CN108917590A - 植保无人机作业质量检测装置及其检测方法 - Google Patents

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徐阳
顾伟
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Abstract

本发明公开了一种植保无人机作业质量检测装置及其检测方法，包括质量检测装置，所述质量检测装置包括机壳以及设置在机壳内部的主控单元、双天线定位模块、电源和通信模块，所述主控单元分别与双天线定位模块和通信模块电连接，所述电源分别与主控单元、双天线定位模块和通信模块电连接，所述双天线定位模块点连接有第一定位天线和第二定位天线，所述第一定位天线和第二定位天线分别安装在所述植保无人机上的喷杆的顶部的两端，所述机壳固定在所述植保无人机的机身上；本发明能根据实时记录的作业轨迹点和液泵的作业状态，计算总的喷洒作业面积、有效喷洒作业面积、漏喷率和重喷率等，从而评价无人飞机的作业效果。

Description

植保无人机作业质量检测装置及其检测方法
技术领域
本发明属于植保无人机技术领域，具体涉及一种植保无人机作业质量检测装置及其检测方法。
背景技术
近年来，随着农业无人机(unmanned aerial vehicle,UAV)的出现，航空植保领域的研究与应用越来越广泛。当前，植保无人飞机发展迅速，尤其是在中国、日本、韩国等东亚地区。无人飞机在植保作业时，机具的作业效果和效率关系到生产成本和农田增收，直接影响农民使用无人机的积极性。
为了精确统计植保无人机作业时的喷洒面积，从而评价无人飞机的作业效果，需要发明一种植保无人机作业质量检测装置及其检测方法来解决上述问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足提供一种植保无人机作业质量检测装置及其检测方法，本植保无人机作业质量检测装置及其检测方法能根据实时记录的作业轨迹点和液泵的作业状态，计算总的喷洒作业面积、有效喷洒作业面积、漏喷率和重喷率等，从而评价无人飞机的作业效果。
为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：
一种植保无人机作业质量检测装置，包括植保无人机，所述植保无人机包括机身、喷杆和喷头组件，所述喷杆固定在所述机身上，所述喷杆的底部从左端到右端依次设置有多个喷头组件，还包括质量检测装置，所述质量检测装置包括机壳以及设置在机壳内部的主控单元、双天线定位模块、电源和通信模块，所述主控单元分别与双天线定位模块和通信模块电连接，所述电源分别与主控单元、双天线定位模块和通信模块电连接，所述双天线定位模块点连接有第一定位天线和第二定位天线，所述第一定位天线和第二定位天线分别安装在所述植保无人机上的喷杆的顶部的两端，所述机壳固定在所述植保无人机的机身上。
作为本发明进一步改进的技术方案，所述植保无人机的机身上安装有液泵和储药罐，所述储药罐通过药管与所述喷杆连通，所述液泵安装在所述药管上，所述液泵与所述电源连接，所述液泵上安装有用于检测液泵是否工作的霍尔元件，霍尔元件与质量检测装置内的主控单元电连接。
作为本发明进一步改进的技术方案，所述通信模块包括4G移动通信模块、4G通信天线和SIM卡座，所述SIM卡座通过SIM卡信号线与所述4G移动通信模块电连接，所述4G移动通信模块分别与4G通信天线和主控单元电连接，所述4G通信天线位于机壳的外部并安装在所述植保无人机的机身上，所述SIM卡座用于安装SIM卡，所述4G移动通信模块与所述电源电连接，所述4G通信天线远程连接有后台服务器。
作为本发明进一步改进的技术方案，所述主控单元采用STM32F407控制芯片，所述第一定位天线和第二定位天线为GNSS天线，所述电源包括电池座和电源管理模块，所述电源管理模块与所述电池座电连接，所述电池座分别与所述主控单元、双天线定位模块、4G移动通信模块和液泵电连接。
