微小型無人機(jī)農(nóng)作物信息獲取與施肥灌溉指導(dǎo)裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于農(nóng)作物監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種微小型無人機(jī)農(nóng)作物信息獲取與 施肥灌溉監(jiān)測裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 人工采樣，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出農(nóng)作物長勢情況。這種方式下，需要人工手持一些 采樣終端，如測量土壤溫濕度、農(nóng)作物長勢情況，并一一記錄，將數(shù)據(jù)統(tǒng)一進(jìn)行登錄，然后做 出相關(guān)曲線，與經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，得出結(jié)果。這種方法的缺陷不言而喻，浪費(fèi)大量的人力 物力，不具有實(shí)時(shí)性，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)(例如看農(nóng)作物長勢來得出農(nóng)作物營養(yǎng)情況)來判斷，誤差很 大。
[0003] 鋪設(shè)采樣網(wǎng)絡(luò)，采用有線的模式，或者無線的模式，將各種傳感器定點(diǎn)鋪設(shè)在農(nóng)田 中，這種方法的缺陷是需要大量的傳感器和布線，而且對(duì)于農(nóng)作物的養(yǎng)分情況，無法進(jìn)行判 另IJ。需要定期對(duì)傳感器進(jìn)行校正，任務(wù)量大。
[0004] 大型無人機(jī)遙感，目前有些廠商或科研機(jī)構(gòu)推出了一些解決方案，如固定翼無人 機(jī)運(yùn)用遙感，對(duì)農(nóng)田進(jìn)行監(jiān)測，這種方法最大的弊端是成本高，一般的農(nóng)場或農(nóng)墾局并不能 接受。另外，使用遙感技術(shù)，高空取證，可信賴度大大降低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有采用大型無人機(jī)遙感進(jìn)行農(nóng)作物監(jiān)測存在成本高 且可靠性差的問題，本發(fā)明提供一種微小型無人機(jī)農(nóng)作物信息獲取與施肥灌溉監(jiān)測裝置。
[0006] 本發(fā)明的微小型無人機(jī)農(nóng)作物信息獲取與施肥灌溉監(jiān)測裝置，所述裝置包括信息 采集模塊、地面?zhèn)鞲衅?、?shù)據(jù)庫、地面站和無人機(jī);所述信息采集模塊安裝在無人機(jī)上；
[0007] 地面站，用于對(duì)待測農(nóng)作物區(qū)域進(jìn)行GPS標(biāo)定，獲得經(jīng)煒度地圖；根據(jù)地圖，進(jìn)行規(guī) 劃航線和設(shè)定信息采集點(diǎn)，當(dāng)信息采集模塊進(jìn)行采集時(shí)，控制相應(yīng)采集點(diǎn)的地面?zhèn)鞲衅饕?進(jìn)行采集;根據(jù)在相應(yīng)信息采集點(diǎn)采集的空氣指標(biāo)、農(nóng)作物生長信息和土壤指標(biāo)與數(shù)據(jù)庫 中相應(yīng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，獲得施肥灌溉指令；
[0008] 數(shù)據(jù)庫，用于存儲(chǔ)之前產(chǎn)量最優(yōu)年份對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)；
[0009] 地面?zhèn)鞲衅?，設(shè)置在待測農(nóng)作物區(qū)域，用于測量土壤指標(biāo)；
[0010]無人機(jī)的飛行控制器，根據(jù)規(guī)劃的航線和設(shè)定的信息采集點(diǎn)，根據(jù)規(guī)劃的航線控 制無人機(jī)飛行，當(dāng)無人機(jī)到達(dá)設(shè)定的信息采集點(diǎn)處，發(fā)送采集控制信號(hào)；
[0011]信息采集模塊，根據(jù)采集控制信號(hào)，獲得相應(yīng)信息采集點(diǎn)的空氣指標(biāo)，同時(shí)對(duì)該信 息采集點(diǎn)的農(nóng)作物高光譜拍照，獲得農(nóng)作物的生長信息。
[0012] 所述數(shù)據(jù)庫以采集數(shù)據(jù)的時(shí)間、地點(diǎn)和變量為坐標(biāo)，所述變量為采集的空氣指標(biāo)、 農(nóng)作物生長信息和土壤指標(biāo)。
