CN111990388B - 选择性喷洒系统，地空协同施药系统及协作方法 - Google Patents

Abstract

本发明地面喷雾机适用的选择性喷洒系统通过可以卷伸的柔性喷杆对杂草部位有针对性的施药，能够节约农药用量，避免污染周边环境或损害作物健康，且能有效防止滴漏，降低农药浪费，提高作业质量。本发明地空协同施药系统及协作方法，利用无人飞机的航空测量能力，进行农田信息采样，建立作物时空光谱数据，再由机载工控机反演出作物健康状况，将健康异常区域的位置坐标和病害类型、等级等信息发送至地面喷雾机，使无人飞机和地面喷雾机能够在统一的环境模型中收集和共享信息，利用地面喷雾机具喷幅宽、续航时间长、作业效率高的优点，使无人飞机与地面喷雾机同时开展作业，极大提高了作业效率，并降低了农药/化肥的使用量。

Description

选择性喷洒系统，地空协同施药系统及协作方法

技术领域

本发明涉及农业机械技术领域，具体为一种地面喷雾机适用的选择性喷洒系统，地空协同施药系统及协作方法。

背景技术

近年来，小型无人驾驶飞机由于机动、灵活、控制精度高的特点，被广泛用于化学农药、液态化肥喷洒等农业生产活动中，但同时也存在载荷小、喷洒均匀性差、雾滴飘移严重、续航时间短等问题。例如CN201811031041.1 专利申请文献，公开的一种《基于处方图的无人飞机智能喷施系统及方法》，该系统包括无人飞机飞行决策系统、无人飞机精准作业系统、作业处方系统和无人飞机工勘系统，可实现无人飞机的精准作业，但是仍然具有载荷小、雾滴飘移严重、续航时间短等问题。常规的地面施药机械，例如喷杆喷雾机，具有喷幅宽、续航时间长、作业效率高、有效载荷大、喷洒均匀、雾滴飘移少的优点，但其采用的“地毯式”喷洒模式，给每亩地定量施药，统一喷洒，造成了大量的农药浪费，也对生态环境安全存在较大的威胁。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种新型的地面喷雾机适用的选择性喷洒系统，以及基于地面喷雾机与无人飞机的地空协同施药系统及协作方法，所述地空选择性喷洒系统可以实现非常精确的对靶喷洒，极大的降低了农药浪费和对生态环境的影响。具有选择性喷洒系统的地面无人机，在与无人飞机配合的协同作业过程中，利用无人飞机快速探查与精确定位的优点，可快速开展点片式作业模式，显著提高了植保作业的工作效率和作业质量。

本发明提供的技术方案包括：

方案一

一种地面喷雾机适用的选择性喷洒系统其特征在于，设有柔性卷曲吊喷机构；

所述柔性卷曲吊喷机构包括沿喷雾机喷杆支架延伸方向布置的多个施药模组，所述施药模组包括微型气泵和柔性吊杆；

所述柔性吊杆上安装有卷簧，并设有管状的喷腔和气囊，所述喷腔和气囊的延伸方向与卷簧延伸一致，所述柔性吊杆的顶端连接在喷杆支架上，末端为自由端，自然状态下，由卷簧控制卷曲呈盘状；

所述喷腔的入口设置在柔性吊杆的顶端，通过设有液泵的输药管路与药箱连接，喷腔的出口，即喷嘴，设置在柔性吊杆末梢的自由端；

所述气囊的进/排气口与微型气泵连接，由微型气泵控制其充气或排气，气囊充气膨胀时，克服卷簧弹性，柔性吊杆整体呈伸展状态，垂直于地面；气囊排气缩扁时，柔性吊杆在卷簧控制下，恢复卷曲状态；

所述微型气泵、液泵与施药控制器连接，由施药控制器控制启停。

在上述方案的基础上，进一步改进或优选的方案还包括：

进一步的，所述喷腔位于柔性喷杆的中间位置，其左右两侧各设有一气囊，两气囊管壁的外侧端各安装有一卷簧。

进一步的，所述选择性喷洒系统，设有图像传感模块和控制模块，所述控制模块包括所述施药控制器和具有GPU图形处理能力的工控机；

所述图像传感模块包括摄像机和双目视觉惯性模组，二者信号输出端分别与控制模块连接；摄像机前置，安装在车体上，用于杂草追踪；双目视觉惯性模组后置，安装在喷杆上，与施药模组一一对应，用于杂草的识别与验证；控制模块根据追踪到的杂草位置，控制喷杆上相应的施药模组工作，控制该施药模组的柔性吊杆在到达杂草位置前伸展，在到达杂草位置时，通过控制电磁开关阀开启喷嘴实现对靶喷施除草剂。

