CN113359855A - 一种植保无人机精准施药实时控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种植保无人机精准施药实时控制方法，包括以下步骤：(1)飞行航线规划；(2)对农田地块划分出多个施药区域；(3)植保无人机对施药区域进行施药，在对前一个施药区域进行施药作业过程中，对下一个施药区域进行图像采集，经分析处理后得出下一个施药区域的病虫害程度信息；(4)控制模块计算获得下一个施药区域的飞行施药参数；(5)植保无人机飞行进入下一个施药区域后，根据所述的飞行施药参数进行施药作业，并返回步骤(3)；(6)不断重复步骤(3)‑步骤(5)，直至结束该农田地块的航空施药作业。本发明实现植保无人机实时地对农田地块进行识别分析和精准施药，作业效率高，施药量准确。

Description

一种植保无人机精准施药实时控制方法

技术领域

本发明涉及一种植保无人机农药喷施方法，具体涉及一种植保无人机精准施药实时控制方法。

背景技术

农用无人机在农业生产中的应用越来越广泛，已应用在农业生产的各个领域之中，如播种、施肥、施药、采摘和农情监测等。在航空施药领域中，植保无人机施药技术的研究取得了长足进步且在持续发展中，已成为防治病虫害的有效手段。植保无人机农药喷洒方式大多是均匀喷洒，即无人机在田块飞行作业时对每个地块区域的施药量是均匀的。然而，在实际农田中，农作物的病虫草害的发生并不是覆盖整个农田，往往是点状或者片状分布；而均匀喷洒的施药方式将会导致农田里无病虫害或病虫害较少的区域的施药量过多以及病虫草害严重的区域施药量不够的情况，无法进行精准地施药，因此还会造成农药使用的浪费和农田土地的过度污染。

针对上述问题，现有技术中出现能够根据农田地块的病虫害情况进行农药喷施调整的变浓度控制方法；具体地，在对农田进行农药喷洒前，先通过无人机对农田进行图像采集以及病虫害程度分析，生成施药处方图后，再根据处方图进行农药喷洒调控，从而实现农田地块的变浓度精准喷施。

但是，现有技术中的无人机农药精准喷施，均是先对农田地块进行图像采集和病虫害分析，在得到施药处方图后，才能进行正常的无人机航空喷施工作，导致农田航空农药喷施的效率降低，耗费时间；同时，需要采用两台无人机才能完成以上工作，其中一台为图像采集无人机，另一台为植保无人机，耗费人力物力，操作麻烦；当只采用一台无人机时，则是先根据航线进行农田地块的图像采集空飞行，接着再进行施药飞行，同样时间耗费长，无法快速、准确且实时地进行农田地块的农药精准喷施。

发明内容

本发明目的在于克服现有技术的不足，提供一种植保无人机精准施药实时控制方法，该方法实现植保无人机实时地对农田地块进行精准施药，作业效率高，施药量准确。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种植保无人机精准施药实时控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)根据待施药的农田地块进行飞行航线规划；

(2)根据规划好的飞行航线，对农田地块划分出多个施药区域；

(3)植保无人机根据飞行航线，逐一对施药区域进行农药喷施；植保无人机在对前一个施药区域进行施药作业过程中，当植保无人机相隔下一个施药区域在预设距离时，植保无人机上的图像采集装置对下一个施药区域的农田地块进行图像采集，并传输至图像处理模块中；图像处理模块经过分析处理后得出下一个施药区域的病虫害程度信息，且发送至植保无人机的控制模块中；

(4)植保无人机上的控制模块针对所述下一个施药区域的病虫害程度信息，在植保无人机飞行至下一个施药区域前通过分析计算获得下一个施药区域的飞行施药参数；

(5)植保无人机飞行进入下一个施药区域后，根据步骤(4)中所述的飞行施药参数进行施药作业，并返回步骤(3)，继续对下一个施药区域进行病虫害程度分析；

(6)不断重复步骤(3)-步骤(5)，直至划分的所有施药区域全部完成施药，结束该农田地块的航空施药作业。

本发明的一个优选方案，在施药作业前，先设定一个单元作业模式，再将所述单元作业模式应用至飞行航线中，根据所述单元作业模式对农田地块进行施药作业；所述单元作业模式的设定具体为：植保无人机由起始点直线飞行至结束点，所述起始点和结束点之间根据预设间距设定多个施药区域。

