CN108552149B - 一种适用于山地丘陵的无人机烟剂喷施***及喷施方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适用于山地丘陵的无人机烟剂喷施***及喷施方法，所述无人机烟剂喷施***包括遥感模块、环境监测模块、喷施模块以及数控模块，其中，所述遥感模块包括图像采集装置和图像传输***；所述环境监测模块包括设置在地面的区域监测气象站和设置在无人机上的无人机气流扰动监测装置；所述喷施模块包括药剂箱、烟雾发生器、烟剂变量雾化喷头以及将药剂箱中的烟剂农药依次输送至烟雾发生器和烟剂变量雾化喷头的输送机构；所述数控模块用于接收信息、制作3D图像、规划飞行路径以及控制喷施烟剂农药的量。所述无人机烟剂喷施***可以通过无人机携带烟剂农药对山地丘陵的果园内的果树精准喷施烟剂农药。
Description
技术领域
本发明涉及精准农业航空技术领域，尤其涉及一种适用于山地丘陵的无人机烟剂喷施***及喷施方法。
背景技术
精准农业航空技术是利用飞机搭载各种技术和数据信息工具来实现农作物生产率的最大化的一种技术。主要包括作物精准施药、授粉、播种、施肥、航空遥感、农情监测分析、定位导航等研究内容。精准农业航空产业的发展是世界农业发展的潮流，也是中国农业现代化建设的重要组成部分。
因无人机具有可垂直起降、适应性强、作业效率高、突击能力强、操作灵活等优点，利用无人机在农林果业上进行航空施药作业现如今变得越来越常见。无人机施药方式多为液体农药雾化喷施，但在一些山地丘陵的果树种植区，无人机液体农药喷施倒显得不是那么方便，其一些不足之处也显现了出来。例如山地地形环境复杂，果树种植分散且树叶较为繁密，无人机液体农药雾化效果很差，同时因其载药量有限、亩用药量有限，很难保证液体农药能精准的喷施到每棵果树的各个部位。此外，液体农药是兑水调配，山地用水也是一个难题，水源很难在山地运输，要消耗大量的人力物力，也会影响作业效率，从而影响山地丘陵果树病虫害的防控进度。
烟剂农药又称烟熏剂、烟雾剂，是森林、果园及蔬菜产区普遍推广使用的一种农药剂型，无需用水，通过燃烧产生烟雾对受害植株产生作用。烟雾的无孔不入和熏蒸特性，能有效解决喷洒处理收效低的问题，大大减少农药用量、操作人员农药吸入量及农作物农药残留量，是山地丘陵果园病虫害防治较为合适的手段。通过无人机但烟剂农药若使用不当也会产生烟害，例如传统的人工在地头喷烟就会产生很大的飘移，极易对大气造成污染，同时损失药效。若将无人机与烟剂农药进行配合使用，利用无人机对果园精准喷施烟剂农药，必将大大减轻烟害问题。例如授权公告号为CN206612069.U的实用新型专利公告了“一种适用于无人机的喷烟喷雾***”，通过利用无人机中的燃料燃烧室产生的高温高压烟气与烟雾雾化喷头喷出雾化药剂相遇混合成气化药剂，并通过喷药管喷施到果树上。然而这种方式很容易受到地形、天气等因素的影响，使得无人机不能精准地将气化药剂精准喷施在植株上。
发明内容
本发明为了克服现有技术存在的不足，提供了一种适用于山地丘陵的无人机烟剂喷施***，该无人机烟剂喷施***可以通过无人机携带烟剂农药对山地丘陵的果园内的果树精准喷施烟剂农药。
本发明的另一目的在于提供一种应用该无人机烟剂喷施***的喷施方法。
本发明解决上述技术问题的技术方案是：
一种适用于山地丘陵的无人机烟剂喷施***，包括遥感模块、环境监测模块、喷施模块以及数控模块，其中，
所述遥感模块设置于无人机上，该遥感模块包括图像采集装置和图像传输***，其中，所述图像采集装置用于对施药区域进行遥感信息采集，所述图像传输***用于将遥感信息通过无线通讯的方式回传至数控模块；
所述环境监测模块包括设置在地面的区域监测气象站和设置在无人机上的无人机气流扰动监测装置，其中，所述区域监测气象站用于实时监测施药区域整体气象条件，所述无人机气流扰动监测装置用于检测作业过程中无人机周围气流扰动情况；所述区域监测气象站监测到的施药区域整体气象条件信息以及无人机气流扰动监测装置监测到的无人机周围气流扰动情况信息通过无线通讯的方式回传至数控模块；