方案二

一种用于农田管理的地空协同施药系统，包括无人飞机和与所述无人飞机协同作业的第一喷雾机，设所述选择性喷洒系统为第一选择性喷洒系统，所述第一喷雾机即为配置了所述第一选择性喷洒系统的地面喷雾机；

所述无人飞机设有机载工控机、多光谱相机、双目视觉惯性模组、惯性测量单元、GPS传感器和垂直向下安装的激光高度传感器；

所述多光谱相机用于采集农田的光谱信息图像，双目视觉惯性模组用于采集构建农田地图三维模型的地表图像，惯性测量单元用于采集无人飞机的姿态数据，GPS传感器用来获取无人飞机的经度、纬度坐标，激光高度传感器用于测量无人飞机的飞行高度；

所述双目视觉惯性模组、惯性测量单元、GPS传感器、激光高度传感器的信号输出端与机载工控机的信号输入端分别连接，机载工控机将双目视觉惯性模组、惯性测量单元测得的图像、姿态数据进行融合，进行在线位姿估计，创建农田地图，并根据得到的光谱信息图像，计算植被指数，通过反演的方法，得出作物健康状况和异常区域的位置坐标，并将其发送给远程控制中心或地面喷雾机；如果发送给远程控制中心，经过远程处理以后，再借助移动互联网发送给地面喷雾机；

第一喷雾机收到远程控制中心或无人飞机发送的信息后，根据异常区域的位置坐标，行驶到目标区域，进行喷洒作业。

在上述方案二的基础上，进一步改进或优选的方案还包括：

所述地空协同施药系统，还包括与所述无人飞机协同作业的第二喷雾机，所述第二喷雾机即配置了第二选择性喷洒系统的地面喷雾机；

所述第二选择性喷洒系统由施药控制器、电磁开关阀、比例溢流阀、流量传感器、压力传感器、转速传感器、驱动 电机、液泵、输液管路和多个喷嘴组成，所述的多个喷嘴均匀布置在第二喷雾机的喷杆上，所述电磁开关阀与喷嘴一一对应，根据作物健康状况，施药控制器输出多路相同或不同占空比的脉宽调制信号指令，每个喷嘴的电磁开关阀单独由一路脉宽调制信号控制，电磁开关阀的开度通过脉宽调制信号的占空比进行改变；

所述流量传感器设置在连接喷嘴的输药管路上，药箱通过并联的两路支路与流量传感器所在的管路位置连接，其中第一支路与药箱回流入水口连接，第二支路与药箱出水口连接，所述比例溢流阀设置在第一支路上，液泵及其驱动电机安装在第二支路上，所述压力传感器安装在第二支路上液泵的下游，用于检测喷杆的施药压力，所述转速传感器用于监测所述驱动电机的转速；

第二喷雾机接收到远程控制中心或无人飞机发送的信息后，根据异常区域的位置坐标，行驶到目标区域，根据作物健康指标（病虫草害类型、等级）, 独立控制每个喷嘴的流量，进行变流量喷洒作业。

方案三

基于所述地空协同施药系统的协作方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）控制无人飞机起飞对农田进行拍摄，获取农田反射光谱空间场信息，机载工控机根据获得的反射光谱空间场信息，实时计算植被指数，通过反演的方法，获得农田作物的健康状况，并标记出异常区域的位置坐标；

2）无人飞机将其检测的作物健康状况和异常区域的位置坐标发送给远程控制中心，远程控制中心或无人飞机根据作物健康状况判断应派遣的地面喷雾机类型，并将作物健康状况和异常区域的位置坐标发送给执行作业的地面喷雾机；

3）接收到远程控制中心或无人飞机信息的地面喷雾机根据所述异常区域的位置坐标行驶到目标区域，根据作物健康指标（病虫草害类型、等级），开始进行喷洒作业。

其中，当第二喷雾机接收到远程控制中心或无人飞机发送的信息后，判断是喷洒农药，还是喷洒液态肥料，在药箱中补充对应的药剂后，开始规划路线，行驶到目标区域，开始进行施药作业；

