ICS?FORMTEXT65.020.20FORMTEXTCCSB15FORMTEXT?????DBFORMTEXT32DBFORMTEXT32/T4141—FORMTEXT2021FORMTEXT?????FORMTEXT作物生長多旋翼無人機監測技術規程FORMTEXTTechnicalSpecificationforMultiplerotorsUAV-basedCropGrowthinformationMonitoring.FORMTEXT?????FORMTEXT?????FORMTEXT2021-11-04發布FORMTEXT2021-12-04實施FORMTEXT江蘇省市場監督管理局???發布DB32/T4141—2021前??言本文件按照GB/T1.1—2020《標準化工作導則第1部分：標準化文件的結構和起草規則》的規定起草。本文件由江蘇省農作物標準化技術委員會提出并歸口。本文件起草單位：南京農業大學。本文件主要起草人：朱艷、倪軍、田永超、姚霞、劉小軍、龐方榮、馬吉鋒、姚立立。作物生長多旋翼無人機監測技術規程1范圍本文件規定了作物生長多旋翼無人機監測的適用范圍、設備、設備安裝、測量方法、現場檢測及質量評定等內容。本文件適用于稻麥冠層歸一化植被指數、比值植被指數、葉面積指數、葉層氮含量、葉層氮積累量、葉干重無損監測診斷。2規范性引用文件下列文件中的內容通過文中的規范性引用而構成本文件必不可少的條款。其中，注日期的引用文件，僅該日期對應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電工術語電工電子測量和儀器儀表GB4208外殼防護等級（IP代碼）GB/T6593電子測量儀器質量檢測規則GB11463電子測量儀器可靠性試驗GB/T25392農業工程電氣和電子設備對環境條件的耐久試驗NY525有機肥料NY/T653農業電子信息產品通用技術條件農業應用軟件產品3術語和定義下列術語和定義適用于本文件。3.1無人機傳感器unmannedaerialvehiclesensor通過搭載于無人機設備實現數據信息獲取的裝置。3.2作物生長監測技術cropgrowthmonitoringtechnology通過對作物冠層特征光譜反射率實時、快速測量、定量化獲取作物葉層氮含量（單位：%）、葉層氮積累量（單位：g/m2）、葉面積指數和葉干重（單位：kg/m2）等生長指標的技術。4縮略語UAV：UnmannedAerialVehicle，無人機；CFD：ComputationalFluidDynamics，計算流體動力學；CAD：ComputerAidedDesign，計算機輔助設計；NDVI：NormalizedDifferenceVegetationIndex，歸一化植被指數；RVI：RatioVegetationIndex，比值植被指數；LAI：LeafAreaIndex，葉面積指數；LNC：LeafNitrogenContent，葉層氮含量；LNA：LeafNitrogenAccumulation，葉層氮積累量；LDW：LeafDryWeight，葉干重。5設備5.1設備組成作物生長多旋翼無人機監測設備應包括多旋翼無人機平臺、無人機傳感器、地面數據處理器，具體見圖1。圖1無人機載作物生長監測設備操作示意圖5.2多旋翼無人機平臺5.2.1多旋翼無人機不少于3個旋翼軸，應能夠實現懸停飛行。5.2.2參數要求參數要求如下：a)應由電機驅動實現運動，水平懸停精度≤0.2m，豎直懸停精度≤0.2m，穩定飛行時最大載重量≥1.5kg，單次作業續航時間≥18min，有效控制距離≥1km，具備顯示飛行狀態、飛行速度和飛行姿態，能夠開機自檢，通過指示燈或遙控器對操作者進行狀態提示及報警。b)應具備在2級風力氣象條件下穩定飛行的能力，在與遙控器失去通信聯系時，飛行平臺應具備自動返航、在失聯點定點懸停或自動降落三項功能中的至少一項。c)工作環境溫度-10℃～50℃，存儲環境溫度-20℃～50℃，充電環境溫度0℃～30℃。d)動力電池在充、放電時不應出現鼓包、漏液、破裂、起火、爆炸等現象，多旋翼無人機平臺動力電池具備電量查看功能。5.2無人機傳感器5.2.1無人機傳感器包括下行光多光譜作物生長傳感器及傳感器支架，下行光多光譜作物生長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人機平臺的固定。5.2.2下行光多光譜作物生長傳感器性能參數性能參數如下：a）傳感器重量11.3g，采集通道2個標準模擬口，視場角27°，電源為3.7V標準電壓，工作功耗≤80mW，長30mm，寬16mm，高25mm。b）數據格式二進制，工作溫度0~65oC，工作濕度0~85%RH，材質為尼龍，防水等級IP65。c）傳感器支架應采用碳纖維結構制造，重量和穩定性應滿足多旋翼無人機飛行姿態穩定性要求。