一种基于图像处理的多模式无人机农药喷洒系统及方法与流程

本发明涉及农药喷洒技术领域，具体为一种基于图像处理的多模式无人机农药喷洒系统及方法。

背景技术：

农药广义的定义是指用于预防、消灭或者控制危害农业、林业的病、虫、草和其他有害生物以及有目的地调节、控制、影响植物和有害生物代谢、生长、发育、繁殖过程的化学合成或者来源于生物、其他天然产物及应用生物技术产生的一种物质或者几种物质的混合物及其制剂。狭义上是指在农业生产中，为保障、促进植物和农作物的成长，所施用的杀虫、杀菌、杀灭有害动物(或杂草)的一类药物统称。特指在农业上用于防治病虫以及调节植物生长、除草等药剂。

对农作物进行农药喷洒的过程中，需要避免人员直接接触，现有的技术当中通过无人机进行农药喷洒，比如专利申请号为201410484669.2的专利《基于图像采集的农药喷洒平台》能够实现大面积高效率的农药喷洒，同时能够根据喷洒区域农作物的生长状况自适应地控制喷洒的农药剂量，便于农业部门的操纵和管理。不过在实际的工作当中存在以下问题，第一，不能根据相应喷洒面积制定不同的运行路线；第二，在喷洒农药的过程中没有进一步根据各喷洒点的具体情况进行农药的喷洒管理，农药利用率不高；第三，没有返航控制功能。

技术实现要素：

针对以上问题，本发明提供了一种基于图像处理的多模式无人机农药喷洒系统及方法，能根据相应喷洒面积制定不同的运行路线，在喷洒农药的过程中根据各喷洒点的具体情况进行农药的喷洒管理，提高农药喷洒的效率，具有返航控制功能；可以有效解决背景技术中的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于图像处理的多模式无人机农药喷洒系统，包括安装在无人机主控模块，还包括

安装在无人机上的通信模块，所述通信模块用于主控模块与控制台之间的无线信号传输；

喷洒模式模块，所述喷洒模式模块接收主控模块指令控制农药喷洒的位置和剂量，并控制无人机进行往返运动；

图像圈定处理模块，用于对农作物进行图像圈定并计算出各圈定图像的农作物生长状态传输到主控模块；

运动模式模块，所述运动模式模块接收主控模块指令控制无人机是否进行左右平移；

与主控模块连接的位置控制模块，用于对无人机进行路线记忆和飞行位置控制。

作为本发明一种优选的技术方案，所述位置控制模块包括地理位置记忆单元和飞行位置控制单元，所述地理位置记忆单元对无人机飞行路线进行记忆；所述飞行位置控制单元用于控制无人机飞行的高度和前进路线，所述无人机高度通过无线电发射机、无线电接收机和计算装置进行计算，所述前进路线通过主控模块和北斗位置定位系统进行计算；

所述图像圈定模块包括摄像头、图像圈定单元和图像处理单元，所述摄像头对农作物进行拍摄，拍摄后的图像经过图像圈定单元进行圈定，每帧图像将被圈定为n个区域，通过图像处理单元分别计算出n个圈定区域绿色占比，将n个圈定区域的绿色占比数值输入到主控模块当中；

无人机飞行路线为：喷洒运动前，在需要喷洒的区域内设定一条沿该区域中间运行的路线，并在该路线上设定多个节点；所述主控台将需要喷洒每个节点区域的农作物面积和高度通过通信模块传输到主控模块当中，无人机通过摄像头对农作物进行图像拍摄，所述图像拍摄的面积根据无人机飞行高度而变化，所述位置控制模块控制无人机飞行高度并设置有飞行高度阈值；

