劳动强度大，施药人员中毒事件时有发生。据报道，广东省部分地区每天200元已请不到人工施药。目前国内农药用量越来越大，作业成本高，浪费严重，资源有效利用率低下，作物产量和质量难以得到保障，特别是传统的大面积、多次重复式的施肥等作业，同时带来严重的水土资源污染、生态***失衡、农产品品质下降等问题，无法适应现代农业发展的要求。

精准农业是美国等发达国家率先发展起来的2l世纪农业模式，它是现代信息技术在农业生产中应用的产物。2O世纪80年代初，美国首次提出精准农业的概念和设想，并在1992年4月召开了第1次精准农业学术研讨会，此后精准农业进入生产实际应用。精准农业是当今世界农业最富吸引力的前沿课题之一，代表了21世纪全球农业发展的方向，是农业的一场革命，面向21世纪农业的新技术。

精准农业(precision agriculture)也称精细农业或精确农业，是20世纪80年代初发展起来的以实现农业高产、优质、高效为目的的现代农业生产模式和技术体系。它是在定位、导航的基础上，根据管理单元的土壤特性和作物生长发育的需要，管理作物的每一个生长过程及各种农业物资的投放(如肥料、除莠剂、杀虫剂、种子等)，最大限度地发挥土壤和作物的潜力，做到既满足作物生长发育的需要，又减少农业物资的投入，从而降低物资消耗、增加利润、保护生态环境，实现农业可持续发展。

精准农业是现有农业生产措施与高新技术的有机结合，它由10个***组成，即全球定位***、农田信息采集***、农田遥感监测***、农田地理信息***、农业专家***、智能化农机具***、环境监测***、***集成、网络化管理***和培训***。

保证农作物安全是中国的基本国策。然而在当前中国粮食作物生产过程中，植保仍以手工、半机械化操作为主。农业部专家对中国航空植保技术的需求情况进行了预测。分析预测表明，中国农业航空产业是一个尚未真正启动的大产业，未来中国农业航空市场的需求将会有爆发性增长，拉动新增机型投入将达到465亿元以上。随着相关制度及配套核心技术的不断完善，中国精准农业航空产业必将得到健康、有序和高速发展，有利于实现农业病虫害统防统治，实现精准作业，极大地提速中国现代农业的进程。

发明内容

本发明提供一种多光谱固定翼无人机配合植保无人机的植保***及方法，在充分了解土地资源和作物群体变异情况的条件下，因地制宜地根据田间每一操作单元的具体情况，精细准确地调整各项管理措施和各项物资投入的量，获取最大的经济效益。

本发明的技术方案是：

多光谱固定翼无人机配合植保无人机的植保***，包括多光谱固定翼无人机、地面软件分析***和植保无人机；

所述多光谱固定翼无人机是由固定翼无人机上搭载多光谱成像仪；所述固定翼无人机上装有GPS***，所述多光谱成像仪上有四个120万像素的窄带单色传感器和一个1600万像素的RGB三原色传感器，所述四个120万像素的窄带单色传感器为绿光窄带单色传感器、红光窄带单色传感器、红边光窄带单色传感器、近红外窄带单色传感器，所述多光谱成像仪上设置有便于导出数据的SD卡槽。

所述植保无人机上搭载塑料药箱。

优选的，所述地面软件分析***包括Pix4D、eCognition和ENVI软件，通过上述软件处理得到DOM图和NDVI数据，分析出植物覆盖率指数、植物生长状态、病虫害水平、植被氮磷钾等元素含量、需植保植被的地理坐标及面积。

优选的，所述固定翼无人机包括机身、机翼，所述机身上方设置有核心舱，所述核心舱上方设置有阳光过滤校正传感器，所述机身上方设置有空速管，所述空速管旁边设置有信号传输天线，所述机身尾部设置有动力装置，所述动力装置上设置有桨叶，所述机身前端设置有前缘保护罩，所述机身底部设置有所述多光谱成像仪，所述机身下表面两侧设置有手抛抓取槽，所述机身底部设置有防滑板，所述机身两侧设置有所述机翼，两个所述机翼的翼端各设置有一个横滚推尾，所述机翼的下表面端部同样设置有所述防滑板，所述机翼前端设置有翼尖防滑罩，所述机翼的上表面中央设置有舵机，所述舵机通过拉杆连接有舵面。

优选的，所述机身和所述机翼一体成型，所述机身和所述机翼的材料均为ERO发泡材料制成。

优选的，所述植保无人机包括机舱和位于所述机舱下方的塑料药箱，所述机舱顶部设置有无线信号收发器，所述机舱的侧面均匀设置有六个可折叠的旋臂，所述旋臂与所述机舱连接处设置有锁紧扣，所述旋臂端部设置有无刷电机，所述无刷电机上方设置有旋翼，其中所述无刷电机下方的连杆底部设置有两个可旋转喷头，所述塑料药箱侧面设置有水泵，所述喷壶两侧设置有起落架。

