微小型無人機農作物信息獲取與施肥灌溉指導裝置的制造方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于農作物監測技術領域，特別涉及一種微小型無人機農作物信息獲取與 施肥灌溉監測裝置。
【背景技術】
[0002] 人工采樣，根據經驗數據，得出農作物長勢情況。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、農作物長勢情況，并一一記錄，將數據統一進行登錄，然后做 出相關曲線，與經驗數據進行比對，得出結果。這種方法的缺陷不言而喻，浪費大量的人力 物力，不具有實時性，根據經驗(例如看農作物長勢來得出農作物營養情況)來判斷，誤差很 大。
[0003] 鋪設采樣網絡，采用有線的模式，或者無線的模式，將各種傳感器定點鋪設在農田 中，這種方法的缺陷是需要大量的傳感器和布線，而且對于農作物的養分情況，無法進行判 另IJ。需要定期對傳感器進行校正，任務量大。
[0004] 大型無人機遙感，目前有些廠商或科研機構推出了一些解決方案，如固定翼無人 機運用遙感，對農田進行監測，這種方法最大的弊端是成本高，一般的農場或農墾局并不能 接受。另外，使用遙感技術，高空取證，可信賴度大大降低。
【發明內容】
[0005] 本發明的目的是為了解決現有采用大型無人機遙感進行農作物監測存在成本高 且可靠性差的問題，本發明提供一種微小型無人機農作物信息獲取與施肥灌溉監測裝置。
[0006] 本發明的微小型無人機農作物信息獲取與施肥灌溉監測裝置，所述裝置包括信息 采集模塊、地面傳感器、數據庫、地面站和無人機;所述信息采集模塊安裝在無人機上；
[0007] 地面站，用于對待測農作物區域進行GPS標定，獲得經煒度地圖；根據地圖，進行規 劃航線和設定信息采集點，當信息采集模塊進行采集時，控制相應采集點的地面傳感器也 進行采集;根據在相應信息采集點采集的空氣指標、農作物生長信息和土壤指標與數據庫 中相應的數據進行對比，獲得施肥灌溉指令；
[0008] 數據庫，用于存儲之前產量最優年份對應的數據；
[0009] 地面傳感器，設置在待測農作物區域，用于測量土壤指標；
[0010]無人機的飛行控制器，根據規劃的航線和設定的信息采集點，根據規劃的航線控 制無人機飛行，當無人機到達設定的信息采集點處，發送采集控制信號；
[0011]信息采集模塊，根據采集控制信號，獲得相應信息采集點的空氣指標，同時對該信 息采集點的農作物高光譜拍照，獲得農作物的生長信息。
[0012] 所述數據庫以采集數據的時間、地點和變量為坐標，所述變量為采集的空氣指標、 農作物生長信息和土壤指標。
[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；
[0014] 采集控制器，根據采集控制信號，發送工作控制信號；
[0015] 溫度傳感器，當接收到工作控制信號，采集該采集點農作物的周圍空氣中的溫度；
[0016] 濕度傳感器，當接收到工作控制信號，采集該采集點農作物的周圍空氣中的濕度；
[0017] 光照傳感器，當接收到工作控制信號，采集該采集點農作物的所受光照強度；
[0018] 二氧化碳傳感器，當接收到工作控制信號，采集該采集點農作物的周圍空氣中的 二氧化碳濃度；
[0019] 高光譜成像系統，當接收到工作控制信號，對采集點農作物進行拍照，并根據拍攝 的照片，獲得農作物的生長信息；
[0020] ADC模塊，將采集的溫度和二氧化碳濃度從模擬信號轉換為數字信號。
[0021] 所述飛行控制器包括主控制器、姿態模塊、GPS模塊、無線通信模塊和調速系統；
[0022] 無線通信模塊，用于與地面站交換數據，接收規劃的航線和設定的信息采集點；
[0023] GPS模塊，用于感應地面規劃的航線的節點，并接收節點信息，所述節點信息包括 時間節點信息與空間節點信息；
[0024] 姿態模塊，對無人機姿態進行檢測，獲得偏離值；
[0025] 主控制器，用于根據規劃的航線，發送飛行控制信號，當到達航線的節點，將節點 信息轉換為無人機期望的姿態，根據所述姿態發送飛行控制信號，同時發送采集控制信號； 還用于根據獲得的偏離值，利用控制算法獲得無人機姿態的調節量，根據所述調節量，發送 飛行控制信號；
[0026] 調速系統，根據飛行控制信號，控制無人機飛行。
[0027] 所述飛行控制器為四旋翼飛行器，該四旋翼飛行器的數學模型包括：
[0028] 在無人機機體坐標系中的角速度和線速度通過轉換矩陣轉換到導航坐標系中：
[0029] vn=Cvb
[0030] wn=Twb
[0031] 其中，C為合成旋轉矩陣，T為歐拉旋轉矩陣，導航坐標系中的線速度vn，無人機機 體坐標系中的線速度 Vb，導航坐標系中的角速度Wn，無人機機體坐標系中的角速度Wb;
[0032] 無人機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/秒；
[0035]無人機高度的數學模型為： F, - mg ~ ma dv _ F2 - mg
[0036] dt m d2h _ Fz-mg -：--- dt m
[0037] 其中F2為電機提供的升力，v為上升速度，h為上升高度，g為重力加速度。
