基于激光充能等混合供能的虫害智能检测飞艇

杨拯　刘牟瀚宇　袁建华

【摘 要】随着激光充能等新兴能源形式在科技领域的不断创新与发展，基于飞艇的稳定性和续航能力强的特性，本文提出了基于激光充能的虫害智能检测飞艇的项目构思。这是一项旨在改善飞艇能源结构以及推广飞艇在农业虫害检测方面的应用的一项节能环保项目。其动力来源分为两个部分，包括激光充能系统和电池储能系统。其供电方式可智能转换，从而使能量得到更为充足的利用。在虫害检测方面，激光充能飞艇利用了图像处理与识别技术和光谱分析技术来对农作物的受害程度进行初步分析。

【关键词】激光充能；光谱分析；图像识别与处理

中图分类号： TN247 文献标识码： A 文章编号： 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

在我国，由于储粮害虫引发的粮食直接损失即粮食质量的损失中，一般农户粮食损失为8%-12%，有些地区高达30%，而其中间接损失，指使粮食营营养，种用品质降低，污染粮食，影响健康等损失更是严重，而传统的害虫识别方法完全依赖于个人的经验判断以及肉眼识别来判别，对于大型农场，这种传统方法既效率性低，而且不能有效的提前预防。因此，需要一种更能准确识别，提前预防，高效治疗农作物的方法。随着精准农业和飞艇的发展以及激光充能对光的有效利用，激光充电的快速发展，可以运用信息技术以及来辅助预防虫害。

基于小型飞艇的病虫害在线检测，旨在克服虫害检测应用场景的人工检测索流程繁琐，检查范围具有局限性的弊端，提升现有实时监控系统的应用范畴，提出一种由无线传输代替明线铺设，远程无线接入点代替远程线缆的解决方案，利用小型飞艇作为载体，可获得长时间，大范围，可持续性的侦查和监听效果。结合无线传输服务器构建、光谱数据采集和分析以及轻量化模块设计以适应小型飞艇的负载能力。将视频图像、近红外和可见光光谱数据实时或准实时地采集回地面站，以进行病虫害的精确识别。

2 设计方案

本飞艇由核心检测部分和动力传动部分构成。

2.1 核心检测部分

硬件平台由自动控制系统、任务系统、通讯系统、地面站与飞艇激光转换装置、供电装置等五部分构成。

（1）自动控制系统

自动控制系统为控制飞艇整个飞行过程的中心系统，自动控制系统通过传感器接收到地面下发射的无线信号，来控制飞艇的升降舵及方向舵。

（2）任务系统

检测装置的电器有机载微型光纤光谱仪、微型摄像头）、蓄电池、GPS定位、DCDC变换器、自动温度控制电路、监测反馈电路。

（3）通讯系统

通讯模块如下图2-1所示，由处理器、接入模块等原件构成。

（4）地面站与飞艇激光转换装置

地面装置需要二极管激光器、激光驱动电路、电光转换器。如图2-2所示。

（5）供电装置

供电装置为激光供电系统和电池储能系统。两种供电系统可以自由切换，从而使能量得到更为充足的利用。

2.2 动力传动部分

飞艇的机械部分由由气囊、辅助气囊、吊舱、推进装置、尾翼等构成。

现代的飞艇大多都是软式飞艇，本文所指也为软式飞艇，要保持其的外形，通过调节气囊中的氦气压力来实现，主要的组成部分有：

（1）艇囊：內充氦气或氢气以提供升力，另外里面还有辅助气囊以调节气压。现代飞艇上艇囊通常由聚脂纤维、涤纶、迈拉等人造材料织成，可有效的防止内充气体的泄漏，并具有相对较长的使用时间。

（2）辅助气囊：艇囊内部一个小的、起辅助作用的气囊，可通过在飞行中的冲气和放气以调节气压来控制和保持飞艇形状和浮力；

（3）吊舱：位于艇囊下方的舱室，主要为电动机、电源及相应的控制系统等；

（4）推进装置：分为主推进器和辅助推进器，分别安装在飞艇尾部和飞艇底部，主要为电动机（发动机的一种），为飞艇的起飞、降落和空中悬停提供相应的动力；

（5）升降舵及方向舵：为飞艇提供相应的机动能力（俯仰、转向等操作）。

（6）载荷仓：安放核心检测装置的地方，如有机载微型光纤光谱仪、微型摄像头等。

3 工作原理

3.1 虫害检测技术工作原理

激光飞艇利用了图像处理与识别技术和光谱分析技术来对农作物的受害程度进行初步分析。其中，通过图像识别技术对农作物进行图像采集，将图像信号转化成数字信号，并利用计算机对其进行加工处理，通过计算机传送至远端，以及利用阈值分割，边缘检测等经典分割理论，以及基于数学形态学，模糊聚类等特定理论相结合的方法来对计算机传来的数据进行初步分析。然后通过光谱分析来对农作物的受害情况作进一步分析。其中，处理图像采集来的数据，通过HTTP服务器传送给计算机终端，然后通过计算机来进行光谱分析，由于各物体的内部结构即表面特性各不相同，因此对于各类电磁波的吸收和反射有所区别，植被在可见光波段反射率低于各种岩石700～800nm左右出现植被最大反射得过度区域，该区域可反映植物的营养长势，水分，叶面积以及虫害情况等等。

在飞艇上安装机载微型光纤光谱仪和微型摄像头作为智能终端设备，智能终端设备将视频信号和光谱信号进行采集，通过无线传输的方式将视频信号和光谱信号传到地面站的PC主控点，地面站进行图像识别和光谱分析，同时PC端将数据结果上传到云服务平台。

3.2 激光飞艇能源动力技术

小型飞艇作为载体所需动力来源分为两个部分，包括激光供电系统和电池储能系统。激光供能和电池供电可以智能切换，从而使能量得到更为充足的利用。电池可采用激光充电，将能量储存起来。能够根据飞艇的飞行情况智能调控能源系统，使飞艇能源供给时间长，供给效率和稳定性得到提高。

电池组件单元又分成MPPT子单元和电池组件串子单元，其中MTTP子单元主要调节电池组串子单元工作点至最大功率，从而提高光能转换为电能的效率。多个电池组件单元通过汇流单元将电流汇聚在一起，通过DC/DC模块将电压控制在各个负载所需要的电压。

电池储能系统主要以蓄电池和电池充放电控制模块组成。总的控制系统由单片机连接光伏发电单元控制单元的MPPT单元组和电池储能单元的充放电模块构成。此系统采用多级控制系统减少了能源传输过程中的损失，同时是控制能为智能化，人工操作更为简单化。

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