所述喷施模块设置于无人机上，该喷施模块包括用于盛放烟剂农药的药剂箱、烟雾发生器、烟剂变量雾化喷头以及将药剂箱中的烟剂农药依次输送至烟雾发生器和烟剂变量雾化喷头的输送机构；
所述数控模块设置于地面上，用于接收遥感信息、施药区域整体气象条件信息以及无人机周围气流扰动情况信息，并根据该信息生成施烟作业处方图，规划出施药飞行作业路径，确定出各施药区域内果树烟剂农药的精准喷施用量，以及对烟雾飘移情况做出模拟评估，并远程控制喷施模块工作。
优选的，所述图像采集装置采集的遥感信息包括地形地势、果树长势、树高、株距、行距的图像信息；所述数控模块根据所述遥感信息对施药区域及各施药对象生成3D精准立体图像。通过对施药区域及各施药对象生成3D精准立体图像，可以制定出更加精准的施烟作业处方图，实现对作物的精准喷施。
优选的，所述图像采集装置通过快速安装支架安装在无人机上，该图像采集装置具有以绿色和近红外通道为特征的独立波长，所述独立波长包括三个独立波长为532 nm，1064 nm和1550 nm的有源光束，每个有源光束均有一个300 kHz的有效采样率，所述独立波长总计900 kHz的组合采样率。这样使得所述图像采集装置具有高密度映射能力，可用于地形、植物生长测绘和环境建模应用。
优选的，所述数控模块在实际飞行作业中还用于实时接收无人机回传的位置坐标数据信息、飞行参数数据信息及无人机周围气流扰动数据信息。通过实时比对无人机在果园中的飞行位置与姿态，对各数据信息进行综合处理，进一步向喷施模块的流量控制器发送精准的控制指令，以控制喷施模块精准施烟。
优选的，所述输送机构包括设置在药剂箱内的微型增压泵，所述药剂箱、烟雾发生器以及烟剂变量雾化喷头之间通过喷药管连接。
优选的，所述烟剂变量雾化喷头处设置有流量控制器，用于控制喷施烟剂农药的量。
优选的，所述烟剂变量雾化喷头数量为多个且通过快速安装支架安装在无人机的机身四周，从而实现多个方位喷施烟剂农药。
优选的，所述烟剂变量雾化喷头内部设置有变量摆动阻烟隔门，该变量摆动阻烟隔门与所述流量控制器连接。这样可以通过流量控制器实时控制变量摆动阻烟隔门精准摆动到特定的角度来控制施烟量。
一种应用该无人机烟剂喷施***的喷施方法，包括以下使用步骤：
a、施烟作业前，将遥感模块安装到无人机上，无人机起飞对待施药区域进行遥感图像采集，获取施药区域的遥感信息，并将遥感信息回传至数控模块；
b、环境监测模块将采集到的施药区域环境气象信息回传至数控模块；
c、数控模块对遥感模块传回的遥感信息和环境监测模块传回的环境气象信息进行分析处理，生成施烟作业处方图，规划出飞行作业路径及各施药区域点位烟剂农药的喷施量；
d、将遥感模块从无人机上取下，把喷施模块安装到无人机上，调试喷施模块，保证其可以正常工作；
e、无人机起飞，喷施模块开始按照数控模块预先规划好的路径进行烟剂农药喷施作业；
f、作业过程中，环境监测模块实时监测无人机周围气流扰动情况，回传至数控模块；
g、数控模块实时接收飞行作业过程中回传的各数据信息，通过实时比对无人机在果园中的飞行位置与姿态，结合施烟作业处方图及无人机周围气流扰动数据信息，再次对数据信息进行综合处理分析，进一步向喷施模块发送精准的控制指令，以进行精准的烟剂农药喷施作业；
h、喷施工作结束，无人机返回降落，开始准备下一架次飞行作业。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
1、本发明的适用于山地丘陵的无人机烟剂喷施***采用无人机进行作业，作业效率高且无需人员进地，大大减轻了工作人员的劳动强度，同时降低了对工作人员身体健康的损害。
、本发明的适用于山地丘陵的无人机烟剂喷施***可以增加药剂的穿透效果并有效提高药剂在山地丘陵果树叶片正反面的附着率。
、本发明的适用于山地丘陵的无人机烟剂喷施***可以精准施烟，既提高了农药利用率又大大减轻了飘移所产生的烟害。
