作物生長(zhǎng)多旋翼無(wú)人機(jī)載作物生長(zhǎng)監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)程

1作物生長(zhǎng)多旋翼無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)程本文件規(guī)定了作物生長(zhǎng)多旋翼無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)的適用范圍、設(shè)備、設(shè)備安裝、測(cè)量方法、現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)及質(zhì)量評(píng)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(cè)診斷。2規(guī)范性引用文件下列文件中的內(nèi)容通過(guò)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(duì)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(yǔ)電工電子測(cè)量和儀器儀表GB4208外殼防護(hù)等級(jí)（IP代碼）GB/T6593電子測(cè)量?jī)x器質(zhì)量檢測(cè)規(guī)則GB11463電子測(cè)量?jī)x器可靠性試驗(yàn)GB/T25392農(nóng)業(yè)工程電氣和電子設(shè)備對(duì)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(yǔ)和定義下列術(shù)語(yǔ)和定義適用于本文件。3.1無(wú)人機(jī)傳感器unmannedaerialvehiclesensor通過(guò)搭載于無(wú)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(zhǎng)監(jiān)測(cè)技術(shù)cropgrowthmonitoringtechnology通過(guò)對(duì)作物冠層特征光譜反射率實(shí)時(shí)、快速測(cè)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(zhǎng)指標(biāo)的技術(shù)。4縮略語(yǔ)UAV：UnmannedAerialVehicle，無(wú)人機(jī)；CFD：ComputationalFluidDynamics，計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)；2CAD：ComputerAidedDesign，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)；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(zhǎng)多旋翼無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)設(shè)備應(yīng)包括多旋翼無(wú)人機(jī)平臺(tái)、無(wú)人機(jī)傳感器、地面數(shù)據(jù)處理器，具體見(jiàn)圖1。圖1無(wú)人機(jī)載作物生長(zhǎng)監(jiān)測(cè)設(shè)備操作示意圖5.2多旋翼無(wú)人機(jī)平臺(tái)5.2.1多旋翼無(wú)人機(jī)不少于3個(gè)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(dòng)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)，水平懸停精度≤0.2m，豎直懸停精度≤0.2m，穩(wěn)定飛行時(shí)最大載重量≥1.5kg，單次作業(yè)續(xù)航時(shí)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(kāi)機(jī)自檢，通過(guò)指示燈或遙控器對(duì)操作者進(jìn)行狀態(tài)提示及報(bào)警。b)應(yīng)具備在2級(jí)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(shí)，飛行平臺(tái)應(yīng)具備自動(dòng)返航、在失聯(lián)點(diǎn)定點(diǎn)懸停或自動(dòng)降落三項(xiàng)功能中的至少一項(xiàng)。3c)工作環(huán)境溫度-10℃~50℃,存儲(chǔ)環(huán)境溫度-20℃~50℃,充電環(huán)境溫度0℃~30℃。d)動(dòng)力電池在充、放電時(shí)不應(yīng)出現(xiàn)鼓包、漏液、破裂、起火、爆炸等現(xiàn)象，多旋翼無(wú)人機(jī)平臺(tái)動(dòng)力電池具備電量查看功能。5.2無(wú)人機(jī)傳感器5.2.1無(wú)人機(jī)傳感器包括下行光多光譜作物生長(zhǎng)傳感器及傳感器支架，下行光多光譜作物生長(zhǎng)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(wú)人機(jī)平臺(tái)的固定。5.2.2下行光多光譜作物生長(zhǎng)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(gè)標(biāo)準(zhǔn)模擬口，視場(chǎng)角27°,電源為3.7V標(biāo)準(zhǔn)電壓，工作功耗≤80mW，長(zhǎng)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(jí)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(wú)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(zhǎng)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(dòng)。e）傳感器支架長(zhǎng)度由多旋翼無(wú)人機(jī)平臺(tái)的下洗流場(chǎng)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(lái)接收上行光多光譜作物生長(zhǎng)傳感器傳輸?shù)奶?yáng)光輻射信息以及下行光作物生長(zhǎng)傳感器采集的作物冠層光譜信息，并對(duì)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(zhǎng)監(jiān)測(cè)模型與診斷調(diào)控模型，計(jì)算作物生長(zhǎng)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(jí)IP65，顯示為12864液晶屏。