优选的，所述两个喷头对称安装。

一种多光谱固定翼无人机配合植保无人机的植保方法，包括以下步骤：

①采集数据：由多光谱固定翼无人机进行预设轨迹飞行采集数据，采集农作物的光谱图片，可采集红光波长660nm、宽40nm、像素120万；绿光波长550nm、宽40nm、像素120万；红边波长735nm、宽10nm、像素120万；近红外波长790nm、宽40nm、像素120万的农作物光谱图片以及RGB三原色1600万像素的农作物图片；

②分析数据：导出这些图片，经Pix4D、eCognition和ENVI软件处理得到DOM图和NDVI数据，根据植物多光谱反射率、DOM图和NDVI数据，分析出植物覆盖率指数、植物生长状态、病虫害水平、植被氮磷钾等元素含量、需植保植被的地理坐标及面积；

③根据获取的植被状态信息分布，由植保无人机根据地面软件分析结果精准定位，按需喷施农药、化肥或水。

本发明的有益效果：本发明能够提高植保***的精准性，减少农作物农药残留，不需人工打药，避免操作人员中毒风险，提高了化肥等营养液的利用率，降低了农药及化肥的使用量，被广泛应用于中国航空植保技术领域。本发明对提高中国农作物病虫害防治机械化水平，提高植保***的精准性，减少农作物农药残留，提高了化肥等营养液的利用率，降低了农药及化肥的使用量，实行统防统治的专业化服务，提高农业资源的利用率，增强突发性大面积病虫害防控能力，缓解农村劳动力短缺，增强农业抗风险能力，保障国家粮食安全、生态安全，实现农业可持续发展具有十分重要的意义。

附图说明

图1是本发明的示意图；

图2是本发明固定翼无人机上视空间立体视图；

图3是本发明固定翼无人机下视空间立体视图；

图4是本发明多光谱成像仪空间立体视图；

图5是本发明植保无人机空间立体视图。

其中：

1、地面软件分析***；2、植保无人机；201、旋翼；202、旋臂；203、无线信号收发器；204、机舱；205、塑料药箱；206、喷头；207、起落架；208、锁紧扣；209、无刷电机；210、水泵；3、多光谱固定翼无人机；4、GPS***；5、固定翼无人机；501、核心舱；502、机翼；503、桨叶；504、阳光过滤校正传感器；505、舵机；506、拉杆；507、舵面；508、空速管；509、信号传输天线；510、横滚推尾；511、防滑板；512、翼尖防滑罩；513、机身；514、多光谱成像仪；515、前缘保护罩；516、手抛抓取槽；517、动力装置。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

多光谱固定翼无人机配合植保无人机的植保***，包括多光谱固定翼无人机5、地面软件分析***1和植保无人机2；

所述多光谱固定翼无人机3是由固定翼无人机5上搭载多光谱成像仪514；所述固定翼无人机5上装有GPS***4，所述多光谱成像仪514上有四个120万像素的窄带单色传感器和一个1600万像素的RGB三原色传感器，所述四个120万像素的窄带单色传感器为绿光窄带单色传感器、红光窄带单色传感器、红边光窄带单色传感器、近红外窄带单色传感器，所述多光谱成像仪514上设置有便于导出数据的SD卡槽。

所述植保无人机2上搭载塑料药箱205。

作为更好的实施方式，所述地面软件分析***1包括Pix4D、eCognition和ENVI软件，通过上述软件处理得到DOM图和NDVI数据，分析出植物覆盖率指数、植物生长状态、病虫害水平、植被氮磷钾等元素含量、需植保植被的地理坐标及面积。

作为更好的实施方式，所述固定翼无人机5包括机身513、机翼502，所述机身513上方设置有核心舱501，所述核心舱501上方设置有阳光过滤校正传感器504，所述机身513上方设置有空速管508，所述空速管旁边设置有信号传输天线509，所述机身513尾部设置有动力装置，所述动力装置上设置有桨叶503，所述机身513前端设置有前缘保护罩515，所述机身513底部设置有所述多光谱成像仪514，所述机身513下表面两侧设置有手抛抓取槽516，所述机身513底部设置有防滑板511，所述机身513两侧设置有所述机翼502，两个所述机翼502的翼端各设置有一个横滚推尾510，所述机翼502的下表面端部同样设置有所述防滑板511，所述机翼502前端设置有翼尖防滑罩512，所述机翼502的上表面中央设置有舵机505，所述舵机505通过拉杆连接有舵面507。