作为本发明进一步改进的技术方案，所述主控单元与双天线定位模块双向串口通信连接。
作为本发明进一步改进的技术方案，所述机壳上安装有操作按键、电量灯和工作状态灯，所述操作按键与所述主控单元连接，所述电源通过电源控制信号线与所述主控单元连接，所述主控单元与所述电量灯和工作状态灯电连接，所述电源分别通过电源线与所述主控单元、双天线定位模块、4G移动通信模块和液泵电连接。
为实现上述技术目的，本发明采取的另一个技术方案为：
一种植保无人机作业质量检测装置的检测方法，包括以下步骤：
(1)霍尔元件实时检测液泵的工作电流从而检测液泵是否工作，霍尔元件将检测的信号发送到所述质量检测装置内的主控单元内；
(2)主控单元接收霍尔元件发送的信号并统计液泵的工作时间从而确定喷洒作业时间；
(3)通过双天线定位模块实时测量第一定位天线和第二定位天线的坐标信息并将坐标信息发送到主控单元，主控单元根据第一定位天线和第二定位天线的坐标信息计算机身移动的轨迹点的坐标，主控单元通过自适应高斯滤波算法对轨迹点的坐标进行滤波；
(4)主控单元根据滤波后的轨迹点的坐标计算喷洒面积；
(5)主控单元根据喷洒面积计算植保无人机的重喷率和漏喷率；
(6)主控单元通过通信模块将喷洒面积、重喷率和漏喷率反馈到后台服务器。
作为本发明进一步改进的技术方案，所述的步骤(3)中的自适应高斯滤波算法具体为：ti时刻对应的轨迹点Pi的坐标x,y滤波后的值为：
其中x(ti),y(ti)分别为ti时刻的x,y坐标，i＝0,1,2,…；σ为滤波核函数的宽带参数。
作为本发明进一步改进的技术方案，所述的步骤(4)具体包括：
定义轨迹点Pi对应的喷洒端点的坐标为其中：
其中wi为植保无人机的作业幅宽，θi为喷杆的延伸方向与飞行轨迹线的夹角；
连接相邻的两个轨迹点Pi,Pi+1的喷洒端点，得到轨迹点Pi,Pi+1的喷洒形状Pi1Pi2Pi+11Pi+12；
则相邻的两个轨迹点Pi,Pi+1的喷洒面积为：
作为本发明进一步改进的技术方案，所述的步骤(5)具体包括：
经过多边形分段拟合方法得到沿轨迹线的N个代表喷洒面积的四边形S1,S2,…,SN，通过布尔运算，得到喷洒作业的总面积SA:
SA＝S1∪S2∪S3∪…∪SN,
顺序连接植保无人机需要喷洒的作业面的每个顶点从而得到需要喷洒的作业面的几何形状SF，则喷洒作业的有效面积为：
Sv＝SF∩SA,
则漏喷面积Sm和重喷面积So分别为：
Sm＝SF-SV,So＝(S1∩SA)∪(S2∩SA)∪…∪(SN∩SA),
则有效喷洒率ηv、漏喷率ηm和重喷率ηo分别为：
本发明的有益效果为：本发明通过质量检测装置安装在植保无人机上，通过双天线同时定位，可同时定位出第一定位天线和第二定位天线的精确位置信息，最终得到精确的飞行轨迹点的坐标信息，通过飞行轨迹点的坐标信息以及喷杆与飞行轨迹线的夹角计算出植保无人机的喷头组件实际喷洒的区域面积，从而计算有效喷洒作业面积、漏喷率和重喷率等数据，从而评价植保无人机的作业效果。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明的喷杆结构示意图。
图3为本发明的喷洒面积的示意图。
图4为本发明的工作流程图。
具体实施方式
下面根据图1至图4对本发明的具体实施方式作出进一步说明：
本实施例通过硬件传感器(霍尔元件)检测植保无人机喷药部件(液泵)的作业状态，软件进行原始数据的记录。根据实时记录的作业轨迹和喷药部件的作业状态，计算总的作业面积、有效作业面积、农药覆盖率、农药重喷率等，从而实现对无人飞机的作业效率和效果的评价。具体如下。