[0013] 所述信息采集模塊包括采集控制器、溫度傳感器、濕度傳感器、光照傳感器、二氧 化碳傳感器、ADC模塊和高光譜成像系統(tǒng)；
[0014] 采集控制器，根據(jù)采集控制信號(hào)，發(fā)送工作控制信號(hào)；
[0015] 溫度傳感器，當(dāng)接收到工作控制信號(hào)，采集該采集點(diǎn)農(nóng)作物的周圍空氣中的溫度；
[0016] 濕度傳感器，當(dāng)接收到工作控制信號(hào)，采集該采集點(diǎn)農(nóng)作物的周圍空氣中的濕度；
[0017] 光照傳感器，當(dāng)接收到工作控制信號(hào)，采集該采集點(diǎn)農(nóng)作物的所受光照強(qiáng)度；
[0018] 二氧化碳傳感器，當(dāng)接收到工作控制信號(hào)，采集該采集點(diǎn)農(nóng)作物的周圍空氣中的 二氧化碳濃度；
[0019] 高光譜成像系統(tǒng)，當(dāng)接收到工作控制信號(hào)，對(duì)采集點(diǎn)農(nóng)作物進(jìn)行拍照，并根據(jù)拍攝 的照片，獲得農(nóng)作物的生長信息；
[0020] ADC模塊，將采集的溫度和二氧化碳濃度從模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。
[0021] 所述飛行控制器包括主控制器、姿態(tài)模塊、GPS模塊、無線通信模塊和調(diào)速系統(tǒng)；
[0022] 無線通信模塊，用于與地面站交換數(shù)據(jù)，接收規(guī)劃的航線和設(shè)定的信息采集點(diǎn)；
[0023] GPS模塊，用于感應(yīng)地面規(guī)劃的航線的節(jié)點(diǎn)，并接收節(jié)點(diǎn)信息，所述節(jié)點(diǎn)信息包括 時(shí)間節(jié)點(diǎn)信息與空間節(jié)點(diǎn)信息；
[0024] 姿態(tài)模塊，對(duì)無人機(jī)姿態(tài)進(jìn)行檢測，獲得偏離值；
[0025] 主控制器，用于根據(jù)規(guī)劃的航線，發(fā)送飛行控制信號(hào)，當(dāng)?shù)竭_(dá)航線的節(jié)點(diǎn)，將節(jié)點(diǎn) 信息轉(zhuǎn)換為無人機(jī)期望的姿態(tài)，根據(jù)所述姿態(tài)發(fā)送飛行控制信號(hào)，同時(shí)發(fā)送采集控制信號(hào)； 還用于根據(jù)獲得的偏離值，利用控制算法獲得無人機(jī)姿態(tài)的調(diào)節(jié)量，根據(jù)所述調(diào)節(jié)量，發(fā)送 飛行控制信號(hào)；
[0026] 調(diào)速系統(tǒng)，根據(jù)飛行控制信號(hào)，控制無人機(jī)飛行。
[0027] 所述飛行控制器為四旋翼飛行器，該四旋翼飛行器的數(shù)學(xué)模型包括：
[0028] 在無人機(jī)機(jī)體坐標(biāo)系中的角速度和線速度通過轉(zhuǎn)換矩陣轉(zhuǎn)換到導(dǎo)航坐標(biāo)系中：
[0029] vn=Cvb
[0030] wn=Twb
[0031] 其中，C為合成旋轉(zhuǎn)矩陣，T為歐拉旋轉(zhuǎn)矩陣，導(dǎo)航坐標(biāo)系中的線速度vn，無人機(jī)機(jī) 體坐標(biāo)系中的線速度 Vb，導(dǎo)航坐標(biāo)系中的角速度Wn，無人機(jī)機(jī)體坐標(biāo)系中的角速度Wb;
[0032] 無人機(jī)螺旋槳槳葉擬合的曲線為：
[0033] Fi = 6.7x-5.36
[0034]其中，螺旋槳的反作用力Fi單位為N/10,速度X的單位為轉(zhuǎn)/秒；
[0035]無人機(jī)高度的數(shù)學(xué)模型為： F, - mg ~ ma dv _ F2 - mg
[0036] dt m d2h _ Fz-mg -：--- dt m
[0037] 其中F2為電機(jī)提供的升力，v為上升速度，h為上升高度，g為重力加速度。
[0038]無人機(jī)三軸角度的數(shù)學(xué)模型為：
[0039] T = .J- = F；1 dt
[0040] J dt 3
[0041 ]其中T為轉(zhuǎn)動(dòng)扭矩，ω是轉(zhuǎn)動(dòng)角速度，F(xiàn)為電機(jī)產(chǎn)生的力，α為轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，1為兩電 機(jī)距離，J為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。
