CN108693122A - 基于固定翼无人机平台的作物生长监测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于固定翼无人机平台的作物生长监测装置，包括固定翼无人机、安装有作物生长监测器的传感器装置，以及地面接收器；其中，传感器装置设置于固定翼无人机的机身主轴正下方，包括套筒、主轴和底座，所述主轴的上半部分为球形部件，该球形部件与套筒相连形成一个球形副的机械结构，主轴通过底部设置的通孔与底座相连，作物生长监测器放置在底座下面的底板上面。本发明还提出了一种基于固定翼无人机平台的作物生长监测方法。本发明通过重力与球形副的作用，在飞机偏转过程中使传感器的视场始终与地面垂直，克服了无人机飞行过程中产生偏转角度对测量的影响，实现了作物生长信息实时、准确、便捷、高通量地获取。

Description

基于固定翼无人机平台的作物生长监测装置及方法

技术领域

本发明涉及一种基于固定翼无人机平台的作物生长监测装置，涉及精准农业技术领域。

背景技术

作物生长信息是作物精确管理的依据，对作物的生长发育、质量、产量起着决定性作用。传统的作物生长信息获取的方法主要有人工田间采样，采样过程繁琐、费时费力，破坏性采样，常常无法获取大面积作物生长信息，导致过度施肥，或肥料施用不足，造成作物生长发育不足，土地肥力下降，环境污染，生产成本增加，无法满足现代精准农业快速、准确、高通量的需求。近几年，多光谱及高光谱遥感技术迅速发展，使快速、准确、高通量的获得作物生长状况成为可能，为作物生长的无损实时监测提供了一种新的方法。

根据作物生长光谱监测理论，公告号102967562B的发明专利提出一种高精度作物生长信息监测仪（专利号：ZL201210472211.6），是可以快速、无损、高通量的获取作物生长信息的便捷式作物生长诊断仪。该仪器测试需满足天气晴朗，无风无云，传感器的视场始终垂直向下，作物冠层保持相对静止等条件，测量的高度在1.2米左右。单点手持测量的劳动量大，人工成本高并且容易破坏田间的作物生长，无法做到高通量的获取作物生长信息。

随着无人机平台的丰富多样化，无人机平台具有成本低，快速灵活，不受地形限制，以及遥感传感器的高度集成，轻量化，使得传感器与无人机平台的结合成为可能。我国农用无人机的起步较晚，大多的研究以多旋翼无人机为主，现有的技术中常常在多旋翼无人机云台上悬挂摄像机进行空中测量，采用离线模式对数据进行处理。但由于旋翼会产生较高强度的气流场，会导致冠层处于一种“非静止”的随机动态变化中，导致采集的数据不准确，所以基于多旋翼无人机平台的作物生长监测装置还存在着很大的问题。

固定翼无人机具有飞行灵活，不受地形限制且不受旋翼其流场的影响等优点，可以使采集的作物生长信息更加精确。固定翼无人机主要存在的问题是在飞行的过程中会发生很大的偏转，传感器直接安装将无法使视场垂直于作物冠层表面，影响采集信息的准确性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对背景技术中存在的不足，提供了一种应用于固定翼无人机平台的作物生长监测方法及装置。该装置克服了无人机飞行中产生偏转角度的影响，能够快速、准确、高通量的将测量的数据传输到地面接收器，实现作物生长信息快速、实时、高通量的获取。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

本发明首先提出一种基于固定翼无人机平台的作物生长监测装置，包括固定翼无人机、安装有作物生长监测器的传感器装置，以及地面接收器；其中，传感器装置设置于固定翼无人机的机身主轴正下方，所述传感器装置包括套筒、主轴和底座，所述主轴的上半部分为球形部件，该球形部件与套筒相连形成一个球形副的机械结构，主轴通过底部设置的通孔与底座相连，作物生长监测器放置在底座下面的底板上面，通过重力与球形副的作用，在飞机偏转过程中使作物生长监测器的视场始终与地面垂直。

