CN109240304A - 一种精确种植***及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种精确种植***及方法，包括自主导航无人机，地面种植***，处理信息的地面计算机；所述地面计算机用于分析无人机获取的植被信息，生成补种轨迹图来控制无人机自主航线飞行和无人车自主行走。该***可以大范围检测排查，得到林地植被覆盖信息，做出分析、实行定位，完成无人机播种与无人车种植，其中：无人机播种可解决复杂地形带来的种植难题，节省人力，无人车地面种植成活率高，提高种植效率，从而实现精确高效种植。
Description
技术领域
本发明涉及一种植物种植***，尤其涉及一种林业无人机精确种植***及方法。
背景技术
森林抚育又称林分抚育，是指从造林起到成熟以前的森林培育过程中，为保证幼林成活，促进林木生长，改善林木组成和品质及提高森林生产率所采取的各项措施。包括除草、松土、间作、施肥、灌溉、排水、去藤、修枝、抚育采伐、栽植下木等工作。
森林补种是指在出现缺苗的植被中，重新种植。目前林业补种技术并不成熟，大部分采取人工补种方法，人力成本高，效率低，且无法精确判断该地区是否适合补种。
现有的无人机播种是指将遥感技术、机器智能技术和无人机技术结合起来，用于植树造林，在播种过程中，需要无人机进行配合。目前的无人机播种利用无人机飞控导航作业，最大限度的减少了人工和幼苗及种子的接触，从而降低幼苗的受损害程度，同时通过地面站的显示界面做到实时观察作业的进展状况。但是现有的无人机播种只局限于空中，无法兼顾地面的播种、抚育以及补种，且由于技术的不成熟，效率不高，没有完整的***和方法。
发明内容
鉴于上述和/或现有林业种植方法中存在的问题，提出了本发明。
本发明的目的是解决现有技术大面积种植效率不高，精确度不高的问题，提供一种林业无人机精确种植***及方法。该方法功能完整可靠，便于在林间实施作业。
为了实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现。
一种精确种植***，包括自主导航无人机，地面种植***及处理信息的地面计算机；
所述无人机包括无人机载物台、固定在载物台四周的旋翼、电机以及设置在载物台下的起落架；所述自主导航无人机上还装载有无人机遥感检测***和空中播种***；
所述地面种植***，包括无人车，无人车上还装载有自主导航模块和种植模块；
所述地面计算机用于分析无人机获取的植被信息，生成补种轨迹图来控制无人机自主航线飞行和无人车自主行走。
作为本发明的一种优选方案，所述无人机遥感检测***包括无线传输模块、摄像头、光谱相机和植被检测模块；其中，无线传输模块搭载在无人机上，光谱相机，摄像头固定安装在无人机载物台下方；所述光谱相机实时遥感获取植被光谱图像；所述摄像头实时获取地形地貌信息；所述无线传输模块将图像实时无线传输到计算机；所述植被检测模块实时分析光谱图像，判断所述植被种类和分布密度，按照所记录的空间坐标信息自动生成补种轨迹。
作为本发明的一种优选方案，所述空中播种***包括飞控模块、空中播种装置；其中，飞控模块包括定位模块、姿态控制模块和自主飞行模块，以控制无人机自主飞行；其中空中播种装置包括种子盒，种子分配和播种器，在无人机遥感检测***中自动生成的补种轨迹图上会标记所需补种的树种类别，并通过无线控制空中播种装置播撒不同类别的种子。
作为本发明的一种优选方案，所述地面种植***，包括无人车，无人车上还装载有自主导航模块和种植模块；
其中，自主导航模块包括定位模块、避障模块和自主行走模块，以控制无人车自主行走；
所述种植模块包括储苗分配模块，栽种模块，以实现苗木的分类栽种。
更进一步地，所述定位模块包括GPS和无线传输模块；所述避障模块包括雷达、摄像头和障碍传感器；所述自主行走模块包括无线传输模块和控制器；所述GPS和无线传输模块、控制器安装在无人车车身下方；所述雷达、摄像头安装在无人车前侧车身上；所述障碍传感器安装在无人车车身四周。
