基于激光充能等混合供能的蟲害智能檢測(cè)飛艇

楊拯　劉牟瀚宇　袁建華

【摘 要】隨著激光充能等新興能源形式在科技領(lǐng)域的不斷創(chuàng)新與發(fā)展，基于飛艇的穩(wěn)定性和續(xù)航能力強(qiáng)的特性，本文提出了基于激光充能的蟲害智能檢測(cè)飛艇的項(xiàng)目構(gòu)思。這是一項(xiàng)旨在改善飛艇能源結(jié)構(gòu)以及推廣飛艇在農(nóng)業(yè)蟲害檢測(cè)方面的應(yīng)用的一項(xiàng)節(jié)能環(huán)保項(xiàng)目。其動(dòng)力來源分為兩個(gè)部分，包括激光充能系統(tǒng)和電池儲(chǔ)能系統(tǒng)。其供電方式可智能轉(zhuǎn)換，從而使能量得到更為充足的利用。在蟲害檢測(cè)方面，激光充能飛艇利用了圖像處理與識(shí)別技術(shù)和光譜分析技術(shù)來對(duì)農(nóng)作物的受害程度進(jìn)行初步分析。

【關(guān)鍵詞】激光充能；光譜分析；圖像識(shí)別與處理

中圖分類號(hào)： TN247 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2018）34-0159-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.34.065

Intelligent Insect Pest Detection Airship based on Laser Charge and other Hybrid Energy Supply

YANG Zheng LIUMOU Han-yu YUAN Jian-hua

（China Three Gorges University，Yichang Hubei 443000，China）

【Abstract】With the continuous innovation and development of new energy forms such as laser charging in the field of science and technology，based on the characteristics of airship's stability and strong endurance，this paper proposes a project concept of intelligent pest detection Airship Based on laser charging.This is an energy-saving and environmental protection project aimed at improving the energy structure of airships and promoting the application of airships in agricultural pest detection.Its power source is divided into two parts，including laser charging system and battery energy storage system.Its power supply mode can be intelligently converted，so that the energy can be more fully utilized.In pest detection，laser-powered airship uses image processing and recognition technology and spectral analysis technology to preliminarily analyze the degree of crop damage.

【Key words】Laser charging；Spectral analysis；Image processing and recognition

1 研制背景及意義

在我國(guó)，由于儲(chǔ)糧害蟲引發(fā)的糧食直接損失即糧食質(zhì)量的損失中，一般農(nóng)戶糧食損失為8%-12%，有些地區(qū)高達(dá)30%，而其中間接損失，指使糧食營(yíng)營(yíng)養(yǎng)，種用品質(zhì)降低，污染糧食，影響健康等損失更是嚴(yán)重，而傳統(tǒng)的害蟲識(shí)別方法完全依賴于個(gè)人的經(jīng)驗(yàn)判斷以及肉眼識(shí)別來判別，對(duì)于大型農(nóng)場(chǎng)，這種傳統(tǒng)方法既效率性低，而且不能有效的提前預(yù)防。因此，需要一種更能準(zhǔn)確識(shí)別，提前預(yù)防，高效治療農(nóng)作物的方法。隨著精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)和飛艇的發(fā)展以及激光充能對(duì)光的有效利用，激光充電的快速發(fā)展，可以運(yùn)用信息技術(shù)以及來輔助預(yù)防蟲害。

基于小型飛艇的病蟲害在線檢測(cè)，旨在克服蟲害檢測(cè)應(yīng)用場(chǎng)景的人工檢測(cè)索流程繁瑣，檢查范圍具有局限性的弊端，提升現(xiàn)有實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用范疇，提出一種由無線傳輸代替明線鋪設(shè)，遠(yuǎn)程無線接入點(diǎn)代替遠(yuǎn)程線纜的解決方案，利用小型飛艇作為載體，可獲得長(zhǎng)時(shí)間，大范圍，可持續(xù)性的偵查和監(jiān)聽效果。結(jié)合無線傳輸服務(wù)器構(gòu)建、光譜數(shù)據(jù)采集和分析以及輕量化模塊設(shè)計(jì)以適應(yīng)小型飛艇的負(fù)載能力。將視頻圖像、近紅外和可見光光譜數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)或準(zhǔn)實(shí)時(shí)地采集回地面站，以進(jìn)行病蟲害的精確識(shí)別。

2 設(shè)計(jì)方案

本飛艇由核心檢測(cè)部分和動(dòng)力傳動(dòng)部分構(gòu)成。

2.1 核心檢測(cè)部分

硬件平臺(tái)由自動(dòng)控制系統(tǒng)、任務(wù)系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)、地面站與飛艇激光轉(zhuǎn)換裝置、供電裝置等五部分構(gòu)成。

（1）自動(dòng)控制系統(tǒng)

自動(dòng)控制系統(tǒng)為控制飛艇整個(gè)飛行過程的中心系統(tǒng)，自動(dòng)控制系統(tǒng)通過傳感器接收到地面下發(fā)射的無線信號(hào)，來控制飛艇的升降舵及方向舵。

（2）任務(wù)系統(tǒng)

檢測(cè)裝置的電器有機(jī)載微型光纖光譜儀、微型攝像頭）、蓄電池、GPS定位、DCDC變換器、自動(dòng)溫度控制電路、監(jiān)測(cè)反饋電路。

（3）通訊系統(tǒng)