、本发明的适用于山地丘陵的无人机烟剂喷施***无需用水，解决了液体农药喷洒山地缺水且水源难以补给运输的问题，适用于各种山地丘陵作业环境及各类无人机机型。
、本发明的适用于山地丘陵的无人机烟剂喷施***中的无人机所搭载的喷施模块整体结构简单，使用方便灵活，便于安装、转移搬运、拆卸，收起后占用空间小，成本低，易于推广普及。
附图说明
图1是本发明的适用于山地丘陵的无人机烟剂喷施***的整体框架流程图。
图2是遥感模块的结构示意图。
图3是喷施模块的框架流程图。
图4是烟剂变量雾化喷头的局部结构示意图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
参见图1-图4，本发明的适用于山地丘陵的无人机烟剂喷施***包括遥感模块1、环境监测模块2、喷施模块3以及数控模块4，其中，
所述遥感模块1通过快速安装支架5安装在无人机上，该遥感模块1包括图像采集装置11和图像传输***12，其中，所述图像采集装置11用于对施药区域进行遥感信息采集，所述图像传输***12用于将遥感信息通过无线通讯的方式回传至数控模块4。
所述环境监测模块2包括设置在地面的区域监测气象站21和设置在无人机上的无人机气流扰动监测装置22，其中，所述区域监测气象站21用于实时监测施药区域整体气象条件，所述无人机气流扰动监测装置22用于检测作业过程中无人机周围气流扰动情况；所述区域监测气象站21监测到的施药区域整体气象条件信息以及无人机气流扰动监测装置22监测到的无人机周围气流扰动情况信息通过无线通讯的方式回传至数控模块4。
所述喷施模块3通过快速安装支架5安装在无人机上，该喷施模块3包括用于盛放烟剂农药的药剂箱31、烟雾发生器33、烟剂变量雾化喷头35以及将药剂箱31中的烟剂农药依次输送至烟雾发生器33和烟剂变量雾化喷头35的输送机构，其中，所述输送机构包括设置在药剂箱31内的微型增压泵，所述药剂箱31、烟雾发生器33以及烟剂变量雾化喷头35之间通过喷药管32连接；所述烟雾发生器33为电子点火器；所述烟剂变量雾化喷头35为多个且通过快速安装支架5安装在无人机的机身四周，该烟剂变量雾化喷头35处设置有流量控制器34，用于控制喷施烟剂农药的量。
所述数控模块4设置于地面上，用于接收遥感信息、施药区域整体气象条件信息以及无人机周围气流扰动情况信息，并根据该信息生成施烟作业处方图，规划出施药飞行作业路径，确定出各施药区域内果树烟剂农药的精准喷施用量，以及对烟雾飘移情况做出模拟评估；并远程控制喷施模块3中的烟雾发生器33和流量控制器34工作。
参见图1-图4，所述图像采集装置11采集的遥感信息包括地形地势、果树长势、树高、株距、行距的图像信息；所述数控模块4根据所述遥感信息对施药区域及各施药对象生成3D精准立体图像。通过对施药区域及各施药对象生成3D精准立体图像，可以制定出更加精准的施烟作业处方图，实现作物的精准喷施。
参见图1-图4，所述图像采集装置11通过快速安装支架5安装在无人机上，该图像采集装置11具有以绿色和近红外通道为特征的独立波长，所述独立波长包括三个独立波长为532 nm，1064 nm和1550 nm的有源光束，每个有源光束均有一个300 kHz的有效采样率，所述独立波长总计900 kHz的组合采样率。根据区域内各个点与图像采集装置11的实时相对位置，以极坐标形式返回测量作物与图像采集装置11之间距离和相对角度，对果树的三维场景进行重构，并实时对测量作物的光谱信息进行采集，从而使得所述图像采集装置11具有高密度映射能力，可用于地形、植物生长测绘和环境建模应用。
参见图1-图4，所述数控模块4在实际飞行作业中还用于实时接收无人机回传的位置坐标数据信息、飞行参数数据信息及无人机周围气流扰动数据信息。通过实时比对无人机在果园中的飞行位置与姿态，对各数据信息进行综合处理，进一步向喷施模块3的流量控制器34发送精准的控制指令，以控制喷施模块3精准施烟。