[0042] 所述監(jiān)測裝置還包括GSM/GPRS模塊；
[0043] GSM/GPRS模塊，用于將灌溉施肥指令發(fā)送到用戶手機(jī)上。
[0044] 本發(fā)明的有益效果在于，采用地面站對(duì)飛行控制器進(jìn)行路線規(guī)劃，自動(dòng)在設(shè)定采 集點(diǎn)采集，獲得采集點(diǎn)的農(nóng)作物生長環(huán)境參數(shù)，還通過高光譜相機(jī)獲得農(nóng)墾區(qū)內(nèi)農(nóng)作物營 養(yǎng)狀況。采用小型無人機(jī)成本低且結(jié)構(gòu)簡單易控制，采集的信息參考近年內(nèi)年產(chǎn)量最高年 份的環(huán)境參數(shù)，設(shè)置施肥灌溉指令，增強(qiáng)可靠性，保證產(chǎn)量。
【附圖說明】
[0045] 圖1為【具體實(shí)施方式】中微小型無人機(jī)農(nóng)作物信息獲取與施肥灌溉監(jiān)測裝置的原理 示意圖。
[0046] 圖2為【具體實(shí)施方式】中飛行控制器的原理示意圖。
[0047]圖3為【具體實(shí)施方式】中信息采集模塊的原理示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0048] 結(jié)合圖1-圖3說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式所述的微小型無人機(jī)農(nóng)作物信息獲取 與施肥灌溉監(jiān)測裝置，所述裝置包括信息采集模塊、地面?zhèn)鞲衅鳌?shù)據(jù)庫、地面站和無人機(jī)， 如圖1所示;所述信息采集模塊安裝在無人機(jī)上;地面站對(duì)待測農(nóng)作物區(qū)域進(jìn)行GPS標(biāo)定，獲 得經(jīng)煒度地圖；根據(jù)地圖，進(jìn)行規(guī)劃航線和設(shè)定信息采集點(diǎn);無人機(jī)的飛行控制器根據(jù)規(guī)劃 的航線控制無人機(jī)飛行，當(dāng)無人機(jī)到達(dá)設(shè)定的信息采集點(diǎn)處，信息采集模塊對(duì)相應(yīng)信息采 集點(diǎn)空氣中的溫度、濕度、光照強(qiáng)度和二氧化碳濃度進(jìn)行采集，同時(shí)對(duì)該信息采集點(diǎn)的農(nóng)作 物高光譜拍照，獲得農(nóng)作物的生長信息;數(shù)據(jù)庫中存儲(chǔ)之前產(chǎn)量最優(yōu)年份對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù);地面 傳感器設(shè)置在待測農(nóng)作物區(qū)域，用于測量土壤中的溫度和濕度；
[0049] 本實(shí)施方式中的所述信息采集模塊包括采集控制器、溫度傳感器、濕度傳感器、光 照傳感器、二氧化碳傳感器、ADC模塊和高光譜成像系統(tǒng)；
[0050] 采集控制器，根據(jù)采集控制信號(hào)，發(fā)送工作控制信號(hào)；
[0051] 溫度傳感器，當(dāng)接收到工作控制信號(hào)，采集該采集點(diǎn)農(nóng)作物的周圍空氣中的溫度；
[0052] 濕度傳感器，當(dāng)接收到工作控制信號(hào)，采集該采集點(diǎn)農(nóng)作物的周圍空氣中的濕度； [0053]光照傳感器，當(dāng)接收到工作控制信號(hào)，采集該采集點(diǎn)農(nóng)作物的所受光照強(qiáng)度；
[0054]二氧化碳傳感器，當(dāng)接收到工作控制信號(hào)，采集該采集點(diǎn)農(nóng)作物的周圍空氣中的 二氧化碳濃度；
[0055]高光譜成像系統(tǒng)，當(dāng)接收到工作控制信號(hào)，對(duì)采集點(diǎn)農(nóng)作物進(jìn)行拍照，并根據(jù)拍攝 的照片，獲得農(nóng)作物的生長信息；
[0056] ADC模塊，將采集的溫度和二氧化碳濃度從模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。
[0057] 本實(shí)施方式中的數(shù)據(jù)庫以采集數(shù)據(jù)的時(shí)間、地點(diǎn)和變量為坐標(biāo)，所述變量為采集 的空氣指標(biāo)、農(nóng)作物生長信息和土壤指標(biāo)；
[0058] 本實(shí)施方式的農(nóng)作物灌溉施肥指導(dǎo)裝置的意圖在于，采集確定的時(shí)間和地點(diǎn)的農(nóng) 作物信息情況，然后和最優(yōu)產(chǎn)量年份的信息進(jìn)行比較，從而得出想要的指導(dǎo)信息。故需要一 個(gè)數(shù)據(jù)庫，來存儲(chǔ)產(chǎn)量最優(yōu)年份的相關(guān)信息；