所述运动模式模块控制无人机是否在相应节点上进行左右平移；

所述前进路线通过北斗定位系统对无人机飞行位置进行定位，通过主控模块控制无人机的前进路线，当无人机到达相应节点，无人机飞行高度未超过飞行高度阈值且拍摄的面积与相应节点需要喷洒区域的面积相同时，主控器控制无人机左右移动至该节点处圈定图像绿色占比最小值的正上方，根据圈定区域绿色占比大小进行农药控制喷洒，喷洒农药结束后，往飞行路线的下一个节点直线飞行；

当无人机在飞行高度阈值内的拍摄面积未能达到相应节点需要喷洒区域的面积时，所述运动模式模块控制无人机的飞行路线中不进行左右移动，根据圈定区域绿色占比大小进行农药控制喷洒，喷洒结束后，往飞行路线的下一个节点直线飞行。

作为本发明一种优选的技术方案，所述喷洒模式模块包括两个半圆形的转动喷洒单元和一个定点喷洒管，每个所述转动喷洒单元上安装有(n-1)/2个转动喷洒管，其中n的取值为7或9或11。定点喷洒管安装在无人机正下方，主控模块控制转动喷洒单元进行转动后，主控模块根据n个圈定区域的绿色占比数值，控制转动喷洒管和一个定点喷洒管对n个圈定区域分别喷洒定量的农药；

无人机飞行高度未超过飞行高度阈值且拍摄的面积与相应节点需要喷洒区域的面积相同时，所述运动模式模块控制无人机左右移动直到飞行到圈定区域绿色占比数值最小处正上方，且控制转动喷洒单元进行转动，每个喷洒管与每个圈定区域一一对应。

作为本发明一种优选的技术方案，所述喷洒模式模块包括喷洒电量控制单元、喷洒量控制单元、喷洒距离控制单元、喷洒温度控制单元、喷洒位置控制单元，当控制台启动往返指令时，所述喷洒位置控制单元接收地理位置记忆单元的路线进行返航。

本发明还提供了一种基于图像处理的多模式无人机农药喷洒方法，包括以下步骤：

第一步，主控模块利用通信模块接受控制台的喷洒区域面积；

第二步，对农作物进行图像圈定并计算出各圈定图像的农作物生长状态传输到主控模块；

第三步，确定喷洒模式模块和运动模式模块的工作模式，运动模式模块接收主控模块指令控制无人机是否进行左右平移，喷洒模式模块接收主控模块指令和对各圈定图像进行定量喷洒；喷洒模式模块根据主控模块控制无人机进行往返模式。

作为本发明一种优选的技术方案，所述第二步具体包括摄像头、图像圈定单元和图像处理单元，所述摄像头对农作物进行拍摄，拍摄后的图像经过图像圈定单元进行圈定，每帧图像将被圈定为n个区域，通过图像处理单元分别计算出n个圈定区域绿色占比，将n个圈定区域的绿色占比数值输入到主控模块当中；

所述第三步工作原理为：设置无人机飞行路线，喷洒运动前，在相应喷洒的区域内设定一条沿该区域中间运行的路线，在该路线上设定多个节点；所述主控台将需要喷洒每个节点区域的农作物面积和高度通过通信模块传输到主控模块当中，无人机通过摄像头对农作物进行图像拍摄，所述图像拍摄的面积根据无人机飞行高度而变化，控制无人机飞行高度并设置飞行高度阈值；通过北斗定位系统对无人机飞行位置进行定位，通过主控模块控制无人机的前进路线，当无人机到达相应节点，无人机飞行高度未超过飞行高度阈值且拍摄的面积与相应节点需要喷洒区域的面积相同时，主控器控制无人机左右移动至该节点处圈定图像绿色占比最小值的正上方，根据圈定区域绿色占比大小进行农药控制喷洒，喷洒农药结束后，往飞行路线的下一个节点直线飞行；当无人机在飞行高度阈值内的拍摄面积未能达到相应节点需要喷洒区域的面积时，所述运动模式模块控制无人机的飞行路线中不进行左右移动，根据圈定区域绿色占比大小进行农药控制喷洒，喷洒结束后，往飞行路线的下一个节点直线飞行。

