一种智能喷洒农药飞行器及方法与流程

本发明涉及图像处理与无人机领域，特别是涉及一种智能喷洒农药飞行器的设计。

背景技术：

在现代农业中，无人机得到了越来越广泛的应用。使用无人机喷洒农药不仅节省了人力，还大大提高了工作效率。但现有的农用无人机大都是单向控制的，即根据设定的航线喷洒农药，缺少对农作物生长情况的监测与判别，不能做到智能化喷药。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种能够实现自主识别农作物，并对农作物进行智能喷药的飞行器，具体技术方案为：

一种智能喷洒农药飞行器，如图2所示，包括四旋翼飞行器、视觉检测处理装置和农药喷洒装置；所述视觉检测处理装置固定在所述四旋翼飞行器上面，所述农药喷洒装置固定在所述四旋翼飞行器下面。

所述四旋翼飞行器，如图3所示，包括机架、电源模块、控制模块和动力模块，所述机架包括四轴固定板、四轴机架、减震球、减震板、起落架和载物套管，所述电源模块包括动力电池和稳压模块，所述控制模块包括apm飞控、接收机、gps支架固定螺丝、gps折叠支架和gps，所述动力模块包括自锁桨叶、无刷电机和无刷电调。

所述视觉检测处理装置包括摄像头支架固定螺丝、摄像头支架、摄像头和微处理器；所述农药喷洒装置包括喷药软管、继电器、电磁阀和农药桶。

所述四轴固定板和所述起落架固定在所述四轴机架下面，所述减震板和所述减震球固定在所述四轴机架上面，所述载物套管固定在所述起落架上面，所述减震板由所述减震球相连接；所述动力电池固定在所述四轴固定板下面，所述稳压模块固定在所述四轴固定板上面；所述接收机、所述gps支架固定螺丝、所述gps折叠支架和所述gps固定在所述四轴固定板上面，所述apm飞控固定在所述减震板上面，所述gps折叠支架一端连接所述gps，另一端由所述gps支架固定螺丝固定在所述四轴固定板上面；所述无刷电机和所述无刷电调固定在所述四轴机架上面，所述自锁桨叶和所述无刷电机螺旋配合。

所述摄像头支架固定螺丝、所述摄像头支架和所述摄像头固定在所述四轴固定板上面，所述微处理器固定在所述减震板上面，所述摄像头支架一端连接所述摄像头，另一端由所述摄像头支架固定螺丝固定在所述四轴固定板上面；所述农药桶固定在所述载物套管上面，所述继电器和所述电磁阀固定在所述农药桶两侧，所述喷药软管套在所述电磁阀上面。

所述无刷电调的控制端、所述gps和所述接收机分别连接所述apm飞控，所述无刷电机与所述无刷电调的受控端相连，所述无刷电调的电源端与所述动力电池相连，所述apm飞控与所述稳压模块相连；所述摄像头的控制端、数据端和所述继电器的控制端分别连接所述微处理器，所述摄像头的电源端、所述继电器的电源端和所述微处理器分别连接所述稳压模块，所述动力电池、所述继电器的受控端和所述电磁阀依次相连接。

进一步，所述微处理器采用飞思卡尔mk60dn512zvlq10单片机；所述摄像头采用龙邱lq_ov7725m彩色摄像头；所述电磁阀采用2w-025-08常闭电磁阀；所述继电器采用risym1路5v继电器模块；所述apm飞控型号为apm2.8；所述接收机型号为fs-i6；所述自锁桨叶采用dji自锁桨叶；所述无刷电机采用dji2313无刷电机；所述无刷电调采用蜻蜓20a无刷电调。

所述四旋翼飞行器一方面是所述视觉检测处理装置和所述农药喷洒装置的载体，另一方面也为所述视觉检测处理装置和所述农药喷洒装置提供驱动电源。如图4所示，所述apm飞控的控制信号、所述无刷电调、所述无刷电机、所述apm飞控内置的陀螺仪、加速度计和所述apm飞控的反馈信号形成了闭环控制，实现了对所述智能喷洒农药飞行器的飞行姿态控制；所述apm飞控的控制信号、所述无刷电调、所述无刷电机、所述apm飞控内置的罗盘、所述gps和所述apm飞控的反馈信号形成了闭环控制，实现了对所述智能喷洒农药飞行器的飞行航向控制；所述接收机实现了对所述智能喷洒农药飞行器的人工控制。