优选地，在所述单元作业模式中，沿着植保无人机的飞行方向，所述起始点设置在第一个施药区域的后方，所述起始点与第一个施药区域的距离为所述预设距离；植保无人机在起始点位置开始起飞，并对第一个施药区域进行图像采集和病虫害程度信息的获取，以得出第一个施药区域的飞行施药参数；植保无人机在进入第一个施药区域后，根据所述飞行施药参数进行施药作业。

优选地，在所述单元作业模式中，沿着植保无人机的飞行方向，所述结束点设置最后一个施药区域的前方，且所述结束点与最后一个施药区域的距离为所述预设距离。

本发明的一个优选方案，步骤(1)中，根据待施药的农田地块，规划己字形航线作为飞行航线。

本发明的一个优选方案，所述飞行施药参数包括所需施药量、飞行速度以及药液喷速；同时，通过公式，

t＝L/S

V＝D/t

获取植保无人机的飞行速度及药液喷速的调控公式，

V＝D*S/L

其中，t为施药区域的所需飞行时间，L为施药区域的所需施药量，S为植保无人机搭载的施药装置的总喷速，D为施药区域的飞行距离，V为植保无人机的飞行速度；

结合以上公式，在获取得到施药区域的所需施药量L后，即可对植保无人机的飞行速度V和施药装置的喷速S进行配合作业。

优选地，植保无人机在施药作业过程中包括以下作业模式：

第一作业模式，植保无人机保持以最大飞行速度Vmax飞行；作业过程中分析获取施药区域的所需施药量后，通过计算得到施药区域的施药喷速，此时的施药喷速满足S≥0且S≤Smax的条件，其中的喷速S随施药区域的所需施药量L的变化而变化；

第二作业模式，植保无人机上的施药装置保持以最大喷速Smax工作；作业过程中分析获取施药区域的所需施药量后，通过计算得到植保无人机的飞行速度，此时的飞行速度满足V≥0且V≤Vmax的条件，其中的飞行速度V随施药区域的所需施药量L的变化而变化。

优选地，作业开始时，以所述第一作业模式进行航空施药作业；当施药区域的所需药量L发生变化，且植保无人机以最大速度Vmax飞行无法完成该施药区域的施药时，植保无人机的飞行速度和药液喷速进行调控；当植保无人机以最大速度Vmax飞行能够完成施药区域的航空施药作业时，重新调整为所述第一作业模式。这样，尽可能地采用所述第一作业模式，有利于提高农田地块的航空施药速度，从而提高施药效率。

优选地，当下一个施药区域的飞行施药参数无法在预设距离内完成计算时，植保无人机的飞行速度会在预设最后距离阶段进行匀减速飞行，并在下一个施药区域的边界处进行悬停，直至完成飞行施药参数的计算后，再根据飞行施药参数进行施药作业；其中，植保无人机在预设最后距离阶段进行匀减速飞行时，施药装置的喷速根据以下公式进行调控变化，

L₀＝L-L_i

S＝V_i×L₀/d

式中，L_i为已喷施的药量，通过施药装置上的流量计检测而得，L₀为剩余未喷施药量，V_i为植保无人机在预设最后距离阶段的实时飞行速度，d为预设最后距离。

本发明的一个优选方案，所述预设距离为3m。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

1、本发明通过在对前一个施药区域进行施药作业的同时，对下一个施药区域的农田地块进行图像采集，以便在进入下一个施药区域前获取飞行施药参数，从而保证下一个施药区域的精准施药控制，进而保证植保无人机在每个施药区域地块准确喷施其所需的药量，实现实时精准施药；将识别分析和精准施药结合在一体，实现了“识别分析+施药”的察打一体机新方案，为植保无人机精准施药作业提供了一个新的思路。

2、在完成航线规划后，对农田地块进行施药区域划分，从而以便在识别分析和施药时能够更加精准有效，对每个施药区域单独识别分析，有利于提高施药精准度。

附图说明

图1为本发明的植保无人机精准施药实时控制方法的流程框图。

图2为单元作业模式的示意图(其中A为起始点，B为结束点)。

图3为己字形飞行航线及施药区域划分示意图。

图4为植保无人机施药作业时的示意图。

图5为第三作业模式时植保无人机的飞行速度与飞行距离的关系坐标图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步描述，但本发明的实施方式不仅限于此。

