基于无人飞行器的物联网灌溉设施调控平台及方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于无人飞行器的物联网灌溉设施调控平台及方法，平台包括无人飞行器和远程地面测控站两部分，无人飞行器和远程地面测控站之间通过无线网络通信；方法包括由用户在起飞前或飞行时将航线数据及盘旋区域写入无人飞行器飞行控制子系统；无人机在机载飞行控制子系统引导下，飞行至物联网灌溉设施上空进入低速盘旋状态，此时机载物联网无线通信子系统与地面物联网灌溉系统建立通信链路，藉此，实现灌溉参数修改、数据收集、通信中继等服务。本发明的调控平台可对部署在偏远地区(无移动通信网络)的物联网灌溉设施进行参数读取、调控、巡检，有效扩展了物联网系统的使用范围。
【专利说明】基于无人飞行器的物联网灌溉设施调控平台及方法
【技术领域】
[0001]本发明装置涉及农业智能灌溉领域，特别涉及一种基于无人飞行器的物联网灌溉设施调控平台及方法。
【背景技术】
[0002]与传统的灌溉装置相比，物联网灌溉装置内置中短距离无线通信模块，可连接多种传感器，能够采集环境温湿度、光照强度、降雨量、土壤墒情等信息，并进行智能决策、自动灌溉，极大的提高农业灌溉用水利用率。物联网灌溉装置可以在完成灌溉任务的同时，自动采集农情环境信息。
[0003]每套物联网灌溉设施通常由多个无线子节点与一个信息汇聚节点构成，节点由单片机、电源电路、人机交互界面、交/直流电磁阀、驱动电路、低功耗无线通信模块等结构组成，该灌溉装置可利用内置的低功耗无线通信模块接收灌溉控制指令。汇聚节点一方面通过低功耗无线通信模块与子节点通信，另一方面，通过移动通信网将子节点采集的环境信息上传远端服务器或从远端服务器接收最新的调控指令，以适应作物生长。
[0004]目前，我国很大一部分物联网灌溉设施被部署在通信基础设施薄弱的偏远山区(如:川藏公路仅在国道上有GPRS网络覆盖)，无GPRS或3G等通信网覆盖，信息汇聚节点难以与远端服务器建立连接。导致控制参数不能实时快速更改、环境数据无法及时上传，不能发挥物联网技术的优势。迫切需要寻找一种不依赖移动通信网快速设置/修改灌溉调控参数的方法与装置。
[0005]一种常见的解决方案是利用大功率(发射功率20W以上)数传电台实现远距离通信，该方案一方面功耗较大；另一方面，用户需要为每套数传电台申请专用通信频率，不适合大规模推广应用。不是最理想的解决方案。
[0006]小型无人飞行器具有体积小巧、制造成本低廉、起降场地要求低特点，可在各种环境中快速部署起飞。也可搭载各种轻小型作业负载完成侦查、航空摄影、物品投送等任务。目前，流行于全球航模爱好者群体中的航空模型都为国内东南沿海地区的厂商设计、制造。我国已具备研发、生产各型无人飞行器的技术实力。
[0007]因此，如何结合我国农业物联网灌溉的现实问题，在无人飞行器上，设计出一种成本较低，可靠性较高且不依赖移动通信网的物联网灌溉设施调控平台与方法具有极高的理论和实际意义。
【发明内容】
[0008]本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种基于无人飞行器的物联网灌溉设施调控平台。
[0009]本发明的另一目的在于，提供一种基于无人飞行器的物联网灌溉设施调控平台的调控方法。
[0010]为了达到上述第一目的，本发明采用以下技术方案:
[0011]基于无人飞行器的物联网灌溉设施调控平台，包括无人飞行器和远程地面测控站两部分，无人飞行器和远程地面测控站之间通过无线网络通信；所述无人飞行器包括机舱、动力子系统、供电子系统、飞行控制子系统、图像采集传输子系统、物联网通信子系统、远程遥控通信子系统和实时飞行数据记录子系统，所述飞行控制子系统分别于动力子系统、远程遥控通信子系统、物联网通信子系统、飞行数据记录子系统、图像传输子系统电联接；所述远程地面测控站包括计算机、高增益通讯天线、远程通信模块和无线图像采集卡；所述高增益通信天线与远程通信模块连接，所述远程通信模块与图像采集卡连接。
[0012]优选的，所述飞行控制子系统，用于控制飞行器以适当的姿态按照指定航线飞行；
[0013]所述动力子系统，用于驱动螺旋桨及控制舵机，在电动无人机中动力子系统包含供电子系统；在燃油无人机中动力系统与供电子系统独立；
[0014]所述远程遥控通信子系统，用于飞行器与地面监测站进行通信，通信特点为低速率、长距离高可靠性；
[0015]所述机载物联网通信子系统，用于与地面的物联网灌溉设施通信，特点高速率、短距离；
[0016]所述飞行数据记录子系统，用于实时记录飞行器飞行过程中位置信息参数及收集灌溉参数；
[0017]所述机载图像采集传输子系统，用于通过机载摄像头记录(或同时传输)飞行区域的图像信息。
[0018]优选的，所述计算机，用于运行航线规划与飞行状态监测的软件系统；
[0019]所述高增益通讯天线，用于连接所有需要实现无线通信的模块；
[0020]所述远程通信模块，用于与飞行器建立通信连接；
[0021]所述无线图像采集卡，用于接收机载图像采集传输子系统回传的图像数据。
[0022]优选的，所述飞行控制子系统包括中央处理器、导航定位装置、惯性姿态测量装置和数字舵机；
[0023]所述中央处理器，用于处理飞行器位置信息、姿态信息等数据参数控制飞行器稳定飞行；
[0024]所述导航定位装置，用于及时获取飞行器的位置信息并为飞行器在指定区域作业提供导航；
[0025]所述惯性姿态测量装置，用于实时测量飞行器的姿态信息，便于调整飞行姿态。
[0026]优选的，所述供电子系统包括主电池、备份电池和微控制器，当主电源电量耗尽或出现故障，微控制器将切断主电源并用备份电源为机载电子系统供电，同时飞行控制子系统进入紧急返航或紧急降落模式。
[0027]为了达到上述第二目的，本发明采用以下技术方案:
[0028]基于无人飞行器的物联网灌溉设施调控平台的调控方法，包括下述步骤:
[0029](I)无人飞行器启动后立即与地面测控站建立用于远程遥控的通信链路；
[0030](2)遥控通信链路建立后，用户从地面站测控站在起飞前或飞行时将规划好的航线与盘旋区域坐标通过遥控通信链路传送给飞行控制子系统；
[0031](3)飞行控制子系统根据航线与卫星定位坐标数据对无人飞行器航向、姿态进行实时反馈自动控制，引导无人飞行器按航线飞行；
[0032](4)到达物联网灌溉设施上空，飞行控制子系统控制无人机在保证安全的前提下，降低飞行高度，进行低速盘旋，同时，启动机载物联网无线通信子系统；
[0033](5)机载物联网无线通信子系统被启动后，尝试与地面物联网节点建立通信链路，通信链路建立的过程含身份验证环节；
[0034](6)若尝试超过一定次数后，无法建立可靠的通信链路，飞行控制子系统关闭物联网通信子系统，并通过远程遥控通信链路告知用户，此区域物联网灌溉系统可能失效，继续根据航线飞向下一个盘旋区域或开始返航；
[0035](7)若成功建立通信链路，则在一定时间内为地面物联网灌溉系统提供以下服务:I)收集、存储地面物联网节点已采集到信息；2)向地面物联网节点传送最新的灌溉调控指令；3)借助用于飞行控制的远距离遥控通信链路，提供地面节点与远端监测服务器间的帧中继服务；