所述稳压模块电路如图5和图6所示，5v稳压电路包括lm2596s-5v芯片、电容c1＝470μf、c2＝220μf、肖特基二极管d1和电感l1＝33μh；3.3v稳压电路包括ams1117-3.3v芯片、电容c3＝100nf、c6＝100nf、电解电容c4＝10μf、c5＝10μf。所述lm2596s-5v芯片的引脚1和引脚3是电源输入端，所述动力电池的正极连接所述lm2596s-5v芯片的引脚1，所述动力电池的负极连接所述lm2596s-5v芯片的引脚3，在所述lm2596s-5v芯片的引脚1和引脚3之间并联所述电容c1，所述电容的作用是滤除因所述动力电池电压波动所产生的谐波；所述lm2596s-5v芯片的引脚2、所述电感l1和所述电容c2依次相连接，所述电容c2接地，所述电感l1和所述电容c2构成lc滤波电路，所述lc滤波电路的作用是滤除输出电压中的纹波；所述肖特基二极管d1并联在所述电感l1和所述电容c2两端，所述肖特基二极管d1正极接地，所述肖特基二极管d1负极与所述lm2596s-5v芯片的引脚2相连，当所述电感l1因电流突变而放电时，所述肖特基二极管d1起续流作用，实现对所述lm2596s-5v芯片的保护；在节点①引入反馈连接所述lm2596s-5v芯片的引脚4；所述lm2596s-5v芯片的引脚5接地，使芯片工作在正常模式。所述节点①和节点②为5v稳压输出端，所述节点①为直流5v，所述节点②为地。

所述ams1117-3.3v芯片的引脚1是公共端，接地；所述动力电池的正极连接所述ams1117-3.3v芯片的引脚3，所述动力电池的负极接地，所述ams1117-3.3v芯片的引脚3和地之间并联所述电容c3和所述电解电容c4；所述ams1117-3.3v芯片的引脚2是输出端，所述ams1117-3.3v芯片的引脚2和地之间并联所述电容c6和所述电解电容c5；所述电容c3、c6和所述电解电容c4、c5在电路中均起到滤波的作用。节点③和节点④为3.3v稳压输出端，所述节点③为直流3.3v，所述节点④为地。

所述摄像头d0～d7引脚分别连接所述微处理器ptd0～ptd7引脚，所述摄像头sda引脚连接所述微处理器ptb2引脚，所述摄像头scl引脚连接所述微处理器ptb3引脚，所述摄像头href引脚连接所述微处理器ptb0引脚，所述摄像头vsy引脚连接所述微处理器ptb1引脚，所述摄像头pclk引脚连接所述微处理器pta19引脚，所述摄像头gnd引脚接地，所述摄像头3.3v引脚连接所述节点④。

进一步，所述摄像头d0～d7引脚的作用是将采集到的图像数据并行传输给微处理器，所述摄像头sda引脚是sccb数据接口，所述摄像头scl引脚是sccb数据时钟，所述摄像头href引脚的作用是接收所述微处理器的行中断信号，所述摄像头vsy引脚的作用是接收所述微处理器的场中断信号，所述摄像头pclk引脚的作用是接收所述微处理器的像素同步信号。

进一步，所述微处理器向所述摄像头的com7寄存器写入控制字43(16进制)，所述摄像头采集到的图像便会以gbr422的数据格式传送给所述微处理器。由所述数据格式可知绿色g的取值范围是0～15，蓝色b的取值范围是0～3，红色r的取值范围是0～3。采用图7所示的方式对图像数据进行处理，运用颜色提取算法将每个像素点的绿、蓝、红的取值分别计算出来，并对三种颜色的取值分别进行阈值分割，如果绿色g∈[g1,g2]，蓝色b∈[b1,b2]，红色r∈[r1,r2]同时成立，则认定该像素点为可疑农作物点，标记该可疑农作物点；对标记后的图像数据再次进行处理，如果该像素点被标记过，则进一步判断该像素点周围是否存在被标记过的像素点，如果该像素点周围存在一定数量被标记过的像素点，则判定该像素点为农作物点，否则判定该像素点为噪点。