[0038]無人機三軸角度的數學模型為：
[0039] T = .J- = F；1 dt
[0040] J dt 3
[0041 ]其中T為轉動扭矩，ω是轉動角速度，F為電機產生的力，α為轉動的角度，1為兩電 機距離，J為轉動慣量。
[0042] 所述監測裝置還包括GSM/GPRS模塊；
[0043] GSM/GPRS模塊，用于將灌溉施肥指令發送到用戶手機上。
[0044] 本發明的有益效果在于，采用地面站對飛行控制器進行路線規劃，自動在設定采 集點采集，獲得采集點的農作物生長環境參數，還通過高光譜相機獲得農墾區內農作物營 養狀況。采用小型無人機成本低且結構簡單易控制，采集的信息參考近年內年產量最高年 份的環境參數，設置施肥灌溉指令，增強可靠性，保證產量。
【附圖說明】
[0045] 圖1為【具體實施方式】中微小型無人機農作物信息獲取與施肥灌溉監測裝置的原理 示意圖。
[0046] 圖2為【具體實施方式】中飛行控制器的原理示意圖。
[0047]圖3為【具體實施方式】中信息采集模塊的原理示意圖。
【具體實施方式】
[0048] 結合圖1-圖3說明本實施方式，本實施方式所述的微小型無人機農作物信息獲取 與施肥灌溉監測裝置，所述裝置包括信息采集模塊、地面傳感器、數據庫、地面站和無人機， 如圖1所示;所述信息采集模塊安裝在無人機上;地面站對待測農作物區域進行GPS標定，獲 得經煒度地圖；根據地圖，進行規劃航線和設定信息采集點;無人機的飛行控制器根據規劃 的航線控制無人機飛行，當無人機到達設定的信息采集點處，信息采集模塊對相應信息采 集點空氣中的溫度、濕度、光照強度和二氧化碳濃度進行采集，同時對該信息采集點的農作 物高光譜拍照，獲得農作物的生長信息;數據庫中存儲之前產量最優年份對應的數據;地面 傳感器設置在待測農作物區域，用于測量土壤中的溫度和濕度；
[0049] 本實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；
[0050] 采集控制器，根據采集控制信號，發送工作控制信號；
[0051] 溫度傳感器，當接收到工作控制信號，采集該采集點農作物的周圍空氣中的溫度；
[0052] 濕度傳感器，當接收到工作控制信號，采集該采集點農作物的周圍空氣中的濕度； [0053]光照傳感器，當接收到工作控制信號，采集該采集點農作物的所受光照強度；
[0054]二氧化碳傳感器，當接收到工作控制信號，采集該采集點農作物的周圍空氣中的 二氧化碳濃度；
[0055]高光譜成像系統，當接收到工作控制信號，對采集點農作物進行拍照，并根據拍攝 的照片，獲得農作物的生長信息；
[0056] ADC模塊，將采集的溫度和二氧化碳濃度從模擬信號轉換為數字信號。
[0057] 本實施方式中的數據庫以采集數據的時間、地點和變量為坐標，所述變量為采集 的空氣指標、農作物生長信息和土壤指標；
[0058] 本實施方式的農作物灌溉施肥指導裝置的意圖在于，采集確定的時間和地點的農 作物信息情況，然后和最優產量年份的信息進行比較，從而得出想要的指導信息。故需要一 個數據庫，來存儲產量最優年份的相關信息；
[0059] (1)數據庫的存儲
[0060]數據庫存儲在32G的SD卡中，存儲的坐標為時間、地點和變量，所以是一個立體數 據庫。
[0061 ]其中：時間量，精確到天數。
[0062]地點，為經煒度坐標系，精確到百米。
[0063]變量:空氣中的濕度、溫度、二氧化碳濃度、光照強度、農作物的生長信息、土壤溫 度和土壤濕度。
[0064]在SD卡的存儲數據中，采集點的地點采用經煒度的方式表示，經煒度被畫成了網 格狀，只有在網格節點上，才有對應的數據。所以在后續對比的過程中，需要將測得經煒度 轉移到與之最近的節點上。實際試驗證明，這樣的誤差，并不會因過大而失去指導意義。 [0065]在SD卡中存儲的數據，每一個年份，只有73組數據，也就是每五天有一組數據。所 以在日期的比對的時候，要與日期最近的進行匹配，這樣，指導數據的誤差在3天以內，試驗 證實，這樣的誤差，不會因為過大而失去指導意義。
[0066] (2)數據庫的更新
[0067] 在初次使用，應至少收集5個年份數據，并對數據進行篩選，選出一個年份的作為 最優數據。然后根據后續數據，進行比對后存儲，若當年，產量優于往年，則摒棄往年數據， 更新數據庫，否則不更新數據庫。數據庫應有一定的地域界限，在不同的地域內，可以將數 據存儲在不同的SD卡中。
[0068] 最后，地面站根據在相應信息采集點采集的空氣指標、農作物生長信息和土壤指 標與數據庫中相應的數據進行對比，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] 根據實時采集的數據的時間和地點，調取和這個時間點和地點對應的數據庫中存 儲的數據，作為參考量
[0071] 統一各個采集數據的標準單位后，將采集的各項數據和對應參考數據取差值，作 為偏差量；
[0072] 將各個偏差量輸入灌溉施肥指導函數，函數表示為：
[0073] u = f ( Δ a, Δ b, Ac......)
[0074] 其中u是輸出量，如施肥的比例，灌溉量等指導信息。Aa，Ab，Ac......是各項數 據的偏差量;f是采集的各項數據與輸出