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Title:
METHOD FOR PLANNING OVERFLIGHT OF IRREGULAR POLYGONS USING TWO OR MORE UNMANNED AERIAL VEHICLES FOR PRECISION AGRICULTURE USING MULTISPECTRAL AND HYPERSPECTRAL AERIAL IMAGE ANALYSIS
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2017/099568
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a method by means of which it is possible to use a plurality of unmanned aerial vehicles that are radio controlled by means of a computer, to generate a multispectral photographic map of a crop field in order to generate information that helps to improve crop yield and to determine the presence of diseases, pests and weeds.

Inventors:
PACHECO SANCHEZ, Jose Antonio (Privada Baxteri, No. 1Fraccionamiento Agaves Residencia, Hermosillo Sonora, 83140, MX)
Application Number:
MX2015/000165
Publication Date:
June 15, 2017
Filing Date:
December 11, 2015
Export Citation:
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Assignee:
PACHECO SANCHEZ, Jose Antonio (Privada Baxteri, No. 1Fraccionamiento Agaves Residencia, Hermosillo Sonora, 83140, MX)
International Classes:
G03B37/00; A01B79/00
Domestic Patent References:
WO2011160159A12011-12-29
Foreign References:
US5467271A1995-11-14
US20050149235A12005-07-07
CN104794424A2015-07-22
Attorney, Agent or Firm:
VAZQUEZ PALMA, Omar (Revolución y Niños Heroes s/n, Puerto Peñasco, Sonora, 83550, MX)
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Claims:
REIVINDICACIONES

1. Un método de control para dos o mas vehículos aéreos no tripulados (ORONES) de monitorao fotográfico multiespectral e hiperespectrai para el análisis de campos de cultivo con la finalidad de identificar deficiencias que impidan el óptimo desarrollo de las plantas, asi como determinar el área geográfica específica y brindar soluciones a dichas deficiencias.

2. EI método de la reivindicación 1 que utiliza mapas georreferenciados tomados de google maps para delimitar el polígono a escanear desde la plataforma del sistema obteniendo coordenadas geodésicas que se convierten en cartesianas para su utilización.

3. Los vehículos aéreos no tripulados de ia reivindicación 1 que pueden ser de tipo ala defta o cuadcopteros y que portan sistemas de navegación GPS y comunicación de radio control con una base para el control de vuelo, que además portan una cámara de alta resolución multiespectral e hiperespectrai.

4. EI método de la reivindicación 1 que además utiliza parámetros específicos tales como modelo de UAVs, velocidad y altura a la que se moverá, velocidad y dirección del viento y otros parámetros específicos del tipo de cámara que utilizara mencionados anteriormente en esta patente.

5. El método de la reivindicación 1 que para el calculo deI numero de UAVs utiliza un algoritmo que recibe como entrada una región especificada como polígono, que puede ser no convexo y no simple puede contener espacios vacíos dentro del polígono, y además recibe el número de UAVs y su posición inicial en la periferia del polígono

6. El método de la reivindicación 1 que en un primer paso utiliza una interfaz de usuario por medio de la cual se descarga información de google maps para delimitar el polígono que conforma el campo a analizar y obtiene información adicional de sensores de tierra como velocidad y dirección del aire, humedad, temperatura, además de información brindada por ei usuario como el tipo de cultivo y que a su vez entrega los resultados del análisis final.

7. El método de la reivindicación 1 que en sus segundo paso planea y calcula la misión en base a las delimitaciones del polígono y datos de usuario como altura del sobrevuelo y velocidad de desplazamiento de la aeronave.

8. Ei método de ía reivindicación 1 que en el tercer paso que después de realizar eI sobrevuelo en zigzag del campo objeto, realiza el acondicionamiento de imágenes por medio de georferenciación y ortorectificación para brindar un mapa exacto del terreno.

9. El método de la reivindicación 1 que en un cuarto paso realiza ei análisis del mapa multiespectral e hiperespectral y que a su vez genera reportes (diagnósticos) de las áreas especificas y que entrega junto con ías imágenes georeferenciadas por medio de dicha interfaz de usuario de la reivindicación 6.