参见图1-图5，本实施例的植保无人机精准施药实时控制方法，包括以下步骤：

(1)根据待施药的农田地块进行飞行航线规划；本实施例中，将己字形航线作为飞行航线，采用己字形航线作为飞行航线，以便对大面积的农田地块进行航空施药。与此同时，设定一个单元作业模式，植保无人机根据所述单元作业模式对农田地块进行施药作业，所述单元作业模式的设定具体为：植保无人机由起始点A直线飞行至结束点B，所述起始点A和结束点B之间根据预设间距设定多个施药区域，其中施药区域的长度为D，宽度为W。先通过单元作业模式的设定，以便将该单元作业模式应用至飞行航线中，通过多个单元作业模式组合形成飞行航线的作业模式，简化在飞行航线上划分施药区域的分析和计算，并且有利于提高划分精度。

(2)根据规划好的飞行航线以及预设的单元作业模式，对将单元作业模式应用至己字形航线中，使得己字形航线中具有多个平行设置的单元作业模式。

(3)植保无人机根据飞行航线，逐一对施药区域进行农药喷施；植保无人机在对前一个施药区域进行施药作业过程中，当植保无人机相隔下一个施药区域在预设距离时，植保无人机上的图像采集装置对下一个施药区域的农田地块进行图像采集，并传输至图像处理模块中；图像处理模块经过分析处理后得出下一个施药区域的病虫害程度信息，且发送至植保无人机的控制模块中；本实施例中的预设距离为3m。

(4)植保无人机上的控制模块针对所述下一个施药区域的病虫害程度信息，在植保无人机飞行至下一个施药区域前通过分析计算获得下一个施药区域的飞行施药参数。

(5)植保无人机飞行进入下一个施药区域后，根据步骤(4)中所述的飞行施药参数进行施药作业，并返回步骤(3)，继续对下一个施药区域进行病虫害程度分析。

(6)不断重复步骤(3)-步骤(5)，直至划分的所有施药区域全部完成施药，结束该农田地块的航空施药作业。

参见图2-图3，在所述单元作业模式中，沿着植保无人机的飞行方向，所述起始点设置在第一个施药区域的后方，所述起始点与第一个施药区域的距离为3m或3m以上；植保无人机在起始点位置开始起飞，并对第一个施药区域进行图像采集和病虫害程度信息的获取，以得出第一个施药区域的飞行施药参数；植保无人机在进入第一个施药区域后，根据所述飞行施药参数进行施药作业。通过设置这样的起始点，以便植保无人机对第一个施药区域进行病虫害信息的获取，并且分析获取飞行施药参数，从而实现对第一个施药区域的精准施药。

另外，在所述单元作业模式中，沿着植保无人机的飞行方向，所述结束点设置最后一个施药区域的前方，且所述结束点与最后一个施药区域的距离为所述预设距离。通过设置这样的起始点，以便植保无人机对下一个单元作业模式中的第一个施药区域进行病虫害信息的获取，并且分析获取飞行施药参数，从而实现对施药区域的精准施药。

参见图3，本实施例中，植保无人机根据己字形航线进行飞行，植保无人机需要在第一个施药点区域前预留3米以上的距离起飞，在植保无人机飞行进入第一个施药点区域前3米距离时便对第一个施药区域的进行图像采集和分析，获取飞行施药参数。在每一次单元作业模式飞行作业时，植保无人机以其按规范允许的最大作业飞行速度Vmax为起始预设值飞向第一个施药区域，在最后一个施药区域完成作业后以Vmax的飞行至3米以外的距离，从而结束此次单元作业模式。植保无人机在进行每一次的单元作业模式过程中，在离开最后一个施药区域时，飞离最后一个施药区域3米以外的距离后，便转弯飞到下一列，开始下一次的单元作业模式。这样，结合己字形航线规划，确保植保无人机能够在每一次单元作业模式下的第一个施药区域进行图像识别，从而具有足够的时间和行程进行病虫害信息的分析以及飞行施药参数的分析获取。