d）下行光多光譜作物生長傳感器與傳感器支架采用機械結構固定，固定后傳感器應不發生晃動。e）傳感器支架長度由多旋翼無人機平臺的下洗流場的范圍大小決定。5.3地面數據處理器5.3.1地面數據處理器主要用來接收上行光多光譜作物生長傳感器傳輸的太陽光輻射信息以及下行光作物生長傳感器采集的作物冠層光譜信息，并對二者進行光譜信息提取和處理，運算反射率，耦合作物生長監測模型與診斷調控模型，計算作物生長指標及氮肥調控量；具備按鍵控制、液晶顯示等功能。5.3.2地面數據處理器性能參數性能參數如下：a）電源為一塊7.3V鋰電池，工作功耗≤100mW。b）數據格式二進制，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）材質為ABS工程塑料，防水等級IP65，顯示為12864液晶屏。e）功能按鍵5個，“測量、監測、診斷、復位、開/關機”。f）NDVI測量相對誤差≤15%，RVI測量誤差≤15%，LNC測量誤差≤15%，LNA測量誤差≤18%，LAI測量誤差≤15%，LDW測量誤差≤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送。b）具備太陽輻射光信息采集、處理功能。地面數據處理器能夠采集太陽輻射光信息并處理。c）具備信號接收功能。地面數據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）具備數據處理功能。地面數據處理器能夠處理上下行光傳感器數據，計算相關的植被指數數據并顯示。e）具有作物生長指標監測、顯示功能。能根據稻麥葉層氮含量光譜監測模型、葉層氮積累量光譜監測模型、葉干重光譜監測模型、葉面積指數光譜監測模型進行生長指標的計算與顯示。6.2軟件平臺運維穩定可靠，平均無故障工作時間應大于3000小時，故障修復時間應小于12小時。軟件應定期更新，一個月進行一次系統維護。7基本要求7.1選定多旋翼無人機平臺后，應進行CFD模擬仿真確定無人機平臺的氣流場空間分布狀態。7.2CFD無人機下洗流場具體模擬仿真步驟：多旋翼無人機平臺三維造型構建：采用三維掃描、三維建模等方法構筑無人機平臺的三維立體造型，用于后續的軟件模擬仿真；旋翼及機身流場的網格生成：根據多旋翼無人機平臺的三維立體造型數據建立仿真區域的控制方程并確定初始條件與邊界條件，劃分出網格化的靜止區域與流動區域；區域設定及模擬仿真：根據網格化運動區域，設定多旋翼無人機平臺的飛行區域，旋翼轉速，飛行邊界等參數，由CFD軟件根據設定參數進行網格速度模擬；求解計算：計算網格點數據，生成多旋翼無人機平臺于不同高度飛行條件下的速度分布云圖。7.3傳感器支架的長度由多旋翼無人機平臺下洗氣流場水平分布區域半徑與多光譜作物生長傳感器測試視場半徑共同決定，傳感器支架長度≥二者之和；7.4多旋翼無人機平臺應每半年檢定或者校準一次；7.5傳感器支架的安裝應滿足無人機飛行姿態的穩定性；7.6多光譜作物生長傳感器金工件應完整，不應有裂紋、毛刺，表面鍍層應均勻，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據處理器應每年檢定或者校準一次；7.8采集器外殼表面應光滑，色澤鮮明，不應有裂紋等缺陷；7.9設備使用可靠性應不低于95%。7.10多旋翼無人機平臺安裝完成后應試啟動檢查。7.11各部件須檢查合格后方可進行裝配。7.12螺栓、螺釘等緊固件應緊固，聯接可靠，不應松動。7.13下行光多光譜作物生長傳感器視場應保持垂直向下，上行光多光譜作物生長傳感器視場應保持垂直向上。7.14設備電源電線與主板電路應進行加牢防護。8設備安裝8.1安裝傳感器支架將傳感器支架通過螺絲固定在無人機各個旋翼下方位置，支架應保持水平。8.2安裝下行光多光譜作物生長傳感器將下行光多光譜作物生長傳感器通過螺絲固定在傳感器支架末端，傳感器與傳感器支架緊密結合，傳感器視場應保持垂直向下，連接傳感器電源線。8.3安裝上行光多光譜作物生長傳感器將上行光多光譜作物生長傳感器采用螺絲固定在地面數據處理器前端的固定平臺上，固定平臺與水平面夾角為45°，上行光傳感器與固定平臺保持水平。9設備調試9.1進行多旋翼無人機平臺試飛，確認無人機平臺能夠安全正常起飛。9.2進行下行光多光譜作物生長傳感器與地面數據處理器的數據試傳輸，確認無線通信正常穩定。9.3滿足下述各項要求的被測軟件為合格，否則為不合格：a）測試期間被測軟件不發生異常情況；b）測試期間運行被測軟件的計算機不重啟，不死機；c）測試結果應滿足6.1的要求。10測量方法10.1測量選擇在晴朗無云或少云、無風或微風的環境條件下，中午11點30分至13點之間進行。10.2調節無人機飛行高度，使下行光多光譜作物生長傳感器位于作物冠層上方1.0m～1.2m處，保持無人機懸停姿態，應與水平面保持水平。10.3操控地面數據處理器，設備開機自檢，無線模塊、液晶屏、主控制器等模塊進行初始化設定。10.4開