一种检测由无人机旋翼气流引起的冠层倒伏锥体的方法技术

本发明专利技术公开了一种检测由无人机旋翼气流引起的冠层倒伏锥体的方法，该方法步骤如下：步骤一、布置参考标识：将醒目的标识卡安装到容易固定的折叠式三脚架上后；步骤二、悬停无人机A；步骤三、设计旋翼式无人机B的飞行方式；步骤四、采集试验资料：无人机A采集到农作物受到气流影响的视频及图像资料；步骤五、后期数据分析：对步骤四所采集到的视频及图像资料进行分析，得出由无人机旋翼气流引起的冠层倒伏锥体的形态参数。本发明专利技术中，通过检测冠层倒伏锥体的形态，可以直观且准确地判断无人机旋翼气流对农作物冠层产生都影响，为农用旋翼式无人机田间作业旋翼气流参数的标准化和统一化提供保障。

Method for detecting canopy falling cone caused by air flow of unmanned aerial vehicle

The invention discloses a method for detecting the canopy lodging cone caused by UAV rotor flow, the method comprises the following steps: step one, layout reference mark: eye-catching logo card installed to the fixed folding three tripod; step two, hovering UAV A; step three, the design of the rotary wing UAV B flight; step four, collecting test data: no video man-machine A collected by the airstream crops and image data; analysis of step five, step four: video data collected and image data were analyzed, the morphological parameters of canopy lodging caused by cone rotor airflow of the uav. In the invention, by detecting the canopy lodging cone shape, can directly and accurately determine the UAV rotor airflow are impact on crop canopy, to provide protection for the agricultural rotor UAV field operation parameters of the rotor flow standardization and unification.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及检测无人机旋翼气流对农作物影响的方法，特别是涉及一种检测由无人机旋翼气流引起的冠层倒伏锥体的方法。
技术介绍
农用无人机的研究设计水平作为反应农业现代化水平的重要标志之一，以及无人机飞行作业参数优选，极大的影响无人机对农作物的作用。目前在中国的农业航空的应用及对农用无人机飞行参数的检测方法的应用尚处于起步阶段，潜力巨大。中国农业航空未来的需求主要集中在超低空农情信息快速获取、超低空喷施作业和其他特种作业(例如制种辅助授粉)等方面。结合中国农业的特点，据专家预测，中国农业航空的发展应因地制宜，走“多机型、多作业方式并举”的道路，按照当前的发展态势，未来中国农业航空的主要机型大致可分为有人驾驶、无人驾驶的固定翼飞机和旋转翼直升机以及动力三角翼等机型。