[发明专利]一种基于机器视觉的无人机区域对靶变量施药控制装置与方法

权利要求书

1.一种基于机器视觉的无人机区域对靶变量施药控制装置，其特征在于，包括图像采集模块、图像信息处理模块和无人机区域对靶变量施药控制模块；

所述的图像采集模块，用于在无人机作业时拍摄田间图像，并传送至图像信息处理模块；

所述的图像信息处理模块，用于根据拍摄的图像确定出田间杂草的位置和覆盖面积，得出施药处方；

所述的无人机区域对靶变量施药控制模块，具有多个离心式电动喷头，用于根据施药处方控制各个离心式电动喷头的施药流量。

2.根据权利要求1所述的一种基于机器视觉的无人机区域对靶变量施药控制装置，其特征在于，所述的图像采集模块包括云台和摄像机，摄像机安装在云台上；所述的摄像机的选型由以下公式确定：

或

式中f为摄像头的焦距；

h和p分别为摄像头的水平和垂直尺寸；

H和P分别为被拍摄区域的水平和垂直大小；

D是镜头与所拍摄物体的距离。

3.根据权利要求1所述的一种基于机器视觉的无人机区域对靶变量施药控制装置，其特征在于，所述的图像信息处理模块指嵌入式DSP开发板，所述图像信息处理模块根据颜色特征将采集的图像转化为灰度图，然后采用阈值分割法分离杂草和背景，采用区域生长法分离杂草和农作物，再将图像二值化，识别杂草并确定杂草投影面积。

4.根据权利要求1所述的一种基于机器视觉的无人机区域对靶变量施药控制装置，其特征在于，所述的无人机区域对靶变量施药控制模块包括载于植保无人机上的离心式电动喷头、隔膜泵、水管和药箱；

所述药箱出水口与隔膜泵的入水口相连接；隔膜泵出水口与分流器的入水口相连接；分流器的各个出水口分别与水管相连接，水管的另一端与离心式电动喷头相连。

5.根据权利要求4所述的一种基于机器视觉的无人机区域对靶变量施药控制装置，其特征在于，所述的离心式电动喷头分别安装于植保无人机的每个旋翼的下方，每个喷头离地一米高时喷幅为1.5米直径，喷头流量为0L/min～1L/min。

6.根据权利要求1-5中任一项所述基于机器视觉的无人机区域对靶变量施药控制装置的控制方法，其特征在于，包括下述步骤：

(1)图像采集模块的摄像机在植保无人机作业时采集田间图像，并传送至图像信息处理模块；

(2)图像信息处理模块对采集的图像进行处理，确定出田间杂草的位置和覆盖面积；

(3)依据田间杂草的位置和覆盖面积得出施药处方；

(4)无人机区域对靶变量施药控制模块根据施药处方，输出相应占空比的PWM信号至离心式电动喷头以改变施药流量。

7.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，步骤(1)中，植保无人机作业时距离作物1～3米。

8.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，步骤(2)中，图像信息处理模块对采集的图像进行处理的具体步骤为：

先分析颜色特征，根据颜色特征把彩色图像转化为灰度图像；

然后采用阈值分割法分离杂草和背景，采用区域生长法分离杂草和农作物；

再将图像二值化，用形态学滤波法滤除杂质，识别出杂草，并且根据杂草投影面积确定出杂草覆盖面积。

9.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，步骤(3)中，得出施药处方的具体步骤为：

图像信息处理模块根据离心式电动喷头的喷施范围划分图像，每个被划分的区域对应于各个喷头，从图像处理的结果可确定出每个区域杂草的覆盖面积，从而得出每个区域对应离心式电动喷头的喷施流量。

10.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，步骤(4)中，离心式电动喷头的施药流量通过DSP开发板输出不同占空比的PWM信号至喷头来调节，PWM信号的占空比与喷头的施药流量的关系模型通过实验拟合出以下函数表达式：

q＝221.1x⁴-217x³+64.91x²-3.154x-0.005 ③

其中q为喷头的施药流量，x为占空比，模型的判决系数R²为0.9756；

所述的施药流量与杂草的覆盖面积的关系推导如下：

式中r为每公顷施药量，L/hm²；

q为喷头的瞬时施药流量；

v为无人机的飞行速度；

d为喷头间距；

变量施药过程中，实际所需的喷药量主要由杂草的覆盖面积大小而定，为简化模型，只考虑杂草覆盖面积因素，设定单位公顷内的杂草面积与每公顷实际所需施药量成正比，即

式中r为每公顷施药量；

s为所对应杂草面积；

C为常数。

由式④、⑤得施药流量与杂草的覆盖面积的关系为：