更进一步地，所述自主导航模块用于控制无人车行走到指定位置；当无人车接收到指令需要进行补种时，无人车将按照已生成的补种轨迹图自主导航行走至已定位的目标位置进行种植；在自主导航行进过程中如遇到前方有障碍物时，车身四周的避障传感器以及车上装有的雷达及摄像头会获取障碍物信息，及时避障；到达指定位置后根据补种轨迹图上的树种分布进行树苗的分类种植。
更进一步地，所述储苗分配模块包括储苗箱和储苗分配器；栽种模块包括种植臂和压实器；所述储苗箱安装在无人车上方；储苗分配器安装在储苗箱上；所述种植臂和压实器安装在无人车下方；所述无人车可按照规定路线行走，按照规划路径到达指定补种位置后，储苗箱出苗，由种植臂夹住，补种在指定位置，将幼苗种入土后，由压实器将幼苗附近泥土压实，完成自主种植。
作为本发明的一种优选方案，所述处理信息的地面计算机为信息接收和处理设备，即实现无人机和无人车航线规划，完成遥感数据处理，其通过无线传输的方式分别与无人机遥感检测***、空中播种***和地面种植***无线连接，用于精确，平稳播种，根据由无人机遥感检测***得出的：该林区缺少的树种，地势陡峭，植被覆盖率低的结论；计算机给出指令驱使无人机到指定位置，按照所记录的坐标信息自动生成的补种轨迹进行相应树种的播种。根据光谱相机检测得出的植被密度和土壤养分程度确定播种数量。
本发明还公开了上述***的精确种植抚育方法，包括以下方案：
方案一：无人机补种作业，所述无人机在林区上方自主飞行，用无人机遥感检测***进行树木密度检测与地形地貌分析，利用无人机上的光谱相机检测树木密度和土壤养分程度，摄像头拍摄林区图像，将图像信息传输回地面计算机，计算机进行分析，根据光谱相机检测得到的林分密度与正常密度进行对比分析得出所需补种位置进而生成无人机补种轨迹图，分析摄像头所拍图片，若根据摄像头拍摄图片分析得到该地势为陡峭地势或平坦与陡峭地势交错时，则计算机发出指令使无人机按照航线飞行到所需补种位置播种补种；
方案二：无人车补种作业，所述无人机在林区上方自主飞行，用无人机遥感检测***进行树木密度检测与地形地貌分析，利用无人机上的光谱相机检测树木密度，摄像头拍摄林区图像，将图像信息传输回地面计算机，计算机进行分析，根据光谱相机检测得到的林分密度与正常密度进行对比分析得出所需补种位置进而生成无人车补种轨迹图，分析摄像头所拍图片，若根据摄像头拍摄图片分析得到该地势为平坦地势，则计算机发出指令使无人车按照路线行走到所需补种位置种植补种，在无人车按照指定路线行进过程中，通过雷达与避障传感器得到周围障碍物信息，若在行进方向上有障碍物就可做出及时反应进行避让。
本***实施的方法和具体步骤：
步骤一：无人机飞到指定林区上方进行检测，用摄像头与光谱相机拍摄，并将得到的林区图像、林分与树木密度结果传输到地面计算机。
步骤二：地面计算机根据所得的传输回来的信息进行分析判断并生成补种轨迹图，发出指令。
步骤三：根据步骤二所得的信息判断，若为陡峭地势或平坦与陡峭地势交错时，则无人机接到指令后按照补种轨迹图进行补种；若为平坦地势，则无人车接到指令后按照补种轨迹图进行补种。
本发明与现有技术相比，其优点是：
1、本发明提供精确种植***，包括自主导航无人机，地面种植***及处理信息
的地面计算机，利用无人机遥感检测***和地面种植***排除了人为检测的不确定性和遗漏性，能及时、高效地好的准确的 监测数据和地点坐标，且对于其他树植不会产生伤害，设备维护相对简单，同时可以借助无人机飞行到高大树木的上方或侧方，进行监测工作。
2、该***可以大范围检测排查，得到林地植被覆盖信息，做出分析、实行定位，
通过无人机播种与无人车种植：无人机播种可解决地形带来的种植难题，节省人力，无人车地面种植成活率高，节省人力，提高种植效率，从而实现精确高效种植。
3、本发明针对劳动力缺乏，林业人工成本持续上涨，抚育种植环境复杂的问题，
通过快速、精确检测大面积植被的分布状况，生成实时补种信息，根据坐标位置和地势，对于地势陡峭等地面车辆难以进入的区域，由无人机实时播种，播种之后为提高成活率，再由无人机进行施肥和洒水；对于地势平坦区域，由无人车进行地面幼苗补种，无人车上将配有种植臂，压实器，储水箱等，完成种植到浇灌的过程，进而完成植被的精确修复，有效完成精确抚育工作，提高植被覆盖率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：