[0036](8)物联网通信服务完成或服务时间到后，物联网无线通信子系统关闭，无人飞行器在飞行控制子系统的引导下按航线飞向下一个盘旋区域或开始返航。
[0037]优选的，所述步骤(I)中，无人飞行器起飞指令由远程遥控通信链路下达；
[0038]所述步骤(2)中，航线、盘旋区域信息可通过远程遥控通信链路实时更新。
[0039]优选的，所述步骤(3)中，飞行控制子系统一方面根据卫星定位模块获得绝对坐标，另一方面根据捷联惯性运动测量模块获得飞行姿态，通过调整飞行姿态改变飞行航向。
[0040]优选的，所述步骤(5)中，身份验证过程为:
[0041]I)地面物联网灌溉设施请求身份认证口令；
[0042]2)机载物联网无线通信子系统发送口令；
[0043]3)若口令错误，地面物联网灌溉设施将拒绝与机载物联网通信子系统继续通信；口令正确，则继续下一步通信。
[0044]优选的，所述步骤(7)中，无人飞行器为地面物联网灌溉系统提供以下服务:
[0045]I)收集、存储地面物联网灌溉节点或汇聚节点已采集到信息，成为一个空中飞行的汇聚节点；
[0046]2)向地面节点或汇聚节点传送最新的灌溉调控指令，实现信息投放；
[0047]3)借助用于飞行控制的远距离遥控通信链路，提供地面节点或汇聚节点与远端监测服务器间的帧中继服务，成为一个空中飞行的数据中继器。
[0048]本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果:
[0049]1、本发明的无人飞行器结构简单，使用、维护成本较低，智能化程度较高、具有自主巡航、自动返航功能，易于操控、使用。
[0050]2、本发明基于无人飞行器的物联网灌溉调控平台，可对部署在偏远地区(无移动通信网络)的物联网灌溉设施进行参数读取、调控、巡检，有效扩展了物联网系统的使用范围。
[0051]3、本发明由无人飞行器搭载其它光学影像设备，在完成物联网灌溉设施巡检的同时也可顺带提供地形测绘、多光谱影像采集等服务。
[0052]4、本发明对使用者来说操作简单实用、节省人力，对于农田及山地果园的灌溉管理高效快捷。
【专利附图】
【附图说明】
[0053]图1是本发明工作原理示意图；
[0054]图2是本发明调控平台的结构示意图；
[0055]图3是本发明的调控方法的流程图。
【具体实施方式】
[0056]下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
[0057]实施例
[0058]如图1所示，在本实施例中，试验飞行器飞抵山区果园上空，进行低空盘旋。此时无人飞行器同时建立了两条通信链路:与地面物联网灌溉设施通信的地-空物联网通讯链路和地面测控站之间的遥控通信链路。无人飞行器此时成为一个空中飞行无线中继器，使山区物联网灌溉设施在不借助移动通信网与远端测控站建立连接。
[0059]本实施例中，所述试验飞行器采用型号为757-3Ranger EX的遥控上单翼式航拍滑翔机。其螺旋桨位于机翼后方，由无刷电机带动螺旋桨高速旋转产生推力，该驱动方式有利于低速飞行。该机型具有载重量大、飞行平稳、组装方便的特点，易于推广应用。
[0060]如图2所示，本实施例基于无人飞行器的物联网灌溉设施调控平台，包括无人飞行器和远程地面测控站两部分，无人飞行器和远程地面测控站之间通过无线网络通信；所述无人飞行器包括机舱、动力子系统、供电子系统、飞行控制子系统、图像采集传输子系统、物联网通信子系统、远程遥控通信子系统和实时飞行数据记录子系统，所述飞行控制子系统分别于动力子系统、远程遥控通信子系统、物联网通信子系统、飞行数据记录子系统、图像传输子系统电联接；所述远程地面测控站包括计算机、高增益通讯天线、远程通信模块和无线图像采集卡；所述高增益通信天线与远程通信模块连接，所述远程通信模块与图像采集卡连接。