[0059] (1)數(shù)據(jù)庫的存儲(chǔ)
[0060]數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)在32G的SD卡中，存儲(chǔ)的坐標(biāo)為時(shí)間、地點(diǎn)和變量，所以是一個(gè)立體數(shù) 據(jù)庫。
[0061 ]其中：時(shí)間量，精確到天數(shù)。
[0062]地點(diǎn)，為經(jīng)煒度坐標(biāo)系，精確到百米。
[0063]變量:空氣中的濕度、溫度、二氧化碳濃度、光照強(qiáng)度、農(nóng)作物的生長信息、土壤溫 度和土壤濕度。
[0064]在SD卡的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)中，采集點(diǎn)的地點(diǎn)采用經(jīng)煒度的方式表示，經(jīng)煒度被畫成了網(wǎng) 格狀，只有在網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)上，才有對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)。所以在后續(xù)對(duì)比的過程中，需要將測得經(jīng)煒度 轉(zhuǎn)移到與之最近的節(jié)點(diǎn)上。實(shí)際試驗(yàn)證明，這樣的誤差，并不會(huì)因過大而失去指導(dǎo)意義。 [0065]在SD卡中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，每一個(gè)年份，只有73組數(shù)據(jù)，也就是每五天有一組數(shù)據(jù)。所 以在日期的比對(duì)的時(shí)候，要與日期最近的進(jìn)行匹配，這樣，指導(dǎo)數(shù)據(jù)的誤差在3天以內(nèi)，試驗(yàn) 證實(shí)，這樣的誤差，不會(huì)因?yàn)檫^大而失去指導(dǎo)意義。
[0066] (2)數(shù)據(jù)庫的更新
[0067] 在初次使用，應(yīng)至少收集5個(gè)年份數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，選出一個(gè)年份的作為 最優(yōu)數(shù)據(jù)。然后根據(jù)后續(xù)數(shù)據(jù)，進(jìn)行比對(duì)后存儲(chǔ)，若當(dāng)年，產(chǎn)量優(yōu)于往年，則摒棄往年數(shù)據(jù)， 更新數(shù)據(jù)庫，否則不更新數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)庫應(yīng)有一定的地域界限，在不同的地域內(nèi)，可以將數(shù) 據(jù)存儲(chǔ)在不同的SD卡中。
[0068] 最后，地面站根據(jù)在相應(yīng)信息采集點(diǎn)采集的空氣指標(biāo)、農(nóng)作物生長信息和土壤指 標(biāo)與數(shù)據(jù)庫中相應(yīng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，獲得施肥灌溉指令。
[0069] 獲得灌溉施肥指令的具體過程包括：
[0070] 根據(jù)實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)的時(shí)間和地點(diǎn)，調(diào)取和這個(gè)時(shí)間點(diǎn)和地點(diǎn)對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)庫中存 儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，作為參考量
[0071] 統(tǒng)一各個(gè)采集數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)單位后，將采集的各項(xiàng)數(shù)據(jù)和對(duì)應(yīng)參考數(shù)據(jù)取差值，作 為偏差量；
[0072] 將各個(gè)偏差量輸入灌溉施肥指導(dǎo)函數(shù)，函數(shù)表示為：
[0073] u = f ( Δ a, Δ b, Ac......)
[0074] 其中u是輸出量，如施肥的比例，灌溉量等指導(dǎo)信息。Aa，Ab，Ac......是各項(xiàng)數(shù) 據(jù)的偏差量;f是采集的各項(xiàng)數(shù)據(jù)與輸出