基于视觉的植保无人机制造技术

本发明专利技术公开了一种基于视觉的植保无人机，包括壳体，壳体均匀铰接有若干悬臂，壳体前后两侧分别向下设有前后起落架，壳体上表面向上连接有顶杆，顶杆顶端设有GPS模块；所述壳体内设有飞行控制器和蓄电池，各悬臂的自由端均设有电机，电机的输出轴均向上连接有螺旋桨；前后起落架之间的壳体向下连接有悬架，悬架左端设有激光发射器，悬架右端设有摄像头，摄像头的镜头光轴与激光发射器发射的激光所在直线具有交点，摄像头的镜头光轴与水平面的夹角θ为50至75度；悬架中部设有miniPC。本发明专利技术结构简单，保证了激光发射器所形成的光斑必然位于摄像头所拍摄的照片图像的竖向中心线上，且图像变形较小，为图像处理提供良好基础。

【技术实现步骤摘要】
基于视觉的植保无人机
本专利技术涉及农业植保领域，尤其涉及植保无人机喷洒农药技术。
技术介绍
随着我国农村劳动力的短缺、人工成本急速增加和快速发展的专业化统防统治工作的需求，社会对作业效率高、适用范围广、节水、节药环保型、用工少的大中型植保机械和农业航空植保机械的需求越来越迫切。植保无人机因具有机动性好、作业效率高、单位面积施药液量小、无需专用起降机场、可远距离摇控操作、减少人身药害几率、提高农药有效利用率等优点，可适应农作物各个生长期的植保要求，符合农业机械发展的趋势。无人机技术用于农田喷雾产生了植保无人机所特有的技术难点，目前亟需解决的核心关键技术之一是：缺乏高稳定、高可靠性的农用无人机自主飞行控制系统。植保无人机需要在距离作物冠顶2～5m处甚至更低的高度处作业，速度维持在1～6m/s，要求保持低空低速作业时的稳定性。然而2～5m或以下高度是直升机的低效区，其稳定性不易实现。无人机高度测量的精度和稳定性是实现无人机稳定飞行的基础数据之一。目前的无人机飞行控制系统高度测量方法有：GPS测量高度，无线电高度表测量，还有使用压力传感器测量高度。由于GPS接收数据的不稳定性，受外界干扰较大，例如周围建筑高度，地形因素等，接收到的卫星数据经常变化，将会导致高度测量跳变剧烈，需要经过大量的数据处理才能尽量减小误差，并且稳定性仍不尽人意，且其成本较高，体积较大，并不适合应用于小型农用无人机定高飞行。无线电高度表测量精度可满足飞行需求，但使用相对复杂，需要在无人机及地面站上均添加天线，并且其成本相对过高，不适于小型农用无人机。压力传感器克服了GPS的很多缺点，精度、成本和体积等方面都有所优化，同时还有易于使用的优点，但易受天气变化影响，尤其在微小型农用无人机方面，低空飞行时，由于农田作物冠层结构而造成的复杂地效，对气压高度计的影响很大，飞行的稳定性难以保证。为解决复杂农田环境下（海拔不同、地理位置不同、作物种类不同）作业的微小型农用无人机的高稳定、高可靠性的自主飞行控制，以适应田间超视距、超低空、随时起降等特殊要求，本专利技术提出了一种基于视觉的自适应定高飞行控制技术，以六旋翼无人机为平台，通过搭载视觉测高系统，获取无人机实时高度值，并用于实时控制无人机定高飞行，保障无人机在飞行作业时与作物冠顶或地面的高度始终保持一致，实现良好作业效果。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于视觉的植保无人机，确保摄像头拍摄的照片中激光形成的光斑位于图像的竖向中心线上，为基于照片图像快速获取无人机实时高度提供基础。