e）功能按鍵5個(gè)，“測(cè)量、監(jiān)測(cè)、診斷、復(fù)位、開(kāi)/關(guān)機(jī)”。f）NDVI測(cè)量相對(duì)誤差≤15%，RVI測(cè)量誤差≤15%，LNC測(cè)量誤差≤15%，LNA測(cè)量誤差≤18%，LAI測(cè)量誤差≤15%，LDW測(cè)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(yáng)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(yáng)輻射光信息并處理。c）具備信號(hào)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(jì)算相關(guān)的植被指數(shù)數(shù)據(jù)并顯示。e）具有作物生長(zhǎng)指標(biāo)監(jiān)測(cè)、顯示功能。能根據(jù)稻麥葉層氮含量光譜監(jiān)測(cè)模型、葉層氮積累量光譜監(jiān)測(cè)模型、葉干重光譜監(jiān)測(cè)模型、葉面積指數(shù)光譜監(jiān)測(cè)模型進(jìn)行生長(zhǎng)指標(biāo)的計(jì)算與顯示。6.2軟件平臺(tái)運(yùn)維穩(wěn)定可靠，平均無(wú)故障工作時(shí)間應(yīng)大于3000小時(shí)，故障修復(fù)時(shí)間應(yīng)小于12小時(shí)。軟件應(yīng)定期更新，一個(gè)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(wú)人機(jī)平臺(tái)后，應(yīng)進(jìn)行CFD模擬仿真確定無(wú)人機(jī)平臺(tái)的氣流場(chǎng)空間分布狀態(tài)。7.2CFD無(wú)人機(jī)下洗流場(chǎng)具體模擬仿真步驟：多旋翼無(wú)人機(jī)平臺(tái)三維造型構(gòu)建：采用三維掃描、三維建模等方法構(gòu)筑無(wú)人機(jī)平臺(tái)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(chǎng)的網(wǎng)格生成：根據(jù)多旋翼無(wú)人機(jī)平臺(tái)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(dòng)區(qū)域；區(qū)域設(shè)定及模擬仿真：根據(jù)網(wǎng)格化運(yùn)動(dòng)區(qū)域，設(shè)定多旋翼無(wú)人機(jī)平臺(tái)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(jì)算：計(jì)算網(wǎng)格點(diǎn)數(shù)據(jù)，生成多旋翼無(wú)人機(jī)平臺(tái)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(zhǎng)度由多旋翼無(wú)人機(jī)平臺(tái)下洗氣流場(chǎng)水平分布區(qū)域半徑與多光譜作物生長(zhǎng)傳感器測(cè)試視場(chǎng)半徑共同決定，傳感器支架長(zhǎng)度≥二者之和；7.4多旋翼無(wú)人機(jī)平臺(tái)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(wú)人機(jī)飛行姿態(tài)的穩(wěn)定性；7.6多光譜作物生長(zhǎng)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(wú)人機(jī)平臺(tái)安裝完成后應(yīng)試啟動(dòng)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(dòng)。7.13下行光多光譜作物生長(zhǎng)傳感器視場(chǎng)應(yīng)保持垂直向下，上行光多光譜作物生長(zhǎng)傳感器視場(chǎng)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(guò)螺絲固定在無(wú)人機(jī)各個(gè)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(zhǎng)傳感器將下行光多光譜作物生長(zhǎng)傳感器通過(guò)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(chǎng)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(zhǎng)傳感器將上行光多光譜作物生長(zhǎng)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(tái)上，固定平臺(tái)與水平面夾角為45°,上行光傳感器與固定平臺(tái)保持水平。9設(shè)備調(diào)試9.1進(jìn)行多旋翼無(wú)人機(jī)平臺(tái)試飛，確認(rèn)無(wú)人機(jī)平臺(tái)能夠安全正常起飛。9.2進(jìn)行下行光多光譜作物生長(zhǎng)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(wú)線通信正常穩(wěn)定。9.3滿足下述各項(xiàng)要求的被測(cè)軟件為合格，否則為不合格：a）測(cè)試期間被測(cè)軟件不發(fā)生異常情況；5b）測(cè)試期間運(yùn)行被測(cè)軟件的計(jì)算機(jī)不重啟，不死機(jī)；c）測(cè)試結(jié)果應(yīng)滿足6.1的要求。10測(cè)量方法10.1測(cè)量選擇在晴朗無(wú)云或少云、無(wú)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(wú)人機(jī)飛行高度，使下行光多光譜作物生長(zhǎng)傳感器位于作物冠層上方1.0m～1.2m處，保持無(wú)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(kāi)機(jī)自檢，無(wú)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(kāi)始測(cè)量，下行光多光譜作物生長(zhǎng)傳感器采集作物冠層在720n