所述继电器共有两个，第一个的控制端连接所述微处理器的pte0引脚，第二个的控制端连接所述微处理器的pte1引脚。所述农药喷洒装置的工作原理如图8所示，所述继电器的常开触点串接在主电路中，即所述动力电池的正极连接所述继电器的no引脚，所述电磁阀的正极连接所述继电器的com引脚。采集到的图像中没有农作物时，所述微处理器pte0和pte1引脚保持高电平，此时，三极管关断，控制电路中的继电器不通电，所述继电器的常开触点不动作，主电路中的电磁阀不通电，阀门保持闭合，不会喷洒农药；采集到的图像中出现农作物且农作物位于图像中适当的位置时，所述微处理器会通过pte0或pte1发出低电平触发信号，此时，三极管导通，控制电路中的继电器通电，所述继电器的常开触点动作，主电路中的电磁阀通电，阀门打开，喷洒农药。

所述四旋翼飞行器、所述视觉检测处理装置和所述农药喷洒装置联合起来的工作流程如图9所示：

第一步，给所有设备上电，在所述农药桶内装入适量农药；

第二步，对所有设备初始化并选择工作模式，工作模式分为两种：自主巡航和人工控制；

第三步，检查起飞条件，若不满足起飞条件应及时排除故障；

第四步，所述四旋翼飞行器进入飞行状态，所述视觉检测处理装置和所述农药喷洒装置都进入工作状态；

第五步，所述摄像头不断采集图像并将数据发送给所述微处理器，所述微处理器对图像进行处理，判断图像中是否有农作物，如果有农作物则转第六步，如果没有农作物则向所述摄像头发出采集下一幅图像的控制信号；

第六步，所述微处理器根据图像中的农作物在图像中的位置判断该农作物和所述智能喷洒农药飞行器是否在有效距离范围内，如果在有效距离范围内则控制电磁阀打开，喷洒农药，如果不在有效距离范围内则转第七步(如果在人工控制模式下，则不需要跳转)；

第七步，所述微处理器向所述apm飞控发出信号，所述apm飞控控制所述四旋翼飞行器飞向农作物(如果在人工控制模式下，则不执行此步骤)；

第八步，完成巡航任务后或在人工控制下，所述智能喷洒农药飞行器将会返航并安全着陆。

和现有技术相比，本发明的有益效果为：

传统的农用无人机只能做到单向控制，即设定好航线后一路都会喷洒农药；本发明提出的智能喷洒农药飞行器将图像处理技术与无人机技术相结合，使用摄像头对飞行器下方的物体进行检测与识别，不仅能够监测农作物的生长情况，还能做到智能化喷药，即仅当飞行器下方为农作物时才会喷洒农药；实施智能化喷药不仅可以减少农药的用量，还可以减小对环境的污染。

附图说明

图1为本发明智能喷洒农药飞行器的立体图；

图2为本发明智能喷洒农药飞行器的三个部分所包含的模块或器件框图；

图3为本发明智能喷洒农药飞行器的四旋翼飞行器部分的四个模块所包含的器件框图；

图4为本发明智能喷洒农药飞行器对飞行姿态和飞行航向进行控制的系统方框图；

图5为本发明智能喷洒农药飞行器5v稳压模块的原理图；

图6为本发明智能喷洒农药飞行器3.3v稳压模块的原理图；

图7为本发明智能喷洒农药飞行器对采集到的图像数据进行处理和分析的流程图；

图8为本发明智能喷洒农药飞行器对电磁阀控制的原理图；

图9为本发明智能喷洒农药飞行器整个工作过程的流程图。

图中标记，1-四轴固定板，2-gps支架固定螺丝，3-gps折叠支架，4-接收机，5-gps，6-自锁桨叶，7-无刷电机，8-四轴机架，9-无刷电调，10-减震球，11-减震板，12-摄像头支架固定螺丝，13-稳压模块，14-摄像头支架，15-摄像头，16-喷药软管，17-电磁阀，18-继电器，19-起落架，20-载物套管，21-农药桶，22-动力电池，23-apm飞控，24-微处理器。