旋翼式无人机旋翼工作时所产生的气流会对农作物冠层产生影响，研究旋翼式无人机旋翼作业时农作物冠层的风场分布，以便让旋翼式无人机旋翼在最佳的飞行状态下进行作业，具有重要意义。现有的上述风场分布检测通常采用模拟的方式进行，常见的方式是在测试区域内设置风速传感器，让无人机从上方飞过，通过采集测试区域内的风速传感器的数据，经计算后得出测试区域内的风场分布情况。例如，授权公告号为CN103076462B的专利技术专利所公开的“一种多方向风速测量装置”。现有的这种通过模拟测量风场分布的方式来判断旋翼式无人机旋翼工作时所产生的气流会对农作物冠层产生的影响存在以下的不足：1、由于模拟测试的区域的环境与实际作业时的环境不同，得出的风场分布数据不够准确；具体来说，模拟测试的区域内没有农作物的分布，而实际作业时农作物的存在会对风场的分布产生影响，而且不同的农作物对风场的影响也不同，因此通过模拟测试风场分布来分析气流对农作物的影响，不够准确。2、通过模拟测试获得的风场分布来间接分析气流对农作物冠层的影响，不能直观且真实地反映气流对农作物冠层的实际影响。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提出了一种检测由无人机旋翼气流引起的冠层倒伏锥体的方法，通过检测冠层倒伏锥体的形态，可以直观且准确地判断无人机旋翼气流对农作物冠层产生都影响。本专利技术解决上述技术问题的技术方案为：一种检测由无人机旋翼气流引起的冠层倒伏锥体的方法，该方法步骤如下：步骤一、布置参考标识：将醒目的标识卡安装到容易固定的折叠式三脚架上后，放置于农田里，标识卡放置为n个，排列成一条直线，相邻两个标识卡相距m米；其功能是作为参照点，让标识卡周围受无人机旋翼气流影响的农作物与其他区域未受影响的农作物形成鲜明对比；步骤二、悬停无人机A：无人机A自带超高清航拍摄像机，将无人机A悬停在中心参考标识z的正上方，悬停高度以确保拍摄视角能涵盖所有参考标识为准；步骤三、设计旋翼式无人机B的飞行方式：旋翼式无人机B以不同速度、不同高度、不同方向飞过参考标识点，制造出不同强度的气流，并实时记录旋翼式无人机B飞行姿态及飞行参数；步骤四、采集试验资料：步骤三所述不同姿态飞行的旋翼式无人机B产生的旋翼气流作用到农作物上后，农作物冠层受到气流影响形成不同形态的冠层倒伏锥体，无人机A中的摄像机在旋翼式无人机B飞行过程中采集农作物受到气流影响的视频及图像资料；步骤五、后期数据分析：对步骤四所采集到的视频及图像资料，通过分析对比每一帧航拍视频中农作物在旋翼气流的影响下的冠层倒伏锥体的形态，从而得出由无人机旋翼气流引起的冠层倒伏锥体的形态参数，为研究无人机旋翼气流对农作物冠层的影响提供依据。本专利技术的一个优选方案，其中，步骤一所述的标识卡上放置有风速传感器和定位装置，所述风速传感器用于对所处位置的风速、风量以及风向进行实时显示及记录；所述定位装置用于获取标识卡的位置信息；步骤四中，将上述风速传感器和定位装置获取的数据以及步骤三中的无人机B飞行参数载载入到农作物冠层处无人机旋翼单向二维风场模型中，得到农作物冠层风场分布规律；步骤五中，将由骤四中的视频及图像资料料分析得到的由无人机旋翼气流引起的冠层倒伏锥体的形态参数与由上述农作物冠层处无人机旋翼单向二维风场模型得到的冠层倒伏锥体的形态参数进行对比，验证无人机旋翼气流对农作物冠层的影响。通过上述优选方案，将本专利技术中通过视频及图像资料料获得的冠层倒伏锥体与通过现有的农作物冠层处无人机旋翼单向二维风场模型得到的冠层倒伏锥体进行对比分析和验证，能够更加准确地把握无人机旋翼气流对农作物冠层的影响。上述农作物冠层处无人机旋翼单向二维风场模型的相关内容可参见《农业工程学报》第31卷第3期发表的“旋翼式无人机授粉作业冠层风场分布规律”，2015年2月，作者李继宇，周志艳等。