作物生長多旋翼無人機(jī)載作物生長監(jiān)測技術(shù)規(guī)程

1作物生長多旋翼無人機(jī)監(jiān)測技術(shù)規(guī)程本文件規(guī)定了作物生長多旋翼無人機(jī)監(jiān)測的適用范圍、設(shè)備、設(shè)備安裝、測量方法、現(xiàn)場檢測及質(zhì)量評定等內(nèi)容。本文件適用于稻麥冠層歸一化植被指數(shù)、比值植被指數(shù)、葉面積指數(shù)、葉層氮含量、葉層氮積累量、葉干重?zé)o損監(jiān)測診斷。2規(guī)范性引用文件下列文件中的內(nèi)容通過文中的規(guī)范性引用而構(gòu)成本文件必不可少的條款。其中，注日期的引用文件，僅該日期對應(yīng)的版本適用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改單）適用于本文件。GB/T2900.90電工術(shù)語電工電子測量和儀器儀表GB4208外殼防護(hù)等級（IP代碼）GB/T6593電子測量儀器質(zhì)量檢測規(guī)則GB11463電子測量儀器可靠性試驗(yàn)GB/T25392農(nóng)業(yè)工程電氣和電子設(shè)備對環(huán)境條件的耐久試驗(yàn)NY525有機(jī)肥料NY/T653農(nóng)業(yè)電子信息產(chǎn)品通用技術(shù)條件農(nóng)業(yè)應(yīng)用軟件產(chǎn)品3術(shù)語和定義下列術(shù)語和定義適用于本文件。3.1無人機(jī)傳感器unmannedaerialvehiclesensor通過搭載于無人機(jī)設(shè)備實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息獲取的裝置。3.2作物生長監(jiān)測技術(shù)cropgrowthmonitoringtechnology通過對作物冠層特征光譜反射率實(shí)時、快速測量、定量化獲取作物葉層氮含量（單位：%）、葉層氮積累量（單位：g/m2）、葉面積指數(shù)和葉干重（單位：kg/m2）等生長指標(biāo)的技術(shù)。4縮略語UAV：UnmannedAerialVehicle，無人機(jī)；CFD：ComputationalFluidDynamics，計算流體動力學(xué)；2CAD：ComputerAidedDesign，計算機(jī)輔助設(shè)計；NDVI：NormalizedDifferenceVegetationIndex，歸一化植被指數(shù)；RVI：RatioVegetationIndex，比值植被指數(shù)；LAI：LeafAreaIndex，葉面積指數(shù)；LNC：LeafNitrogenContent，葉層氮含量；LNA：LeafNitrogenAccumulation，葉層氮積累量；LDW：LeafDryWeight，葉干重。5設(shè)備5.1設(shè)備組成作物生長多旋翼無人機(jī)監(jiān)測設(shè)備應(yīng)包括多旋翼無人機(jī)平臺、無人機(jī)傳感器、地面數(shù)據(jù)處理器，具體見圖1。圖1無人機(jī)載作物生長監(jiān)測設(shè)備操作示意圖5.2多旋翼無人機(jī)平臺5.2.1多旋翼無人機(jī)不少于3個旋翼軸，應(yīng)能夠?qū)崿F(xiàn)懸停飛行。5.2.2參數(shù)要求參數(shù)要求如下：a)應(yīng)由電機(jī)驅(qū)動實(shí)現(xiàn)運(yùn)動，水平懸停精度≤0.2m，豎直懸停精度≤0.2m，穩(wěn)定飛行時最大載重量≥1.5kg，單次作業(yè)續(xù)航時間≥18min，有效控制距離≥1km，具備顯示飛行狀態(tài)、飛行速度和飛行姿態(tài)，能夠開機(jī)自檢，通過指示燈或遙控器對操作者進(jìn)行狀態(tài)提示及報警。b)應(yīng)具備在2級風(fēng)力氣象條件下穩(wěn)定飛行的能力，在與遙控器失去通信聯(lián)系時，飛行平臺應(yīng)具備自動返航、在失聯(lián)點(diǎn)定點(diǎn)懸?