施药控制器根据异常区域的位置坐标、第二喷雾机当前的位置坐标以及第二喷雾机的结构参数，判断各喷嘴对应的喷施区域，并结合各喷嘴喷施区域内作物的健康状况和预设的作物健康指标，确定需要开启的喷嘴，以及结合第二喷雾机的行驶速度，计算相应喷嘴的喷药流量，之后根据所述喷药流量调节相应电磁开关阀的开度，从而实现针对作物不同等级病情进行选择性的喷洒；

作业过程中，第二喷雾机施药控制器根据压力传感器的反馈，调节比例溢流阀的开度，以保持第二选择性喷洒系统流体回路压力的稳态。

有益效果

1）本发明选择性喷洒系统通过可以卷伸的柔性喷杆对杂草部位有针对性的施药，能够显著的节约农药用量，避免污染周边环境或损害作物健康，且能有效防止滴漏，降低农药浪费，提高作业质量。同时，本发明选择性喷洒系统设计新颖，规划合理，具有易于实施的优点，也可以在现有机具上改装，降低制造成本，适合推广使用；

2）本发明地空协同施药系统及协作方法，利用无人飞机的航空测量能力，进行农田信息采样，建立作物时空光谱数据，再由机载工控机反演出作物健康状况，将健康异常区域的位置坐标和病害类型、等级等信息发送至地面喷雾机，使小型无人飞机和地面喷雾机能够在统一的环境模型中收集和共享信息，利用地面喷雾机具喷幅宽、续航时间长、作业效率高的优点，使无人飞机与地面喷雾机同时开展作业，极大提高了作业效率，并降低了农药/化肥的使用量。

附图说明

图1为本发明地空协同施药系统的工作流程图；

图2为无人飞机机载工控机的数据处理流程图；

图3为无人飞机获取时空光谱数据的流程框图；

图4为第一喷雾机，柔性吊杆卷曲状态时的整体结构示意图；

图5为图4的局部结构放大图；

图6为第一喷雾机，柔性吊杆伸展状态时的整体结构示意图；

图7为柔性吊杆伸展状态的结构示意图；

图8为柔性吊杆卷曲状态、伸展状态的对比示意图；

图9为柔性吊杆在卷曲状态、伸展状态时横截面的对比示意图；

图10为搭载了无人飞机的第二喷雾机的整体结构示意图；

图11为第二选择性喷洒系统的控制流程图。

具体实施方式

为了阐明本发明的技术方案和工作原理，下面结合附图与具体实施例对本发明做进一步的介绍。

实施例1：

如图4、图6所示的第一喷雾机，包括车体、喷杆支架、药箱和第一选择性喷洒系统，药箱安装在车体上，用于存储除草的农药，喷杆支架安装在车体后方，为左右对称的悬臂结构。

所述第一选择性喷洒系统包括控制模块、图像传感模块和柔性卷曲吊喷机构，所述控制模块包括施药控制器和具有加速计算图形处理单元（GPU）的工控机。

所述柔性卷曲吊喷机构由多个施药模组构成，沿喷杆支架两臂延伸的方向等距分布。

所述施药模组包括微型气泵14和柔性吊杆3。所述柔性吊杆3上安装有卷簧，并设有管状的喷腔和气囊，如图9所示，喷腔3-3位于柔性喷杆的中间位置，其左右两侧对称设有气囊3-2和气囊3-4，卷簧3-1和卷簧3-5固定在两气囊管壁的外侧端。所述喷腔、气囊的延伸方向与卷簧一致。柔性吊杆的顶端连接在喷杆支架上，末端为自由端，自然状态下，由卷簧带动卷曲呈盘状，如图8所示。

所述喷腔3-3的入口设置在柔性吊杆3的顶端，通过设有液泵的输药管路11与药箱连接，喷腔的出口，即喷嘴，设置在柔性吊杆3的末梢。

两气囊的进/排气口通过气管12与微型气泵14连接，所述微型气泵14的输出端设有二位四通换向阀13。所述二位四通换向阀13与施药控制器连接，通过阀芯位置的切换，控制微型气泵14对气囊进行充气或排气。气囊充气膨胀时，能够克服卷簧弹性，使柔性吊杆3整体呈伸展状态，垂直于地面；气囊排气缩扁时，柔性吊杆在卷簧控制下，恢复卷曲状态。