所述套筒包括外筒和内筒，所述内筒和外筒为相互嵌套的两个空心圆柱体，主轴上部的球形部件套接在内筒中。

其中重力通过一个设置于固定翼无人机的机身主轴上的外部载荷单元来实现，外部载荷单元用于添加一个沿着固定翼无人机的机身主轴表面向下大小为10N的力，调整传感器装置的偏转角度。

本发明还提出一种基于固定翼无人机平台的作物生长监测方法，包括如下步骤：

步骤1、将安装有多光谱作物生长传感器的装置采用球形副结构固定于固定翼无人机的机身主轴正下方；

步骤2、操作飞控，使固定翼无人机低速、低空飞行在作物冠层高度h处，多光谱作物生长传感器获取作物冠层反射光谱；

步骤3、操作地面接收器，使地面接收器初始化，接收多光谱作物生长传感器的测量结果，在液晶显示屏上获得作物冠层的NDVI值和RVI值，以及叶层氮含量、叶面积指数、叶层氮积累量和叶干重指标。

进一步，本发明所提出的基于固定翼无人机平台的作物生长监测方法，所述步骤1的将安装有多光谱作物生长传感器的装置采用球形副结构固定于固定翼无人机的机身主轴正下方，传感器装置的形状、尺寸、位置按照如下方法确定：

1）无人机曲面三维建模：

对于不同类型的固定翼无人机，借助三维扫描对机身实体进行数字化，得出机身、机翼等部件的空间坐标数据，最后按照实体模型将各个部件在三维软件中组装成装配体；

2）无人机运动过程的仿真：

根据固定翼无人机飞行时的工作状态，在仿真软件中建立飞机运动过程的函数方程，找准模型的marker点，添加所需的运动副，模拟运动；

3）无人机运动过程中偏转角度的确定：

在仿真软件plotting模块中对固定翼无人机飞行的轨迹进行数值计算，找出无人机在运动过程中偏转的角度随时间变化的图像；

4）传感器装置的设计：

依据固定翼无人机飞行过程中偏转的角度，将传感器装置与无人机机身主轴连接处确定为球形副，用来调整传感器角度的变化，并在无人机载重范围内添加相应的载荷，使传感器装置通过重力与球形副的作用将传感器的视场始终与地面垂直。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1.本发明的一种基于固定翼无人机平台的作物生长监测装置，无人机的旋翼产生的气流对作物冠层表面不会有影响。通过重力与球形副的作用，在飞机偏转过程中使传感器的视场始终与地面垂直，克服了无人机飞行过程中产生偏转角度对测量的影响。

2.本发明的一种基于固定翼无人机平台的作物生长监测装置，能够实时，准确的将测量数据传输到地面接收器，实现作物生长信息快速、连续、高通量的获取。

附图说明

图1是固定翼无人机机身平面结构示意图。

图2是固定翼无人机飞行过程偏转角度随时间变化示意图；其中（a）、（b）、（c）、（d）分别是固定翼无人机在起飞、降落、左转弯、右转弯飞行过程偏转角度随时间变化示意图。

图3是传感器装置平面结构示意图及剖面结构示意图；其中，（a）为平面结构示意图，（b）为剖面结构示意图。

图4是传感器装置主轴处受力分析云图。

图5是固定翼无人机与传感器装置装配平面结构示意图。

图6是固定翼无人机与传感器装置装配侧面的示意图。

图7是传感器在飞机起飞过程中质心随时间变化图像。

图8是固定翼无人机的传感器装置的工作过程，其中（a）、（b）、（c）、（d）分别是固定翼无人机在起飞、降落、左转弯、右转弯飞行过程中传感器装置的工作过程。

图中标号说明：1-套筒，2-主轴，3-底座，4-传感器装置。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

以下实例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

参照图1，一种基于固定翼无人机平台的作物生长监测方法，选用的是FMS1220mmV2版固定翼无人机，借助了三维扫描对机身进行数字化，得出了机身机翼空间曲面坐标数据，并建立合适的基准面，完成机翼和机身的实体化造型，并完成装配体。

