基於無人飛行器的物聯網灌溉設施調控平臺及方法
2023-09-20 20:33:30
基於無人飛行器的物聯網灌溉設施調控平臺及方法
【專利摘要】本發明公開了一種基於無人飛行器的物聯網灌溉設施調控平臺及方法，平臺包括無人飛行器和遠程地面測控站兩部分，無人飛行器和遠程地面測控站之間通過無線網絡通信；方法包括由用戶在起飛前或飛行時將航線數據及盤旋區域寫入無人飛行器飛行控制子系統；無人機在機載飛行控制子系統引導下，飛行至物聯網灌溉設施上空進入低速盤旋狀態，此時機載物聯網無線通信子系統與地面物聯網灌溉系統建立通信鏈路，藉此，實現灌溉參數修改、數據收集、通信中繼等服務。本發明的調控平臺可對部署在偏遠地區(無移動通信網絡)的物聯網灌溉設施進行參數讀取、調控、巡檢，有效擴展了物聯網系統的使用範圍。
【專利說明】基於無人飛行器的物聯網灌溉設施調控平臺及方法
【技術領域】
[0001]本發明裝置涉及農業智能灌溉領域，特別涉及一種基於無人飛行器的物聯網灌溉設施調控平臺及方法。
【背景技術】
[0002]與傳統的灌溉裝置相比，物聯網灌溉裝置內置中短距離無線通信模塊，可連接多種傳感器，能夠採集環境溫溼度、光照強度、降雨量、土壤墒情等信息，並進行智能決策、自動灌溉，極大的提高農業灌溉用水利用率。物聯網灌溉裝置可以在完成灌溉任務的同時，自動採集農情環境信息。
[0003]每套物聯網灌溉設施通常由多個無線子節點與一個信息匯聚節點構成，節點由單片機、電源電路、人機互動界面、交/直流電磁閥、驅動電路、低功耗無線通信模塊等結構組成，該灌溉裝置可利用內置的低功耗無線通信模塊接收灌溉控制指令。匯聚節點一方面通過低功耗無線通信模塊與子節點通信，另一方面，通過移動通信網將子節點採集的環境信息上傳遠端伺服器或從遠端伺服器接收最新的調控指令，以適應作物生長。
[0004]目前，我國很大一部分物聯網灌溉設施被部署在通信基礎設施薄弱的偏遠山區(如:川藏公路僅在國道上有GPRS網絡覆蓋)，無GPRS或3G等通信網覆蓋，信息匯聚節點難以與遠端伺服器建立連接。導致控制參數不能實時快速更改、環境數據無法及時上傳，不能發揮物聯網技術的優勢。迫切需要尋找一種不依賴移動通信網快速設置/修改灌溉調控參數的方法與裝置。
[0005]一種常見的解決方案是利用大功率(發射功率20W以上)數傳電臺實現遠距離通信，該方案一方面功耗較大；另一方面，用戶需要為每套數傳電臺申請專用通信頻率，不適合大規模推廣應用。不是最理想的解決方案。
[0006]小型無人飛行器具有體積小巧、製造成本低廉、起降場地要求低特點，可在各種環境中快速部署起飛。也可搭載各種輕小型作業負載完成偵查、航空攝影、物品投送等任務。目前，流行於全球航模愛好者群體中的航空模型都為國內東南沿海地區的廠商設計、製造。我國已具備研發、生產各型無人飛行器的技術實力。
[0007]因此，如何結合我國農業物聯網灌溉的現實問題，在無人飛行器上，設計出一種成本較低，可靠性較高且不依賴移動通信網的物聯網灌溉設施調控平臺與方法具有極高的理論和實際意義。
【發明內容】
[0008]本發明的主要目的在於克服現有技術的缺點與不足，提供一種基於無人飛行器的物聯網灌溉設施調控平臺。
[0009]本發明的另一目的在於，提供一種基於無人飛行器的物聯網灌溉設施調控平臺的調控方法。
[0010]為了達到上述第一目的，本發明採用以下技術方案:
[0011]基於無人飛行器的物聯網灌溉設施調控平臺，包括無人飛行器和遠程地面測控站兩部分，無人飛行器和遠程地面測控站之間通過無線網絡通信；所述無人飛行器包括機艙、動力子系統、供電子系統、飛行控制子系統、圖像採集傳輸子系統、物聯網通信子系統、遠程遙控通信子系統和實時飛行數據記錄子系統，所述飛行控制子系統分別於動力子系統、遠程遙控通信子系統、物聯網通信子系統、飛行數據記錄子系統、圖像傳輸子系統電聯接；所述遠程地面測控站包括計算機、高增益通訊天線、遠程通信模塊和無線圖像採集卡；所述高增益通信天線與遠程通信模塊連接，所述遠程通信模塊與圖像採集卡連接。
[0012]優選的，所述飛行控制子系統，用於控制飛行器以適當的姿態按照指定航線飛行；
[0013]所述動力子系統，用於驅動螺旋槳及控制舵機，在電動無人機中動力子系統包含供電子系統；在燃油無人機中動力系統與供電子系統獨立；
[0014]所述遠程遙控通信子系統，用於飛行器與地面監測站進行通信，通信特點為低速率、長距離高可靠性；
[0015]所述機載物聯網通信子系統，用於與地面的物聯網灌溉設施通信，特點高速率、短距離；
[0016]所述飛行數據記錄子系統，用於實時記錄飛行器飛行過程中位置信息參數及收集灌溉參數；
[0017]所述機載圖像採集傳輸子系統，用於通過機載攝像頭記錄(或同時傳輸)飛行區域的圖像信息。
[0018]優選的，所述計算機，用於運行航線規劃與飛行狀態監測的軟體系統；
[0019]所述高增益通訊天線，用於連接所有需要實現無線通信的模塊；
[0020]所述遠程通信模塊，用於與飛行器建立通信連接；
[0021]所述無線圖像採集卡，用於接收機載圖像採集傳輸子系統回傳的圖像數據。
[0022]優選的，所述飛行控制子系統包括中央處理器、導航定位裝置、慣性姿態測量裝置和數字舵機；
[0023]所述中央處理器，用於處理飛行器位置信息、姿態信息等數據參數控制飛行器穩定飛行；
[0024]所述導航定位裝置，用於及時獲取飛行器的位置信息並為飛行器在指定區域作業提供導航；
[0025]所述慣性姿態測量裝置，用於實時測量飛行器的姿態信息，便於調整飛行姿態。
[0026]優選的，所述供電子系統包括主電池、備份電池和微控制器，當主電源電量耗盡或出現故障，微控制器將切斷主電源並用備份電源為機載電子系統供電，同時飛行控制子系統進入緊急返航或緊急降落模式。
[0027]為了達到上述第二目的，本發明採用以下技術方案:
[0028]基於無人飛行器的物聯網灌溉設施調控平臺的調控方法，包括下述步驟:
[0029](I)無人飛行器啟動後立即與地面測控站建立用於遠程遙控的通信鏈路；
[0030](2)遙控通信鏈路建立後，用戶從地面站測控站在起飛前或飛行時將規劃好的航線與盤旋區域坐標通過遙控通信鏈路傳送給飛行控制子系統；
[0031](3)飛行控制子系統根據航線與衛星定位坐標數據對無人飛行器航向、姿態進行實時反饋自動控制，引導無人飛行器按航線飛行；
[0032](4)到達物聯網灌溉設施上空，飛行控制子系統控制無人機在保證安全的前提下，降低飛行高度，進行低速盤旋，同時，啟動機載物聯網無線通信子系統；
[0033](5)機載物聯網無線通信子系統被啟動後，嘗試與地面物聯網節點建立通信鏈路，通信鏈路建立的過程含身份驗證環節；
[0034](6)若嘗試超過一定次數後，無法建立可靠的通信鏈路，飛行控制子系統關閉物聯網通信子系統，並通過遠程遙控通信鏈路告知用戶，此區域物聯網灌溉系統可能失效，繼續根據航線飛向下一個盤旋區域或開始返航；
[0035](7)若成功建立通信鏈路，則在一定時間內為地面物聯網灌溉系統提供以下服務:I)收集、存儲地面物聯網節點已採集到信息；2)向地面物聯網節點傳送最新的灌溉調控指令；3)藉助用於飛行控制的遠距離遙控通信鏈路，提供地面節點與遠端監測伺服器間的幀中繼服務；