图1a 是无人机主视图；
图1b 是无人机立体视图；
图2a 是载苗无人车立体视图；
图2b 是无人车主视图；
图3是精确种植***具体实施后的效果图；
图4是林区植被种类和密度分布图；
图5是补种轨迹图；
图6是精确种植方法的流程示意图。
图中：1-摄像头，2-光谱相机，3-播种器，4-无人机载物台；5-旋翼，6-种子盒；7-储苗箱，8-幼苗，9-雷达，10-摄像头；11-种植臂，12-压实器，13-第一障碍传感器，14-第二障碍传感器；15-无人机，16-种子，17-无人车；18-已有植被，19-a树种缺失树木位置，20-b树种缺失树木位置；21-无人机补种轨迹，22-无人车补种轨迹。
具体实施方式：
实施例1
一种精确种植***，包括自主导航无人机，地面种植***及处理信息的地面计算机；
如图1：所述无人机包括无人机载物台4、固定在载物台四周的旋翼5、电机以及设置在载物台下的起落架；所述自主导航无人机上还装载有无人机遥感检测***和空中播种***；
所述地面种植***，包括无人车，无人车上还装载有自主导航模块和种植模块；
所述地面计算机用于分析无人机获取的植被信息，生成补种轨迹图来控制无人机自主航线飞行和无人车自主行走。
如图1：所述无人机遥感检测***包括无线传输模块、摄像头1、光谱相机2和植被检测模块；其中，无线传输模块搭载在无人机上，光谱相机，摄像头固定安装在无人机载物台下方；所述光谱相机实时遥感获取植被光谱图像；所述摄像头实时获取地形地貌信息；所述无线传输模块将图像实时无线传输到计算机；所述植被检测模块实时分析光谱图像，判断所述植被种类和分布密度，按照所记录的空间坐标信息自动生成补种轨迹。所述空中播种***包括飞控模块、空中播种装置；其中，飞控模块包括定位模块、姿态控制模块和自主飞行模块，以控制无人机自主飞行；其中空中播种装置包括种子盒6，种子分配器和播种器3，在无人机遥感检测***中自动生成的补种轨迹图上会标记所需补种的树种类别，并通过无线控制空中播种装置播撒不同类别的种子。
所述地面种植***，包括无人车，无人车上还装载有自主导航模块和种植模块；其中，自主导航模块包括定位模块、避障模块和自主行走模块，以控制无人车自主行走；所述种植模块包括储苗分配模块，栽种模块，以实现苗木的分类栽种。
如图2：所述定位模块包括GPS和无线传输模块；所述避障模块包括雷达9、摄像头10和障碍传感器13；所述自主行走模块包括无线传输模块和控制器；所述GPS和无线传输模块、控制器安装在无人车车身下方；所述雷达、摄像头安装在无人车前侧车身上；所述障碍传感器安装在无人车车身四周。所述自主导航模块用于控制无人车行走到指定位置；当无人车接收到指令需要进行补种时，无人车将按照已生成的补种轨迹图自主导航行走至已定位的目标位置进行种植；在自主导航行进过程中如遇到前方有障碍物时，车身四周的避障传感器以及车上装有的雷达9及摄像头10会获取障碍物信息，及时避障；到达指定位置后根据补种轨迹图上的树种分布进行树苗的分类种植。所述储苗分配模块包括储苗箱7和储苗分配器；栽种模块包括种植臂11和压实器12；所述储苗箱安装在无人车上方；储苗分配器安装在储苗箱上；所述种植臂和压实器安装在无人车下方所述无人车可按照规定路线行走，按照规划路径到达指定补种位置后，储苗箱出苗，由种植臂11夹住，补种在指定位置，将幼苗种入土后，由压实器12将幼苗附近泥土压实，完成自主种植。
所述处理信息的地面计算机为信息接收和处理设备，即实现无人机和无人车航线规划，完成遥感数据处理的计算机，其通过无线传输的方式分别与无人机遥感检测***、空中播种***和地面种植***无线连接，用于精确，平稳播种和种苗，根据有无人机遥感检测***得出的：该林区缺少何树种，地势陡峭，植被覆盖率低的结论；计算机给出指令驱使无人机到指定位置，按照所记录的坐标信息自动生成的补种轨迹21进行相应树种的播种。根据光谱相机检测得出的植被覆盖密度和土壤养分程度的结论定播种数量。
实施例2：