参照图2，在ADAMS软件中对固定翼无人机偏转过程仿真，在ADAMS中的connectors模块添加无人机偏转所需的转动副、motions模块添加偏转所需的转动力矩，联系无人机实际飞行的工况，在motions中的function模块更改转动副的参数，调用step函数，函数方程为STEP(time, 0.0, 0.0d, 5.0, 30.0d)+STEP(time, 5.0, 0.0d, 10.0, -30.0d)，改变不同的参数值分别模拟固定翼无人机在起飞、降落、左转弯、右转弯四种工况运动过程，分别如图2中的（a）、（b）、（c）、（d）所示，得出最大的偏转角度在45°左右，为传感器装置的设计提供了依据。

参照图3，根据参照图2得出的偏转角度，设计的核心结构为球形副结构，设计的传感器装置分为三个部分，套筒1、主轴2和底座3，关键尺寸如下：套筒上半部分两个直径分别为70mm与55mm，下半部分圆柱直径为55mm，中间部分为直径为46mm的球形结构切割而来；主轴的上半部分是一个球形，与套筒相连，形成一个球形副的机械结构，球的直径为46mm，主轴的底部有两个直径为3.5mm的通孔，与底座用螺栓螺母相连，传感器放置在底座下面的底板上面，形成完整的传感器装置。套筒与主轴相连的球形副结构，可在重力的作用下在飞机偏转过程中使传感器的视场始终垂直于作物冠层表面。

参照图4，在SolidWorks软件simulation模块中建立一个静应力分析的新模块，传感器装置选用铝合金材质，在夹具顾问模块将套筒和底座固定，对主轴进行静应力分析，外部载荷添加一个沿着轴表面向下大小为10N的力，划分网格，进行有限元分析。由应力云图，颜色越深的地方应力越集中，主轴的应力主要分布在轴的上端，且没有发生较大形变，说明主轴材质的选择可以添加10N的载荷，调整传感器的偏转角度。

参照图5、图6、图7、图8，按照之前设定的参数及重力，图5、图6、图8从直观的角度看出了在传感器装置4的作用下传感器的视场与作物冠层表面是垂直的，图7为对固定翼无人机起飞过程的仿真后处理图像，机身沿着Z轴向前，并与Y轴垂直，传感器质心Y、Z轴的坐标不断增大，而X轴的坐标不变，验证了在传感器装置的作用下传感器的视场与作物冠层表面垂直。

以下从整体上对于本发明的技术方案做进一步详细说明：

本发明提出一种基于固定翼无人机平台的作物生长监测装置，包括固定翼无人机、安装有作物生长监测器的传感器装置，以及地面接收器；其中，传感器装置设置于固定翼无人机的机身主轴正下方，所述传感器装置包括套筒、主轴和底座，所述主轴的上半部分为球形部件，该球形部件与套筒相连形成一个球形副的机械结构，主轴通过底部设置的通孔与底座相连，作物生长监测器放置在底座下面的底板上面，通过重力与球形副的作用，在飞机偏转过程中使传感器的视场始终与地面垂直。

进一步的，作为上述基于固定翼无人机平台的作物生长监测装置的优化方案，所述套筒包括外筒和内筒，所述内筒和外筒为相互嵌套的两个空心圆柱体，主轴上部的球形部件套接在内筒中。

进一步的，作为上述基于固定翼无人机平台的作物生长监测装置的优化方案，所述外筒的外径和内径分别为70mm和55mm，内筒的外径和内径分别为55mm和46mm，球形部件的直径为46mm，主轴的底部两个通孔的直径为3.5mm。

进一步的，作为上述基于固定翼无人机平台的作物生长监测装置的优化方案，所述传感器装置的安装位置不超出固定翼无人机的机身地面轮子，使得传感器在飞机降落的过程中与地面不接触。

进一步的，作为上述基于固定翼无人机平台的作物生长监测装置的优化方案，还包括一个设置于固定翼无人机的机身主轴上的外部载荷单元，用于添加一个沿着固定翼无人机的机身主轴表面向下大小为10N的力，调整传感器装置的偏转角度。