所述微型气泵14、液泵与施药控制器连接，由其根据工控机的分析结果控制启停。所述图像传感模块包括摄像机1和双目视觉惯性模组2（双目摄像头，双目相机），二者信号输出端分别与所述工控机连接。

摄像机1前置，安装在车体上，用于追踪杂草；双目视觉惯性模组2后置，安装在喷杆上，与施药模组一一对应，用于杂草的识别与验证。施药控制器根据追踪到的杂草位置，控制喷杆上相应的施药模组工作，控制该施药模组的柔性吊杆在到达杂草位置前伸展，在到达杂草位置时，通过控制高速电磁阀开启喷嘴，实现行间杂草的对靶喷施。

所述工控机中预加载有植物分类软件程序，所述摄像机1优选采用RGB /NIR 4通道高动态摄像机，车体左右两侧对称设有一向外伸出的悬臂，摄像机1 安装在所述悬臂的末端（即车体两侧各设置一摄像机1），镜头垂直向下，采集喷杆前方的农田图像。所述摄像机1可同时实现红、绿、蓝光以及近红外数据的分布成像。

追踪杂草的方法为：

第一步，基于RGB和归一化差分植被指数（NDVI）方法进行图像中植被与土壤的分割；

第二步，通过RGB图像、NIR图像综合提取出描述植被形状的多个特征参数；

第三步，根据前一步提取的特征，优先采用目标检测深度学习算法（fast-RCNN或YOLO算法）对拍摄图像中的植物进行在线分类并确定其位置信息；在考虑所有计算特征参数的情况下，计算视场范围内某一区域属于某一类植物的概率（作物或杂草a或杂草b，取决于训练数据输入）；

第四步中，应用马尔可夫随机场程序来平滑分类结果，并最终确定植被是作物还是杂草，例如，在彩色编码地图中以不同颜色显示作物和杂草，用绿色编码农作物，用红色、蓝色、黄色等分别代表不同的杂草种类，并给出目标（杂草）图像和位置坐标。

本实施例中所述第一喷雾机的工作原理为：

1）利用工控机的图像处理能力对摄像机1采集图像中的植物进行分类（杂草的图像、位置），当追踪到杂草信息后，施药控制器控制与该杂草距离最近的柔性吊杆3在延时ts秒后，变为伸展状态；

延时计算方法为：将该柔性吊杆3与目标杂草的垂直距离L1（行驶方向上的距离）除以第一喷雾机的行驶速度V1，得到时间t1秒，设吊杆伸展所需时间为t2秒，设控制延时和输药延时的总时长为t3秒，则柔性吊杆3伸展动作实际延时ts=t1-t2-t3秒；

2）利用喷杆上安装的双目视觉惯性模组，直接估计摄像机1的姿态和其下方植被（作物/杂草）的3D场景图；

3）当目标杂草进入与该柔性吊杆3对应的双目视觉惯性模组的视线时，使用机器学习算法中的分类算法（朴素的贝叶斯分类器）对工控机之前的分类结果进行再次验证，以防止分类错误，导致对农作物的错误喷洒；

4）当目标杂草最终接近柔性吊杆3末端的喷嘴时，工控机结合双目视觉惯性模组反馈的图像数据，计算出目标杂草距离该柔性吊杆3末端喷嘴的实际垂直距离L2，该距离L2除以喷雾机的行驶速度V1得到时间t4秒，经过短暂的时间延迟tp=t4-t3后，施药控制器触发喷嘴喷洒除草剂。

实施例2：

一种用于农田管理的地空协同施药系统，包括至少地面喷雾机组和一台小型无人飞机。

所述地面喷雾机组包括至少一台如实施例1所述的第一喷雾机。所述无人飞机设有机载工控机、多光谱相机、双目视觉惯性模组、惯性测量单元、GPS传感器和垂直向下安装的激光高度传感器。所述多光谱相机用于采集农田的光谱图像，双目视觉惯性模组用于采集构建农田地图三维模型的地表图像，惯性测量单元用于采集无人飞机的姿态数据，所述GPS传感器用来获取无人飞机的经度、纬度坐标，垂直向下安装的激光高度传感器用于测量无人飞机的飞行高度。所述双目视觉惯性模组、惯性测量单元、GPS传感器、激光高度传感器的信号输出端与机载工控机的信号输入端分别连接，机载工控机利软件程序，将经度、纬度、高度坐标系（LLA坐标系）转换到东北天坐标系（ENU坐标系）的同时，使用扩展卡尔曼滤波器，将双目视觉惯性模组、惯性测量单元测得的图像、姿态数据进行融合，进行在线位姿估计（得到6自由度的位置、姿态）并创建农田地图，实时存储到工控机的磁盘中；然后进行地图优化，将开环的地图合并，生成一个的紧凑定位地图；之后，利用生成的地图，进行在线定位。即所述无人飞机具备两个功能：1）田间的飞行状态估计和精确定位；2）获取基于评估植物健康所需的指标的多分辨率（包括光谱分辨率、空间分辨率、时间分辨率）多光谱航图。