参见图1-图4，所述烟剂变量雾化喷头35内部设置有变量摆动阻烟隔门36，该变量摆动阻烟隔门36与所述流量控制器34连接。这样可以通过流量控制器34实时控制变量摆动阻烟隔门36精准摆动到特定的角度来控制施烟量。
参见图1-图4，本发明的应用该无人机烟剂喷施***及方法，包括以下使用步骤：
a、喷施烟剂前，将遥感图像采集装置11安装到无人机上，无人机起飞对待施药区域进行遥感图像采集，获取施药区域的地形地势、果树长势、树高、株距、行距等信息，通过图像传输***12回传至数控模块4；
b、区域监测气象站21将采集到的施药区域环境气象数据信息回传至数控模块4；
c、数控模块4对遥感模块1和环境监测模块2传回的数据信息进行分析处理，生成施烟作业处方图，规划出飞行作业路径及各施药区域点位烟剂农药的喷施量；
d、将遥感模块1从无人机上取下，把喷施模块3安装到无人机上，调试喷施模块3，保证其可以正常工作；
e、无人机起飞，喷施模块3开始按照数控模块4预先规划好的路径进行烟剂农药的喷施作业；
f、作业过程中，无人机气流扰动监测装置22实时监测无人机周围气流扰动情况，回传至数控模块4；
g、无人机同时实时将坐标信息、飞行高度、飞行速度等飞行参数信息回传至数控模块4；
h、数控模块4实时接收飞行作业过程中回传的各数据信息，通过实时比对无人机在果园中的飞行位置与姿态，结合处方图及无人机周围气流扰动信息，再次对数据信息进行综合处理分析，进一步向喷施模块3的流量控制器34发送精准的控制指令，以进行精准的烟剂农药喷施作业；
i、喷施工作结束，无人机返回降落，开始准备下一架次飞行作业。
本发明中，数控模块4通过高性能处理器对采集到的图像进行处理，实现目标（病虫害）与作物的分割和识别，以图像处理结果和农学专家进行病虫害调查的基础为依据，结合DGPS（差分全球定位***）和GIS（地理信息***）技术进行喷烟决策运算，并结合施药区域实时的气象条件（如风向、风速等），对烟剂农药的飘移扩散情况做出模拟预测，从而生成施烟作业处方图，以处方决策数据为标准规划出理论飞行作业路径和各作业区域理论喷烟量，以求将各区域作业的飘移量降到最低，实现变量精准喷烟作业。当作物发生病虫害时，叶片内部组织结构的变化、功能的变异和树木形态结构的非正常变化( 叶片颜色的变化、叶片与植株变形、叶片物理结构的变化、叶绿素含量的变化及叶片上所产生的残留物等)会使受病虫害侵染的树木在光谱特征上发生明显的变化。例如当植物受到病虫害侵袭时,叶绿素往往减少甚至消失,导致叶绿素吸收带的强度减弱,整个可见光的反射率加大,比正常植物高得多,而红外区的反射率则明显减小，受病虫害影响的植物在各个波段上的波谱值会发生变化,尤其在近红外波段的光谱值变化较大,从遥感影像上则可以提取这些变化的信息,为处方图绘制提供依据。
本发明中，无人机实际作业过程难免和理论规划有所出入，数控模块4再通过将实时获取的无人机地理位置信息、飞行姿态信息和实时气流扰动信息与处方图信息进行对照，将无人机翼尖涡流、旋翼下旋气流和机身周边空气扰动纳入到对烟雾的影响因素，把航空施烟的烟雾小颗粒作为离散对象进行分析，以平均直径和体积分数为衡量参数，运用静态高斯模型法、高斯云团模型和物理角度分析无人模块旋翼气流与大气湍流相互作用，并结合N-S 方程求解等方法，得到烟剂的运动轨迹，以此来预测烟剂农药的运动和地面沉积模式，对数控模块4指令的发布做出客观参考。结合飞行高度和速度，计算出实际喷烟量，生成变量施烟控制信号，通过输出电压信号控制流量控制器34控制变量摆动阻烟隔门36的开启程度，进一步精准调节烟剂变量雾化喷头35的喷烟量。
上述为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述内容的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种适用于山地丘陵的无人机烟剂喷施***，其特征在于，包括遥感模块、环境监测模块、喷施模块以及数控模块，其中，