[0036](8)物聯網通信服務完成或服務時間到後，物聯網無線通信子系統關閉，無人飛行器在飛行控制子系統的引導下按航線飛向下一個盤旋區域或開始返航。
[0037]優選的，所述步驟(I)中，無人飛行器起飛指令由遠程遙控通信鏈路下達；
[0038]所述步驟(2)中，航線、盤旋區域信息可通過遠程遙控通信鏈路實時更新。
[0039]優選的，所述步驟(3)中，飛行控制子系統一方面根據衛星定位模塊獲得絕對坐標，另一方面根據捷聯慣性運動測量模塊獲得飛行姿態，通過調整飛行姿態改變飛行航向。
[0040]優選的，所述步驟(5)中，身份驗證過程為:
[0041]I)地面物聯網灌溉設施請求身份認證口令；
[0042]2)機載物聯網無線通信子系統發送口令；
[0043]3)若口令錯誤，地面物聯網灌溉設施將拒絕與機載物聯網通信子系統繼續通信；口令正確，則繼續下一步通信。
[0044]優選的，所述步驟(7)中，無人飛行器為地面物聯網灌溉系統提供以下服務:
[0045]I)收集、存儲地面物聯網灌溉節點或匯聚節點已採集到信息，成為一個空中飛行的匯聚節點；
[0046]2)向地面節點或匯聚節點傳送最新的灌溉調控指令，實現信息投放；
[0047]3)藉助用於飛行控制的遠距離遙控通信鏈路，提供地面節點或匯聚節點與遠端監測伺服器間的幀中繼服務，成為一個空中飛行的數據中繼器。
[0048]本發明與現有技術相比，具有如下優點和有益效果:
[0049]1、本發明的無人飛行器結構簡單，使用、維護成本較低，智能化程度較高、具有自主巡航、自動返航功能，易於操控、使用。
[0050]2、本發明基於無人飛行器的物聯網灌溉調控平臺，可對部署在偏遠地區(無移動通信網絡)的物聯網灌溉設施進行參數讀取、調控、巡檢，有效擴展了物聯網系統的使用範圍。
[0051]3、本發明由無人飛行器搭載其它光學影像設備，在完成物聯網灌溉設施巡檢的同時也可順帶提供地形測繪、多光譜影像採集等服務。
[0052]4、本發明對使用者來說操作簡單實用、節省人力，對於農田及山地果園的灌溉管理高效快捷。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0053]圖1是本發明工作原理示意圖；
[0054]圖2是本發明調控平臺的結構示意圖；
[0055]圖3是本發明的調控方法的流程圖。
【具體實施方式】
[0056]下面結合實施例及附圖對本發明作進一步詳細的描述，但本發明的實施方式不限於此。
[0057]實施例
[0058]如圖1所示，在本實施例中，試驗飛行器飛抵山區果園上空，進行低空盤旋。此時無人飛行器同時建立了兩條通信鏈路:與地面物聯網灌溉設施通信的地-空物聯網通訊鏈路和地面測控站之間的遙控通信鏈路。無人飛行器此時成為一個空中飛行無線中繼器，使山區物聯網灌溉設施在不藉助移動通信網與遠端測控站建立連接。
[0059]本實施例中，所述試驗飛行器採用型號為757-3Ranger EX的遙控上單翼式航拍滑翔機。其螺旋槳位於機翼後方，由無刷電機帶動螺旋槳高速旋轉產生推力，該驅動方式有利於低速飛行。該機型具有載重量大、飛行平穩、組裝方便的特點，易於推廣應用。
[0060]如圖2所示，本實施例基於無人飛行器的物聯網灌溉設施調控平臺，包括無人飛行器和遠程地面測控站兩部分，無人飛行器和遠程地面測控站之間通過無線網絡通信；所述無人飛行器包括機艙、動力子系統、供電子系統、飛行控制子系統、圖像採集傳輸子系統、物聯網通信子系統、遠程遙控通信子系統和實時飛行數據記錄子系統，所述飛行控制子系統分別於動力子系統、遠程遙控通信子系統、物聯網通信子系統、飛行數據記錄子系統、圖像傳輸子系統電聯接；所述遠程地面測控站包括計算機、高增益通訊天線、遠程通信模塊和無線圖像採集卡；所述高增益通信天線與遠程通信模塊連接，所述遠程通信模塊與圖像採集卡連接。