为实现上述目的，本专利技术的基于视觉的植保无人机包括水平设置的圆盘状的壳体，壳体在其圆周方向上均匀铰接有若干悬臂，悬臂的另一端为自由端；各悬臂均沿壳体的径向方向设置且各悬臂的自由端均高于铰接端；壳体前后两侧分别向下设有前起落架和后起落架，壳体上表面向上连接有顶杆，顶杆顶端设有GPS模块；所述壳体内设有飞行控制器和与飞行控制器相连接并为飞行控制器供电的蓄电池，所述各悬臂的自由端均设有电机，电机的输出轴均向上连接有螺旋桨；前起落架和后起落架之间的壳体下表面向下连接有水平设置的悬架，悬架左端设有激光发射器，激光发射器发射激光的方向垂直于悬架并朝向下方；悬架右端设有摄像头，摄像头向左向下倾斜设置；激光发射器发射的激光束的直径R为10至15毫米；无人机的预定飞行高度为H1至H2米，H2＞H1，摄像头的镜头光轴与激光发射器发射的激光所在直线具有交点，该交点低于激光发射器H1至（H1+H2）/2米，摄像头的镜头光轴与水平面的夹角θ为50至75度，无人机具有与飞行控制器无线通讯的遥控器；所述悬架中部设有miniPC，miniPC与飞行控制器、摄像头和激光发射器相连接。所述顶杆与壳体上表面相铰接，壳体上表面设有通孔，GPS模块的连接线路沿顶杆向下延伸、沿通孔伸入壳体内后与飞行控制器相连接；所述激光发射器和摄像头的连接线路分别与飞行控制器相连接。前起落架和后起落架结构对称设置并均包括斜支撑杆和水平支撑杆，斜支撑杆下端与水平支撑杆的中部固定连接，斜支撑杆的上端与壳体相连接。所述摄像头的镜头光轴与激光发射器发射的激光所在直线的交点低于激光发射器（H1+H2）/2米。本专利技术具有如下的优点：本专利技术的基于视觉的植保无人机结构简单，摄像头的镜头光轴与水平面的夹角θ为50至75度，且该交点低于激光发射器1至1.5米，这样的设置，便于摄像头拍摄该交点附近的图像，且图像变形较小，有利于后续的图像识别处理。如果θ过大或过小，都会导致测量高度在图像里面所占有的像素数过少，从而降低测量精度。摄像头的镜头光轴与激光发射器发射的激光所在直线具有交点，这保证了激光发射器所形成的光斑必然位于摄像头所拍摄的照片图像的竖向中心线上。miniPC重量较大，安装在悬架中部，能够尽可能保持无人机的整体重心位于无人机的几何结构中心。前起落架和后起落架结构简单，较为轻便，便于制造和安装使用。摄像头的镜头光轴与激光发射器发射的激光所在直线的交点低于激光发射器（H1+H2）/2米。这样的设置，可以保证当无人机飞行高度正好适中时，摄像头所拍摄的照片中光斑位于图像的正中位置。使用者仅需要控制基于视觉的植保无人机正常起飞，无人机即可自动将飞行高度控制在预定范围（H1至H2米，包括两端值）内，使得本专利技术使用起来非常方便，为方便且稳定地实现向农作物定高喷雾提供了基础。本专利技术的超低空自适应定高飞行控制方法使用高度数据表直接查询得到无人机的实时高度值，这样相比每次通过计算得到无人机的实时高度值，大大减少了运算量，提高了计算速度(无人机对实时性要求很高，因此算法处理速度快是重要条件)，降低了功耗（计算量较大时miniPC的CPU的功耗也较大）。高度数据表的建立过程较为方便，间隔5厘米的高度建立一组图像坐标与实际飞行高度的对应数组，在减少建表工作量并减少高度数据表的数据与较为精确地得到无人机实时高度两种目标之间取得了平衡，实现了高度数据表中数据量较小且能够较为精确地得到无人机实时高度的兼顾效果。本专利技术的应用场合是无人机超低空飞行，无人机累计上升的距离达到5米后完成第一步骤即建表步骤，是因为本专利技术会将无人机的飞行高度控制在远低于5米的范围内，因此无须考虑无人机飞行高度过高的情况。