[0061]所述飞行控制子系统，用于控制飞行器以适当的姿态按照指定航线飞行；
[0062]所述动力子系统，用于驱动螺旋桨及控制舵机。在电动无人机中动力子系统包含供电子系统；在燃油无人机中动力系统与供电子系统独立；
[0063]所述远程遥控通信子系统，用于飞行器与地面监测站进行通信，通信特点为低速率、长距离高可靠性；
[0064]所述机载物联网通信子系统，用于与地面的物联网灌溉设施通信，特点高速率、短距离；
[0065]所述飞行数据记录子系统，用于实时记录飞行器飞行过程中位置信息参数及收集灌溉参数；
[0066]所述机载图像采集传输子系统，用于通过机载摄像头记录(或同时传输)飞行区域的图像信息。
[0067]所述计算机，用于运行航线规划与飞行状态监测的软件系统；
[0068]所述高增益通讯天线，用于连接所有需要实现无线通信的模块；
[0069]所述远程通信模块，用于与飞行器建立通信连接；
[0070]所述无线图像采集卡，用于接收机载图像采集传输子系统回传的图像数据。
[0071]所述飞行控制子系统包括中央处理器、导航定位装置、惯性姿态测量装置和数字舵机；
[0072]所述中央处理器，用于处理飞行器位置信息、姿态信息等数据参数控制飞行器稳定飞行；
[0073]所述导航定位装置，用于及时获取飞行器的位置信息并为飞行器在指定区域作业提供导航；
[0074]所述惯性姿态测量装置，用于实时测量飞行器的姿态信息，便于调整飞行姿态。
[0075]所述供电子系统包括主电池、备份电池和微控制器，当主电源电量耗尽或出现故障，微控制器将切断主电源并用备份电源为机载电子系统供电，同时飞行控制子系统进入紧急返航或紧急降落模式。
[0076]如图3所示，本实施例基于无人飞行器的物联网灌溉设施调控平台的调控方法的具体步骤如下:
[0077](I)无人飞行器启动后立即与地面测控站建立用于远程遥控的通信链路。
[0078](2)遥控通信链路建立后，用户从地面站测控站在起飞前或飞行时将规划好的航线与盘旋区域坐标通过遥控通信链路传送给机载飞行控制子系统。
[0079](3)机载飞行控制子系统根据航线与卫星定位坐标数据对无人飞行器航向、姿态进行实时反馈自动控制。引导无人飞行器按航线飞行。
[0080](4)到达物联网灌溉设施上空，飞行控制子系统控制无人机在保证安全的前提下，降低飞行高度，进行低速盘旋，同时，启动机载物联网无线通信子系统。
[0081](5)机载物联网无线通信子系统被启动后，尝试与地面物联网节点建立通信链路(为保证安全，通信链路建立的过程含身份验证环节)，
[0082](6)尝试超过一定次数(默认50次，用户可修改)后，无法建立可靠的通信链路。飞行控制子系统关闭物联网通信子系统，并通过远程遥控通信链路告知用户，此区域物联网灌溉系统可能失效。继续根据航线飞向下一个盘旋区域或开始返航。
[0083](7)若成功建立通信链路，则在一定时间内(由剩余燃油或电池电量决定，在本发明中称为服务时间)为地面物联网灌溉系统提供以下服务:1)收集、存储地面物联网节点已采集到信息。2)向地面物联网节点传送最新的灌溉调控指令。3)借助用于飞行控制的远距离遥控通信链路，提供地面节点与远端监测服务器(也可被称为地面站)间的帧中继服务。
[0084](8)物联网通信服务完成或服务时间到后，物联网无线通信子系统关闭。无人飞行器在飞行控制子系统的引导下按航线飞向下一个盘旋区域或开始返航。