本实施例提供一种植保无人机作业质量检测装置，包括植保无人机，所述植保无人机包括机身1、喷杆2和喷头组件3，所述喷杆2固定在所述机身1上，所述喷杆2的底部从左端到右端依次设置有多个喷头组件3，还包括质量检测装置，参见图1和图2，所述质量检测装置包括机壳以及设置在机壳内部的主控单元、双天线定位模块、电源和通信模块，所述主控单元分别与双天线定位模块和通信模块电连接，所述电源分别与主控单元、双天线定位模块和通信模块电连接，所述双天线定位模块点连接有第一定位天线4和第二定位天线5，所述第一定位天线4和第二定位天线5分别安装在所述植保无人机上的喷杆2的顶部的两端，所述机壳固定在所述植保无人机的机身1上。双天线定位模块为双天线多***高精度定位模块。
所述植保无人机的机身1上安装有液泵和储药罐，所述储药罐通过药管与所述喷杆2连通，所述液泵安装在所述药管上，所述液泵与所述电源连接，所述液泵上安装有用于检测液泵是否工作的霍尔元件，霍尔元件与质量检测装置内的主控单元电连接。
所述通信模块包括4G移动通信模块、4G通信天线和SIM卡座，所述SIM卡座通过SIM卡信号线与所述4G移动通信模块电连接，所述4G移动通信模块分别与4G通信天线和主控单元电连接，所述4G通信天线位于机壳的外部并安装在所述植保无人机的机身1上，所述SIM卡座用于安装SIM卡，所述4G移动通信模块与所述电源电连接，所述4G通信天线远程连接有后台服务器。主控单元通过USB通信连接4G移动通信模块，主控单元属于USB主设备，4G移动通信模块属于USB从设备。
所述主控单元采用STM32F407控制芯片，所述第一定位天线4和第二定位天线5为GNSS天线，所述电源包括电池座和电源管理模块，所述电源管理模块与所述电池座电连接，所述电池座分别与所述主控单元、双天线定位模块、4G移动通信模块和液泵电连接。
所述主控单元与双天线定位模块双向串口通信连接。
所述机壳上安装有操作按键、电量灯和工作状态灯，所述操作按键与所述主控单元连接，所述电源通过电源控制信号线与所述主控单元连接，所述主控单元与所述电量灯和工作状态灯电连接，所述电源分别通过电源线与所述主控单元、双天线定位模块、4G移动通信模块和液泵电连接。
本实施例采用STM32F407控制芯片，具有以下功能：(1)检测用户操作按键，进行各项相应操作如开机、关机等。(2)根据***工作状态控制工作状态灯的显示颜色和闪烁模式。(3)根据检测到的电池座中的电池的电量控制电量灯的显示颜色和闪烁模式。(4)根据工作状态的需求来控制电源管理模块向***中各子模块供电的开关。(5)通过USB控制Quectel EC20 4G移动通信模块，并进而通过4G移动通信网络与后台服务器建立网络连接，从而从后台服务器获取定位实时校准数据，此外还将定位数据、计算得到的喷洒面积、重喷率和漏喷率上报给后台服务器存储记录。(6)通过STM32F407控制芯片双向串口通信控制Trimble MB-TWO双天线多***高精度定位模块，STM32F407控制芯片将从后台服务器获取的定位实时校准数据传输给双天线多***高精度定位模块，其中定位实时校准数据为固定基站的时间信息以及位置坐标信息，双天线多***高精度定位模块通过差分定位计算出准确的定位数据，STM32F407控制芯片将准确的定位数据上报给后台服务器。
本实施例采用双天线多***高精度定位模块，为***提供高精度定位功能，其性能特点与功能为：(1)双天线同时定位，可同时定位出两个天线的精确位置。(2)同时使用多个卫星定位***的信号来进行定位，包括：GPS、北斗、伽利略、格洛纳斯等。(3)使用从串口收到的定位实时校准数据与天线信号采集到的卫星数据进行融合计算得出厘米级的定位结果。
本实施例还提供一种植保无人机作业质量检测装置的检测方法，包括以下步骤：
参见图4，(1)采用基于直流互感原理的非接触式测量方法，检测植保无人飞机当前液泵的工作状态。具体为：霍尔元件(磁芯线圈的非接触方法)实时检测液泵的工作电流从而检测液泵是否工作，霍尔元件依次通过A/D转换芯片和USB数据线将检测的信号发送到所述质量检测装置内的主控单元内，进而实现液泵工作状态的实时检测；