进一步的，作为上述基于固定翼无人机平台的作物生长监测装置的优化方案，所述作物生长监测器包括依次相连接的多光谱作物生长传感器模块、第一信号放大模块、控制器模块、第一无线通信模块，以及用于供电的第一电源模块和第一电源控制模块；其中：所述第一电源模块供电给第一电源控制模块；所述第一电源控制模块分别连接传感器模块、信号放大模块，控制器模块、无线数据发送模块，所述第一无线通信模块用于与地面接收器进行无线通信。

进一步的，作为上述基于固定翼无人机平台的作物生长监测装置的优化方案，所述地面接收器包括依次相连接的第二无线通信模块、第二信号放大模块、数据处理模块、按键控制模块、液晶屏显示模块，以及用于供电的第二电源模块和第二电源控制模块；其中：所述第二电源模块供电给第二电源控制模块；所述第二电源控制模块分别连接第二无线通信模块、第二信号放大模块、数据处理模块、按键控制模块、液晶屏显示模块。

进一步的，作为上述基于固定翼无人机平台的作物生长监测装置的优化方案，所述地面接收器还包括一个外壳，所述第二无线通信模块、第二电源模块、第二电源控制模块、第二信号放大模块、数据处理模块、按键控制模块、液晶屏显示模块封装于外壳中。

本发明还提出一种基于固定翼无人机平台的作物生长监测方法，包括如下步骤：

步骤1、将安装有作物生长监测器的传感器装置固定于固定翼无人机的机身主轴正下方；

步骤2、操作飞控，使固定翼无人机低速、低空飞行在作物冠层高度h处，多光谱作物生长传感器快速、准确的获取作物冠层反射光谱；

步骤3、操作地面接收器，使地面接收器初始化，开启地面接收器的“测量”、“监测”模块，在液晶显示屏上获得作物冠层的NDVI值和RVI值，以及叶层氮含量、叶面积指数、叶层氮积累量和叶干重指标。

上述基于固定翼无人机平台的作物生长监测方法，所述步骤1的将安装有作物生长监测器的传感器装置固定于固定翼无人机的机身主轴正下方，传感器装置的形状、尺寸、位置按照如下方法确定：

1）无人机曲面三维建模：

对于不同类型的固定翼无人机，借助三维扫描对机身实体进行数字化，得出机身、机翼等部件的空间坐标数据，最后按照实体模型将各个部件在三维软件中组装成装配体；

2）无人机运动过程的仿真：

根据固定翼无人机飞行时的工作状态，在仿真软件中建立飞机运动过程的函数方程，找准模型的marker点，添加所需的运动副，模拟运动；

3）无人机运动过程中偏转角度的确定：

在仿真软件plotting模块中对固定翼无人机飞行的轨迹进行数值计算，找出无人机在运动过程中偏转的角度随时间变化的图像；

4）传感器装置的设计：

依据固定翼无人机飞行过程中偏转的角度，将传感器装置连接处确定为球形副，用来调整传感器角度的变化，并在无人机载重范围内添加相应的载荷，使传感器装置通过重力与球形副的作用将传感器的视场始终与地面垂直。

以上所述仅是本发明的部分实施方式，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的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于固定翼无人机平台的作物生长监测装置，其特征在于，包括固定翼无人机、安装有作物生长监测器的传感器装置，以及地面接收器；其中，传感器装置设置于固定翼无人机的机身主轴正下方，所述传感器装置包括套筒、主轴和底座，所述主轴的上半部分为球形部件，该球形部件与套筒相连形成一个球形副的机械结构，主轴通过底部设置的通孔与底座相连，作物生长监测器放置在底座下面的底板上面，通过重力与球形副的作用，在飞机偏转过程中使作物生长监测器的视场始终与地面垂直。

2.根据权利要求1所示的一种基于固定翼无人机平台的作物生长监测装置，其特征在于，所述套筒包括外筒和内筒，所述内筒和外筒为相互嵌套的两个空心圆柱体，主轴上部的球形部件套接在内筒中。