[0061]所述飛行控制子系統，用於控制飛行器以適當的姿態按照指定航線飛行；
[0062]所述動力子系統，用於驅動螺旋槳及控制舵機。在電動無人機中動力子系統包含供電子系統；在燃油無人機中動力系統與供電子系統獨立；
[0063]所述遠程遙控通信子系統，用於飛行器與地面監測站進行通信，通信特點為低速率、長距離高可靠性；
[0064]所述機載物聯網通信子系統，用於與地面的物聯網灌溉設施通信，特點高速率、短距離；
[0065]所述飛行數據記錄子系統，用於實時記錄飛行器飛行過程中位置信息參數及收集灌溉參數；
[0066]所述機載圖像採集傳輸子系統，用於通過機載攝像頭記錄(或同時傳輸)飛行區域的圖像信息。
[0067]所述計算機，用於運行航線規劃與飛行狀態監測的軟體系統；
[0068]所述高增益通訊天線，用於連接所有需要實現無線通信的模塊；
[0069]所述遠程通信模塊，用於與飛行器建立通信連接；
[0070]所述無線圖像採集卡，用於接收機載圖像採集傳輸子系統回傳的圖像數據。
[0071]所述飛行控制子系統包括中央處理器、導航定位裝置、慣性姿態測量裝置和數字舵機；
[0072]所述中央處理器，用於處理飛行器位置信息、姿態信息等數據參數控制飛行器穩定飛行；
[0073]所述導航定位裝置，用於及時獲取飛行器的位置信息並為飛行器在指定區域作業提供導航；
[0074]所述慣性姿態測量裝置，用於實時測量飛行器的姿態信息，便於調整飛行姿態。
[0075]所述供電子系統包括主電池、備份電池和微控制器，當主電源電量耗盡或出現故障，微控制器將切斷主電源並用備份電源為機載電子系統供電，同時飛行控制子系統進入緊急返航或緊急降落模式。
[0076]如圖3所示，本實施例基於無人飛行器的物聯網灌溉設施調控平臺的調控方法的具體步驟如下:
[0077](I)無人飛行器啟動後立即與地面測控站建立用於遠程遙控的通信鏈路。
[0078](2)遙控通信鏈路建立後，用戶從地面站測控站在起飛前或飛行時將規劃好的航線與盤旋區域坐標通過遙控通信鏈路傳送給機載飛行控制子系統。
[0079](3)機載飛行控制子系統根據航線與衛星定位坐標數據對無人飛行器航向、姿態進行實時反饋自動控制。引導無人飛行器按航線飛行。
[0080](4)到達物聯網灌溉設施上空，飛行控制子系統控制無人機在保證安全的前提下，降低飛行高度，進行低速盤旋，同時，啟動機載物聯網無線通信子系統。
[0081](5)機載物聯網無線通信子系統被啟動後，嘗試與地面物聯網節點建立通信鏈路(為保證安全，通信鏈路建立的過程含身份驗證環節)，
[0082](6)嘗試超過一定次數(默認50次，用戶可修改)後，無法建立可靠的通信鏈路。飛行控制子系統關閉物聯網通信子系統，並通過遠程遙控通信鏈路告知用戶，此區域物聯網灌溉系統可能失效。繼續根據航線飛向下一個盤旋區域或開始返航。
[0083](7)若成功建立通信鏈路，則在一定時間內(由剩餘燃油或電池電量決定，在本發明中稱為服務時間)為地面物聯網灌溉系統提供以下服務:1)收集、存儲地面物聯網節點已採集到信息。2)向地面物聯網節點傳送最新的灌溉調控指令。3)藉助用於飛行控制的遠距離遙控通信鏈路，提供地面節點與遠端監測伺服器(也可被稱為地面站)間的幀中繼服務。
[0084](8)物聯網通信服務完成或服務時間到後，物聯網無線通信子系統關閉。無人飛行器在飛行控制子系統的引導下按航線飛向下一個盤旋區域或開始返航。
[0085]所述步驟(I)中，無人飛行器起飛指令由遠程遙控通信鏈路下達。