本专利技术的一个优选方案，其中，步骤三所述的旋翼式无人机B按以下飞行方式飞行：a、测出农作物的冠层高度h1，旋翼式无人机B距农作物冠层顶部的高度为h2，固定旋翼式无人机B的高度，分别以v1，v2的速度完成一次往返飞行；b、升高旋翼式无人机B的飞行高度到h3，h3＝2h1+h2，分别以v1，v2的速度完成一次往返飞行；c、旋翼式无人机B以h3的高度飞行，分别以2v1，2v2的速度完成一次往返飞行；本专利技术的一个优选方案，其中，所述步骤五中，冠层倒伏锥体的形态参数包括宽度W、深度D、体积V以及顶点坐标P。本专利技术的一个优选方案，其中，步骤三所述的旋翼式无人机B佩戴了导航系统及悬挂红外热像仪，所述导航系统用于实时获取旋翼式无人机B的位置信息并传输到地面控制站；所述红外热像仪用于获取红外热图像，该红外热像仪的方位范围为0°～360°，俯仰范围为-75°～75°，显示记录方式为视监控器及PC卡记录，记录的红外热图像用于支持后期三维温度场重建，用于辅助计算冠层倒伏锥体的形态参数。本专利技术的一个优选方案，其中，所述三维温度场重建的方法，包括以下步骤：a、根据立体匹配算法原理得到两幅已被标定红外图像的深度信息；b、结合深度信息、红外热像仪参数及三角视差原理得到空间点的三维信息；c、立体校正和立体匹配后，通过三角测量原理来获得空间中某一点在两幅图像中的视差；d、测量热像图中两点基线长度T，FL和FR为左、右红外热像仪的焦距，经过立体校正后，FL＝FR，点P′为空间中任意一点，其世界坐标为(X，Y，Z)，P′在两幅红外图像上所成投影点的横坐标为UL和UR，定义d＝UL-UR为三维空间点P′在两幅红外图像上的视差；根据三角测量原理，得出：其中，d是视差，T是基线长度，f则是左右相机的焦距，得到：e、计算空间点P′的横坐标X和纵坐标Y：本专利技术的一个优选方案，其中，所述冠层倒伏锥体的宽度W是根据旋翼式无人机B悬挂的红外热像仪记录的红外热像图、冠层处无人机旋翼单向二维风场模型所得冠层倒伏锥体、后期采集的无人机A拍摄的图像序列帧，三方校对并数学计算所得，具体步骤如下：a、取t1时刻，标识卡Z1处旋翼式无人机B记录的冠层倒伏锥体红外热像图R1、二维风场模型图R2以及无人机A拍摄的冠层倒伏椎体图R3；b、计算得到R1、R2、R3中冠层倒伏锥体的宽度分别为w1、w2、w3，求平均值到W1；c、重复步骤a、b，取t2时刻，标识卡Z2处冠层倒伏锥体的平均宽度W2；d、求得冠层倒伏锥体宽度的变化率为则冠层倒伏椎体的宽度可以由函数所求得，其中w0为开始时刻冠层倒伏锥体的宽度，t0为开始时刻本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种检测由无人机旋翼气流引起的冠层倒伏锥体的方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、布置参考标识：将醒目的标识卡安装到容易固定的折叠式三脚架上后，放置于农田里，标识卡放置为n个，排列成一条直线，相邻两个标识卡相距m米；其功能是作为参照点，让标识卡周围受无人机旋翼气流影响的农作物与其他区域未受影响的农作物形成鲜明对比；步骤二、悬停无人机A：无人机A自带超高清航拍摄像机，将无人机A悬停在中心参考标识z的正上方，悬停高度以确保拍摄视角能涵盖所有参考标识为准；步骤三、设计旋翼式无人机B的飞行方式：旋翼式无人机B以不同速度、不同高度、不同方向飞过参考标识点，制造出不同强度的气流，并实时记录旋翼式无人机B飞行姿态及飞行参数；步骤四、采集试验资料：步骤三所述不同姿态飞行的旋翼式无人机B产生的旋翼气流作用到农作物上后，农作物冠层受到气流影响形成不同形态的冠层倒伏锥体，无人机A中的摄像机在旋翼式无人机B飞行过程中采集农作物受到气流影响的视频及图像资料；步骤五、后期数据分析：对步骤四所采集到的视频及图像资料，通过分析对比每一帧航拍视频中农作物在旋翼气流的影响下的冠层倒伏锥体的形态，从而得出由无人机旋翼气流引起的冠层倒伏锥体的形态参数，为研究无人机旋翼气流对农作物冠层的影响提供依据。...