准确的高分辨率田间地图模型是在精准农业应用中，启用人工驾驶的喷雾机或自主导航的机器人喷雾机进行选择性作业的关键前提。

机载工控机使用无人飞机的姿态估计值（位置和姿态）以及多次飞行中采集的图像信息，进行施药环境建模，创建农田反射光谱空间场模型，具体为：

以双目视觉惯性模组采集的彩色 (RGB)图像，多光谱相机采集的多光谱图像为基础，将无人飞机的位置姿态和RGB图像、光谱图像作为输入，结合位置和姿态数据，采用辐射定标方法校正成像光谱数据，最终以密集点云的形式创建农田反射光谱空间场模型。

点云对于农田的每个点，都包含经纬度坐标和光谱信息、时间信息。使用无人飞机在作物的不同时期进行测量作业，采集作物各阶段的农田反射光谱空间场信息，建立时空光谱数据库。每次无人飞机完成信息采集后，都将获得的农田反射光谱空间场信息存储在机载计算机中，并通过移动通信网络上传到远程云服务器上，确保客户端计算机之间的可移植性。用户在远程计算机上使用基于浏览器的可视化模块，调用时空光谱数据库中的数据，基于该数据生成的分层图像，用户从中可以选择查看不同时期田间作物的生长情况，以及选择光谱层来查看与不同波长带相对应的农田作物反射影像，查看颜色（RGB）正射影像并使用时间线在所有测量之间切换。

无人飞机得到光谱信息图像以后，计算植被指数，利用数据反演软件，通过反演的方法，得出作物的健康状况，并标记出异常区域的位置坐标，将异常区域的位置坐标和健康类型、等级信息实时的发送给地面喷雾机或远程控制中心。如果发送给远程控制中心，经过远程处理以后，再借助移动互联网发送到地面喷雾机。

为了以高分辨率恢复视场的几何形状，所述双目视觉惯性模组优选采用高质量的RGB摄像头，通过双目视觉惯性模组和多光谱摄像机之间的相对位置和方向来估计RGB图像中农田的光谱反射率。

本实施例地空协同施药系统中，地面喷雾机可以采用有人驾驶的喷雾机或自主导航的机器人喷雾机，但都需要配备导航系统和通信设备。

有人驾驶的地面喷雾机控制模块可通过WIFI（数传电台）接收无人飞机或远程控制中心发送的任务执行信息，所述任务执行信息包括农田作物健康状况异常区域的位置，导航系统将异常区域的位置信息、喷雾机本身的位置信息以及航向显示在触控屏幕上，驾驶员根据其所在的位置与目标区域的偏差，手动驾驶喷雾机行驶到目标区域，到了目标区域，启动喷洒装置并开始对该区域的作物进行喷洒。

自主导航机器人喷雾机的导航系统包括控制模块、卫星定位设备、惯性测量单位（IMU）、激光雷达或视觉传感器等，所述卫星定位设备以及惯性测量单位用于进行地理位置的定位和姿态估计，激光雷达或视觉传感器用于探测喷雾机前方的作物行。喷雾机通过WIFI（数传电台）接收无人飞机或远程控制中心发送的任务执行信息，根据作物健康状况异常区域的位置，自动驾驶喷雾机行驶到目标区域开展作业。