；蜃詣咏德淙?xiàng)功能中的至少一項(xiàng)。3c)工作環(huán)境溫度-10℃~50℃,存儲環(huán)境溫度-20℃~50℃,充電環(huán)境溫度0℃~30℃。d)動力電池在充、放電時不應(yīng)出現(xiàn)鼓包、漏液、破裂、起火、爆炸等現(xiàn)象，多旋翼無人機(jī)平臺動力電池具備電量查看功能。5.2無人機(jī)傳感器5.2.1無人機(jī)傳感器包括下行光多光譜作物生長傳感器及傳感器支架，下行光多光譜作物生長傳感器用于接收作物冠層反射光譜信息，傳感器支架用于傳感器與多旋翼無人機(jī)平臺的固定。5.2.2下行光多光譜作物生長傳感器性能參數(shù)性能參數(shù)如下：a）傳感器重量11.3g，采集通道2個標(biāo)準(zhǔn)模擬口，視場角27°,電源為3.7V標(biāo)準(zhǔn)電壓，工作功耗≤80mW，長30mm，寬16mm，高25mm。b）數(shù)據(jù)格式二進(jìn)制，工作溫度0~65oC，工作濕度0~85%RH，材質(zhì)為尼龍，防水等級IP65。c）傳感器支架應(yīng)采用碳纖維結(jié)構(gòu)制造，重量和穩(wěn)定性應(yīng)滿足多旋翼無人機(jī)飛行姿態(tài)穩(wěn)定性要求。d）下行光多光譜作物生長傳感器與傳感器支架采用機(jī)械結(jié)構(gòu)固定，固定后傳感器應(yīng)不發(fā)生晃動。e）傳感器支架長度由多旋翼無人機(jī)平臺的下洗流場的范圍大小決定。5.3地面數(shù)據(jù)處理器5.3.1地面數(shù)據(jù)處理器主要用來接收上行光多光譜作物生長傳感器傳輸?shù)奶柟廨椛湫畔⒁约跋滦泄庾魑锷L傳感器采集的作物冠層光譜信息，并對二者進(jìn)行光譜信息提取和處理，運(yùn)算反射率，耦合作物生長監(jiān)測模型與診斷調(diào)控模型，計算作物生長指標(biāo)及氮肥調(diào)控量；具備按鍵控制、液晶顯示等功能。5.3.2地面數(shù)據(jù)處理器性能參數(shù)性能參數(shù)如下：a）電源為一塊7.3V鋰電池，工作功耗=100mW。b）數(shù)據(jù)格式二進(jìn)制，通信方式為zigbee，通信頻率760MHZ。c）工作溫度0~65oC，工作濕度0~85%RH。d）材質(zhì)為ABS工程塑料，防水等級IP65，顯示為12864液晶屏。e）功能按鍵5個，“測量、監(jiān)測、診斷、復(fù)位、開/關(guān)機(jī)”。f）NDVI測量相對誤差≤15%，RVI測量誤差≤15%，LNC測量誤差≤15%，LNA測量誤差≤18%，LAI測量誤差≤15%，LDW測量誤差≤15%。6軟件6.1功能如下：a）具備作物冠層反射光譜信息采集、處理發(fā)射功能，下行光作物光譜傳感器能夠采集作物冠層反射光譜信息并處理發(fā)送。b）具備太陽輻射光信息采集、處理功能。地面數(shù)據(jù)處理器能夠采集太陽輻射光信息并處理。c）具備信號接收功能。地面數(shù)據(jù)能夠接收下行光作物光譜傳感器傳回的作物冠層反射光譜信息。d）具備數(shù)據(jù)處理功能。地面數(shù)據(jù)處理器能夠處理上下行光傳感器數(shù)據(jù)，計算相關(guān)的植被指數(shù)數(shù)據(jù)并顯示。e）具有作物生長指標(biāo)監(jiān)測、顯示功能。能根據(jù)稻麥葉層氮含量光譜監(jiān)測模型、葉層氮積累量光譜監(jiān)測模型、葉干重光譜監(jiān)測模型、葉面積指數(shù)光譜監(jiān)測模型進(jìn)行生長指標(biāo)的計算與顯示。6.2軟件平臺運(yùn)維穩(wěn)定可靠，平均無故障工作時間應(yīng)大于3000小時，故障修復(fù)時間應(yīng)小于12小時。軟件應(yīng)定期更新，一個月進(jìn)行一次系統(tǒng)維護(hù)。47基本要求7.1選定多旋翼無人機(jī)平臺后，應(yīng)進(jìn)行CFD模擬仿真確定無人機(jī)平臺的氣流場空間分布狀態(tài)。