方案一：无人机补种作业，所述无人机在林区上方自主飞行，用无人机遥感检测***进行树木密度检测与地形地势分析，利用无人机上的光谱相机检测树木密度，摄像头拍摄林区图像，将图像信息传输回地面计算机，计算机进行分析，根据光谱相机检测得到的林分密度与正常密度进行对比分析得出所需补种位置进而生成无人机补种轨迹图，分析摄像头所拍图片，若根据摄像头拍摄图片分析得到该地势为陡峭地貌或平坦与陡峭地势交错时，则计算机发出指令使无人机按照航线飞行到所需补种位置播种补种；
方案二：无人车补种作业，所述无人机在林区上方自主飞行，用无人机遥感检测***进行树木密度检测与地形地貌分析，利用无人机上的光谱相机检测树木密度和土壤养分组成，摄像头拍摄林区图像，将图像信息传输回地面计算机，计算机进行分析，根据光谱相机检测得到的林分密度与正常密度进行对比分析得出所需补种位置进而生成无人车补种轨迹图，分析摄像头所拍图片，若根据摄像头拍摄图片分析得到该地势为平坦地貌，则计算机发出指令使无人车按照路线行走到所需补种位置种植补种，在无人车按照指定路线行进过程，通过雷达与避障传感器得到周围障碍物信息，若在行进方向上有障碍物就可做出反应进行避让。
实施例3
如图3-5：一种精确种植方法，
步骤一：无人机飞到指定林区上方进行检测，用摄像头与光谱相机拍摄，并将得到的林区图像、林分与树木密度结果传输到地面计算机。
步骤二：地面计算机根据所得的传输回来的信息进行分析判断并生成补种轨迹图，发出指令。
步骤三：根据步骤二所得的信息判断，若为陡峭地貌或平坦与陡峭地貌交错时，则无人机接到指令后按照补种轨迹图进行补种；若为平坦地貌，则无人车接到指令后按照补种轨迹图进行补种。
所述的无人机15首先在植物的上方或侧方进行检测，由遥感装置采集植被图像，得到已有植被18与缺失植被情况，植被检测模块分析植物种类19和20和分布密度，形成无人机补种轨迹21和无人车补种轨迹22，进而无人机进行播种，无人车在平地上实现幼苗的种植，无人机和无人车在完成上一株植物的播种之后，通过手控或者自控的方式，飞行带下一区域的上方或者侧方，重复上述检测和精确种植过程。最后***以此流程，完成林间预设路线上所有植物的精确种植。
本***的精确种植方法中，根据分析结论生成林区植被种类和密度分布图，按照所记录的空间坐标信息自动生成补种轨迹。对于低植被密度需补种地区，如果处于陡坡险峻地形，则由无人机按照补种轨迹进行实时播种，如果低植被密度需补种地区处于平坦地貌，考虑到无人车行走准确，种植成活率较高，则由无人车按补种轨迹开展地面幼苗补种。若遇到地形陡峭和平缓交替频繁地区，不方便实行无人车幼苗补种，可直接采用无人机全程播种。
Claims (10)
1.一种精确种植***，其特征在于：包括自主导航无人机，地面种植***及处理信息的地面计算机；
所述无人机包括无人机载物台（4）、固定在载物台四周的旋翼（5）、电机以及设置在载物台下的起落架；所述自主导航无人机上还装载有无人机遥感检测***和空中播种***；
所述地面种植***，包括无人车，无人车上还装载有自主导航模块和种植模块；
所述地面计算机用于分析无人机获取的植被信息，生成补种轨迹图来控制无人机自主航线飞行和无人车自主行走。
2.根据权利要求1所述的精确种植***，其特征在于：所述无人机遥感检测***包括无线传输模块、摄像头（1）、光谱相机（2）和植被检测模块；其中，无线传输模块搭载在无人机上，光谱相机，摄像头固定安装在无人机载物台下方；所述光谱相机实时遥感获取植被光谱图像；所述摄像头实时获取地形地貌信息；所述无线传输模块将图像实时无线传输到计算机；所述植被检测模块实时分析光谱图像，判断所述植被种类和分布密度，按照所记录的空间坐标信息自动生成补种轨迹。
3.根据权利要求2所述的精确种植***，其特征在于：所述空中播种***包括飞控模块、空中播种装置；其中，飞控模块包括定位模块、姿态控制模块和自主飞行模块，以控制无人机自主飞行；其中空中播种装置包括种子盒（6），种子分配和播种器（3），在无人机遥感检测***中自动生成的补种轨迹图上会标记所需补种的树种类别，并通过无线控制空中播种装置播撒不同类别的种子。
4.根据权利要求1所述的精确种植***，其特征在于：所述地面种植***，包括无人车，无人车上还装载有自主导航模块和种植模块；