自主导航的机器人喷雾机，其控制方法包括如下步骤：

第一步，通过激光雷达或视觉传感器探测前方的作物行簇，根据激光雷达或视觉传感器采集的数据，提取喷雾机前方作物行簇的中心线；

第二步，根据卫星定位设备和惯性测量单位反馈的数据，估计喷雾机相对于所述作物行的位置和姿态；

第三步，结合第一步、第二步获取的中心线、位置和姿态信息，沿着前方的作物行规划一条行驶路径；

第四步，控制模块基于规划的路径，生成精确遵循该路径的平滑速度命令，以保障底盘平稳行走；

第五步，喷雾机沿着作物行行驶到目标区域开展作业，进行喷洒作业。

实施例3：

在实施例2的基础上，本实施例中用于农田管理的地空协同施药系统，其地面喷雾机组还包括第二喷雾机。所述第二喷雾机，包括车体、喷杆支架、药箱和第二选择性喷洒系统，其药箱安装在车体上，存储有农药或液态肥料，喷杆支架安装在车体后方，为左右对称的悬臂结构。

如图10、图11所示，所述第二喷雾机的喷杆上等距离分布着多个喷嘴，第二喷雾机的第二选择性喷洒系统由施药控制器、电磁开关阀4、比例溢流阀5、流量传感器6、压力传感器7、转速传感器8、驱动 电机9、液泵10、喷嘴和管路等组成。所有喷嘴都可以通过单独的电磁开关阀4控制，电磁开关阀4的开度可以通过脉宽调制信号的占空比进行改变，所述施药控制器使用单片机或机载计算机，施药控制器具有输出脉宽调制信号的模组。

所述流量传感器6设置在连接喷嘴的输药管路上，药箱通过并联的两路支路与流量传感器所在的管路位置连接，其中第一支路与药箱回流入水口连接，第二支路与药箱出水口连接，所述比例溢流阀5设置在第一支路上，液泵10及其驱动电机9安装在第二支路上，所述压力传感器7安装在第二支路上液泵10的下游，所述转速传感器用于监测所述驱动电机9的转速。

所述流量传感器6、压力传感器7、转速传感器8的信号输出端分别与施药控制器的信号输入端连接，所述比例溢流阀5、电机9和电磁开关阀4的控制信号输入端分别与控制器的信号输出端连接。所述压力传感器7和比例溢流阀5用于保持施药系统流体回路压力的稳态，结合喷雾机的行驶速度等信息，控制器根据输出脉冲的占空比来控制电磁开关阀4的开度，实现对喷嘴流量大小的精确控制。

本实施例中无人飞机与第二喷雾机的协同工作流程为：

第一步，无人飞机的机载工控机通过WIFI（数传电台）通信设备，将包含作物健康状况异常区域位置坐标、该区域当前的健康状况和作物健康指标（病虫草害类型、等级）等内容的任务执行信息发送给第二喷雾机；

第二步，第二喷雾机接收到任务执行信息以后，判断是喷洒农药防治作物病虫害，还是喷洒叶面氮肥等补偿营养元素，在药箱中补充对应的药剂后，开始规划路线，行驶到目标区域；

第三步，施药控制器根据异常区域的位置坐标、第二喷雾机当前的位置坐标（数据来自于喷雾机导航系统自带的卫星定位设备）以及第二喷雾机的结构参数，判断各喷嘴对应的喷施区域，并结合各喷嘴喷施区域内作物的健康状况和预设的作物健康指标，确定需要开启的喷嘴，以及结合第二喷雾机的行驶速度，计算相应喷嘴的喷药流量，之后根据所述喷药流量计算发给相应电磁开关阀4控制脉冲信号占空比，根据控制脉冲信号占空比调节电磁开关阀的开度，从而实现针对作物不同等级病情进行选择性的喷洒；

第四步，施药控制器实时检测喷杆压力和电机9的转速，并根据设定喷杆压力通过比例溢流阀5对喷杆压力进行实时调节，以实现喷杆压力的稳定控制；

第五步，当前作业区域处理完毕以后，第二喷雾机停止喷洒，并沿着当前作物行簇驾驶到田头，等待下一次任务执行信息。

若所有地面喷雾机均采用自主导航的机器人喷雾机为例，为了实现无人飞机与多个地面喷雾机协同执行任务，各地面喷雾机之间都通过WIFI（数传电台）共享信息，交换的数据包括：无人飞机位置、地面喷雾机位置及农田需要选择性处理区域的坐标、健康状况（病虫草害类型与严重等级等）。