3.根据权利要求2所示的一种基于固定翼无人机平台的作物生长监测装置，其特征在于，所述外筒的外径和内径分别为70mm和55mm，内筒的外径和内径分别为55mm和46mm，球形部件的直径为46mm，主轴的底部两个通孔的直径为3.5mm。

4.根据权利要求1所述的一种基于固定翼无人机平台的作物生长监测装置，其特征在于，所述传感器装置的安装位置不超出固定翼无人机的机身地面轮子，使得作物生长监测器在飞机降落的过程中与地面不接触。

5.根据权利要求1所述的一种基于固定翼无人机平台的作物生长监测装置，其特征在于，还包括一个设置于固定翼无人机的机身主轴上的外部载荷单元，用于添加一个沿着固定翼无人机的机身主轴表面向下大小为10N的力，调整传感器装置的偏转角度。

6.根据权利要求1所述的一种基于固定翼无人机平台的作物生长监测装置，其特征在于，所述作物生长监测器包括依次相连接的多光谱作物生长传感器、第一信号放大模块、控制器模块、第一无线通信模块，以及用于供电的第一电源模块和第一电源控制模块；其中：所述第一电源模块供电给第一电源控制模块；所述第一电源控制模块分别连接多光谱作物生长传感器、第一信号放大模块，控制器模块、第一无线通信模块，所述第一无线通信模块用于与地面接收器进行无线通信。

7.根据权利要求1所述的一种基于固定翼无人机平台的作物生长监测装置，其特征在于，所述地面接收器包括依次相连接的第二无线通信模块、第二信号放大模块、数据处理模块、按键控制模块、液晶屏显示模块，以及用于供电的第二电源模块和第二电源控制模块；其中：所述第二电源模块供电给第二电源控制模块；所述第二电源控制模块分别连接第二无线通信模块、第二信号放大模块、数据处理模块、按键控制模块、液晶屏显示模块。

8.根据权利要求7所述的一种基于固定翼无人机平台的作物生长监测装置，其特征在于，所述地面接收器还包括一个外壳，所述第二无线通信模块、第二电源模块、第二电源控制模块、第二信号放大模块、数据处理模块、按键控制模块、液晶屏显示模块封装于外壳中。

9.一种基于固定翼无人机平台的作物生长监测方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、将安装有多光谱作物生长传感器的装置采用球形副结构固定于固定翼无人机的机身主轴正下方；

步骤2、操作飞控，使固定翼无人机低速、低空飞行在作物冠层高度h处，多光谱作物生长传感器获取作物冠层反射光谱；

步骤3、操作地面接收器，使地面接收器初始化，接收多光谱作物生长传感器的测量结果，在液晶显示屏上获得作物冠层的NDVI值和RVI值，以及叶层氮含量、叶面积指数、叶层氮积累量和叶干重指标。

10.根据权利要求9所述的基于固定翼无人机平台的作物生长监测方法，其特征在于，所述步骤1的将安装有多光谱作物生长传感器的装置采用球形副结构固定于固定翼无人机的机身主轴正下方，传感器装置的形状、尺寸、位置按照如下方法确定：

1）无人机曲面三维建模：对于不同类型的固定翼无人机，借助三维扫描对机身实体进行数字化，得出机身、机翼等部件的空间坐标数据，最后按照实体模型将各个部件在三维软件中组装成装配体；

2）无人机运动过程的仿真：根据固定翼无人机飞行时的工作状态，在仿真软件中建立飞机运动过程的函数方程，找准模型的marker点，添加所需的运动副，模拟运动；

3）无人机运动过程中偏转角度的确定：在仿真软件plotting模块中对固定翼无人机飞行的轨迹进行数值计算，找出无人机在运动过程中偏转的角度随时间变化的图像；

4）传感器装置的设计：依据固定翼无人机飞行过程中偏转的角度，将传感器装置与无人机机身主轴连接处确定为球形副，用来调整传感器角度的变化，并在无人机载重范围内添加相应的载荷，使传感器装置通过重力与球形副的作用将传感器的视场始终与地面垂直。