在照片图像上获取感兴趣区域图像，可以将计算集中在照片图像有效的中间部分，减少计算量，提高计算速度，更快地获得无人机的实时飞行高度。由于图像进行了中值滤波、二值化和形态学滤波，因此图像上基本上仅剩下光斑图像，光斑以外的图像区域的像素点的像素值基本为零，光斑以内的图像区域的像素点的像素值基本为255。中值滤波、二值化以及形态学滤波均为现有常规图片处理技术，具体不再详述。因此在搜索框未遇到光斑时，sumi基本为零，搜索框刚遇到光斑时，sumi会突增数倍，至少3倍以上，因此第一判断步骤能够判断出搜索框是否遇到了光斑。如果遇到了，就进行精细化的搜索，以一个像素为步长来移动搜索框，这样得到的光斑坐标就会非常准确。光斑平均直径为L2像素，在搜索框遇到光斑之前，以三分之一L2像素为移动搜索框的步长，这样，在保证搜索框不会错过光斑的同时，加快了搜索速度。激光斑点坐标定位算法函数对感兴趣区域的图像进行处理的具体操作非常简洁，能够迅速而准确地获得光斑的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于视觉的植保无人机，包括水平设置的圆盘状的壳体，壳体在其圆周方向上均匀铰接有若干悬臂，悬臂的另一端为自由端；其特征在于：各悬臂均沿壳体的径向方向设置且各悬臂的自由端均高于铰接端；壳体前后两侧分别向下设有前起落架和后起落架，壳体上表面向上连接有顶杆，顶杆顶端设有GPS模块；所述壳体内设有飞行控制器和与飞行控制器相连接并为飞行控制器供电的蓄电池，所述各悬臂的自由端均设有电机，电机的输出轴均向上连接有螺旋桨；前起落架和后起落架之间的壳体下表面向下连接有水平设置的悬架，悬架左端设有激光发射器，激光发射器发射激光的方向垂直于悬架并朝向下方；悬架右端设有摄像头，摄像头向左向下倾斜设置；激光发射器发射的激光束的直径R为10至15毫米；无人机的预定飞行高度为H1至H2米，H2＞H1，摄像头的镜头光轴与激光发射器发射的激光所在直线具有交点，该交点低于激光发射器H1至（H1+H2）/2米，摄像头的镜头光轴与水平面的夹角θ为50至75度，无人机具有与飞行控制器无线通讯的遥控器；所述悬架中部设有miniPC，miniPC与飞行控制器、摄像头和激光发射器相连接。

【技术特征摘要】
1.基于视觉的植保无人机，包括水平设置的圆盘状的壳体，壳体在其圆周方向上均匀铰接有若干悬臂，悬臂的另一端为自由端；其特征在于：各悬臂均沿壳体的径向方向设置且各悬臂的自由端均高于铰接端；壳体前后两侧分别向下设有前起落架和后起落架，壳体上表面向上连接有顶杆，顶杆顶端设有GPS模块；所述壳体内设有飞行控制器和与飞行控制器相连接并为飞行控制器供电的蓄电池，所述各悬臂的自由端均设有电机，电机的输出轴均向上连接有螺旋桨；前起落架和后起落架之间的壳体下表面向下连接有水平设置的悬架，悬架左端设有激光发射器，激光发射器发射激光的方向垂直于悬架并朝向下方；悬架右端设有摄像头，摄像头向左向下倾斜设置；激光发射器发射的激光束的直径R为10至15毫米；无人机的预定飞行高度为H1至H2米，H2＞H1，摄像头的镜头光轴与激光发射器发射的激光所在直线具有交点，该交点低于激光发射器H1至（H...

【专利技术属性】
技术研发人员：马子领，张瑞珠，吴高峰，
申请(专利权)人：华北水利水电大学，
类型：发明
国别省市：河南,41