作为本发明一种优选的技术方案，所述喷洒模式模块包括两个半圆形的转动喷洒单元和一个定点喷洒管，每个所述转动喷洒单元上安装有(n-1)/2个转动喷洒管，定点喷洒管安装在无人机正下方，主控模块控制转动喷洒单元进行转动后，主控模块根据n个圈定区域的绿色占比数值，控制转动喷洒管和一个定点喷洒管对n个圈定区域分别喷洒定量的农药；摄像头采用广角摄像头，转动喷洒管的喷洒最大距离不小于拍摄图像中最远的两点间距离，保证当该节点的n个圈定区域的绿色占比最小值位于该图像的边缘时，无人机飞向该节点的边缘处，利用定点喷洒管对其进行集中喷洒，其余的圈定区域，主控模块根据无人机移动的距离计算出当前每个圈定区域离无人机的距离，首先控制转动喷洒单元转向合适的方位，主控模块对n个绿色占比数值进行排序，每个转动喷洒管与相应绿色占比数值的排序对应，控制转动喷洒管对相应的圈定区域进行距离和喷洒量的控制，农药利用效率高。

无人机飞行高度未超过飞行高度阈值且拍摄的面积与相应节点需要喷洒区域的面积相同时，所述运动模式模块控制无人机左右移动直到飞行到圈定区域绿色占比数值最小处正上方，且控制转动喷洒单元进行转动，每个喷洒管与每个圈定区域一一对应。

作为本发明一种优选的技术方案，所述喷洒模式模块包括喷洒电量控制单元、喷洒量控制单元、喷洒距离控制单元、喷洒温度控制单元、喷洒位置控制单元，喷洒电量控制单元监测无人机电量使用情况，当控制台启动往返指令时，所述喷洒位置控制单元接收地理位置记忆单元的路线进行返航，在返航的过程中，可以根据实际情况，喷洒模式模块通过主控模块进行控制，利用控制台选择是否对返程中每个节点再次进行喷洒；转动喷洒管和定点喷洒管拍摄图像当中圈定区域之间一一对应，喷洒距离控制单元包括与每个喷洒管对应的压力泵，无线电发射机和无线电接收机分别向地面发射无线电波和接收反射的无线电波，利用计算装置计算发射和接收的时间差来计算出无人机当前高度,当前节点的农作物高度通过控制台输入,结合当前无人机高度和圈定区域离各个相应喷洒管口的距离控制压力泵大小,依据图像圈定区域与对应喷洒管的距离控制对应压力泵的工作压力，喷洒量控制单元控制每个喷洒管单位时间内喷洒的农药量并监测农药存储容器内的农药余量，喷洒温度控制单元控制农药存储容器内农药温度。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、能根据相应喷洒面积制定不同的运行路线；

2、在喷洒农药的过程中根据各喷洒点的具体情况进行农药的喷洒管理，提高农药喷洒的效率；

3、具有返航控制功能。

附图说明

图1为本发明系统结构框图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例：

请参阅图1，本发明提供一种技术方案：一种基于图像处理的多模式无人机农药喷洒系统，包括安装在无人机主控模块，还包括

安装在无人机上的通信模块，所述通信模块用于主控模块与控制台之间的无线信号传输；

喷洒模式模块，所述喷洒模式模块接收主控模块指令控制农药喷洒的位置和剂量，并控制无人机进行往返运动；

图像圈定处理模块，用于对农作物进行图像圈定并计算出各圈定图像的农作物生长状态传输到主控模块；

运动模式模块，所述运动模式模块接收主控模块指令控制无人机是否进行左右平移；

与主控模块连接的位置控制模块，用于对无人机进行路线记忆和飞行位置控制。

优选的，所述位置控制模块包括地理位置记忆单元和飞行位置控制单元，所述地理位置记忆单元对无人机飞行路线进行记忆；所述飞行位置控制单元用于控制无人机飞行的高度和前进路线，所述无人机高度通过无线电发射机、无线电接收机和计算装置进行计算，所述前进路线通过主控模块和北斗位置定位系统进行计算；

