作物生长多旋翼无人机载作物生长监测技术规程

1作物生长多旋翼无人机监测技术规程本文件规定了作物生长多旋翼无人机监测的适用范围、设备、设备安装、测量方法、现场检测及质量评定等内容。本文件适用于稻麦冠层归一化植被指数、比值植被指数、叶面积指数、叶层氮含量、叶层氮积累量、叶干重无损监测诊断。2规范性引用文件下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。GB/T2900.90电工术语电工电子测量和仪器仪表GB4208外壳防护等级（IP代码）GB/T6593电子测量仪器质量检测规则GB11463电子测量仪器可靠性试验GB/T25392农业工程电气和电子设备对环境条件的耐久试验NY525有机肥料NY/T653农业电子信息产品通用技术条件农业应用软件产品3术语和定义下列术语和定义适用于本文件。3.1无人机传感器unmannedaerialvehiclesensor通过搭载于无人机设备实现数据信息获取的装置。3.2作物生长监测技术cropgrowthmonitoringtechnology通过对作物冠层特征光谱反射率实时、快速测量、定量化获取作物叶层氮含量（单位：%）、叶层氮积累量（单位：g/m2）、叶面积指数和叶干重（单位：kg/m2）等生长指标的技术。4缩略语UAV：UnmannedAerialVehicle，无人机；CFD：ComputationalFluidDynamics，计算流体动力学；2CAD：ComputerAidedDesign，计算机辅助设计；NDVI：NormalizedDifferenceVegetationIndex，归一化植被指数；RVI：RatioVegetationIndex，比值植被指数；LAI：LeafAreaIndex，叶面积指数；LNC：LeafNitrogenContent，叶层氮含量；LNA：LeafNitrogenAccumulation，叶层氮积累量；LDW：LeafDryWeight，叶干重。5设备5.1设备组成作物生长多旋翼无人机监测设备应包括多旋翼无人机平台、无人机传感器、地面数据处理器，具体见图1。图1无人机载作物生长监测设备操作示意图5.2多旋翼无人机平台5.2.1多旋翼无人机不少于3个旋翼轴，应能够实现悬停飞行。5.2.2参数要求参数要求如下：a)应由电机驱动实现运动，水平悬停精度≤0.2m，竖直悬停精度≤0.2m，稳定飞行时最大载重量≥1.5kg，单次作业续航时间≥18min，有效控制距离≥1km，具备显示飞行状态、飞行速度和飞行姿态，能够开机自检，通过指示灯或遥控器对操作者进行状态提示及报警。b)应具备在2级风力气象条件下稳定飞行的能力，在与遥控器失去通信联系时，飞行平台应具备自动返航、在失联点定点悬停或自动降落三项功能中的至少一项。3c)工作环境温度-10℃~50℃,存储环境温度-20℃~50℃,充电环境温度0℃~30℃。d)动力电池在充、放电时不应出现鼓包、漏液、破裂、起火、爆炸等现象，多旋翼无人机平台动力电池具备电量查看功能。5.2无人机传感器5.2.1无人机传感器包括下行光多光谱作物生长传感器及传感器支架，下行光多光谱作物生长传感器用于接收作物冠层反射光谱信息，传感器支架用于传感器与多旋翼无人机平台的固定。5.2.2下行光多光谱作物生长传感器性能参数性能参数如下：a）传感器重量11.3g，采集通道2个标准模拟口，视场角27°,电源为3.7V标准电压，工作功耗≤80mW，长30mm，宽16mm，高25mm。b）数据格式二进制，工作温度0~65oC，工作湿度0~85%RH，材质为尼龙，防水等级IP65。c）传感器支架应采用碳纤维结构制造，重量和稳定性应满足多旋翼无人机飞行姿态稳定性要求。d）下行光多光谱作物生长传感器与传感器支架采用机械结构固定，固定后传感器应不发生晃动。e）传感器支架长度由多旋翼无人机平台的下洗流场的范围大小决定。5.3地面数据处理器5.3.1地面数据处理器主要用来接收上行光多光谱作物生长传感器传输的太阳光辐射信息以及下行光作物生长传感器采集的作物冠层光谱信息，并对二者进行光谱信息提取和处理，运算反射率，耦合作物生长监测模型与诊断调控模型，计算作物生长指标及氮肥调控量；具备按键控制、液晶显示等功能。5.3.2地面数据处理器性能参数性能参数如下：a）电源为一块7.3V锂电池，工作功耗=100mW。