本实施例中，所述飞行施药参数包括所需施药量、飞行速度以及药液喷速；同时，通过公式，

t＝L/S

V＝D/t

获取植保无人机的飞行速度及药液喷速的调控公式，

V＝D*S/L

其中，t为施药区域的所需飞行时间，L为施药区域的所需施药量，S为植保无人机搭载的施药装置的总喷速，D为施药区域的飞行距离，V为植保无人机的飞行速度；

结合以上公式，在获取得到施药区域的所需施药量L后，即可对植保无人机的飞行速度V和施药装置的喷速S进行配合作业；其中的施药区域飞行距离D为定量。

本实施例中，植保无人机在施药作业过程中包括以下作业模式：

第一作业模式，植保无人机保持以最大飞行速度Vmax飞行；作业过程中分析获取施药区域的所需施药量后，通过计算得到施药区域的施药喷速，此时的施药喷速满足S≥0且S≤Smax的条件，其中的喷速S随施药区域的所需施药量L的变化而变化。

第二作业模式，植保无人机上的施药装置保持以最大喷速Smax工作；作业过程中分析获取施药区域的所需施药量后，通过计算得到植保无人机的飞行速度，此时的飞行速度满足V≥0且V≤Vmax的条件，其中的飞行速度V随施药区域的所需施药量L的变化而变化。

参见图5，第三作业模式，当下一个施药区域的飞行施药参数无法在预设距离内完成计算时，植保无人机的飞行速度会在预设最后距离阶段进行匀减速飞行，并在下一个施药区域的边界处进行悬停，直至完成飞行施药参数的计算后，再根据飞行施药参数进行施药作业；其中，植保无人机在预设最后距离阶段进行匀减速飞行时，施药装置的喷速根据以下公式进行调控变化，

L₀＝L-L_i

S＝V_i×L₀/d

式中，L_i为已喷施的药量，通过施药装置上的流量计检测而得，L₀为剩余未喷施药量，V_i为植保无人机在预设最后距离阶段的实时飞行速度，d为预设最后距离；本实施例中，所述预设最后距离为1m，因此S＝V_i×L₀；

植保无人机在预设最后距离阶段的匀减速飞行过程中，其飞行速度根据以下公式进行调控变化：

V_i＝V_c×(3-d₁)

2≤d₁≤3

其中，V_c为植保无人机在该施药区域正常作业下的原飞行速度，d₁为在预设距离内已飞行的距离；由于预设距离为3m，因此当0≤d₁<2时，V＝V_c，植保无人机保持原飞行速度进行飞行。

本实施例中，作业开始时，以所述第一作业模式进行航空施药作业；当施药区域的所需药量L发生变化，且植保无人机以最大速度Vmax飞行无法完成该施药区域的施药时，植保无人机的飞行速度和药液喷速进行调控；当植保无人机以最大速度Vmax飞行能够完成施药区域的航空施药作业时，重新调整为所述第一作业模式。这样，尽可能地采用所述第一作业模式，有利于提高农田地块的航空施药速度，从而提高施药效率。

本实施例的植保无人机精准施药实时控制方法，能保证植保无人机在每个施药区域地块喷施其所需的药量，并在此基础上保证植保无人机以最优的效率进行作业，实现精准施药这一目的。同时，实现了“识别分析+施药”的察打一体机新方案，为植保无人机精准施药作业提供了一个新的思路。

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做的改变、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 (10)

1.一种植保无人机精准施药实时控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)根据待施药的农田地块进行飞行航线规划；

(2)根据规划好的飞行航线，对农田地块划分出多个施药区域；

(3)植保无人机根据飞行航线，逐一对施药区域进行农药喷施；植保无人机在对前一个施药区域进行施药作业过程中，当植保无人机相隔下一个施药区域在预设距离时，植保无人机上的图像采集装置对下一个施药区域的农田地块进行图像采集，并传输至图像处理模块中；图像处理模块经过分析处理后得出下一个施药区域的病虫害程度信息，且发送至植保无人机的控制模块中；

