一种采集航空施药雾滴沉积的网络系统

摘要

本发明提供了一种采集航空施药雾滴沉积的网络系统，包括：用于向协调设备发送设定参数信号、接收协调设备发送的状态参数信号的配置终端；用于向协调设备发送确认参数信号、接收协调设备发送的广播询问信号的采样设备；用于分别与配置终端和采样设备进行通信的协调设备；所述协调设备通过无线通信的方式分别与所述配置终端和采样设备进行通信。本发明提供的一种采集航空施药雾滴沉积的网络系统，实现采样设备在雾滴运动方向上投影面积最大的最优采集方式，在多个采集设备同时工作时，采用本发明的技术方案还可以实现采集设备的协同工作，令所有采样方向和角度保持相同，确保采集样品的一致性。

权利要求

1.一种采集航空施药雾滴沉积的网络系统，其特征在于，所述系统包括：用于向协调设备发送设定参数信号、接收协调设备发送的状态参数信号的配置终端；

用于向协调设备发送确认参数信号、接收协调设备发送的广播询问信号的采样设备；

用于分别与配置终端和采样设备进行通信的协调设备；

所述协调设备通过无线通信的方式分别与所述配置终端和所述采样设备进行通信；

所述协调设备向所述采样设备发送广播询问信号，所述采样设备接收广播询问信号后向所述协调设备发送确认参数信号；所述协调设备向所述配置终端发送状态参数；所述配置终端通过所述协调设备向所述采样设备发送设定参数，所述采样设备根据所述设定参数调整采样的方向和角度，使采样设备上的采样板在雾滴下降方向上的投影面积最大化；

所述采样设备包括：第一控制器、第一微电机、第二微电机、水平旋转机构、垂直旋转机构和采样板；

所述水平旋转机构上设有垂直旋转机构，所述垂直旋转机构上设有采样板；所述第一微电机与所述水平旋转机构采用同步带连接、直连连接或齿轮连接；所述第二微电机与所述垂直旋转机构采用同步带连接、直连连接或齿轮连接；