其中，自主导航模块包括定位模块、避障模块和自主行走模块，以控制无人车自主行走；
所述种植模块包括储苗分配模块，栽种模块，以实现苗木的分类栽种。
5.根据权利要求4所述的地面种植***，其特征在于：所述定位模块包括GPS和无线传输模块；所述避障模块包括雷达（9）、摄像头（10）和障碍传感器（13）；所述自主行走模块包括无线传输模块和控制器；所述GPS和无线传输模块、控制器安装在无人车车身下方；所述雷达、摄像头安装在无人车前侧车身上；所述障碍传感器安装在无人车车身四周。
6.根据权利要求4所述的地面种植***，其特征在于：所述自主导航模块用于控制无人车行走到指定位置；当无人车接收到指令需要进行补种时，无人车将按照已生成的补种轨迹图自主导航行走至已定位的目标位置进行种植；在自主导航行进过程中如遇到前方有障碍物时，车身四周的避障传感器以及车上装有的雷达（9）及摄像头（10）会获取障碍物信息，及时避障；到达指定位置后根据补种轨迹图上的树种分布进行树苗的分类种植。
7.根据权利要求4所述的地面种植***，其特征在于：所述储苗分配模块包括储苗箱（7）和储苗分配器；栽种模块包括种植臂（11）和压实实器（12）；所述储苗箱安装在无人车上方；储苗分配器安装在储苗箱上；所述种植臂和压实器安装在无人车下方；所述无人车可按照设定路线行走，按照规划路径到达指定补种位置后，储苗箱出苗，由种植臂（11）夹住，补种在指定位置，将幼苗种植入土后，由压实器（12）将幼苗附近泥土压实，浇灌，完成自主种植。
8.根据权利要求1所述的精确种植***，其特征在于：所述处理信息的地面计算机为信息接收和处理设备，即实现无人机和无人车航线规划，完成遥感数据处理，其通过无线传输的方式分别与无人机遥感检测***、空中播种***和地面种植***无线连接，用于精确，平稳的播种和种植，根据由无人机遥感检测***得出的：该林区所缺少的树种，地势陡峭，植被覆盖率低的结论；计算机给出指令驱使无人机到指定位置，按照所记录的坐标信息自动生成的补种轨迹（21）进行相应树种的播种；根据光谱相机检测得出的植被密度和土壤养分程度的结论确定播种数量。
9.基于权利要求1~8中任一所述***的精确种植方法，其特征在于，包括以下方案：
方案一：无人机补种作业，所述无人机在林区上方自主飞行，用无人机遥感检测***进行植被密度检测与地形地貌分析，利用无人机上的光谱相机检测树木密度和土壤养分组成，摄像头拍摄林区图像，将图像信息传输回地面计算机，计算机进行分析，根据光谱相机检测得到的林分密度与正常密度进行对比，分析得出所需补种位置进而生成无人机补种轨迹图；分析摄像头所拍图片，若根据摄像头拍摄图片分析得到该地势为陡峭地势或平坦与陡峭地势交错时，则计算机发出指令使无人机按照航线飞行到所需补种位置播种补种；
方案二：无人车补种作业，所述无人机在林区上方自主飞行，用无人机遥感检测***进行树木密度检测与地形地貌分析，利用无人机上的光谱相机检测树木密度和土壤养分组成，摄像头拍摄林区图像，将图像信息传输回地面计算机，计算机进行分析，根据光谱相机检测得到的林分密度与正常密度进行对比分析得出所需补种位置进而生成无人车补种轨迹图，分析摄像头所拍图片，若根据摄像头拍摄图片分析得到该地势为平坦地势，则计算机发出指令使无人车按照路线行走到所需补种位置种植补种，无人车按照指定路线行进过程中，通过雷达与避障传感器得到周围障碍物信息，若在行进方向上有障碍物就可做出及时反应进行避让。
10.根据权利要求9所述***的精确种植方法，其特征在于，
步骤一：无人机飞到指定林区上方进行检测，用摄像头与光谱相机拍摄，并将得到的林区图像、林分与树木密度结果传输到地面计算机；
步骤二：地面计算机根据所得的传输回来的信息进行分析判断并生成补种轨迹图，发出指令；
步骤三：根据步骤二所得的信息判断，若为陡峭地势或平坦与陡峭地势交错时，则无人机接到指令后按照补种轨迹图进行补种；若为平坦地势，则无人车接到指令后按照补种轨迹图进行补种。
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