(2)主控单元接收霍尔元件发送的信号并统计液泵的工作时间从而确定喷洒作业时间段t；
(3)通过双天线定位模块实时测量第一定位天线4和第二定位天线5的坐标信息，并通过定位实时校准数据的差分定位计算出准确的坐标信息，从而确定植保无人机的喷幅方向，并将坐标信息发送到主控单元，主控单元根据第一定位天线4和第二定位天线5的坐标信息计算机身1移动的轨迹点的坐标，机身1移动的轨迹点的坐标为第一定位天线4的坐标点和第二定位天线5的坐标点连线的中点坐标，主控单元通过自适应高斯滤波算法对轨迹点的坐标进行滤波；
(4)主控单元根据滤波后的轨迹点的坐标计算喷洒面积；
(5)主控单元根据喷洒面积计算植保无人机的重喷率和漏喷率；
(6)主控单元通过通信模块将喷洒面积、重喷率和漏喷率反馈到后台服务器。
所述的步骤(3)中的自适应高斯滤波算法具体为：
ti时刻对应的轨迹点Pi的坐标x,y滤波后的值为：
其中x(ti),y(ti)分别为ti时刻的轨迹点Pi滤波前的x,y坐标，i＝0,1,2,…；σ为滤波核函数的宽带参数，根据采样频率确定。
所述的步骤(4)具体包括：
定义轨迹点Pi对应的喷洒端点的坐标为其中：
其中wi为植保无人机的作业幅宽，θi为ti时刻喷杆2的延伸方向与飞行轨迹线的夹角；飞行轨迹线为每一个轨迹点的连线；
如图3所示，连接相邻的两个轨迹点Pi,Pi+1的喷洒端点，得到轨迹点Pi,Pi+1的喷洒形状Pi1Pi2Pi+11Pi+12；图中为轨迹点Pi的坐标滤波后的值，为轨迹点Pi+1的坐标滤波后的值，为轨迹点Pi对应的两个喷洒端点的坐标值，为轨迹点Pi+1对应的两个喷洒端点的坐标值；θi+1为ti+1时刻喷杆2的延伸方向与飞行轨迹线的夹角；
Si为如图3中的四方形Pi1Pi2Pi+11Pi+12的面积,则相邻的两个轨迹点Pi,Pi+1的喷洒面积Si为：
所述的步骤(5)具体包括：
经过多边形分段拟合方法得到tN作业时间内沿轨迹线的N个代表喷洒面积的四边形S1,S2,…,SN，通过布尔的“并”运算，得到tN作业时间内喷洒作业的总面积SA:
SA＝S1∪S2∪S3∪3∪SN,
顺序连接植保无人机需要喷洒的作业面的每个顶点从而得到需要喷洒的作业面的几何形状SF，则喷洒作业的有效面积为：
Sv＝SF∩SA,
则漏喷面积Sm和重喷面积So分别为：
Sm＝SF-SV,So＝(S1∩SA)∪(S2∩SA)∪…∪(SN∩SA),
则有效喷洒率ηv、漏喷率ηm和重喷率ηo分别为：
本发明的植保无人机作业质量检测装置可以精确统计植保无人机作业时的喷洒面积、重喷率和漏喷率，以评价无人飞机的作业效率和效果。
本发明的保护范围包括但不限于以上实施方式，本发明的保护范围以权利要求书为准，任何对本技术做出的本领域的技术人员容易想到的替换、变形、改进均落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种植保无人机作业质量检测装置，包括植保无人机，所述植保无人机包括机身、喷杆和喷头组件，所述喷杆固定在所述机身上，所述喷杆的底部从左端到右端依次设置有多个喷头组件，其特征在于：还包括质量检测装置，所述质量检测装置包括机壳以及设置在机壳内部的主控单元、双天线定位模块、电源和通信模块，所述主控单元分别与双天线定位模块和通信模块电连接，所述电源分别与主控单元、双天线定位模块和通信模块电连接，所述双天线定位模块点连接有第一定位天线和第二定位天线，所述第一定位天线和第二定位天线分别安装在所述植保无人机上的喷杆的顶部的两端，所述机壳固定在所述植保无人机的机身上。
2.根据权利要求1所述的植保无人机作业质量检测装置，其特征在于：所述植保无人机的机身上安装有液泵和储药罐，所述储药罐通过药管与所述喷杆连通，所述液泵安装在所述药管上，所述液泵与所述电源连接，所述液泵上安装有用于检测液泵是否工作的霍尔元件，霍尔元件与质量检测装置内的主控单元电连接。