所述第一控制器通过第一微电机使水平旋转机构在水平方向上转动；

所述第一控制器通过第二微电机使垂直旋转机构旋转进而改变垂直旋转机构与水平旋转机构之间的角度；

所述采样设备还包括：编码盘、水平仪、指南针、球形云台、支架和固定件；

所述编码盘包括：用于确定水平旋转机构的旋转角度的水平编码盘和用于确定垂直旋转机构的旋转角度的垂直编码盘；

所述球形云台的顶部与所述水平旋转机构的底部相连；所述球形云台的底部所述支架相连接，所述支架上设置有固定件；

所述球形云台上设有水平仪和指南针。

2.根据权利要求1所述的网络系统，其特征在于，所述第一控制器包括：定位模块，用于确定位置和同步网络通信时间；

第一无线通信模块，用于接收和发送数据；

电源模块，用于提供电源；

处理模块，用于处理数据并输出控制信号；

所述处理模块分别与第一无线通信模块、定位模块和电源模块相连。

3.根据权利要求1所述的网络系统，其特征在于，所述采样板上设置有水敏试纸、镁片、玻璃采集板或雾滴沉积感知传感器。

4.根据权利要求1所述的网络系统，其特征在于，所述协调设备包括：第二控制器、控制器支架和支架固定件；

所述控制器支架上设置有用于调节控制器支架高度的支架固定件和用于调节控制器支架水平的支架球形云台，所述第二控制器设置在所述支架球形云台上。

5.根据权利要求4所述的网络系统，其特征在于，所述协调设备还包括设置在所述控制器支架上的第二水平仪和第二指南针。

6.根据权利要求5所述的网络系统，其特征在于，所述第二控制器包括：传感器模块，用于采集风速风向参数、空气温湿度参数和气压参数；

通讯模块，用于与配置终端通信；

第二无线通信模块，用于与第一无线通信模块之间进行数据的接收和处理；

GPS模块，用于确定协调设备所在位置；

第二处理模块，用于处理数据并输出控制信号；

电池模块，用于提供电源。

7.根据权利要求1所述的网络系统，其特征在于，所述配置终端为手持移动设备或计算机。

说明书

一种采集航空施药雾滴沉积的网络系统

技术领域

[0001] 本发明涉及检测技术领域，具体涉及一种采集航空施药雾滴沉积的网络系统。

背景技术

[0002] 航空植保由于具备效率高、速度快、不受地理因素制约等优势，已成为规模化农业生产的重要手段。但是其实际作业质量包括雾滴粒径分布、喷洒幅宽、雾滴漂移率很难确定，需要通过严格的实验进行评价和验证。

[0003] 实验时，在待测区域部署若干采样点，采样点上安放水敏试纸、镁片、表面皿、传感器等敏感材料。飞行器作业后根据敏感材料物理性状的变化或传感器采集到的数据评价作业质量。敏感材料能够接收到雾滴的数量实际上是其在雾滴下落方向的投影面积成正比的。敏感材料水平部署较为容易，但是其承接的雾滴在特定情况下可能只有倾斜45度部署时承接雾滴的五分之一或更低。而且小雾滴会更少，影响雾滴分布谱的测定。

[0004] 但是，当敏感材料倾斜45度部署时，则要求敏感材料与风向垂直，由于风速风向在实验中经常变换，且常用敏感材料水敏试纸为76mmx26mm，如果雾滴下落方向与水敏试纸短边夹角较小，可能导致雾滴下落方向上的投影面积较水平部署时更小、承接的雾滴也就更少的问题。而且雾滴下落方向与敏感材料夹角过小，雾滴就会在纸面上滚动，形成条带状沉积图斑，存在干扰分析系统判断雾滴直径的准确性的问题。此外也很难要求实验人员在部署样品时将所有样品调整到相同角度、方向。这种方式下如果有一部分样点采集到的沉积雾滴较少，在分析时很难确定是喷洒设备的问题还是样点部署的问题。

发明内容

[0005] 为解决上述问题，本发明提供了一种采集航空施药雾滴沉积的网络系统，通过配置终端向采样设备发送设定参数，调节采样设备采样的方向和角度，实现采样设备在雾滴运动方向上的投影面积最大的最优采集方式。

[0006] 为实现上述目的，本发明提供以下技术方案：

[0007] 一种采集航空施药雾滴沉积的网络系统，所述系统包括：

[0008] 用于向协调设备发送设定参数信号、接收协调设备发送的状态参数信号的配置终端；

[0009] 用于向协调设备发送确认参数信号、接收协调设备发送的广播询问信号的采样设备；

[0010] 用于分别与配置终端和采样设备进行通信的协调设备；

[0011] 所述协调设备通过无线通信的方式分别与所述配置终端和所述采样设备进行通信；

[0012] 所述协调设备向所述采样设备发送广播询问信号，所述采样设备接收广播询问信号后向所述协调设备发送确认参数信号；所述协调设备向所述配置终端发送状态参数；所述配置终端通过所述协调设备向所述采样设备发送设定参数，所述采样设备根据所述设定参数调整采样的方向和角度，使采样设备上的采样板在雾滴下降方向上的投影面积最大化。

[0013] 所述采样设备包括：第一控制器、第一微电机、第二微电机、水平旋转机构、垂直旋转机构和采样板；

[0014] 所述水平旋转机构上设有垂直旋转机构，所述垂直旋转机构上设有采样板；所述第一微电机与所述水平旋转机构采用同步带连接、直连连接或齿轮连接；所述第二微电机与所述垂直旋转机构采用同步带连接、直连连接或齿轮连接；