通訊模塊如下圖2-1所示，由處理器、接入模塊等原件構(gòu)成。

（4）地面站與飛艇激光轉(zhuǎn)換裝置

地面裝置需要二極管激光器、激光驅(qū)動(dòng)電路、電光轉(zhuǎn)換器。如圖2-2所示。

（5）供電裝置

供電裝置為激光供電系統(tǒng)和電池儲(chǔ)能系統(tǒng)。兩種供電系統(tǒng)可以自由切換，從而使能量得到更為充足的利用。

2.2 動(dòng)力傳動(dòng)部分

飛艇的機(jī)械部分由由氣囊、輔助氣囊、吊艙、推進(jìn)裝置、尾翼等構(gòu)成。

現(xiàn)代的飛艇大多都是軟式飛艇，本文所指也為軟式飛艇，要保持其的外形，通過調(diào)節(jié)氣囊中的氦氣壓力來實(shí)現(xiàn)，主要的組成部分有：

（1）艇囊：內(nèi)充氦氣或氫氣以提供升力，另外里面還有輔助氣囊以調(diào)節(jié)氣壓。現(xiàn)代飛艇上艇囊通常由聚脂纖維、滌綸、邁拉等人造材料織成，可有效的防止內(nèi)充氣體的泄漏，并具有相對(duì)較長(zhǎng)的使用時(shí)間。

（2）輔助氣囊：艇囊內(nèi)部一個(gè)小的、起輔助作用的氣囊，可通過在飛行中的沖氣和放氣以調(diào)節(jié)氣壓來控制和保持飛艇形狀和浮力；

（3）吊艙：位于艇囊下方的艙室，主要為電動(dòng)機(jī)、電源及相應(yīng)的控制系統(tǒng)等；

（4）推進(jìn)裝置：分為主推進(jìn)器和輔助推進(jìn)器，分別安裝在飛艇尾部和飛艇底部，主要為電動(dòng)機(jī)（發(fā)動(dòng)機(jī)的一種），為飛艇的起飛、降落和空中懸停提供相應(yīng)的動(dòng)力；

（5）升降舵及方向舵：為飛艇提供相應(yīng)的機(jī)動(dòng)能力（俯仰、轉(zhuǎn)向等操作）。

（6）載荷倉(cāng)：安放核心檢測(cè)裝置的地方，如有機(jī)載微型光纖光譜儀、微型攝像頭等。

3 工作原理

3.1 蟲害檢測(cè)技術(shù)工作原理

激光飛艇利用了圖像處理與識(shí)別技術(shù)和光譜分析技術(shù)來對(duì)農(nóng)作物的受害程度進(jìn)行初步分析。其中，通過圖像識(shí)別技術(shù)對(duì)農(nóng)作物進(jìn)行圖像采集，將圖像信號(hào)轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)，并利用計(jì)算機(jī)對(duì)其進(jìn)行加工處理，通過計(jì)算機(jī)傳送至遠(yuǎn)端，以及利用閾值分割，邊緣檢測(cè)等經(jīng)典分割理論，以及基于數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)，模糊聚類等特定理論相結(jié)合的方法來對(duì)計(jì)算機(jī)傳來的數(shù)據(jù)進(jìn)行初步分析。然后通過光譜分析來對(duì)農(nóng)作物的受害情況作進(jìn)一步分析。其中，處理圖像采集來的數(shù)據(jù)，通過HTTP服務(wù)器傳送給計(jì)算機(jī)終端，然后通過計(jì)算機(jī)來進(jìn)行光譜分析，由于各物體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)即表面特性各不相同，因此對(duì)于各類電磁波的吸收和反射有所區(qū)別，植被在可見光波段反射率低于各種巖石700～800nm左右出現(xiàn)植被最大反射得過度區(qū)域，該區(qū)域可反映植物的營(yíng)養(yǎng)長(zhǎng)勢(shì)，水分，葉面積以及蟲害情況等等。

在飛艇上安裝機(jī)載微型光纖光譜儀和微型攝像頭作為智能終端設(shè)備，智能終端設(shè)備將視頻信號(hào)和光譜信號(hào)進(jìn)行采集，通過無線傳輸?shù)姆绞綄⒁曨l信號(hào)和光譜信號(hào)傳到地面站的PC主控點(diǎn)，地面站進(jìn)行圖像識(shí)別和光譜分析，同時(shí)PC端將數(shù)據(jù)結(jié)果上傳到云服務(wù)平臺(tái)。

3.2 激光飛艇能源動(dòng)力技術(shù)

小型飛艇作為載體所需動(dòng)力來源分為兩個(gè)部分，包括激光供電系統(tǒng)和電池儲(chǔ)能系統(tǒng)。激光供能和電池供電可以智能切換，從而使能量得到更為充足的利用。電池可采用激光充電，將能量?jī)?chǔ)存起來。能夠根據(jù)飛艇的飛行情況智能調(diào)控能源系統(tǒng)，使飛艇能源供給時(shí)間長(zhǎng)，供給效率和穩(wěn)定性得到提高。

電池組件單元又分成MPPT子單元和電池組件串子單元，其中MTTP子單元主要調(diào)節(jié)電池組串子單元工作點(diǎn)至最大功率，從而提高光能轉(zhuǎn)換為電能的效率。多個(gè)電池組件單元通過匯流單元將電流匯聚在一起，通過DC/DC模塊將電壓控制在各個(gè)負(fù)載所需要的電壓。

電池儲(chǔ)能系統(tǒng)主要以蓄電池和電池充放電控制模塊組成。總的控制系統(tǒng)由單片機(jī)連接光伏發(fā)電單元控制單元的MPPT單元組和電池儲(chǔ)能單元的充放電模塊構(gòu)成。此系統(tǒng)采用多級(jí)控制系統(tǒng)減少了能源傳輸過程中的損失，同時(shí)是控制能為智能化，人工操作更為簡(jiǎn)單化。

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