量的映射關(guān)系。
[0075] 本實(shí)施方式獲得灌溉量ul的方式為：
[0076] ul =λρ · APd+Ahs · AHsd+Xha · AHad+Xts · ATsd+Xta · ATad;
[0077] λρ為平均降雨量系數(shù)，Ahs為土壤濕度系數(shù)，A ha為空氣濕度系數(shù);Ats為土壤溫度差 值，Ata為空氣溫度差值；
[0078] 平均降雨量差值:APd = Po-Pm ; P。為數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)的相平均降水量，Pm為相應(yīng)時(shí)間 內(nèi)采集點(diǎn)的平均降水量；
[0079] 土壤濕度差值:AHsd = Hscl-Hsm; Hs。為數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)的土壤濕度，Hsm為采集點(diǎn)的土 壤濕度；
[0080] 空氣濕度差值:八心=&。-!1_;&。為數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)的空氣濕度，!1_為采集點(diǎn)的空 氣濕度；
[0081 ] 土壤溫度差值:ATsd = Tso-Tsm; Ts。為數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)的土壤濕度，Tsm為采集點(diǎn)的土 壤濕度；
[0082]空氣溫度差值:八^二^^^為數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)的空氣濕度工觀為采集點(diǎn)的空 氣濕度。
[0083]本實(shí)施方式獲得灌溉量u2的方式為：
[0084] π2=λιΔΡι+λ2ΔΡ2+λ3ΔΡ3
[0085] 1:為二氧化碳濃度系數(shù)，λ2為光照強(qiáng)度系數(shù)，λ3為ΝΡΚ系數(shù)；
[0086] ΛΡ:為數(shù)據(jù)庫(kù)中二氧化碳濃度與采集點(diǎn)的二氧化碳濃度的差值，ΛΡ2為數(shù)據(jù)庫(kù)中 光照強(qiáng)度與采集點(diǎn)的光照強(qiáng)度的差值，高光譜相機(jī)可以拍攝到農(nóng)作物發(fā)出的高光譜信息， 由于ΝΡΚ(營(yíng)養(yǎng)主要元素)的光譜不同，可以通過分析光譜，定量的分析出農(nóng)作物ΝΡΚ含量，所 以根據(jù)農(nóng)作物生長(zhǎng)信息能夠獲得農(nóng)作物的Ν/Ρ/Κ的含量，ΛΡ 3為數(shù)據(jù)庫(kù)中Ν/Ρ/Κ的含量與采 集點(diǎn)的Ν/Ρ/Κ的含量的差值；
[0087] 本實(shí)施方式中的信息采集模塊還包括GSM/GPRS模塊，用于將灌溉施肥指令發(fā)送到 用戶手機(jī)上。用戶實(shí)時(shí)就能掌握該區(qū)域的農(nóng)作物需要如何施肥灌溉。
[0088] 本實(shí)施方式中的飛行控制器采用四旋翼飛行器，四旋翼是一種共軸蝶式飛行器， 結(jié)構(gòu)緊湊，能產(chǎn)生較大的升力，無(wú)需反扭矩槳。四旋翼是典型的欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，控制難度高，但 其垂直起降，全方位運(yùn)行的優(yōu)點(diǎn)。本實(shí)施方式中，使用兩個(gè)環(huán)路對(duì)飛行器進(jìn)行控制，內(nèi)環(huán)路 主要控制四旋翼姿態(tài)，外環(huán)路控制四旋翼軌跡。四旋翼外環(huán)路從地面站獲得規(guī)劃好的軌跡， 并在每個(gè)節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)換為飛行器期望的姿態(tài)送入內(nèi)環(huán)路，這個(gè)節(jié)點(diǎn)包含了時(shí)間節(jié)點(diǎn)與空間節(jié)點(diǎn) 兩層含義。內(nèi)環(huán)路利用慣性傳感器，對(duì)飛行器姿態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，獲得偏離值，再利用控制算法 對(duì)飛行器姿態(tài)進(jìn)行調(diào)節(jié)，如圖2所示。
[0089] 本實(shí)施方式的飛行控制器包括主控制器、姿態(tài)模塊、GPS模塊、無(wú)線通信模塊和調(diào) 速系統(tǒng)；
[0090]無(wú)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)；
[0091] 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；
[0092] 姿態(tài)模塊，對(duì)無(wú)人機(jī)姿態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，獲得偏離值；
[0093] 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(wú)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(wú)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)；
[0094] 調(diào)速系統(tǒng)，根據(jù)飛行控制信號(hào)，控制無(wú)人機(jī)飛行。
[0095]四旋翼飛行器的數(shù)學(xué)模型包括：
[0096]在無(wú)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：
[0097] vn=Cvb
[0098] wn=Twb