[0015] 所述第一控制器通过第一微电机使水平旋转机构在水平方向上转动；

[0016] 所述第一控制器通过第二微电机使垂直旋转机构旋转进而改变垂直旋转机构与水平旋转机构之间的角度。

[0017] 所述采样设备还包括：编码盘、水平仪、指南针、球形云台、支架和固定件；

[0018] 所述编码盘包括：用于确定水平旋转机构的旋转角度的水平编码盘和用于确定垂直旋转机构的旋转角度的垂直编码盘；

[0019] 所述球形云台的顶部与所述水平旋转机构的底部相连；所述球形云台的底部所述支架相连接，所述支架上设置有固定件；

[0020] 所述球形云台上设有水平仪和指南针。

[0021] 所述第一控制器包括：

[0022] 定位模块，用于确定位置和同步网络通信时间；

[0023] 第一无线通信模块，用于接收和发送数据；

[0024] 电源模块，用于提供电源；

[0025] 处理模块，用于处理数据并输出控制信号；

[0026] 所述处理模块分别与第一无线通信模块、定位模块和电源模块相连。

[0027] 所述采样板上设置有水敏试纸、镁片、玻璃采集板或雾滴沉积感知传感器。

[0028] 所述协调设备包括：第二控制器、控制器支架和支架固定件；

[0029] 所述控制器支架上设置有用于调节控制器支架高度的支架固定件和用于调节控制器支架水平的支架球形云台，所述第二控制器设置在所述支架球形云台上。

[0030] 所述协调设备还包括设置在所述控制器支架上的第二水平仪和第二指南针。

[0031] 所述第二控制器包括：

[0032] 传感器模块，用于采集风速风向参数、空气温湿度参数和气压参数；

[0033] 通讯模块，用于与配置终端通信；

[0034] 第二无线通信模块，用于与第一无线通信模块之间进行数据的接收和处理；

[0035] GPS模块，用于确定协调设备所在位置；

[0036] 第二处理模块，用于处理数据并输出控制信号；

[0037] 电池模块，用于提供电源。

[0038] 所述配置终端为手持移动设备或计算机。

[0039] 由上述技术方案可知，本发明提供的一种采集航空施药雾滴沉积的网络系统，采用配置终端向采样设备发送设定参数，采样设备根据接收的设定参数调节采样的方向和角度，实现采样设备在雾滴运动方向上投影面积最大的最优采集方式，在多个采集设备同时工作时，采用本发明的技术方案还可以实现采集设备的协同工作，令所有采样方向和角度保持相同，确保采集样品的一致性。

附图说明

[0040] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

[0041] 图1是本发明实施例提供的一种采集航空施药雾滴沉积的网络系统结构示意图；

[0042] 图2是本发明实施例提供的采样设备的结构示意图；

[0043] 图3是本发明实施例提供的协调设备的结构示意图；

[0044] 图4是本发明实施例提供的采样设备和协调设备的状态示意图；

[0045] 图5是本发明实施例提供的采样设备处理数据帧的示意图；

[0046] 图6是本发明实施例提供的协调设备与采样设备之间数据传输的示意图；

[0047] 图7是本发明实施例提供的协调设备采集气象信息的示意图；

[0048] 图8是本发明实施例提供的采样设备计算雾滴运动方向的流程图。

[0049] 其中，1-第一控制器，2-第一微电机，3-第二微电机，4-水平旋转机构，5-垂直旋转机构，6-水平编码盘，7-垂直编码盘，8-采样板，9-水平仪，10-指南针，11-球形云台，12-支架，13-固定件，14-采样设备天线；

[0050] 201-支架球形云台，202-控制器支架，203-支架固定件，204-第二指南针，205-第二水平仪，206-协调设备天线，207-第二控制器，208-风速风向传感器，209-空气温湿度和气压传感器。

具体实施方式

[0051] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0052] 航空植保由于具备效率高、速度快、不受地理因素制约等优势，已成为规模化农业生产的重要手段。但是其实际作业质量包括雾滴粒径分布、喷洒幅宽、雾滴漂移率很难确定，需要通过严格的实验进行评价和验证。