[0085]所述步骤(I)中，无人飞行器起飞指令由远程遥控通信链路下达。
[0086]所述步骤(2)中，航线、盘旋区域等信息可通过远程遥控通信链路实时更新。方便应对突发情况。
[0087]所述步骤(3)中，飞行控制子系统一方面根据卫星定位模块(GPS或其他)获得绝对坐标，另一方面根据捷联惯性运动测量模块获得飞行姿态。通过调整飞行姿态改变飞行航向。
[0088]所述步骤(5)中，身份验证过程为:
[0089]I)地面物联网灌溉设施请求身份认证口令；
[0090]2)机载物联网无线通信子系统发送口令(由用户配置)；
[0091]3)若口令错误，地面物联网灌溉设施将拒绝与机载物联网通信子系统继续通信；口令正确，则继续下一步通信。
[0092]所述步骤(7)中，无人飞行器为地面物联网灌溉系统提供以下服务:
[0093]I)收集、存储地面物联网灌溉节点(或汇聚节点)已采集到信息，成为一个空中飞行的汇聚节点。2)向地面节点(或汇聚节点)传送最新的灌溉调控指令，实现信息投放。
3)借助用于飞行控制的远距离遥控通信链路，提供地面节点(或汇聚节点)与远端监测服务器(也可被称为地面站)间的帧中继服务，成为一个空中飞行的数据中继器。
[0094]上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.基于无人飞行器的物联网灌溉设施调控平台，其特征在于，包括无人飞行器和远程地面测控站两部分，无人飞行器和远程地面测控站之间通过无线网络通信；所述无人飞行器包括机舱、动力子系统、供电子系统、飞行控制子系统、图像采集传输子系统、物联网通信子系统、远程遥控通信子系统和实时飞行数据记录子系统，所述飞行控制子系统分别于动力子系统、远程遥控通信子系统、物联网通信子系统、飞行数据记录子系统、图像传输子系统电联接；所述远程地面测控站包括计算机、高增益通讯天线、远程通信模块和无线图像采集卡；所述高增益通信天线与远程通信模块连接，所述远程通信模块与图像采集卡连接。
2.根据权利要求1所述的基于无人飞行器的物联网灌溉设施调控平台，其特征在于，所述飞行控制子系统，用于控制飞行器以适当的姿态按照指定航线飞行； 所述动力子系统，用于驱动螺旋桨及控制舵机，在电动无人机中动力子系统包含供电子系统；在燃油无人机中动力系统与供电子系统独立； 所述远程遥控通信子系统，用于飞行器与地面监测站进行通信，通信特点为低速率、长距离高可靠性； 所述机载物联网通信子系统，用于与地面的物联网灌溉设施通信，特点高速率、短距离； 所述飞行数据记录子系统，用于实时记录飞行器飞行过程中位置信息参数及收集灌溉参数； 所述机载图像采集传 输子系统，用于通过机载摄像头记录或同时传输飞行区域的图像信息。
3.根据权利要求1所述的基于无人飞行器的物联网灌溉设施调控平台，其特征在于，所述计算机，用于运行航线规划与飞行状态监测的软件系统； 所述高增益通讯天线，用于连接所有需要实现无线通信的模块； 所述远程通信模块，用于与飞行器建立通信连接； 所述无线图像采集卡，用于接收机载图像采集传输子系统回传的图像数据。
4.根据权利要求2所述的基于无人飞行器的物联网灌溉设施调控平台，其特征在于，所述飞行控制子系统包括中央处理器、导航定位装置、惯性姿态测量装置和数字舵机； 所述中央处理器，用于处理飞行器位置信息、姿态信息等数据参数控制飞行器稳定飞行； 所述导航定位装置，用于及时获取飞行器的位置信息并为飞行器在指定区域作业提供导航； 所述惯性姿态测量装置，用于实时测量飞行器的姿态信息，便于调整飞行姿态。