[0099] 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(wú)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(wú)人機(jī)機(jī)體坐標(biāo)系中的角速度Wb;
[0100] 無(wú)人機(jī)螺旋槳槳葉擬合的曲線為：
[0101] Fi = 6.7x-5.36
[0102]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；
[0103] 無(wú)人機(jī)高度的數(shù)學(xué)模型為： F2 - mg = ma dv _ F2 - mg
[0104] dt m. dt m
[0105] 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。
[0106] 無(wú)人機(jī)三軸角度的數(shù)學(xué)模型為： {?(〇
[0107] Τ = .Ι - =Ι\? dt d〇： CO =-- dt
[0108] dt 3
[0109]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。
[0110]本實(shí)施方式中主控制器采用芯片STM32F407,姿態(tài)模塊采用芯片BMX055,為9軸慣 性傳感器(陀螺儀、加速度計(jì)、電子羅盤）。并設(shè)置冗余電子羅盤HMC5883。本實(shí)施方式飛行器 內(nèi)環(huán)路控制頻率為300hz，外環(huán)路頻率為50hz。本實(shí)施方式使用內(nèi)外環(huán)路控制，可以有效的 調(diào)節(jié)飛行器姿態(tài)。
[0111] 本實(shí)施方式旨在低空監(jiān)測(cè)農(nóng)作物生長(zhǎng)情況，并且得出農(nóng)作物生長(zhǎng)情況和即時(shí)灌溉 施肥控制指令。設(shè)計(jì)的地面站和飛行控制器，極大的降低了飛行器成本，使用矢量旋轉(zhuǎn)與插 值方法測(cè)量飛行器角度，可以穩(wěn)定的測(cè)量飛行器姿態(tài)，使用基于KF的PID控制器，可以有效 控制姿態(tài)，使用Dubin Path進(jìn)行路徑規(guī)劃，可以在最小的路徑下，提取最大的信息量。
[0112] 使用飛行器機(jī)載農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境監(jiān)測(cè)傳感器和高光譜相機(jī)，以及SD卡，有效的對(duì) 數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、存儲(chǔ)，使用GSM網(wǎng)絡(luò)發(fā)送短信的方式，可以以最小的成本獲取農(nóng)作物生長(zhǎng)信 息和灌溉施肥參考信息。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種微小型無(wú)人機(jī)農(nóng)作物信息獲取與施肥灌概監(jiān)測(cè)裝置，其特征在于，所述裝置包 括信息采集模塊、地面?zhèn)鞲衅?、?shù)據(jù)庫(kù)、地面站和無(wú)人機(jī);所述信息采集模塊安裝在無(wú)人機(jī) 上； 地面站，用于對(duì)待測(cè)農(nóng)作物區(qū)域進(jìn)行GPS標(biāo)定，獲得經(jīng)締度地圖；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)鞲衅饕策M(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(zhǎng)信息和±壤指標(biāo)與數(shù)據(jù)庫(kù)中相 應(yīng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，獲得施肥灌概指令； 數(shù)據(jù)庫(kù)，用于存儲(chǔ)之前產(chǎn)量最優(yōu)年份對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)； 地面?zhèn)鞲衅鳎O(shè)置在待測(cè)農(nóng)作物區(qū)域，用于測(cè)量±壤指標(biāo)； 無(wú)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(wú) 人機(jī)飛行，當(dāng)無(wú)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)； 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(zhǎng)信息。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的微小型無(wú)人機(jī)農(nóng)作物信息獲取與施肥灌概監(jiān)測(cè)裝置，其特征 在于，所述數(shù)據(jù)庫(kù)W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(zhǎng)信息和±壤指標(biāo)。3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的微小型無(wú)人機(jī)農(nóng)作物信息獲取與施肥灌概監(jiān)測(cè)裝置，其特 征在于，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)； 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)； 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； 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； 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； 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； 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(zhǎng)信息； AD對(duì)莫塊，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)。