[0053] 实验时，敏感材料水平部署，其承接的雾滴在特定情况下可能只有倾斜45度部署时承接雾滴的五分之一或更低，影响雾滴分布谱的测定。敏感材料倾斜45度部署时，则要求敏感材料与风向垂直，由于风速风向在实验中经常变换，可能导致雾滴下落方向上的投影面积较水平部署时更小、承接的雾滴也就更少的问题。而且雾滴下落方向与敏感材料夹角过小，雾滴就会在纸面上滚动，形成条带状沉积图斑，存在干扰分析系统判断雾滴直径的准确性的问题。此外也很难要求实验人员在部署样品时将所有样品调整到相同角度、方向。这种方式下如果有一部分样点采集到的沉积雾滴较少，在分析时很难确定是喷洒设备的问题还是样点部署的问题。为解决上述问题，本发明下述实施例提出了一种采集航空施药雾滴沉积的网络系统。

[0054] 如图1所示，本发明提供的采集航空施药雾滴沉积的网络系统包括：

[0055] 用于向协调设备发送设定参数信号、接收协调设备发送的状态参数信号的配置终端；

[0056] 用于向协调设备发送确认参数信号、接收协调设备发送的广播询问信号的采样设备；

[0057] 用于分别与配置终端和采样设备进行通信的协调设备；

[0058] 所述协调设备通过无线通信的方式分别与所述配置终端和所述采样设备进行通信；

[0059] 所述协调设备向所述采样设备发送广播询问信号，所述采样设备接收广播询问信号后向所述协调设备发送确认参数信号；所述协调设备向所述配置终端发送状态参数；所述配置终端通过所述协调设备向所述采样设备发送设定参数，所述采样设备根据所述设定参数调整采样的方向和角度，使采样设备上的采样板在雾滴下降方向上的投影面积最大化。

[0060] 在具体实施时，将协调设备调整到定位模式，协调设备每分钟广播一次询问帧，收到询问帧的采样设备根据在最近一个时隙发送确认帧，确认帧包括设备编号和设备位置。协调设备收到确认帧后记录设备编号和设备位置。

[0061] 确认网络通信正常，各个采样设备准确定位之后，将协调设备调整到传感器模式。

[0062] 实验人员可以通过配置终端(计算机、手机或平板电脑)与协调设备通信，设定实验参数，包括：飞行器类型、喷嘴类型、泵压、作业高度和药液密度。

[0063] 协调设备通过配置终端向实验人员报告范围内采样设备的编号、位置和通信质量，实验人员可以据此检查采样设备的工作状态。

[0064] 采样设备根据接收到的空气密度、风速风向、协调设备位置和自身位置计算采样设备处的风速风向和空气密度，再根据雾滴粒径、作业高度、飞行器类型、雾滴初速、风速风向查表获取雾滴运动方向，最后根据此方向计算采样设备上两个编码盘的目标位置。

[0065] 采样设备计算完编码盘位置后，启动微电机旋转编码盘至相应位置。先调整水平角度，再调整垂直角度。完成后根据采样设备自身设备编号在最近一个时隙发送确认帧，确认帧包括自身位置和设备编号。

[0066] 协调设备如果连续30秒没收到某一采样设备发来的确认帧，就要提醒实验人员进行检查。

[0067] 如图2所示，所述采样设备包括：第一控制器、第一微电机、第二微电机、水平旋转机构、垂直旋转机构和采样板；

[0068] 所述水平旋转机构上设有垂直旋转机构，所述垂直旋转机构上设有采样板；所述第一微电机与所述水平旋转机构采用同步带连接、直连连接或齿轮连接；所述第二微电机与所述垂直旋转机构采用同步带连接、直连连接或齿轮连接；

