[发明专利]无人机变量施药自动控制系统及方法

摘要

本发明提供了一种基于图像处理的水稻无人机变量施药自动控制系统，包括田间信息采集模块、信息处理模块、信息管理决策模块及无人机变量喷施控制模块；能够根据不同的地块受灾严重程度设定不同的药量处方值，达到更好的病虫害防治效果，降低农业成本，减少用药量的基于图像处理的水稻无人机变量施药自动控制系统及方法。本发明将无人机喷药与变量施药技术相结合，根据作物的实际受害情况变量喷洒农药，提高了作业效率，减少了农药使用量，减轻环境污染，有利于农作物生长，而实时监测显示系统实现了可视化作业。

主权项

一种基于图像处理的水稻无人机变量施药自动控制系统，其特征在于：包括田间信息采集模块、信息处理模块、信息管理决策模块及无人机变量喷施控制模块；所述的田间信息采集模块用于包括航拍无人机及配套飞控系统、搭载相机的云台、GPS定位系统及植保多旋翼无人机载电脑，其中相机对作物实时采集的图像信息及GPS定位系统获得的定位信息均传入植保多旋翼无人机载电脑；所述的信息处理模块包括GPS接收设备及安装于植保多旋翼无人机载电脑上的嵌入式GIS系统，其中嵌入式GIS系统接收相机采集的图像信息和GPS接收设备提供的定位信息用于生成农田信息分布图；所述的信息管理决策模块装于离线计算机上，包括管理决策系统、图像处理环节和作物病虫害专家系统，其中管理决策系统接收由嵌入式GIS系统生成的农田信息分布图，结合图像处理环节的分析处理结果，由作物病害防治专家系统对处理结果作出判断并生成相应的变量施药处方图，离线计算机将变量施药处方图传输给植保多旋翼无人机载电脑；所述的无人机变量喷施控制模块包括装载于植保多旋翼无人机上的变量施药控制系统，变量施药控制系统通过CAN总线与植保多旋翼无人机载电脑相连，接收植保多旋翼无人机载电脑传输的变量施药处方图；所述的变量施药控制系统包括变量喷施控制器、药箱、液泵、电磁阀、液管、喷杆和喷头，药箱内设有液泵，并经液管、喷杆连接至喷头,液管上设有用于控制其通断的电磁阀；根据作业所在点的处方值要求，由植保多旋翼无人机载电脑发送喷雾指令到变量喷施控制器，通过变量喷施控制器控制电磁阀的通电时间，来改变喷头喷洒的药液量；变量施药的自动控制过程如下：步骤一：利用航拍无人机采集田间图像信息，同时由机载GPS定位系统获取田间定位信息；田间图像信息的采集是通过对农田划分作业带，每条带宽4m，并在在每条作业带上以4m间距设置若干测试点，由航拍无人机对测试点实时拍照获取，由图传系统传递到地面接收站；田间定位信息采集是由GPS定位系统获得农田轮廓图，并将轮廓图以4m×4m网格大小对其划分，生成作物田间信息分布图；步骤二：对采集的田间图像信息进行处理，以分析不同地块作物受病害情况；对图像进行处理分析，步骤如下：(1)先对图像中多处病斑信息部位放大，然后对放大图像进行高斯滤波降噪；(2)将滤波后的图像用阈值分割法获取作物叶部病斑；(3)提取病害部位的颜色、形状、纹理信息；所述颜色由一至三阶颜色矩公式①_③和标准化颜色直方图公式④表示：其中pi.j表示第i个颜色通道灰度为j的像素出现的概率，N为像素总个数，HCI(I)为图像I的直方图，p为图像中的像素点，w×h为图像的大小；所述形状由病斑部位的圆形度、矩形度、偏心率表示，其公式分别如下：其中S表示病斑的面积，L表示周长，W×H为长度×宽度，C1、C2、C3分别是目标的各个像素点分别绕x、y、z坐标轴的转动惯量；所述纹理由通过公式⑧‑⑩分别计算角二阶矩(ASM)、对比度(CON)和相关度(COR)3个基于灰度共生矩阵的纹理量化指标来表示：式中，N为灰度级，σx、μx为行方向上纹理参数的均值和方差，σy、μy为列方向上纹理参数的均值和方差；(4)由病害特征信息判定病害程度，并应用支持向量机SVM对提取的病斑信息识别，判定病害种类，其中所述SVM的训练样本通过扫描水稻病害原色图谱获得；步骤三：由信息管理决策系统依据作物受病害情况的分析结果制定出变量施药处方图；所述变量施药处方图的制定，是由作物病虫害专家系统依据图像处理分析结果确定相应地块农药喷洒量，即确定处方值，并由信息管理决策系统将各个处方值与作物田间信息分布图相结合生成变量施药处方图，将处方图通过存储设备传输到植保多旋翼无人机载电脑的嵌入式GIS系统；步骤四：无人机变量施药控制系统获得变量施药处方图，由植保多旋翼无人机按照预定的路线实施自动变量施药作业；根据作业所在点的处方值要求，由植保多旋翼无人机发送喷雾指令到变量喷施控制器，通过变量喷施控制器控制电磁阀的通电时间，来改变喷头喷洒的药液量；嵌入式GIS系统根据给定的变量施药处方图，通过GPS定位系统实时获取机组当前位置的经、纬度信息，并与处方图坐标系融合，判断机组所处网格，从而得到机组当前作业位置的作业处方值，再通过CAN总线作用到变量施药控制系统自动完成田间变量喷施作业；步骤五：在施药作业过程中实时显示并由检测控制站监测植保多旋翼无人机所在位置、药箱药量和施药状态。