7.2CFD無人機(jī)下洗流場具體模擬仿真步驟：多旋翼無人機(jī)平臺三維造型構(gòu)建：采用三維掃描、三維建模等方法構(gòu)筑無人機(jī)平臺的三維立體造型，用于后續(xù)的軟件模擬仿真；旋翼及機(jī)身流場的網(wǎng)格生成：根據(jù)多旋翼無人機(jī)平臺的三維立體造型數(shù)據(jù)建立仿真區(qū)域的控制方程并確定初始條件與邊界條件，劃分出網(wǎng)格化的靜止區(qū)域與流動區(qū)域；區(qū)域設(shè)定及模擬仿真：根據(jù)網(wǎng)格化運(yùn)動區(qū)域，設(shè)定多旋翼無人機(jī)平臺的飛行區(qū)域，旋翼轉(zhuǎn)速，飛行邊界等參數(shù)，由CFD軟件根據(jù)設(shè)定參數(shù)進(jìn)行網(wǎng)格速度模擬；求解計算：計算網(wǎng)格點(diǎn)數(shù)據(jù)，生成多旋翼無人機(jī)平臺于不同高度飛行條件下的速度分布云圖。7.3傳感器支架的長度由多旋翼無人機(jī)平臺下洗氣流場水平分布區(qū)域半徑與多光譜作物生長傳感器測試視場半徑共同決定，傳感器支架長度≥二者之和；7.4多旋翼無人機(jī)平臺應(yīng)每半年檢定或者校準(zhǔn)一次；7.5傳感器支架的安裝應(yīng)滿足無人機(jī)飛行姿態(tài)的穩(wěn)定性；7.6多光譜作物生長傳感器金工件應(yīng)完整，不應(yīng)有裂紋、毛刺，表面鍍層應(yīng)均勻，色澤鮮明，附著牢固，表面平整；7.7上下行光多光譜傳感器及數(shù)據(jù)處理器應(yīng)每年檢定或者校準(zhǔn)一次；7.8采集器外殼表面應(yīng)光滑，色澤鮮明，不應(yīng)有裂紋等缺陷；7.9設(shè)備使用可靠性應(yīng)不低于95%。7.10多旋翼無人機(jī)平臺安裝完成后應(yīng)試啟動檢查。7.11各部件須檢查合格后方可進(jìn)行裝配。7.12螺栓、螺釘?shù)染o固件應(yīng)緊固，聯(lián)接可靠，不應(yīng)松動。7.13下行光多光譜作物生長傳感器視場應(yīng)保持垂直向下，上行光多光譜作物生長傳感器視場應(yīng)保持垂直向上。7.14設(shè)備電源電線與主板電路應(yīng)進(jìn)行加牢防護(hù)。8設(shè)備安裝8.1安裝傳感器支架將傳感器支架通過螺絲固定在無人機(jī)各個旋翼下方位置，支架應(yīng)保持水平。8.2安裝下行光多光譜作物生長傳感器將下行光多光譜作物生長傳感器通過螺絲固定在傳感器支架末端，傳感器與傳感器支架緊密結(jié)合，傳感器視場應(yīng)保持垂直向下，連接傳感器電源線。8.3安裝上行光多光譜作物生長傳感器將上行光多光譜作物生長傳感器采用螺絲固定在地面數(shù)據(jù)處理器前端的固定平臺上，固定平臺與水平面夾角為45°,上行光傳感器與固定平臺保持水平。9設(shè)備調(diào)試9.1進(jìn)行多旋翼無人機(jī)平臺試飛，確認(rèn)無人機(jī)平臺能夠安全正常起飛。9.2進(jìn)行下行光多光譜作物生長傳感器與地面數(shù)據(jù)處理器的數(shù)據(jù)試傳輸，確認(rèn)無線通信正常穩(wěn)定。9.3滿足下述各項(xiàng)要求的被測軟件為合格，否則為不合格：a）測試期間被測軟件不發(fā)生異常情況；5b）測試期間運(yùn)行被測軟件的計算機(jī)不重啟，不死機(jī)；c）測試結(jié)果應(yīng)滿足6.1的要求。10測量方法10.1測量選擇在晴朗無云或少云、無風(fēng)或微風(fēng)的環(huán)境條件下，中午11點(diǎn)30分至13點(diǎn)之間進(jìn)行。10.2調(diào)節(jié)無人機(jī)飛行高度，使下行光多光譜作物生長傳感器位于作物冠層上方1.0m～1.2m處，保持無人機(jī)懸停姿態(tài)，應(yīng)與水平面保持水平。10.3操控地面數(shù)據(jù)處理器，設(shè)備開機(jī)自檢，無線模塊、液晶屏、主控制器等模塊進(jìn)行初始化設(shè)定。10.4開始測量，下行光多光譜作物生長傳感器采集作物冠層在720n