一种无人机树冠追踪系统的制作方法

本发明涉及农用无人机技术领域，具体涉及一种无人机树冠追踪系统。

背景技术：

病虫害是严重制约农业可持续发展的重要因素之一，在目前，化学防治仍是一项重要的防治手段。采用无人机进行施药作为一种新型防治虫害的手段，相比传统的地面施药和有人驾驶施药有其独特的优势，所以，对农用无人机的研究成为了当下农机行业研究的热点。但是，在使用农业无人机对果树林进行喷药时，由于果树林中果树个体之间存在一定面积量无需喷药的空位，如果没有对这些空位进行筛选而实施如水稻式的全面积无差别喷药，将会在果树个体与果树个体之间的空位浪费大量的农药，而要实现无人机对果树树冠的追踪，目前仍然依靠人力进行控制，效率低下，浪费人力物力；针对上述问题，现有技术已有相关研究，例如陆泽萍等人的《基于无人机航拍图像的树冠三维重建》，刘祖瑾等的《基于ICA算法和尺度优化的无人机影像树冠提取方法》等都有相关研究，但是，这些研究都存在设备复杂、传感器使用量多、成本高且操作复杂、不利于推广等问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种无人机树冠追踪系统，该系统操作简单，可解决目前现有技术无法大面积推广的问题，减少了无人机喷药过程药物的浪费，提高了喷药效率，节约了大量资源。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

一种无人机树冠追踪系统，包括四旋翼无人机，以及设置在所述四旋翼无人机上的激光传感器单元、惯性测量单元和数据处理单元，其中：

所述四旋翼无人机包括机架，以及安装在所述机架上的螺旋桨、电机、电源和飞行控制模块，所述螺旋桨与所述电机相连接，所述电机与所述电源相连接；所述螺旋桨、电机和电源分别与所述飞行控制模块相连接；所述飞行控制模块控制所述四旋翼无人机的飞行作业；

所述激光传感器单元包括安装架和激光传感器，所述安装架整体呈T型结构，所述安装架上设有安装孔位，所述安装架通过所述安装孔位与所述四旋翼无人机的机架相连接；所述激光传感器设有四个，其中第一激光传感器、第二激光传感器和第三激光传感器均匀分布在所述安装架的横梁上，第四激光传感器设置在所述安装架竖梁的底部，所述第一激光传感器、第二激光传感器和第三激光传感器位于所述四旋翼无人机的前部，所述第四激光传感器位于所述四旋翼无人机的后部，所述四个激光传感器形成阵列且处于同一水平面同时作业，所述四个激光传感器同时获取四旋翼无人机与树冠的距离，并将数据传输给所述数据处理单元进行处理；

所述惯性测量单元通过所述数据处理单元与所述四旋翼无人机的飞行控制模块相连接，从而控制所述四旋翼无人机的飞行作业，当激光传感器单元无数据返回或者出现异常数据时，飞行控制模块通过所述惯性测量单元保证四旋翼无人机维持现有的飞行路径与飞行方向；

所述数据处理单元包括单片机，所述单片机通过滤波算法对所述四个激光传感器传输过来的数据进行处理，去掉异常数据后对所得的数据进行对比判断，单片机通过运用对比判断后的数据控制四旋翼无人机进行作业；所述单片机分别与所述激光传感器单元和惯性测量单元双向连接；所述单片机与所述四旋翼无人机的飞行控制模块单向连接，所述单片机通过所述飞行控制模块间接控制所述四旋翼无人机。

本发明的工作原理：

工作时，四旋翼无人机起飞后，单片机发出指令，四个激光传感器开始工作，并持续返回数据给单片机，四旋翼无人机上的其他各单元也同时开始工作，惯性测量单元用于将四旋翼无人机飞行的速度信息发送给单片机，单片机通过控制四旋翼无人机的飞行控制模块从而控制四旋翼无人机的飞行作业；当位于四旋翼无人机前部的所述第一激光传感器、第二激光传感器和第三激光传感器所获得的数据出现突变并且突变之后的数值差距处于实际合理范围时，此时可以判断四旋翼无人机位于待喷药树冠范围内，则单片机开始执行数据处理程序并控制四旋翼无人机进行喷药作业；喷药作业结束之后，单片机暂时不执行数据处理程序，并控制四旋翼无人机向前飞行，当处于前部的第一激光传感器、第二激光传感器和第三激光传感器所获得的数值出现突变并且突变之后的数值差距处于实际合理范围时，此时可以判断四旋翼无人机已经离开已喷药树冠范围内，则单片机控制四旋翼无人机继续向前飞行，寻找下一棵果树并对其树冠进行定位，如此循环作业，便可越过果树个体之间的空位从而减少喷药过程中对药物的浪费。

本发明与现有技术相比具有以下的有益效果：

本发明设计合理，降低了现有技术对树冠进行追踪的成本，解决目前对树冠进行追踪的技术无法大面积推广的问题，减少了无人机喷药过程中对药物的浪费，提高了喷药效率，节约了大量资源，也有利于环境保护。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明激光传感器单元的结构示意图；

图3为本发明的作业状态图。

图中附图标记为：1、第一激光传感器；2、第二激光传感器；3、第三激光传感器；4、第四激光传感器；5、安装架；6、四旋翼无人机；7、安装孔位；8、树冠。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