3.根据权利要求2所述的植保无人机作业质量检测装置，其特征在于：所述通信模块包括4G移动通信模块、4G通信天线和SIM卡座，所述SIM卡座通过SIM卡信号线与所述4G移动通信模块电连接，所述4G移动通信模块分别与4G通信天线和主控单元电连接，所述4G通信天线位于机壳的外部并安装在所述植保无人机的机身上，所述SIM卡座用于安装SIM卡，所述4G移动通信模块与所述电源电连接，所述4G通信天线远程连接有后台服务器。
4.根据权利要求3所述的植保无人机作业质量检测装置，其特征在于：所述主控单元采用STM32F407控制芯片，所述第一定位天线和第二定位天线为GNSS天线，所述电源包括电池座和电源管理模块，所述电源管理模块与所述电池座电连接，所述电池座分别与所述主控单元、双天线定位模块、4G移动通信模块和液泵电连接。
5.根据权利要求2所述的植保无人机作业质量检测装置，其特征在于：所述主控单元与双天线定位模块双向串口通信连接。
6.根据权利要求2所述的植保无人机作业质量检测装置，其特征在于：所述机壳上安装有操作按键、电量灯和工作状态灯，所述操作按键与所述主控单元连接，所述电源通过电源控制信号线与所述主控单元连接，所述主控单元与所述电量灯和工作状态灯电连接，所述电源分别通过电源线与所述主控单元、双天线定位模块、4G移动通信模块和液泵电连接。
7.一种根据权利要求2所述的植保无人机作业质量检测装置的检测方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)霍尔元件实时检测液泵的工作电流从而检测液泵是否工作，霍尔元件将检测的信号发送到所述质量检测装置内的主控单元内；
(2)主控单元接收霍尔元件发送的信号并统计液泵的工作时间从而确定喷洒作业时间；
(3)通过双天线定位模块实时测量第一定位天线和第二定位天线的坐标信息并将坐标信息发送到主控单元，主控单元根据第一定位天线和第二定位天线的坐标信息计算机身移动的轨迹点的坐标，主控单元通过自适应高斯滤波算法对轨迹点的坐标进行滤波；
(4)主控单元根据滤波后的轨迹点的坐标计算喷洒面积；
(5)主控单元根据喷洒面积计算植保无人机的重喷率和漏喷率；
(6)主控单元通过通信模块将喷洒面积、重喷率和漏喷率反馈到后台服务器。
8.根据权利要求7所述的植保无人机作业质量检测装置的检测方法，其特征在于：所述的步骤(3)中的自适应高斯滤波算法具体为：
ti时刻对应的轨迹点Pi的坐标x,y滤波后的值为：
其中x(ti),y(ti)分别为ti时刻的x,y坐标，i＝0,1,2,…；σ为滤波核函数的宽带参数。
9.根据权利要求8所述的植保无人机作业质量检测装置的检测方法，其特征在于：所述的步骤(4)具体包括：
定义轨迹点Pi对应的喷洒端点的坐标为其中：
其中wi为植保无人机的作业幅宽，θi为喷杆的延伸方向与飞行轨迹线的夹角；
连接相邻的两个轨迹点Pi,Pi+1的喷洒端点，得到轨迹点Pi,Pi+1的喷洒形状Pi1Pi2Pi+ 11Pi+12；
则相邻的两个轨迹点Pi,Pi+1的喷洒面积为：
10.根据权利要求9所述的植保无人机作业质量检测装置的检测方法，其特征在于：所述的步骤(5)具体包括：
经过多边形分段拟合方法得到沿轨迹线的N个代表喷洒面积的四边形S1,S2,…,SN，通过布尔运算，得到喷洒作业的总面积SA:
SA＝S1∪S2∪S3∪…∪SN,
顺序连接植保无人机需要喷洒的作业面的每个顶点从而得到需要喷洒的作业面的几何形状SF，则喷洒作业的有效面积为：
Sv＝SF∩SA,
则漏喷面积Sm和重喷面积So分别为：
Sm＝SF-SV,So＝(S1∩SA)∪(S2∩SA)∪…∪(SN∩SA),
则有效喷洒率ηv、漏喷率ηm和重喷率ηo分别为：
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