本实施例中，所述协同施药系统无人飞机与两地面喷雾机的协作作业方法如下（两个自主导航机器人喷雾机上使用的任务框架基于ROS任务管理器）：

1）用户通过计算机用户界面启动协调作业任务，控制无人飞机起飞并对农田进行拍摄，获取农田反射光谱空间场信息，机载工控机读取反射光谱空间场信息，实时计算植被指数，通过反演的方法，得出作物的健康状况以及异常的区域，同时将数据上传远程控制中心的服务器，便于用户查看和分析；

2）无人飞机的机载工控机通过WIFI（数传电台）通信设备，将包含作物健康状况异常区域的坐标、当前健康状况和作物健康指标（病虫草害类型、等级）等内容的任务执行信息发送给适合的地面喷雾机；

例如需要对作物进行喷洒农药和施肥作业，就通知第一、第二喷雾机同时出发，如仅需要单独进行某一项作业，就通知其中一种类型的喷雾机作业；

3）相应的地面喷雾机接收到任务执行信息以后，行驶到目标区域，开始进行喷洒作业，当前作业区域处理完毕以后，喷雾机沿着当前作物行簇行驶到田头，等待下一次任务信息；

4）当对农田所有的田块进行调查后，无人飞机会飞回着陆点并着陆；

5）当所有健康状况异常的作物区域均已处理完毕后，地面喷雾机返回到集合点，任务结束。

所述无人飞机也可以搭载在地面喷雾机上，与地面喷雾机同时开展作业，实时通讯，共享信息，在其完成测量作业后，着陆在地面喷雾机的停机平台上。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，本发明要求保护范围由所附的权利要求书、说明书及其等效物界定。

Claims (7)

1.一种地面喷雾机适用的选择性喷洒系统，其特征在于，设有柔性卷曲吊喷机构；

所述柔性卷曲吊喷机构包括沿喷雾机喷杆支架延伸方向布置的多个施药模组，所述施药模组包括微型气泵（14）和柔性吊杆（3）；

所述柔性吊杆（3）上安装有卷簧，并设有管状的喷腔和气囊，所述喷腔和气囊的延伸方向与卷簧延伸一致，所述柔性吊杆（3）的顶端连接在喷杆支架上，末端为自由端，自然状态下，由卷簧控制卷曲呈盘状；

所述喷腔的入口设置在柔性吊杆的顶端，通过设有液泵的输药管路与药箱连接，喷腔的出口，即喷嘴，设置在柔性吊杆（3）末梢的自由端；

所述气囊的进/排气口与微型气泵（14）连接，由微型气泵（14）控制其充气或排气，气囊充气膨胀时，克服卷簧弹性，柔性吊杆整体呈伸展状态，垂直于地面；气囊排气缩扁时，柔性吊杆在卷簧控制下，恢复卷曲状态；

所述微型气泵（14）、液泵与施药控制器连接，由施药控制器控制启停。

2.根据权利要求1所述的一种地面喷雾机适用的选择性喷洒系统，其特征在于，所述喷腔（3-3）位于柔性喷杆的中间位置，其左右两侧各设有一气囊（3-2,3-4），两气囊（3-2,3-4）管壁的外侧端各安装有一卷簧（3-1,3-5）。

3.根据权利要求1或2所述的一种地面喷雾机适用的选择性喷洒系统，其特征在于，设有图像传感模块和控制模块；

所述控制模块包括所述施药控制器和具有GPU图形处理能力的工控机；

所述图像传感模块包括摄像机（1）和双目视觉惯性模组（2），二者信号输出端分别与控制模块连接；摄像机（1）前置，安装在车体上，用于杂草追踪；双目视觉惯性模组（2）后置，安装在喷杆上，与施药模组一一对应，用于杂草的识别与验证；控制模块根据追踪到的杂草位置，控制喷杆上相应的施药模组工作，控制该施药模组的柔性吊杆在到达杂草位置前伸展，在到达杂草位置时，通过控制电磁开关阀开启喷嘴，实现对靶喷施除草剂。

4.一种用于农田管理的地空协同施药系统，包括无人飞机和与所述无人飞机协同作业的第一喷雾机，设权利要求1-3中任一项所述选择性喷洒系统为第一选择性喷洒系统，所述第一喷雾机即为配置了所述第一选择性喷洒系统的地面喷雾机；