(4)植保无人机上的控制模块针对所述下一个施药区域的病虫害程度信息，在植保无人机飞行至下一个施药区域前通过分析计算获得下一个施药区域的飞行施药参数；

(5)植保无人机飞行进入下一个施药区域后，根据步骤(4)中所述的飞行施药参数进行施药作业，并返回步骤(3)，继续对下一个施药区域进行病虫害程度分析；

(6)不断重复步骤(3)-步骤(5)，直至划分的所有施药区域全部完成施药，结束该农田地块的航空施药作业。

2.根据权利要求1所述的植保无人机精准施药实时控制方法，其特征在于，在施药作业前，先设定一个单元作业模式，再将所述单元作业模式应用至飞行航线中，根据所述单元作业模式对农田地块进行施药作业；所述单元作业模式的设定具体为：植保无人机由起始点直线飞行至结束点，所述起始点和结束点之间根据预设间距设定多个施药区域。

3.根据权利要求2所述的植保无人机精准施药实时控制方法，其特征在于，在所述单元作业模式中，沿着植保无人机的飞行方向，所述起始点设置在第一个施药区域的后方，所述起始点与第一个施药区域的距离为所述预设距离；植保无人机在起始点位置开始起飞，并对第一个施药区域进行图像采集和病虫害程度信息的获取，以得出第一个施药区域的飞行施药参数；植保无人机在进入第一个施药区域后，根据所述飞行施药参数进行施药作业。

4.根据权利要求3所述的植保无人机精准施药实时控制方法，其特征在于，在所述单元作业模式中，沿着植保无人机的飞行方向，所述结束点设置最后一个施药区域的前方，且所述结束点与最后一个施药区域的距离为所述预设距离。

5.根据权利要求1所述的植保无人机精准施药实时控制方法，其特征在于，步骤(1)中，根据待施药的农田地块，规划己字形航线作为飞行航线。

6.根据权利要求1所述的植保无人机精准施药实时控制方法，其特征在于，所述飞行施药参数包括所需施药量、飞行速度以及药液喷速；同时，通过公式，

t＝L/S

V＝D/t

获取植保无人机的飞行速度及药液喷速的调控公式，

V＝D*S/L

其中，t为施药区域的所需飞行时间，L为施药区域的所需施药量，S为植保无人机搭载的施药装置的总喷速，D为施药区域的飞行距离，V为植保无人机的飞行速度；

结合以上公式，在获取得到施药区域的所需施药量L后，即可对植保无人机的飞行速度V和施药装置的喷速S进行配合作业。

7.根据权利要求6所述的植保无人机精准施药实时控制方法，其特征在于，植保无人机在施药作业过程中包括以下作业模式：

第一作业模式，植保无人机保持以最大飞行速度Vmax飞行；作业过程中分析获取施药区域的所需施药量后，通过计算得到施药区域的施药喷速，此时的施药喷速满足S≥0且S≤Smax的条件，其中的喷速S随施药区域的所需施药量L的变化而变化；

第二作业模式，植保无人机上的施药装置保持以最大喷速Smax工作；作业过程中分析获取施药区域的所需施药量后，通过计算得到植保无人机的飞行速度，此时的飞行速度满足V≥0且V≤Vmax的条件，其中的飞行速度V随施药区域的所需施药量L的变化而变化。

8.根据权利要求7所述的植保无人机精准施药实时控制方法，其特征在于，作业开始时，以所述第一作业模式进行航空施药作业；当施药区域的所需药量L发生变化，且植保无人机以最大速度Vmax飞行无法完成该施药区域的施药时，植保无人机的飞行速度和药液喷速进行调控；当植保无人机以最大速度Vmax飞行能够完成施药区域的航空施药作业时，重新调整为所述第一作业模式。

9.根据权利要求7或8所述的植保无人机精准施药实时控制方法，其特征在于，当下一个施药区域的飞行施药参数无法在预设距离内完成计算时，植保无人机的飞行速度会在预设最后距离阶段进行匀减速飞行，并在下一个施药区域的边界处进行悬停，直至完成飞行施药参数的计算后，再根据飞行施药参数进行施药作业；其中，植保无人机在预设最后距离阶段进行匀减速飞行时，施药装置的喷速根据以下公式进行调控变化，

L₀＝L-L_i

S＝V_i×L₀/d

式中，L_i为已喷施的药量，通过施药装置上的流量计检测而得，L₀为剩余未喷施药量，V_i为植保无人机在预设最后距离阶段的实时飞行速度，d为预设最后距离。

10.根据权利要求1所述的植保无人机精准施药实时控制方法，其特征在于，所述预设距离为3m。

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