b）数据格式二进制，通信方式为zigbee，通信频率760MHZ。c）工作温度0~65oC，工作湿度0~85%RH。d）材质为ABS工程塑料，防水等级IP65，显示为12864液晶屏。e）功能按键5个，“测量、监测、诊断、复位、开/关机”。f）NDVI测量相对误差≤15%，RVI测量误差≤15%，LNC测量误差≤15%，LNA测量误差≤18%，LAI测量误差≤15%，LDW测量误差≤15%。6软件6.1功能如下：a）具备作物冠层反射光谱信息采集、处理发射功能，下行光作物光谱传感器能够采集作物冠层反射光谱信息并处理发送。b）具备太阳辐射光信息采集、处理功能。地面数据处理器能够采集太阳辐射光信息并处理。c）具备信号接收功能。地面数据能够接收下行光作物光谱传感器传回的作物冠层反射光谱信息。d）具备数据处理功能。地面数据处理器能够处理上下行光传感器数据，计算相关的植被指数数据并显示。e）具有作物生长指标监测、显示功能。能根据稻麦叶层氮含量光谱监测模型、叶层氮积累量光谱监测模型、叶干重光谱监测模型、叶面积指数光谱监测模型进行生长指标的计算与显示。6.2软件平台运维稳定可靠，平均无故障工作时间应大于3000小时，故障修复时间应小于12小时。软件应定期更新，一个月进行一次系统维护。47基本要求7.1选定多旋翼无人机平台后，应进行CFD模拟仿真确定无人机平台的气流场空间分布状态。7.2CFD无人机下洗流场具体模拟仿真步骤：多旋翼无人机平台三维造型构建：采用三维扫描、三维建模等方法构筑无人机平台的三维立体造型，用于后续的软件模拟仿真；旋翼及机身流场的网格生成：根据多旋翼无人机平台的三维立体造型数据建立仿真区域的控制方程并确定初始条件与边界条件，划分出网格化的静止区域与流动区域；区域设定及模拟仿真：根据网格化运动区域，设定多旋翼无人机平台的飞行区域，旋翼转速，飞行边界等参数，由CFD软件根据设定参数进行网格速度模拟；求解计算：计算网格点数据，生成多旋翼无人机平台于不同高度飞行条件下的速度分布云图。7.3传感器支架的长度由多旋翼无人机平台下洗气流场水平分布区域半径与多光谱作物生长传感器测试视场半径共同决定，传感器支架长度≥二者之和；7.4多旋翼无人机平台应每半年检定或者校准一次；7.5传感器支架的安装应满足无人机飞行姿态的稳定性；7.6多光谱作物生长传感器金工件应完整，不应有裂纹、毛刺，表面镀层应均匀，色泽鲜明，附着牢固，表面平整；7.7上下行光多光谱传感器及数据处理器应每年检定或者校准一次；7.8采集器外壳表面应光滑，色泽鲜明，不应有裂纹等缺陷；7.9设备使用可靠性应不低于95%。7.10多旋翼无人机平台安装完成后应试启动检查。7.11各部件须检查合格后方可进行装配。7.12螺栓、螺钉等紧固件应紧固，联接可靠，不应松动。7.13下行光多光谱作物生长传感器视场应保持垂直向下，上行光多光谱作物生长传感器视场应保持垂直向上。7.14设备电源电线与主板电路应进行加牢防护。8设备安装8.1安装传感器支架将传感器支架通过螺丝固定在无人机各个旋翼下方位置，支架应保持水平。8.2安装下行光多光谱作物生长传感器将下行光多光谱作物生长传感器通过螺丝固定在传感器支架末端，传感器与传感器支架紧密结合，传感器视场应保持垂直向下，连接传感器电源线。8.3安装上行光多光谱作物生长传感器将上行光多光谱作物生长传感器采用螺丝固定在地面数据处理器前端的固定平台上，固定平台与水平面夹角为45°,上行光传感器与固定平台保持水平。9设备调试9.1进行多旋翼无人机平台试飞，确认无人机平台能够安全正常起飞。9.2进行下行光多光谱作物生长传感器与地面数据处理器的数据试传输，确认无线通信正常稳定。9.3满足下述各项要求的被测软件为合格，否则为不合格：a）测试期间被测软件不发生异常情况；5b）测试期间运行被测软件的计算机不重启，不死机；c）测试结果应满足6.1的要求。10测量方法10.1测量选择在晴朗无云或少云、无风或微风的环境条件下，中午11点30分至13点之间进行。10.2调节无人机飞行高度，使下行光多光谱作物生长传感器位于作物冠层上方1.0m～1.2m处，保持无人机悬停姿态，应与水平面保持水平。10.3操控地面数据处理器，设备开机自检，无线模块、液晶屏、主控制器等模块进行初始化设定。10.4开始测量，下行光多光谱作物生长传感器采集作物冠层在720n