所述图像圈定模块包括摄像头、图像圈定单元和图像处理单元，所述摄像头对农作物进行拍摄，拍摄后的图像经过图像圈定单元进行圈定，每帧图像将被圈定为n个区域，通过图像处理单元分别计算出n个圈定区域绿色占比，将n个圈定区域的绿色占比数值输入到主控模块当中；

无人机飞行路线为：喷洒运动前，在需要喷洒的区域内设定一条沿该区域中间运行的路线，并在该路线上设定多个节点；所述主控台将需要喷洒每个节点区域的农作物面积和高度通过通信模块传输到主控模块当中，无人机通过摄像头对农作物进行图像拍摄，所述图像拍摄的面积根据无人机飞行高度而变化，所述位置控制模块控制无人机飞行高度并设置有飞行高度阈值；

所述运动模式模块控制无人机是否在相应节点上进行左右平移；

所述前进路线通过北斗定位系统对无人机飞行位置进行定位，通过主控模块控制无人机的前进路线，当无人机到达相应节点，无人机飞行高度未超过飞行高度阈值且拍摄的面积与相应节点需要喷洒区域的面积相同时，主控器控制无人机左右移动至该节点处圈定图像绿色占比最小值的正上方，根据圈定区域绿色占比大小进行农药控制喷洒，喷洒农药结束后，往飞行路线的下一个节点直线飞行；

当无人机在飞行高度阈值内的拍摄面积未能达到相应节点需要喷洒区域的面积时，所述运动模式模块控制无人机的飞行路线中不进行左右移动，根据圈定区域绿色占比大小进行农药控制喷洒，喷洒结束后，往飞行路线的下一个节点直线飞行。

优选的，所述喷洒模式模块包括两个半圆形的转动喷洒单元和一个定点喷洒管，每个所述转动喷洒单元上安装有(n-1)/2个转动喷洒管，其中n的取值为7或9或11。定点喷洒管安装在无人机正下方，主控模块控制转动喷洒单元进行转动后，主控模块根据n个圈定区域的绿色占比数值，控制转动喷洒管和一个定点喷洒管对n个圈定区域分别喷洒定量的农药；

无人机飞行高度未超过飞行高度阈值且拍摄的面积与相应节点需要喷洒区域的面积相同时，所述运动模式模块控制无人机左右移动直到飞行到圈定区域绿色占比数值最小处正上方，且控制转动喷洒单元进行转动，每个喷洒管与每个圈定区域一一对应。

优选的，所述喷洒模式模块包括喷洒电量控制单元、喷洒量控制单元、喷洒距离控制单元、喷洒温度控制单元、喷洒位置控制单元，当控制台启动往返指令时，所述喷洒位置控制单元接收地理位置记忆单元的路线进行返航。

本发明还提供了一种基于图像处理的多模式无人机农药喷洒方法，包括以下步骤：

第一步，主控模块利用通信模块接受控制台的喷洒区域面积；

第二步，对农作物进行图像圈定并计算出各圈定图像的农作物生长状态传输到主控模块；

第三步，确定喷洒模式模块和运动模式模块的工作模式，运动模式模块接收主控模块指令控制无人机是否进行左右平移，喷洒模式模块接收主控模块指令和对各圈定图像进行定量喷洒；喷洒模式模块根据主控模块控制无人机进行往返模式。

优选的，所述第二步具体包括摄像头、图像圈定单元和图像处理单元，所述摄像头对农作物进行拍摄，拍摄后的图像经过图像圈定单元进行圈定，每帧图像将被圈定为n个区域，通过图像处理单元分别计算出n个圈定区域绿色占比，将n个圈定区域的绿色占比数值输入到主控模块当中；