具体实施方式

首先声明：在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。

本发明提出了一种智能喷洒农药飞行器的设计如图1所示，包括四旋翼飞行器、视觉检测处理装置和农药喷洒装置。四旋翼飞行器以apm飞控23为核心，结合自锁桨叶6、无刷电机7、无刷电调9、动力电池22、稳压模块13、四轴固定板1、四轴机架8、减震球10、减震板11、起落架19、载物套管20、gps支架固定螺丝2、gps折叠支架3、gps5和接收机4等组成；视觉检测处理装置和农药喷洒装置以微处理器24为核心，结合摄像头支架固定螺丝12、摄像头支架14、摄像头15、继电器18、电磁阀17、喷药软管16和农药桶21等组成。

apm飞控23向无刷电调9发出控制信号，无刷电调9收到控制信号后驱动无刷电机7工作，无刷电机7不同的工作状态会导致四旋翼飞行器的飞行姿态不同，apm飞控23内置的陀螺仪和加速度计将检测到的四旋翼飞行器实际飞行姿态的数据反馈给apm飞控23，apm飞控23会根据目标飞行姿态和实际飞行姿态的差距确定新的控制信号，从而实现对四旋翼飞行器飞行姿态的控制；apm飞控23向无刷电调9发出控制信号，无刷电调9收到控制信号后驱动无刷电机7工作，无刷电机7不同的工作状态会导致四旋翼飞行器的飞行航向不同，apm飞控23内置的罗盘和gps5将检测到的四旋翼飞行器实际飞行航向的数据反馈给apm飞控23，apm飞控23会根据目标飞行航向和实际飞行航向的差距确定新的控制信号，从而实现对四旋翼飞行器飞行航向的控制。

微处理器24向摄像头15发出控制信号，摄像头15收到控制信号后，会采集图像并将采集到的图像数据发送给微处理器24。微处理器24对图像数据进行处理，如果判定图像中没有农作物，就会向摄像头15发出采集下一幅图像的控制信号；如果判定图像中有农作物，就会进一步判定农作物是否在智能喷洒农药飞行器的喷洒范围内，如果不在喷洒范围内，微处理器24就会向apm飞控23发出飞向农作物的信号；如果在喷洒范围内，微处理器24就会发出触发信号，使继电器18通电，继电器18通电后，相应的常开触点闭合，电磁阀17通电，农药桶21内的农药便会从喷药软管16喷洒出来。

如图1所示，首先安装四旋翼飞行器的机架，包括四轴固定板1、四轴机架8、减震球10、减震板11、起落架19和载物套管20。四轴机架8下面的四个角各有两个螺丝孔，使用八根螺丝将四轴固定板1紧固在四轴机架8上；四轴机架8下面有两条对边各有两个螺丝孔，使用四根螺丝将起落架19紧固在四轴机架8上；使用四条扎带分别将两根载物套管绑在起落架19上；减震球10和减震板11四角的孔采用过盈配合，四个减震球10分别穿过两块减震板11四角的孔，将两块减震板11固定在一起；使稍大的减震板11紧贴四轴机架8放置，并用扎带绑在四轴机架8上。