[0086]所述步驟(2)中，航線、盤旋區域等信息可通過遠程遙控通信鏈路實時更新。方便應對突發情況。
[0087]所述步驟(3)中，飛行控制子系統一方面根據衛星定位模塊(GPS或其他)獲得絕對坐標，另一方面根據捷聯慣性運動測量模塊獲得飛行姿態。通過調整飛行姿態改變飛行航向。
[0088]所述步驟(5)中，身份驗證過程為:
[0089]I)地面物聯網灌溉設施請求身份認證口令；
[0090]2)機載物聯網無線通信子系統發送口令(由用戶配置)；
[0091]3)若口令錯誤，地面物聯網灌溉設施將拒絕與機載物聯網通信子系統繼續通信；口令正確，則繼續下一步通信。
[0092]所述步驟(7)中，無人飛行器為地面物聯網灌溉系統提供以下服務:
[0093]I)收集、存儲地面物聯網灌溉節點(或匯聚節點)已採集到信息，成為一個空中飛行的匯聚節點。2)向地面節點(或匯聚節點)傳送最新的灌溉調控指令，實現信息投放。
3)藉助用於飛行控制的遠距離遙控通信鏈路，提供地面節點(或匯聚節點)與遠端監測伺服器(也可被稱為地面站)間的幀中繼服務，成為一個空中飛行的數據中繼器。
[0094]上述實施例為本發明較佳的實施方式，但本發明的實施方式並不受上述實施例的限制，其他的任何未背離本發明的精神實質與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應為等效的置換方式，都包含在本發明的保護範圍之內。
【權利要求】
1.基於無人飛行器的物聯網灌溉設施調控平臺，其特徵在於，包括無人飛行器和遠程地面測控站兩部分，無人飛行器和遠程地面測控站之間通過無線網絡通信；所述無人飛行器包括機艙、動力子系統、供電子系統、飛行控制子系統、圖像採集傳輸子系統、物聯網通信子系統、遠程遙控通信子系統和實時飛行數據記錄子系統，所述飛行控制子系統分別於動力子系統、遠程遙控通信子系統、物聯網通信子系統、飛行數據記錄子系統、圖像傳輸子系統電聯接；所述遠程地面測控站包括計算機、高增益通訊天線、遠程通信模塊和無線圖像採集卡；所述高增益通信天線與遠程通信模塊連接，所述遠程通信模塊與圖像採集卡連接。
2.根據權利要求1所述的基於無人飛行器的物聯網灌溉設施調控平臺，其特徵在於，所述飛行控制子系統，用於控制飛行器以適當的姿態按照指定航線飛行； 所述動力子系統，用於驅動螺旋槳及控制舵機，在電動無人機中動力子系統包含供電子系統；在燃油無人機中動力系統與供電子系統獨立； 所述遠程遙控通信子系統，用於飛行器與地面監測站進行通信，通信特點為低速率、長距離高可靠性； 所述機載物聯網通信子系統，用於與地面的物聯網灌溉設施通信，特點高速率、短距離； 所述飛行數據記錄子系統，用於實時記錄飛行器飛行過程中位置信息參數及收集灌溉參數； 所述機載圖像採集傳 輸子系統，用於通過機載攝像頭記錄或同時傳輸飛行區域的圖像信息。
3.根據權利要求1所述的基於無人飛行器的物聯網灌溉設施調控平臺，其特徵在於，所述計算機，用於運行航線規劃與飛行狀態監測的軟體系統； 所述高增益通訊天線，用於連接所有需要實現無線通信的模塊； 所述遠程通信模塊，用於與飛行器建立通信連接； 所述無線圖像採集卡，用於接收機載圖像採集傳輸子系統回傳的圖像數據。
4.根據權利要求2所述的基於無人飛行器的物聯網灌溉設施調控平臺，其特徵在於，所述飛行控制子系統包括中央處理器、導航定位裝置、慣性姿態測量裝置和數字舵機； 所述中央處理器，用於處理飛行器位置信息、姿態信息等數據參數控制飛行器穩定飛行； 所述導航定位裝置，用於及時獲取飛行器的位置信息並為飛行器在指定區域作業提供導航； 所述慣性姿態測量裝置，用於實時測量飛行器的姿態信息，便於調整飛行姿態。