[0069] 所述第一控制器通过第一微电机使水平旋转机构在水平方向上转动；

[0070] 所述第一控制器通过第二微电机使垂直旋转机构旋转进而改变垂直旋转机构与水平旋转机构之间的角度。

[0071] 在具体实施时，采用两个微电机驱动的水平和垂直旋转机构旋转采样板，使采样板可以根据雾滴运动方向自动调整。水平旋转机构可以水平旋转360度，垂直旋转机构可以水平旋转90度；一个垂直旋转机构可以固定多个采样板，但方向必须一致。采样板上设置有水敏试纸、镁片、玻璃采集板或采集单位面积上的施药量的传感器。

[0072] 所述采样设备还包括：编码盘、水平仪、指南针、球形云台、支架和固定件；

[0073] 所述编码盘包括：用于确定水平旋转机构的旋转角度的水平编码盘和用于确定垂直旋转机构的旋转角度的垂直编码盘；

[0074] 所述球形云台的顶部与所述水平旋转机构的底部相连；所述球形云台的底部所述支架相连接，所述支架上设置有固定件；

[0075] 所述球形云台上设有水平仪和指南针。

[0076] 在具体实施时，利用水平和垂直编码盘确定水平和垂直旋转机构旋转方向和角度，控制电机行程，确保采样板在典型雾滴运动方向上投影面积最大。用水平仪、指南针和球形云台保证装置的基准方向与水平。还可以通过支架和固定件调节装置的高低。

[0077] 所述第一控制器包括：

[0078] 定位模块，用于确定位置和同步网络通信时间；

[0079] 第一无线通信模块，用于接收和发送数据；

[0080] 电源模块，用于提供电源；

[0081] 处理模块，用于处理数据并输出控制信号；

[0082] 所述处理模块分别与第一无线通信模块、定位模块和电源模块相连。

[0083] 在具体实施时，由于航空实验一般需要多个采集设备同时采样，采样设备利用无线通信模块进行交互，定位模块同步装置时间，多个采集设备可以同步工作，确保方向一致。

[0084] 如图3所示，所述协调设备包括：第二控制器、控制器支架和支架固定件；

[0085] 所述控制器支架上设置有用于调节控制器支架高度的支架固定件和用于调节控制器支架水平的支架球形云台，所述第二控制器设置在所述支架球形云台上。

[0086] 所述协调设备还包括设置在所述控制器支架上的第二水平仪和第二指南针。

[0087] 在具体实施时，用第二水平仪和第二指南针保证协调设备的基准方向与水平。还可以通过控制器支架和支架固定件调节协调设备的高低。

[0088] 所述第二控制器包括：

[0089] 传感器模块，用于采集风速风向参数、空气温湿度参数和气压参数；

[0090] 通讯模块，用于与配置终端通信；

[0091] 第二无线通信模块，用于与第一无线通信模块之间进行数据的接收和处理；

[0092] GPS模块，用于确定协调设备所在位置；

[0093] 第二处理模块，用于处理数据并输出控制信号；

[0094] 电池模块，用于提供电源。

[0095] 在具体实施时，可在实验区域内部署多个协调设备，各个协调设备分别采集风速、风向、温度、湿度、气压等环境参数，计算空气密度，并通过无线通信模块广播发送空气密度和风速风向。

