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原文传递一种植保无人机农药精准喷施系统及喷施方法

专利名称：	一种植保无人机农药精准喷施系统及喷施方法
摘要：	本发明公开了一种植保无人机农药精准喷施系统及喷施方法，该植保无人机上设有子机机器视觉摄像装置、图像识别控制器，图像识别控制器根据该区域虫害严重等级分类的先验标定图片进行分类，然后根据实时采集的图片分类信息重新调整喷施装置的喷施量，从而实现农药的精准喷施。大田作物的病虫害图形特征明显，在植保无人机农药精准喷施前，可采用无人机对喷施区域进行病虫害采样，并人工标定成为先验知识，无人机可以根据规划的喷施路线进行分类作业。本方案喷施控制方法的喷施量根据飞机飞行的高度、飞行的速度自动调整农药的喷施量，采用图像识别的分级喷施策略可以大幅度降低农药的喷施量。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	江苏;32
申请人：	江苏农林职业技术学院
发明人：	严方;冯祥;胡居凯;刘晓宇;赵中营
专利状态：	有效
申请日期：	2019-06-14T00:00:00+0800
发布日期：	2019-09-27T00:00:00+0800
申请号：	CN201910514464.7
公开号：	CN110282135A
代理机构：	南京苏高专利商标事务所(普通合伙)
代理人：	李凤娇
分类号：	B64D1/18(2006.01);B;B64;B64D;B64D1
申请人地址：	212400 江苏省镇江市句容市文昌东路19号
主权项：	1.一种植保无人机农药精准喷施系统，包括植保无人机、图像采集无人机和地面控制主站；其特征在于：所述图像采集无人机用于采集图像信息并将图像信息实时传递到地面控制主站，地面控制主站利用图像采集无人机采集的图像信息建立或检验植保无人机喷施前的病虫害程度匹对样本库；所述地面控制主站用于将病虫害程度匹对样本库下载至植保无人机子机上，所述植保无人机子机通过将视觉摄像装置采集的辨识图像与病虫害程度匹对样本库进行对比进行病害程度识别，并将采集的辨识图像传输至地面控制主站；地面控制主站将飞行基础数据写入主机控制器；所述植保无人机上包括主机和子机；所述主机包括主机控制器、泵，所述主机控制器用于植保无人机飞控和泵喷施控制；所述子机包括子机控制器、视觉摄像装置；所述子机控制器控制视觉摄像装置进行辨识图像采集，并进行病害程度识别；所述主机控制器与子机控制器连接，并将飞行基础数据写入子机控制器；所述子机控制器将病害辨识结果传输至主机控制器，主机控制器根据病害辨识结果进行泵喷施控制。 2.根据权利要求1所述的植保无人机农药精准喷施系统，其特征在于：所述植保无人机子机通过伸缩杆与植保无人机主机连接。 3.根据权利要求2所述的植保无人机农药精准喷施系统，其特征在于：所述伸缩杆上安装有一个总线式倾角传感器，所述总线式倾角传感器用于检测所述子机和主机之间的倾角。 4.根据权利要求1所述的植保无人机农药精准喷施系统，其特征在于：所述图像采集无人机、主机控制器、子机控制器与地面控制主站采用WIFI通讯。 5.根据权利要求1所述的植保无人机农药精准喷施系统，其特征在于：所述子机控制器作为主机控制器的一个MODBUS RTU从站，采用MODBUS RTU协议传递病虫害识别程度数据。 6.根据权利要求1所述的植保无人机农药精准喷施系统，其特征在于：所述植保无人机上配置有标准总线接口的测速和测高装置。 7.一种植保无人机农药精准喷施系统的喷施方法，其特征在于:包括如下步骤：步骤1)采用图像采集无人机对喷施区域进行病虫害图像采集，采集后的图像传递至地面控制主站；地面控制主站根据病虫害程度对采集图像进行分类标定，并建立病虫害程度匹对样本库；步骤2)地面控制主站将病虫害程度匹对样本库下载至子机控制器上；地面控制主站将飞行基础数据下载至植保无人机主机控制器；主机控制器初始化后将飞行基础数据写入子机控制器；通过地面控制主站可以根据实际飞行状况在飞行过程中重新设定植保无人机的飞行路径和飞行高度以及飞行速度，并下载至主机控制器；步骤3)通过地面控制主站模拟发送分级喷雾指令，下载不同等级标准喷施量，调整喷嘴的位置，使得喷嘴喷施量和喷施角度合适；步骤4)启动植保无人机主机，飞行至指定喷施位置，通过地面控制主站启动喷施，同时通过地面控制主站监视植保无人机子机传递回的辨识图片；通过地面控制主站人工干预喷施过程和农药喷施等级，或者，植保无人机主机控制器采信子机控制器的辨识结果干预喷施过程和农药喷施等级。 