Description:
MÉTODO DE PLANEACION DE SOBREVUELO DE POLIGONOS IRREGULARES UTILIZANDO DOS O MAS VEHÍCULOS AÉREOS NO TRIPULADOS PARA AGRICULTURA DE PRECISIÓN POR ANÁLISIS MULTIESPECTRAL E HIPERESPECTRAL DE IMÁGENES AÉREAS.

CAMPO TÉCNICO DE LA INVENCIÓN La presente invención se refiere a un método para sobrevolar campos de cultivo predefinidos utilizando dos o mas drones controlados por computadora y hacer barrido para lograr un ¡ñapeo fotográfico.

ANTECEDENTES

En los últimos años, ha habido un creciente interés en la utilización de vehículos aéreos no tripulados (UAV) como control remoto drones / aviones, helicópteros y multicopteros para realizar una amplia variedad de tareas. Un desafío permanente, sin embargo, es cómo controlar mejor los UAVs para cada uno de estos usos particulares o en el desempeño de tareas diferentes.

Un UAV que está recibiendo cada vez más atención es el multirotor o multicopter. Este UAV es un helicóptero con más de dos rotores y multicopteros a menudo utilizan motores de paso fijo con lo que el control de movimiento del vehículo se consigue variando ia velocidad relativa de cada rotor para cambiar el empuje y ei par producido por cada rotor. Debido a su facilidad de la construcción y control, aviones multirotor se utilizan con frecuencia en los proyectos de modelos de aviones y control de radío tal que proporcione una opción de bajo presupuesto para la creación de ia fotografía aérea y vídeos. En estas impiementaciones, los UAVs pueden llevar como carga útil una o más cámaras y ser controlado a distanda para moverse sobre un objeto o área geográfica específica.

En algunas aplicaciones, es deseable o útil realizar una tarea mediante el uso de dos o más vehículos aéreos no tripulados que necesitan ser controlados de una manera centralizada o organizada para realizar ia tarea. Por ejemplo, numerosos aviones no tripulados o vehículos aéreos no tripulados como multicopteros o robots que vuelan se puede utilizar para proporcionar vigilancia de una zona geográfica, En tal aplicación, el control de enjambre se puede usar para controlar los vehículos aéreos no tripulados mientras vuelan sobre la zona geográfica específica. Un enjambre puede ser pensado como un sistema de partículas de auto-organización con numerosos agentes autónomos, reflexivos (por ejemplo, vehículos aéreos no tripulados son las partículas en este caso) cuyos movimientos colectivos los determinen las influencias locales, tales como el viento y obstáculos como otro UAV cerca.

Los vehículos aéreos no tripulados son independientes y están controlados a menudo a nivel local, lo que puede incluir la comunicación con un UAV cerca para determinar cuál de ellas se mueve o si ambas debe moverse para evitar una colisión inminente. Las colisiones son un problema ya que los vehículos aéreos no tripulados se mueven de forma independiente y al azar y a menudo tendrán caminos de cruce en el espacio aéreo compartido. El enjambre permite que los vehículos aéreos no tripulados puedan volar sobre un área grande, que es útil en aplicaciones de monitoreo. Sin embargo, el diseño de consoladores para su uso en vehículos aéreos no tripulados para enjambres de objetos o vehículos aéreos no tripulados voladores sigue siendo un reto a los fabricantes de vehículos aéreos no tripulados y en algunos casos, las colisiones han demostrado ser muy difíciles de eliminar por completo.

Cuando se utilizan varios vehículos aéreos no tripulados para realizar tareas, otras técnicas de control se han utilizado para permitir su uso seguro. En algunas aplicaciones, las colisiones son un riesgo aceptado del método de control, con el área bajo ¡os robots voladores que se mantiene libre de observadores humanos. En otras aplicaciones, cada UAV se controla desde un controlador central que se coloca normalmente en el suelo. Una trayectoria de vuelo predeterminada está diseñado o seleccionado para cada UAV tal que ninguno se cruza, y una tolerancia o envolvente espacial se ofrece para dar cuenta de variaciones vuelo debido a condiciones tales, como el viento que puede causar que un UAV se desvíe de su curso predefinido. En estas aplicaciones, los vehículos aéreos no tripulados operan de forma independiente sin que ocurran colisiones.

BREVE DESCRIPCIÓN DE FIGURAS

La figura 1 muestra el diagrama de flujo de planeación de la misión.