如图1～3所示，一种无人机树冠追踪系统，包括四旋翼无人机6，以及设置在所述四旋翼无人机6上的激光传感器单元、惯性测量单元和数据处理单元，其中：

所述四旋翼无人机6包括机架，以及安装在所述机架上的螺旋桨、电机、电源和飞行控制模块，所述螺旋桨与所述电机相连接，所述电机与所述电源相连接；所述螺旋桨、电机和电源分别与所述飞行控制模块相连接；所述飞行控制模块控制所述四旋翼无人机6的飞行作业。

所述激光传感器单元包括安装架5和激光传感器，所述安装架5整体呈T型结构，所述安装架5上设有安装孔位7，所述安装架5通过所述安装孔位7与所述四旋翼无人机6的机架相连接；所述激光传感器设有四个，其中第一激光传感器1、第二激光传感器2和第三激光传感器3均匀分布在所述安装架5的横梁上，第四激光传感器4设置在所述安装架5竖梁的底部，所述第一激光传感器1、第二激光传感器2和第三激光传感器3位于所述四旋翼无人机6的前部，所述第四激光传感器4位于所述四旋翼无人机6的后部，所述四个激光传感器形成阵列且处于同一水平面同时作业，所述四个激光传感器同时获取四旋翼无人机6与树冠8的距离，并将数据传输给所述数据处理单元进行处理；所述激光传感器也可由超声波传感器或者红外线传感器等具有测距功能的元件替换，亦可使实现本发明的功能。

所述惯性测量单元通过所述数据处理单元与所述四旋翼无人机6的飞行控制模块相连接，从而控制所述四旋翼无人机6的飞行作业，当激光传感器单元无数据返回或者出现异常数据时，飞行控制模块通过所述惯性测量单元保证四旋翼无人机6维持现有的飞行路径与飞行方向，确保了无人机飞行的稳定性与安全性。

所述数据处理单元包括单片机，所述单片机通过滤波算法对所述四个激光传感器传输过来的数据进行处理，去掉异常数据后对所得的数据进行对比判断，单片机通过运用对比判断后的数据控制四旋翼无人机6进行作业；所述单片机分别与所述激光传感器单元和惯性测量单元双向连接；所述单片机与所述四旋翼无人机6的飞行控制模块单向连接，所述单片机通过所述飞行控制模块间接控制所述四旋翼无人机6。

工作时，四旋翼无人机6起飞后，单片机发出指令，四个激光传感器开始工作，并持续返回数据给单片机，四旋翼无人机6上的其他各单元也同时开始工作，惯性测量单元用于将四旋翼无人机6飞行的速度信息发送给单片机，单片机通过控制四旋翼无人机6的飞行控制模块从而控制四旋翼无人机6的飞行作业；当位于四旋翼无人机6前部的所述第一激光传感器1、第二激光传感器2和第三激光传感器3所获得的数据出现突变并且突变之后的数值差距处于实际合理范围时，此时可以判断四旋翼无人机6位于待喷药树冠8范围内，则单片机开始执行数据处理程序并控制四旋翼无人机6进行喷药作业；

其中，所述单片机执行数据处理的具体过程为：

单片机获取四个激光传感器传输来的数据之后，首先将每一个激光传感器传输来的数据进行滤波处理，即可得到符合实际情况的数据，其中，滤波处理过程具体为：因叶片之间存在空隙，激光传感器发出的光可能穿过空隙落在地面上，导致测出的数值为无人机该点到地面的高度，若出现这种情况，则此数据将远大于其他激光传感器的数据，即为异常数据，将该异常数据去除，得到的数据即为符合实际情况的数据；设第一激光传感器1与树冠8的距离为L1，第二机构传感器与树冠8的距离为L2，第三激光传感器3与树冠8的距离为L3，第四激光传感器4与树冠8的距离为L4；之后同一时间将四个激光传感器所得到的四个数值L1、L2、L3和L4为一组进行对比判断：①如果L1大于L3，则单片机控制四旋翼无人机6向左平移，如果L3大于L1，则单片机控制四旋翼无人机6向右平移，直至L1和L3的数值之差小于5到10厘米，此数值可根据不同的果树可灵活变换；②如果L2大于L4，则单片机控制四旋翼无人机6向前平移，如果L4大于L2，则单片机控制无人机向后平移，直到L2和L4两个传感器的数值之差小于5到10厘米，此数值可根据不同的果树可灵活变换；①②两步同时进行，经过上述调整，四旋翼无人机6便处于树冠8的顶部位置，此时再执行喷药作业，便可减少药物的浪费；

喷药作业结束之后，单片机暂时不执行数据处理程序，并控制四旋翼无人机6向前飞行，当处于前部的第一激光传感器1、第二激光传感器2和第三激光传感器3所获得的数值出现突变并且突变之后的数值差距处于实际合理范围时，此时可以判断四旋翼无人机6已经离开已喷药树冠8范围内，则单片机控制四旋翼无人机6继续向前飞行，寻找下一棵果树并对其树冠8进行定位，如此循环作业，便可越过果树个体之间的空位从而减少喷药过程中对药物的浪费。

本发明设计合理，降低了现有技术对树冠进行追踪的成本，解决目前对树冠进行追踪的技术无法大面积推广的问题，减少了无人机喷药过程中对药物的浪费，提高了喷药效率，节约了大量资源，也有利于环境保护。

上述为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述内容的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。