5.根据权利要求1所述的基于无人飞行器的物联网灌溉设施调控平台，其特征在于，所述供电子系统包括主电池、备份电池和微控制器，当主电源电量耗尽或出现故障，微控制器将切断主电源并用备份电源为机载电子系统供电，同时飞行控制子系统进入紧急返航或紧急降落模式。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的基于无人飞行器的物联网灌溉设施调控平台的调控方法，其特征在于，包括下述步骤: (1)无人飞行器启动后立即与地面测控站建立用于远程遥控的通信链路； (2)遥控通信链路建立后，用户从地面站测控站在起飞前或飞行时将规划好的航线与盘旋区域坐标通过遥控通信链路传送给飞行控制子系统； (3)飞行控制子系统根据航线与卫星定位坐标数据对无人飞行器航向、姿态进行实时反馈自动控制，引导无人飞行器按航线飞行； (4)到达物联网灌溉设施上空，飞行控制子系统控制无人机在保证安全的前提下，降低飞行高度，进行低速盘旋，同时，启动机载物联网无线通信子系统； (5)机载物联网无线通信子系统被启动后，尝试与地面物联网节点建立通信链路，通信链路建立的过程含身份验证环节； (6)若尝试超过一定次数后，无法建立可靠的通信链路，飞行控制子系统关闭物联网通信子系统，并通过远程遥控通信链路告知用户，此区域物联网灌溉系统可能失效，继续根据航线飞向下一个盘旋区域或开始返航； (7)若成功建立通信链路，则在一定时间内为地面物联网灌溉系统提供以下服务:1)收集、存储地面物联网节点已采集到信息；2)向地面物联网节点传送最新的灌溉调控指令；3)借助用于飞行控制的远距离遥控通信链路，提供地面节点与远端监测服务器间的帧中继服务； (8)物联网通信服务完成或服务时间到后，物联网无线通信子系统关闭，无人飞行器在飞行控制子系统的引导下按航线飞向下一个盘旋区域或开始返航。
7.根据权利要求6所述的基于无人飞行器的物联网灌溉设施调控平台的调控方法，其特征在于，所述步骤(1)中，无人飞行器起飞指令由远程遥控通信链路下达； 所述步骤(2)中，航线、盘旋区域信息可通过远程遥控通信链路实时更新。
8.根据权利要求6所述的基于无人飞行器的物联网灌溉设施调控平台的调控方法，其特征在于，所述步骤(3)中，飞行控制子系统一方面根据卫星定位模块获得绝对坐标，另一方面根据捷联惯性运动测量模块获得飞行姿态，通过调整飞行姿态改变飞行航向。
9.根据权利要求6所述的基于无人飞行器的物联网灌溉设施调控平台的调控方法，其特征在于，所述步骤(5)中，身份验证过程为: 1)地面物联网灌溉设施请求身份认证口令； 2)机载物联网无线通信子系统发送口令； 3)若口令错误，地面物联网灌溉设施将拒绝与机载物联网通信子系统继续通信；口令正确，则继续下一步通信。
10.根据权利要求6所述的基于无人飞行器的物联网灌溉设施调控平台的调控方法，其特征在于，所述步骤(7)中，无人飞行器为地面物联网灌溉系统提供以下服务: 1)收集、存储地面物联网灌溉节点或汇聚节点已采集到信息，成为一个空中飞行的汇聚节点； 2)向地面节点或汇聚节点传送最新的灌溉调控指令，实现信息投放； 3)借助用于飞行控制的远距离遥控通信链路，提供地面节点或汇聚节点与远端监测服务器间的帧中继服务，成为一个空中飞行的数据中继器。
【文档编号】G05B19/418GK104049625SQ201410326535
【公开日】2014年9月17日 申请日期:2014年7月9日 优先权日:2014年7月9日
【发明者】岳学军, 全东平, 刘永鑫, 蔡坤, 徐兴, 谢家兴, 燕英伟, 王健, 张明杰 申请人:华南农业大学