La figura 2 Es la visuaíización de la delimitación de la región de interés haciendo uso de la herramienta de google maps.

La figura 4 es la imagen de un campo en el espectro visual.

La figura 5 es la imagen deI mismo campo en el espectro del rojo.

La figura 6 es la imagen del mismo campo en el espectro NDVI.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN El sistema tiene la capacidad de detectar deficiencias de nutrientes específicos, de irrigación, o presencia de maleza o plagas; mediante la detección de presencia, en fas imágenes, de las respectivas firmas espectrates, así como el cálculo de diferentes índices utilizados en Agricultura de Precisión. Además de hacer sugerencias al usuario, sobre planeación de aplicación de agraquímicos para corregir los problemas detectados; haciendo usó de más información, procedente de análisis y predicciones climatológicas en la zona del cultivo (realizados fuera del sistema).

El método propuesto utiliza fotografía aérea tomadas sobre los cultivos a analizar, utilizando para ello, uno o mas vehículos aéreos no tripulados UAV (por sus siglas en ingles) con sensores multiespectrales e hiperespectrales, además de sistemas GPS. La primera etapa del proceso es la planeación de ta misión (Fig. 1), la cual, inicia con la delimitación de ia región de interés (RDl), trazando un polígono sobre un mapa en la plataforma del sistema. (Fig. 2) Estos mapas son tomados de Google Maps, por lo que son de uso libre y cuentan con georreferenciación; ahorrando tiempo y aumentando la practicidad del procedimiento. El resultado es un archivo KML con una serie de coordenadas geodésicas que describen el polígono.

El siguiente paso del procedimiento de la planeación de la misión, es la especificación al sistema, de los parámetros necesarios, tales como: modelo de UAV a utilizar (para consideración de capacidades de vuelo y autonomía), velocidad y altura de vuelo del UAV, velocidad y dirección del viento, porcentajes de traslape horizontal y vertical de fotografías. Entre otros parámetros mencionados a continuación en la Fig. 3.

Una vez delimitada la RDl e introducidos tos parámetros descritos previamente; el sistema determinará, de forma automática, el número de UAVs necesarios para cubrir la RDl por completo, de la forma más eficiente posible. Si el sistema considera ta utilización de más de un UAV, se particionara la RDI y asignará una parte de ella a cada uno de tos UAVs involucrados. De lo contrario, el sistema asignará la RDI completa a un único UAV.

EI particionamiento propone un algoritmo que recibe como entrada una región especificada como polígono, que puede ser no convexo y no simple (puede contener espacios vacíos dentro deI polígono) y además recibe el número de UAVs y su posición inicial en ia periferia del polígono.

El siguiente paso del proceso de planeación de ía misión, es el Barrido o escaneo aéreo multiespectral o hiperespectral; el cual consiste en determinar las rutas que la{s) aeronave(s) seguirá(n), de tal forma que se capture fotográficamente por completo la RDI. Los recorridos determinados por el sistema son por lo general de forma zigzag. Cada línea del barrido se le denomina línea de vuelo (Fig. 4 y 5). El proceso utilizado comienza por convertir las coordenadas geodésicas, que especifican el polígono, a coordenadas cartesianas en un marco de referencia de navegación local (NED). Esta conversión es necesaria para poder utilizar algoritmos de planificación en espacios euclidsanos. A partir de ese momento se supone que la superficie a explorar no tiene curvatura. Esta suposición es razonable si comparamos ei tamaño del terreno con respecto de la superficie terrestre.

La conclusión del proceso de planeación de la misión, es la generación por el sistema de los archivos GPX, los cuales contienen los waypoints y rutas de vuelo georreferendadas para uno o múltiples UAVs.

La siguiente etapa del proceso es la ejecución de la misión (fig. 6).

Esta etapa comienza con la introducción al sistema del producto obtenido en la planeación de ia misión; siendo éste los archivos GPX generados. Dicha introducción se realiza mediante el software incluido con los UAVs, o bien medíante herramientas libres disponibles, tai como el software Mission Planner.

El siguiente paso es la realización del escaneo aéreo o barrido, medíante los sensores y cámaras seleccionados. Las imágenes capturadas se guardan en ia memoria de la cámara. Las cuales se encuentran georreferenciadas y listas para su pos procesamiento. Dando por terminada la etapa de ejecución de la misión.