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的微小型無(wú)人機(jī)農(nóng)作物信息獲取與施肥灌概監(jiān)測(cè)裝置，其特征 在于，所述飛行控制器包括主控制器、姿態(tài)模塊、GPS模塊、無(wú)線通信模塊和調(diào)速系統(tǒng)； 無(wú)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)； 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； 姿態(tài)模塊，對(duì)無(wú)人機(jī)姿態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，獲得偏離值； 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(wú)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(wú)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)； 調(diào)速系統(tǒng)，根據(jù)飛行控制信號(hào)，控制無(wú)人機(jī)飛行。5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的微小型無(wú)人機(jī)農(nóng)作物信息獲取與施肥灌概監(jiān)測(cè)裝置，其特征 在于，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： 在無(wú)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： Vn = Cvb Wn = 了 Wb 其中，C為合成旋轉(zhuǎn)矩陣，Τ為歐拉旋轉(zhuǎn)矩陣，導(dǎo)航坐標(biāo)系中的線速度Vn，無(wú)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(wú)人機(jī)機(jī)體坐標(biāo)系中的角速度Wb ; 無(wú)人機(jī)螺旋獎(jiǎng)獎(jiǎng)葉擬合的曲線為： Fi = 6.7x-5.36 其中，螺旋獎(jiǎng)的反作用力Fi單位為N/10,速度X的單位為轉(zhuǎn)/秒； 無(wú)人機(jī)高度的數(shù)學(xué)模型為： F2_m 邑=ma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。 無(wú)人機(jī)Ξ軸角度的數(shù)學(xué)模型為：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。6. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的微小型無(wú)人機(jī)農(nóng)作物信息獲取與施肥灌概監(jiān)測(cè)裝置，其特征 在于，所述監(jiān)測(cè)裝置還包括GSM/GPRS模塊； GSM/GPRS模塊，用于將灌概施肥指令發(fā)送到用戶手機(jī)上。
【專利摘要】微小型無(wú)人機(jī)農(nóng)作物信息獲取與施肥灌溉監(jiān)測(cè)裝置，屬于農(nóng)作物監(jiān)測(cè)技術(shù)領(lǐng)域。為了解決現(xiàn)有農(nóng)作物監(jiān)測(cè)存在成本高且可靠性差的問題。本發(fā)明包括信息采集模塊、地面?zhèn)鞲衅?、?shù)據(jù)庫(kù)、地面站和無(wú)人機(jī)；地面站對(duì)待測(cè)農(nóng)作物區(qū)域，進(jìn)行規(guī)劃航線和設(shè)定信息采集點(diǎn)；無(wú)人機(jī)的飛行控制器根據(jù)規(guī)劃航線控制無(wú)人機(jī)飛行，當(dāng)無(wú)人機(jī)到達(dá)信息采集點(diǎn)處，信息采集模塊對(duì)信息采集點(diǎn)空氣指標(biāo)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(zhǎng)信息；數(shù)據(jù)庫(kù)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?zhèn)鞲衅髟O(shè)置在待測(cè)農(nóng)作物區(qū)域，用于測(cè)量土壤指標(biāo)；地面站根據(jù)在相應(yīng)信息采集點(diǎn)的空氣指標(biāo)、農(nóng)作物生長(zhǎng)信息和土壤指標(biāo)與數(shù)據(jù)庫(kù)中相應(yīng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，獲得施肥灌溉指令。
【IPC分類】G01D21/02, G05D1/10, G01N21/84
【公開號(hào)】CN105547366
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201511028146
【發(fā)明人】崔天時(shí), 呂信超, 張楨, 李格倫, 李秋實(shí), 張志超, 馮兆宇, 胡亮亮
【申請(qǐng)人】東北農(nóng)業(yè)大學(xué)
【公開日】2016年5月4日
【申請(qǐng)日】2015年12月30日