8.根据权利要求7所述的一种植保无人机农药精准喷施系统的喷施方法，其特征在于:所述步骤1)面控制主站根据病虫害程度对采集图像进行分类标定具体方法如下：将采集图像按照无病虫害、一级病虫害、二级病虫害、三级病虫害四个分类进行标定，无病虫害、一级病虫害、二级病虫害、三级病虫害分别定义为病虫害程度0，1，2，3；每类病虫害程度至少集或定义三个样本，采用颜色直方图分析方法提取病虫害样本图形的HSI颜色直方图特征；每个样本图片的图形区域HSI颜色直方图特征提取的方法如下： S1：将标定样本图形区域按照公式(1)、(2)、(3)RGB颜色空间转换到HSI颜色空间: S＝MAX(R,G,B)-MIN(R,G,B) (2) S2:按人眼对色彩的敏感度，将H空间分为10个非等分区域，S分为4个非等分区域，I分为4个非等分区域，则整个HIS颜色空间被映射为160个区间：一维空间采用式(4)进行计算： HSI＝α1H+α2S+α3I，α1+α2+α3＝1 (4) 其中H空间、S空间、I空间的空间划分通过地面控制主站软件进行设置，α1、α2、α3的值通过地面控制主站软件进行设置；系统设置4类H空间、S空间、I空间的空间划分，4类α1、α2、α3的权重设置； S3：对程度i的j样本区域的GT值按式(5)进行直方图统计分析；在公式中k代表程度i的j样本区域图像的HIS区间取值，L是HIS区间可取值个数，L为160，nk是程度i的j样本区域图像中具有HIS区间值为k的像素的个数，N是程度i的j样本区域图像像素的总数。 9.根据权利要求7所述的一种植保无人机农药精准喷施系统的喷施方法，其特征在于：所述步骤4)子机控制器辨识过程具体步骤如下： S1：根据飞机喷施的高度h、相机的焦距f、纵向分辨率L0、横向分辨率H0以及无人机的飞行速度V、统计采样间隔时间△T，以相机成像的照片质心为中心取喷施辨识分析区域So，So像素长度和宽度分别为L1、H1，且以相机的照片质心作为中心；辨识的采样频率F设置标准是统计采样间隔时间△T，即在△T时间内的采样频率为F；无人机则根据设定的喷施的高度h和飞行速度V进行喷施；V和h参数也可以在无人机喷施过程中动态获取；R为无人机的单位高度喷施半径： L1＝fV△T/h (6) H1＝2fR (7) T＝min[L0/(fV),H0/(fV)] (8) 其中T为照片区域无人机飞过时间； S2:将喷施辨识分析区域So等分切割成N个区域，按式(9)进行直方图统计GTm(k)，m＝1,..N；比较GTm(k)与GTij(k)的相似度，采用欧式距离法(10)计算：在公式中k代表每个So区域中图像第m区域的HIS区间取值，L是HIS区间可取值个数，本案为160，nk是So区域中图像第m区域中具有HIS区间值为k的像素的个数，N是So区域中图像第m区域像素的总数； M(m,j,i)代表了So的m区域HSI颜色直方图特征与程度i的j样本的HSI颜色直方图特征匹配度；分别对第m区域的相似度M(m,j,i)进行排序，其中i为程度，i＝0,1,2,3；j为样本序号，j＝0,1,2,…,n,其中n为每类程度的样本数，选择M(m,j,i)最小值所对应的i值作为第m区域的病虫害程度，标记为I(m)； I(m)＝i\|min(M(m,j,i)) (11)。 10.根据权利要求9所述的一种植保无人机农药精准喷施系统的喷施方法，其特征在于：所述步骤4)主机控制器采信子机控制器的辨识结果干预喷施过程和农药喷施等级具体过程如下：喷施量选择:在实际喷施过程中，为了保障药效，采用保守喷施策略，即按MAX(I(m,j))，也就是识别区域最严重的病虫害程度i来进行一次辨识的喷施；单位时间内的喷施量根据无人机的标准飞行速度Vb和标准喷施半径Rb分别设定为Q0,Q1,Q2,Q3，分别对应于0-3级病虫害，将根据病虫害程度选择的标准喷施量记为Q(i)；则通过流量型蠕动泵可以对施药过程进行精确喷施：其中在蠕动泵工作压力给的情况下，喷头布置给定情况下，喷施半径与飞机实际飞行高度成正比；表示实际飞行高度，Hb计算理论喷施量的标准高度。
所属类别：	发明专利