所述遥感模块设置于无人机上，该遥感模块包括图像采集装置和图像传输***，其中，所述图像采集装置用于对施药区域进行遥感信息采集，该图像采集装置通过快速安装支架安装在无人机上，该图像采集装置具有以绿色和近红外通道为特征的独立波长，所述独立波长包括三个独立波长为532 nm，1064 nm和1550 nm的有源光束，每个有源光束均有一个300 kHz的有效采样率，所述独立波长总计900 kHz的组合采样率；所述图像传输***用于将遥感信息通过无线通讯的方式回传至数控模块，该所述图像采集装置采集的遥感信息包括地形地势、果树长势、树高、株距、行距的图像信息；所述数控模块根据所述遥感信息对施药区域及各施药对象生成3D精准立体图像；
所述环境监测模块包括设置在地面的区域监测气象站和设置在无人机上的无人机气流扰动监测装置，其中，所述区域监测气象站用于实时监测施药区域整体气象条件，所述无人机气流扰动监测装置用于检测作业过程中无人机周围气流扰动情况，将无人机翼尖涡流、旋翼下旋气流和机身周边空气扰动纳入到对烟雾的影响因素；所述区域监测气象站监测到的施药区域的整体气象条件信息以及无人机气流扰动监测装置监测到的无人机周围气流扰动情况信息通过无线通讯的方式回传至数控模块；
所述喷施模块设置在无人机上，且该喷施模块包括用于盛放烟剂农药的药剂箱、烟雾发生器、烟剂变量雾化喷头以及将药剂箱中的烟剂农药依次输送至烟雾发生器和烟剂变量雾化喷头的输送机构；
所述数控模块设置于地面上，用于接收遥感信息、施药区域整体气象条件信息以及无人机周围气流扰动情况信息，并根据接收到的信息生成施烟作业处方图，规划出施药飞行作业路径，确定出各施药区域内果树的烟剂农药的精准喷施用量以及对烟雾飘移情况做出模拟评估；并远程控制喷施模块工作；该数控模块还用于在实际飞行作业中实时接收无人机回传的位置坐标数据信息、飞行参数数据信息及无人机周围气流扰动数据信息。
2.根据权利要求1所述的适用于山地丘陵的无人机烟剂喷施***，其特征在于，所述输送机构包括设置在药剂箱内的微型增压泵，所述药剂箱、烟雾发生器以及烟剂变量雾化喷头之间通过喷药管连接。
3.根据权利要求2所述的适用于山地丘陵的无人机烟剂喷施***，其特征在于，所述烟剂变量雾化喷头处设置有流量控制器。
4.根据权利要求3所述的适用于山地丘陵的无人机烟剂喷施***，其特征在于，所述烟剂变量雾化喷头数量为多个且通过快速安装支架安装在无人机的机身四周。
5.根据权利要求4所述的适用于山地丘陵的无人机烟剂喷施***，其特征在于，所述烟剂变量雾化喷头内部设置有变量摆动阻烟隔门，该变量摆动阻烟隔门与所述流量控制器连接。
6.一种应用权利要求1-5中任一项所述的无人机烟剂喷施***的喷施方法，其特征在于，包括以下步骤：
a、施烟作业前，将遥感模块安装到无人机上，无人机起飞对待施药区域进行遥感图像采集，获取施药区域的遥感信息，并将遥感信息回传至数控模块；
b、环境监测模块将采集到的施药区域环境气象信息回传至数控模块；
c、数控模块对遥感模块传回的遥感信息和环境监测模块传回的环境气象信息进行分析处理，生成施烟作业处方图，规划出飞行作业路径及各施药区域点位的烟剂农药喷施量；
d、将遥感模块从无人机上取下，把喷施模块安装到无人机上，调试喷施模块，保证其可以正常工作；
e、无人机起飞，喷施模块开始按照数控模块预先规划好的路径进行烟剂农药喷施作业；
f、作业过程中，环境监测模块实时监测无人机周围气流扰动情况，回传至数控模块；
g、数控模块实时接收飞行作业过程中回传的各数据信息，通过实时比对无人机在果园中的飞行位置与姿态，结合施烟作业处方图及无人机周围气流扰动数据信息，再次对数据信息进行综合处理分析，进一步向喷施模块发送精准的控制指令，以进行精准的烟剂农药喷施作业；
h、喷施工作结束，无人机返回降落，开始准备下一架次飞行作业。
7.根据权利要求6所述的喷施方法，其特征在于，在步骤f中，无人机同时实时将坐标信息、飞行高度、飞行速度回传至数控模块。
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