作为更好的实施方式，所述机身513和所述机翼502一体成型，所述机身513和所述机翼502的材料均为ERO发泡材料制成。

作为更好的实施方式，所述植保无人机2包括机舱204和位于所述机舱204下方的塑料药箱205，所述机舱204顶部设置有无线信号收发器203，所述机舱204的侧面均匀设置有六个可折叠的旋臂202，所述旋臂202与所述机舱204连接处设置有锁紧扣208，所述旋臂202端部设置有无刷电机209，所述无刷电机209上方设置有旋翼201，其中所述无刷电机209下方的连杆底部设置有两个可旋转喷头206，所述塑料药箱205侧面设置有水泵210，所述塑料药箱205两侧设置有起落架。

作为更好的实施方式，所述两个喷头206对称安装。

一种多光谱固定翼无人机配合植保无人机的植保方法，包括以下步骤：

①采集数据：由多光谱固定翼无人机3进行预设轨迹飞行采集数据，采集农作物的光谱图片，可采集红光波长660nm、宽40nm、像素120万；绿光波长550nm、宽40nm、像素120万；红边波长735nm、宽10nm、像素120万；近红外波长790nm、宽40nm、像素120万的农作物光谱图片以及RGB三原色1600万像素的农作物图片；

②分析数据：导出这些图片，经Pix4D、eCognition和ENVI软件处理得到DOM图和NDVI数据，根据植物多光谱反射率、DOM图和NDVI数据，分析出植物覆盖率指数、植物生长状态、病虫害水平、植被氮磷钾等元素含量、需植保植被的地理坐标及面积；

③根据获取的植被状态信息分布，由植保无人机2根据地面软件分析***1结果精准定位，按需喷施农药、化肥或水。

本发明的先进性具体体现在：

(1)本发明航空平台采用自主研发的创新型多光谱固定翼无人机3，进行预设轨迹飞行，飞行过程中通过多套传感器的双冗余数据，经核心飞控***计算，将飞机的实时飞行参数反馈到软件界面，与多光谱成像仪514一体供电。多光谱固定翼无人机3的技术参数：飞行速度：50KM/h；飞行定位***：GPS；翼展：920mm；续航时间：85分钟；飞行方式：手抛起飞、触地降落、自主飞行；多光谱参数：4个120万像素窄带单色传感器加1个1600万像素RGB三原色传感器；内存：64G。

(2)本发明配备创新型多光谱成像仪514安装在多光谱固定翼无人机3上，多光谱成像仪上514有四个120万像素的窄带单色传感器(绿光、红光、红边光、近红外)和一个1600万像素的RGB三原色传感器，飞行农作物上空，拍摄四种光线不同的光谱反射图片和可见光下的植物图片，经软件处理后，能得到植物的多光谱DOM图、NDVI等数据，分析出植物的病害、干旱以及氮磷钾元素含量水平等情况。根据这些数据，用公司植保无人机2进行有针对性的植保措施，如喷洒农药、喷洒化肥营养液、洒水等，做到精准农作物植保。

(3)本发明采用Pix4D、eCognition、ENVI等软件进行处理分析，当多光谱固定翼无人机3飞完后，经多光谱成像仪514的SD卡槽读取数据，原始相片导入到电脑软件Pix4D中，通过多光谱成像仪514相片的POS数据、地理坐标等，根据相片的重叠率，形成专业的DOM图片，经eCognition、ENVI可得到NDVI以及需要植保植被的面积，根据植物多光谱反射率以及DOM图、NDVI等数据，分析出植物覆盖率指数、植物生长状态、病虫害水平、植被氮磷钾等元素含量、需植保植被的地理坐标及面积；

(4)本发明喷洒平台采用自主研发的创新型植保无人机2，通过机身材质和机构的设计，为其他配置和性能提供更改的弹性空间，配置聚合物锂电池，带动六引擎盘式电动马达，保证飞行高度和控制半径及续航时间。采用6轴旋翼型，机体采用碳纤维材料组成，搭载10L塑料药箱205，可加农药10KG，空机重量13KG，采用18650电池，飞行时间20分钟，采用无刷电机209，垂直起降，轴距1600mm，巡航速度20-30KM/h，手动控制半径800M，自动飞行控制半径5KM。植保无人机2将集成高精度的工业级传感器元件，运用了先进的温度补偿算法和工业级的精准校准算法，使***发挥出精确、稳定、可靠的性能；针对6旋翼201的机型结构，飞控设计具有断桨保护能力，在动力充足的前提下，植保无人机2意外缺失某一螺旋桨动力输出时，飞机可以采用牺牲航向轴控制的办法，继续保持飞行水平姿态，确保飞机可以继续***控，并安全返航，大大降低了摔机的风险；