【技术特征摘要】
1.一种检测由无人机旋翼气流引起的冠层倒伏锥体的方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、布置参考标识：将醒目的标识卡安装到容易固定的折叠式三脚架上后，放置于农田里，标识卡放置为n个，排列成一条直线，相邻两个标识卡相距m米；其功能是作为参照点，让标识卡周围受无人机旋翼气流影响的农作物与其他区域未受影响的农作物形成鲜明对比；步骤二、悬停无人机A：无人机A自带超高清航拍摄像机，将无人机A悬停在中心参考标识z的正上方，悬停高度以确保拍摄视角能涵盖所有参考标识为准；步骤三、设计旋翼式无人机B的飞行方式：旋翼式无人机B以不同速度、不同高度、不同方向飞过参考标识点，制造出不同强度的气流，并实时记录旋翼式无人机B飞行姿态及飞行参数；步骤四、采集试验资料：步骤三所述不同姿态飞行的旋翼式无人机B产生的旋翼气流作用到农作物上后，农作物冠层受到气流影响形成不同形态的冠层倒伏锥体，无人机A中的摄像机在旋翼式无人机B飞行过程中采集农作物受到气流影响的视频及图像资料；步骤五、后期数据分析：对步骤四所采集到的视频及图像资料，通过分析对比每一帧航拍视频中农作物在旋翼气流的影响下的冠层倒伏锥体的形态，从而得出由无人机旋翼气流引起的冠层倒伏锥体的形态参数，为研究无人机旋翼气流对农作物冠层的影响提供依据。2.根据权利要求1所述的检测无人机旋翼气流的方法，其特征在于：步骤一所述的标识卡上放置有风速传感器和定位装置，所述风速传感器用于对所处位置的风速、风量以及风向进行实时显示及记录；所述定位装置用于获取标识卡的位置信息；步骤四中，将上述风速传感器和定位装置获取的数据以及步骤三中的无人机B飞行参数载载入到农作物冠层处无人机旋翼单向二维风场模型中，得到农作物冠层风场分布规律；步骤五中，将由骤四中的视频及图像资料料分析得到的由无人机旋翼气流引起的冠层倒伏锥体的形态参数与由上述农作物冠层处无人机旋翼单向二维风场模型得到的冠层倒伏锥体的形态参数进行对比，验证无人机旋翼气流对农作物冠层的影响。3.根据权利要求2所述的检测无人机旋翼气流的方法，其特征在于，步骤三所述的旋翼式无人机B按以下飞行方式飞行：a、测出农作物的冠层高度h1，旋翼式无人机B距农作物冠层顶部的高度为h2，固定旋翼式无人机B的高度，分别以v1，v2的速度完成一次往返飞行；b、升高旋翼式无人机B的飞行高度到h3，h3＝2h1+h2，分别以v1，v2的速度完成一次往返飞行；c、旋翼式无人机B以h3的高度飞行，分别以2v1，2v2的速度完成一次往返飞行。4.根据权利要求3所述的检测无人机旋翼气流的方法，其特征在于，所述步骤五中，冠层倒伏锥体的形态参数包括宽度W、深度D、体积V以及顶点坐标P。5.根据权利要求4所述的检测无人机旋翼气流的方法，其特征在于，步骤三所述的旋翼式无人机B佩戴了导航系统及悬挂红外热像仪，所述导航系统用于实时获取旋翼式无人机B的位置信息并传输到地面控制站；所述红外热像仪用于获取红外热图像，该红外热像仪的方位范围为0°～360°，俯仰范围为-75°～75°，显示记录方式为视监控器及PC卡记录，记录的红外热图像用于支持后期三维温度场重建，用于辅助计算冠层倒伏锥体的形态参数。6.根据权利要求5所述的检测无人机旋翼气流的方法，其特征在于，所述三维温度场重建的方法包括以下步骤：a、根据立体匹配算法原理得到两幅已被标定红外图像的深度信息；b、结合深度信息、红外热像仪参数及三角视差原理得到空间点的三维信息；c、立体校正和立体匹配后，通过三角测量原理来获得空间中某一点在两幅图像中的视差；d、测量热像图中两点基线长度T，FL和FR为左、右红外热像仪的焦距，经过立体校正后，FL＝FR，点P′为空间中任意一点，其世界坐标为(X，Y，，Z)，P′在两幅红外...

【专利技术属性】
技术研发人员：李继宇，朱长威，兰玉彬，林晋立，叶伟鑫，李思嘉，姚伟祥，
申请(专利权)人：华南农业大学，
类型：发明
国别省市：广东;44