所述第三步工作原理为：设置无人机飞行路线，喷洒运动前，在相应喷洒的区域内设定一条沿该区域中间运行的路线，在该路线上设定多个节点；所述主控台将需要喷洒每个节点区域的农作物面积和高度通过通信模块传输到主控模块当中，无人机通过摄像头对农作物进行图像拍摄，所述图像拍摄的面积根据无人机飞行高度而变化，控制无人机飞行高度并设置飞行高度阈值；通过北斗定位系统对无人机飞行位置进行定位，通过主控模块控制无人机的前进路线，当无人机到达相应节点，无人机飞行高度未超过飞行高度阈值且拍摄的面积与相应节点需要喷洒区域的面积相同时，主控器控制无人机左右移动至该节点处圈定图像绿色占比最小值的正上方，根据圈定区域绿色占比大小进行农药控制喷洒，喷洒农药结束后，往飞行路线的下一个节点直线飞行；当无人机在飞行高度阈值内的拍摄面积未能达到相应节点需要喷洒区域的面积时，所述运动模式模块控制无人机的飞行路线中不进行左右移动，根据圈定区域绿色占比大小进行农药控制喷洒，喷洒结束后，往飞行路线的下一个节点直线飞行。

优选的，所述喷洒模式模块包括两个半圆形的转动喷洒单元和一个定点喷洒管，每个所述转动喷洒单元上安装有(n-1)/2个转动喷洒管，定点喷洒管安装在无人机正下方，主控模块控制转动喷洒单元进行转动后，主控模块根据n个圈定区域的绿色占比数值，控制转动喷洒管和一个定点喷洒管对n个圈定区域分别喷洒定量的农药；摄像头采用广角摄像头，转动喷洒管的喷洒最大距离不小于拍摄图像中最远的两点间距离，保证当该节点的n个圈定区域的绿色占比最小值位于该图像的边缘时，无人机飞向该节点的边缘处，利用定点喷洒管对其进行集中喷洒，其余的圈定区域，主控模块根据无人机移动的距离计算出当前每个圈定区域离无人机的距离，首先控制转动喷洒单元转向合适的方位，主控模块对n个绿色占比数值进行排序，每个转动喷洒管与相应绿色占比数值的排序对应，控制转动喷洒管对相应的圈定区域进行距离和喷洒量的控制，农药利用效率高。

无人机飞行高度未超过飞行高度阈值且拍摄的面积与相应节点需要喷洒区域的面积相同时，所述运动模式模块控制无人机左右移动直到飞行到圈定区域绿色占比数值最小处正上方，且控制转动喷洒单元进行转动，每个喷洒管与每个圈定区域一一对应。

优选的，所述喷洒模式模块包括喷洒电量控制单元、喷洒量控制单元、喷洒距离控制单元、喷洒温度控制单元、喷洒位置控制单元，喷洒电量控制单元监测无人机电量使用情况，当控制台启动往返指令时，所述喷洒位置控制单元接收地理位置记忆单元的路线进行返航，在返航的过程中，可以根据实际情况，喷洒模式模块通过主控模块进行控制，利用控制台选择是否对返程中每个节点再次进行喷洒；转动喷洒管和定点喷洒管拍摄图像当中圈定区域之间一一对应，喷洒距离控制单元包括与每个喷洒管对应的压力泵，无线电发射机和无线电接收机分别向地面发射无线电波和接收反射的无线电波，利用计算装置计算发射和接收的时间差来计算出无人机当前高度,当前节点的农作物高度通过控制台输入,结合当前无人机高度和圈定区域离各个相应喷洒管口的距离控制压力泵大小,依据图像圈定区域与对应喷洒管的距离控制对应压力泵的工作压力，喷洒量控制单元控制每个喷洒管单位时间内喷洒的农药量并监测农药存储容器内的农药余量，喷洒温度控制单元控制农药存储容器内农药温度。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。