(5)本发明配备精密的GPS***4，满足在链路丢失返航功能和精准植保作业定位功能；装载电子地图作为设计地图，通过地面控制***以及电台，无线传递给植保无人机2，实现远端快速、便捷、及时操控植保无人机2，确定飞机施药飞行线路，以避免重喷和漏喷。

(6)本发明采用最新型的喷洒***，自动带有液体喷洒零件，水泵210与植保无人机2共用电源，控制***端通过程序叠加植入飞控***，保证精准喷洒、不漏喷、不误喷等情况发生，并可自动检测药量剩余进行报警提示，返航后，通过电子地图导航进行断点续航。距离农作物顶端1.5-1.6米，最大喷洒速率：0.43升/分钟，喷幅：4米，雾化标准：100-200微米。

本发明相对传统植保方式或单纯的植保无人机方式而言，定位更加精准，按需喷施农药、化肥营养液或水，从而提高植保***的精准性，减少农作物农药残留，提高肥料利用率，不需人工作业，避免操作人员中毒风险，投入小，成本低，效率高，节能环保。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.多光谱固定翼无人机配合植保无人机的植保***，其特征在于：包括多光谱固定翼无人机、地面软件分析***和植保无人机；

所述多光谱固定翼无人机是由固定翼无人机上搭载多光谱成像仪；所述固定翼无人机上装有GPS***，所述多光谱成像仪上有四个120万像素的窄带单色传感器和一个1600万像素的RGB三原色传感器，所述四个120万像素的窄带单色传感器为绿光窄带单色传感器、红光窄带单色传感器、红边光窄带单色传感器、近红外窄带单色传感器，所述多光谱成像仪上设置有便于导出数据的SD卡槽；

所述植保无人机上搭载塑料药箱。

2.根据权利要求1所述的多光谱固定翼无人机配合植保无人机的植保***，其特征在于：所述地面软件分析***包括Pix4D、eCognition和ENVI软件，通过上述软件处理得到DOM图和NDVI数据，分析出植物覆盖率指数、植物生长状态、病虫害水平、植被氮磷钾等元素含量、需植保植被的地理坐标及面积。

3.根据权利要求1所述的多光谱固定翼无人机配合植保无人机的植保***，其特征在于：所述固定翼无人机包括机身、机翼，所述机身上方设置有核心舱，所述核心舱上方设置有阳光过滤校正传感器，所述机身上方设置有空速管，所述空速管旁边设置有信号传输天线，所述机身尾部设置有动力装置，所述动力装置上设置有桨叶，所述机身前端设置有前缘保护罩，所述机身底部设置有所述多光谱成像仪，所述机身下表面两侧设置有手抛抓取槽，所述机身底部设置有防滑板，所述机身两侧设置有所述机翼，两个所述机翼的翼端各设置有一个横滚推尾，所述机翼的下表面端部同样设置有所述防滑板，所述机翼前端设置有翼尖防滑罩，所述机翼的上表面中央设置有舵机，所述舵机通过拉杆连接有舵面。

4.根据权利要求3所述的多光谱固定翼无人机配合植保无人机的植保***，其特征在于：所述机身和所述机翼一体成型，所述机身和所述机翼的材料均为ERO发泡材料制成。

5.根据权利要求1所述的多光谱固定翼无人机配合植保无人机的植保***，其特征在于：所述植保无人机包括机舱和位于所述机舱下方的塑料药箱，所述机舱顶部设置有无线信号收发器，所述机舱的侧面均匀设置有六个可折叠的旋臂，所述旋臂与所述机舱连接处设置有锁紧扣，所述旋臂端部设置有无刷电机，所述无刷电机上方设置有旋翼，其中所述无刷电机下方的连杆底部设置有两个可旋转喷头，所述塑料药箱侧面设置有水泵，所述喷壶两侧设置有起落架。

6.根据权利要求5所述的多光谱固定翼无人机配合植保无人机的植保***，其特征在于：所述两个喷头对称安装。

7.一种多光谱固定翼无人机配合植保无人机的植保方法，包括以下步骤：

①采集数据：由多光谱固定翼无人机进行预设轨迹飞行采集数据，采集农作物的光谱图片，可采集红光波长660nm、宽40nm、像素120万；绿光波长550nm、宽40nm、像素120万；红边波长735nm、宽10nm、像素120万；近红外波长790nm、宽40nm、像素120万的农作物光谱图片以及RGB三原色1600万像素的农作物图片；

②分析数据：导出这些图片，经Pix4D、eCognition和ENVI软件处理得到DOM图和NDVI数据，根据植物多光谱反射率、DOM图和NDVI数据，分析出植物覆盖率指数、植物生长状态、病虫害水平、植被氮磷钾等元素含量、需植保植被的地理坐标及面积；

③根据获取的植被状态信息分布，由植保无人机根据地面软件分析结果精准定位，按需喷施农药、化肥或水。