所述无人飞机设有机载工控机、多光谱相机、双目视觉惯性模组、惯性测量单元、GPS传感器和垂直向下安装的激光高度传感器；

所述多光谱相机用于采集农田的光谱信息图像，双目视觉惯性模组用于采集构建农田地图三维模型的地表图像，惯性测量单元用于采集无人飞机的姿态数据，GPS传感器用来获取无人飞机的经度、纬度坐标，激光高度传感器用于测量无人飞机的飞行高度；

所述双目视觉惯性模组、惯性测量单元、GPS传感器、激光高度传感器的信号输出端与机载工控机的信号输入端分别连接，机载工控机将双目视觉惯性模组、惯性测量单元测得的图像、姿态数据进行融合，进行在线位姿估计，创建农田地图，并根据得到的光谱信息图像，计算植被指数，通过反演的方法，得出作物健康状况和异常区域的位置坐标，并将其发送给远程控制中心或地面喷雾机；如果发送给远程控制中心，经过远程处理以后，再借助移动互联网发送给地面喷雾机；

第一喷雾机收到远程控制中心或无人飞机发送的信息后，根据异常区域的位置坐标，行驶到目标区域，进行喷洒作业。

5.根据权利要求4所述的一种用于农田管理的地空协同施药系统，其特征在于，还包括与所述无人飞机协同作业的第二喷雾机，所述第二喷雾机即配置了第二选择性喷洒系统的地面喷雾机；

所述第二选择性喷洒系统由施药控制器、电磁开关阀（4）、比例溢流阀（5）、流量传感器（6）、压力传感器（7）、转速传感器（8）、驱动 电机(9)、液泵(10)、输液管路和多个喷嘴组成，所述的多个喷嘴均匀布置在第二喷雾机的喷杆上，所述电磁开关阀（4）与喷嘴一一对应，根据作物健康状况，施药控制器输出多路相同或不同占空比的脉宽调制信号指令，每个喷嘴的电磁开关阀（4）单独由一路脉宽调制信号控制，电磁开关阀（4）的开度通过脉宽调制信号的占空比进行改变；

所述流量传感器（6）设置在连接喷嘴的输药管路上，药箱通过并联的两路支路与流量传感器（6）所在的管路位置连接，其中第一支路与药箱回流入水口连接，第二支路与药箱出水口连接，所述比例溢流阀（5）设置在第一支路上，液泵（10）及其驱动电机（9）安装在第二支路上，所述压力传感器（7）安装在第二支路上液泵（10）的下游，用于检测喷杆的施药压力，所述转速传感器用于监测所述驱动电机（9）的转速；

第二喷雾机接收到远程控制中心或无人飞机发送的信息后，根据异常区域的位置坐标，行驶到目标区域，根据作物健康指标，独立控制每个喷嘴的流量，进行变流量喷洒作业。

6.基于权利要求5所述地空协同施药系统的协作方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）控制无人飞机起飞对农田进行拍摄，获取农田反射光谱空间场信息，机载工控机根据获得的反射光谱空间场信息，实时计算植被指数，通过反演的方法，获得农田作物的健康状况，并标记出异常区域的位置坐标；

2）无人飞机将其检测的作物健康状况和异常区域的位置坐标发送给远程控制中心，远程控制中心或无人飞机根据作物健康状况判断应派遣的地面喷雾机类型，并将作物健康状况和异常区域的位置坐标发送给执行作业的地面喷雾机；

3）接收到远程控制中心或无人飞机信息的地面喷雾机根据所述异常区域的位置坐标行驶到目标区域，根据作物健康指标，开始进行喷洒作业。

7.根据权利要求6所述地空协同施药系统的协作方法，其特征在于：

第二喷雾机接收到远程控制中心或无人飞机发送的信息后，判断是喷洒农药，还是喷洒液态肥料，在药箱中补充对应的药剂后，开始规划路线，行驶到目标区域，开始进行施药作业；

施药控制器根据异常区域的位置坐标、第二喷雾机当前的位置坐标以及第二喷雾机的结构参数，判断各喷嘴对应的喷施区域，并结合各喷嘴喷施区域内作物的健康状况和预设的作物健康指标，确定需要开启的喷嘴，以及结合第二喷雾机的行驶速度，计算相应喷嘴的喷药流量，之后根据所述喷药流量调节相应电磁开关阀（4）的开度，从而实现针对作物不同等级病情进行选择性的喷洒；

施药作业过程中，施药控制器根据压力传感器（7）的反馈，调节比例溢流阀（5）的开度，以保持第二选择性喷洒系统流体回路压力的稳态。

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