然后安装四旋翼飞行器的其他模块，包括动力电池22、稳压模块13、自锁桨叶6、无刷电机7、无刷电调9、gps支架固定螺丝2、gps折叠支架3、gps5、接收机4和apm飞控23。使用魔术贴将动力电池22贴在四轴固定板1的下面，并用两根复用扎带绑牢，在安装动力电池22的过程中应当保持四旋翼飞行器的重心在其几何中心上；将稳压模块13放在四轴固定板1没有凹口的一侧，并用热熔胶粘牢；无刷电机7的下面和四轴机架8的四端各有两个螺丝孔，使用八根螺丝分别将四个无刷电机7紧固在四轴机架8的四端；自锁桨叶6和无刷电机7上面的端子采用螺旋配合，将自锁桨叶6旋紧在无刷电机7上面的端子上即可；使用八根扎带将四个无刷电调9分别绑在四轴机架8的四个轴臂上；使用gps支架固定螺丝2将gps折叠支架3固定在四轴固定板1上面有凹口的一侧；将gps5套在gps折叠支架3的顶端；将接收机4放在四轴固定板1和四轴机架8的夹缝中，并用热熔胶粘牢；使用双面胶将apm飞控23粘在减震板10上面，并用魔术贴套圈轻轻捆绑。

接着安装视觉检测处理装置，包括摄像头支架固定螺丝12、摄像头支架14、摄像头15和微处理器24。使用摄像头支架固定螺丝12将摄像头支架14固定在四轴固定板1上面没有凹口的一侧；使用螺丝将摄像头固定在摄像头支架14的另一端；使用双面胶将微处理器24粘在减震板10上面，并用魔术贴套圈轻轻捆绑。

最后安装农药喷洒装置，包括继电器18、电磁阀17、喷药软管16和农药桶21。农药桶21下面有凹槽卡扣，与两根载物套管20相配合，安装时，只需将农药桶21紧扣在载物套管20上即可；农药桶21两底面各有一个螺旋端口，与电磁阀17相配合，将两个电磁阀17其中一端分别旋紧固定在农药桶21的螺旋端口上；将喷药软管16套在电磁阀17的另一端；使用热熔胶将两个继电器18分别粘在农药桶21两底面上，具体位置在电磁阀17的正上方。

全部安装完成后，应当测量智能喷洒农药飞行器的重心，通过调整动力电池22和农药桶21的位置尽量使飞行器的重心在其几何中心。

本智能喷洒农药飞行器提供自主巡航和人工控制两种模式喷洒农药。

实施范例1：自主巡航

准备工作：在农药桶内装入适量农药，给所有设备上电并检查智能喷洒农药飞行器是否满足起飞条件，满足起飞条件后，将飞行器设置成自主巡航模式并导入飞行路径。

进入自主巡航模式后智能喷洒农药飞行器将会按照以下步骤工作：

1.apm飞控控制飞行器起飞；

2.摄像头采集图像，并将数据传送给微处理器；

3.微处理器对图像数据进行处理；

4.微处理器判断图像中是否有农作物，如果有，转5，如果没有，转8；

5.微处理器判断农作物是否在喷洒范围内，如果在，转6，如果不在，转7；

6.微处理器控制电磁阀阀门打开，喷洒农药，转8；

7.微处理器向apm飞控发出信号，使飞行器飞向农作物，转8；

8.apm飞控判断航程是否结束，如果结束，转9，如果没有结束，转2；

9.apm飞控控制飞行器返航并安全降落。

实施范例2：人工控制

准备工作：在农药桶内装入适量农药，给所有设备上电并检查智能喷洒农药飞行器是否满足起飞条件，满足起飞条件后，将飞行器设置成人工控制模式。

进入人工控制模式后智能喷洒农药飞行器可按以下步骤工作：

1.人工控制飞行器起飞；

2.摄像头采集图像，并将数据传送给微处理器；

3.微处理器对图像数据进行处理；

4.微处理器判断图像中是否有农作物，如果有，转5，如果没有，转2；

5.微处理器判断农作物是否在喷洒范围内，如果在，转6，如果不在，转2；

6.微处理器控制电磁阀阀门打开，喷洒农药，转2；

7.农药喷洒完成后，人工控制飞行器返航并安全降落。

以上所述仅用于描述本发明的技术方案，并不用于限定本发明的保护范围，所应理解，在不违背本发明的实质内容和精神的前提下，所作任何修改、改进和等同替换等都将落入本发明的保护范围内。