5.根據權利要求1所述的基於無人飛行器的物聯網灌溉設施調控平臺，其特徵在於，所述供電子系統包括主電池、備份電池和微控制器，當主電源電量耗盡或出現故障，微控制器將切斷主電源並用備份電源為機載電子系統供電，同時飛行控制子系統進入緊急返航或緊急降落模式。
6.根據權利要求1-5中任一項所述的基於無人飛行器的物聯網灌溉設施調控平臺的調控方法，其特徵在於，包括下述步驟: (1)無人飛行器啟動後立即與地面測控站建立用於遠程遙控的通信鏈路； (2)遙控通信鏈路建立後，用戶從地面站測控站在起飛前或飛行時將規劃好的航線與盤旋區域坐標通過遙控通信鏈路傳送給飛行控制子系統； (3)飛行控制子系統根據航線與衛星定位坐標數據對無人飛行器航向、姿態進行實時反饋自動控制，引導無人飛行器按航線飛行； (4)到達物聯網灌溉設施上空，飛行控制子系統控制無人機在保證安全的前提下，降低飛行高度，進行低速盤旋，同時，啟動機載物聯網無線通信子系統； (5)機載物聯網無線通信子系統被啟動後，嘗試與地面物聯網節點建立通信鏈路，通信鏈路建立的過程含身份驗證環節； (6)若嘗試超過一定次數後，無法建立可靠的通信鏈路，飛行控制子系統關閉物聯網通信子系統，並通過遠程遙控通信鏈路告知用戶，此區域物聯網灌溉系統可能失效，繼續根據航線飛向下一個盤旋區域或開始返航； (7)若成功建立通信鏈路，則在一定時間內為地面物聯網灌溉系統提供以下服務:1)收集、存儲地面物聯網節點已採集到信息；2)向地面物聯網節點傳送最新的灌溉調控指令；3)藉助用於飛行控制的遠距離遙控通信鏈路，提供地面節點與遠端監測伺服器間的幀中繼服務； (8)物聯網通信服務完成或服務時間到後，物聯網無線通信子系統關閉，無人飛行器在飛行控制子系統的引導下按航線飛向下一個盤旋區域或開始返航。
7.根據權利要求6所述的基於無人飛行器的物聯網灌溉設施調控平臺的調控方法，其特徵在於，所述步驟(1)中，無人飛行器起飛指令由遠程遙控通信鏈路下達； 所述步驟(2)中，航線、盤旋區域信息可通過遠程遙控通信鏈路實時更新。
8.根據權利要求6所述的基於無人飛行器的物聯網灌溉設施調控平臺的調控方法，其特徵在於，所述步驟(3)中，飛行控制子系統一方面根據衛星定位模塊獲得絕對坐標，另一方面根據捷聯慣性運動測量模塊獲得飛行姿態，通過調整飛行姿態改變飛行航向。
9.根據權利要求6所述的基於無人飛行器的物聯網灌溉設施調控平臺的調控方法，其特徵在於，所述步驟(5)中，身份驗證過程為: 1)地面物聯網灌溉設施請求身份認證口令； 2)機載物聯網無線通信子系統發送口令； 3)若口令錯誤，地面物聯網灌溉設施將拒絕與機載物聯網通信子系統繼續通信；口令正確，則繼續下一步通信。
10.根據權利要求6所述的基於無人飛行器的物聯網灌溉設施調控平臺的調控方法，其特徵在於，所述步驟(7)中，無人飛行器為地面物聯網灌溉系統提供以下服務: 1)收集、存儲地面物聯網灌溉節點或匯聚節點已採集到信息，成為一個空中飛行的匯聚節點； 2)向地面節點或匯聚節點傳送最新的灌溉調控指令，實現信息投放； 3)藉助用於飛行控制的遠距離遙控通信鏈路，提供地面節點或匯聚節點與遠端監測伺服器間的幀中繼服務，成為一個空中飛行的數據中繼器。
【文檔編號】G05B19/418GK104049625SQ201410326535
【公開日】2014年9月17日 申請日期:2014年7月9日 優先權日:2014年7月9日
【發明者】嶽學軍, 全東平, 劉永鑫, 蔡坤, 徐興, 謝家興, 燕英偉, 王健, 張明傑 申請人:華南農業大學