[0096] 如果有多个协调设备，每个协调设备须独立编号，在自身通信时隙发送询问帧和数据帧。

[0097] 采样设备如果可以同时收到多个协调设备发来的数据帧，就根据协调设备的位置和自身位置插值计算空气密度、风速风向。

[0098] 待测飞机即将到来时，将协调设备调整到记录模式，协调设备仅记录环境数据，不再计算编码盘位置，也不再向采样设备发送数据。

[0099] 飞机通过采样区域上空时，实验人员可按协调设备上的记录键，记录准确的通过时间。

[0100] 设备开启后每10秒采集一次位置信息，并根据定位精度加权调整自身位置，同时校准自身时钟。

[0101] 协调设备与普通气象站节点硬件结构相似，主要功能由软件系统实现。

[0102] 所述配置终端为手持移动设备。

[0103] 实验人员需要知道待测喷雾设备理想条件下的典型喷雾粒径，一般使用数量中值粒径。

[0104] 每个设备都有独立编号，并通过GPS校准自身时间，根据自身编号设定时隙，仅在自身时隙内通过无线模块发送数据。

[0105] 用固定件将协调设备和采样设备固定在支架上，支架可以是木杆、金属杆或纤维杆，调节球形云台，通过气泡水平仪确保设备水平，通过指南针确保所有设备朝向相同。

[0106] 通过风洞实验可测定不同泵压下各种常见喷嘴、雾化器的雾滴初速和典型粒径，部分数据由厂家直接提供，将数据存到协调设备，协调设备根据泵压和喷嘴类型查表插值计算雾滴初速和典型雾滴粒径(一般采用数量中值粒径作为典型粒径)。

[0107] 每次更改实验参数后，协调设备会广播设定帧，包括实验参数(雾滴初速、典型雾滴粒径、飞行器类型、作业高度、药液密度)、设备编号和设定帧编号。设备编号和设定帧编号用来标明该设定帧ID，其它设备可据此是否已经收到过该设定帧。

[0108] 设备收到之前没有收到过的设定帧后，先记录新的实验参数、协调设备编号和设定帧编号，之后根据自身设备编号在最近一个时隙转发设定帧。

[0109] 传感器模式下协调设备每秒采集一次风速风向、空气温湿度和气压，取每分钟风速风向、空气温湿度和气压的加权平均值作为当前环境参数。

[0110] 采集到温度t和气压P，将t加上273.15转换为绝对温度T，按以下公式计算当前空气密度。其中ρa为空气密度，P0为标准大气压1.01x105Pa，T0为0摄氏度的绝对温度273.15K，ρ0为T0和P0下的空气密度，此处取1.293kg/m3。

[0111] ρa＝ρ0·P/P0·T0/T

[0112] 雾滴在空气中运动收到阻力、重力、风力和初速度影响。

[0113] 1、阻力主要受形状(阻力系数Cd)、空气密度ρa、速度v、横截面积A等4因素影响。

[0114] 2、假定雾滴在空气中为球体，重力可根据雾滴粒径计算得出。

[0115] 3、风力由飞行器流场决定，受飞行器类型、飞行速度和实验现场的风速风向影响。现场风速风向由传感器采集，飞行器流场由仿真软件线下计算。

[0116] 4、初速由泵压力、喷嘴类型决定，在风洞实验中可测量。

[0117] 航空喷洒的雾滴在空气中运动较为复杂，我们通过计算流体力学仿真软件(Tecplot 360)对常见航空飞行器在不同速度下的流场进行仿真，将仿真结果存在采样设备上，使用中通过查表和插值获取雾滴运动方向的近似值，据此调整采样板的方向。

[0118] 协调设备计算根据最近1分钟采集到的温度、湿度、气压的平均值计算空气密度ρa。

[0119] 协调设备通过无线通信模块每10秒广播一次数据帧，数据帧包括协调设备编号、位置、空气密度和最近一分钟采集到风速风向的加权平均值。

[0120] 通过上述描述可知，本发明提供的一种采集航空施药雾滴沉积的网络系统，采用配置终端向采样设备发送设定参数，采样设备根据接收的设定参数调节采样的方向和角度，确保采样板上的敏感材料在雾滴运动方向上投影面积最大。在多个采集设备同时工作时还可以通过无线通信模块通信，协同工作，令所有采样板保持同一方向，确保样品一致性。还可以利用水平仪、指南针和球形云台保证采集设备的基准方向与水平，标准化实验结果。

[0121] 以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。