CN103950540B - 一种基于无线传感器网络的植保无人机喷施作业方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于无线传感器网络的植保无人机喷施作业方法，在作业区域内布设多个无线传感器节点以实时采集并反馈喷施物浓度，无人机根据喷施物浓度状态进行航迹角调整，如果喷施物浓度差值高于设定阈值则改变原航迹角，使无人机朝向喷施物浓度较低的方向飞行，以达到对作业区域喷施均匀的目的。本发明提高了农田作业环境下无人机的自主运行能力，解决了无人机作业时由于风向等因素造成的喷施不均问题，保证了无人机的作业效果和作物产量。

Description

一种基于无线传感器网络的植保无人机喷施作业方法

技术领域

本发明涉及农业技术领域，具体而言，涉及一种基于无线传感器网络的植保无人机喷施作业方法。

背景技术

农用无人机的航迹规划大多采用作业前由地面站系统预规划的方式，即在起飞前由地面站系统根据农田作业的具体任务进行航迹规划。在作业过程中，无人机不做自主航迹规划调整。

在应用无人机实施植保过程中，一些喷施作业区域经常出现漏喷、重喷，或者喷施到作业边界外的情况，不仅会导致植保效果不理想，甚至会造成农作物产量降低，总结其原因，主要为农田作业环境下无人机的自主运行能力较差。

无人机在作业过程中会遭遇很多偶然因素，如风向的突变和风力的突变等，均有可能使喷施物发生漂移或者无人机航迹点偏离，继而造成喷施作业面不均匀，作业效果下降，甚至作物减产等情况。

发明内容

本发明提供一种基于无线传感器网络的植保无人机喷施作业方法，用以解决当前农田作业环境下无人机的自主运行能力较差的问题。

为达到上述目的，本发明提供了一种基于无线传感器网络的植保无人机喷施作业方法，包括以下步骤：

S1：规划无人机在作业区域内的航迹线和无人机飞行高度，其中，航迹线包括一起点和一终点；

S2：根据作业区域内的植保要求设定一浓度阈值和一航迹角偏移值；

S3：根据规划的航迹线在作业区域内布设无线传感器网络，无线传感器网络由多个无线传感器节点组成，并在多个无线传感器节点中分别存储其地理位置信息；

S4：无人机从航迹线的起点沿航迹线开始起飞；

S5：无人机每隔设定时间向地面的多个无线传感器节点发出一次喷施浓度查询请求；

S6：接收到喷施浓度查询请求的多个无线传感器节点向无人机反馈检测到的喷施物浓度和地理位置信息；

S7：无人机接收多个无线传感器节点反馈的喷施物浓度和地理位置信息；

S8：根据多个地理位置信息和无人机当前地理位置信息，无人机计算得出位于无人机左侧最近距离处的无线传感器节点和位于无人机右侧最近距离处的无线传感器节点；

S9：无人机计算位于无人机左侧最近距离处的无线传感器节点对应的喷施物浓度与位于无人机右侧最近距离处的无线传感器节点对应的喷施物浓度的差值；

S10：将差值与浓度阈值相比较以计算调整方向后的航迹角，如果差值的绝对值大于浓度阈值则进行步骤S11，否则返回步骤S5；

S11：如果差值为正值，则调整方向后的航迹角为在当前航迹角的基础上累加航迹角偏移值，如果差值为负值，则调整方向后的航迹角为在当前航迹角的基础上减去航迹角偏移值；

S12：无人机保存当前航迹角并计算一运行时间，运行时间为无人机从本次改变航迹角一直飞行直至返回原航迹线的时间；

S13：无人机按照调整方向后的航迹角继续飞行；

S14：经过运行时间后，无人机根据保存的当前航迹角返回至原航迹线；

S15：重复步骤S5直至无人机到达航迹线的终点。

可选的，多个无线传感器节点沿航迹线两侧对称设置。

可选的，无人机飞行高度根据无人机的飞行高度与喷施覆盖面的关系和无人机与无线传感器节点之间的通信时间设定。

可选的，航迹角偏移值的范围为10°～45°。

可选的，运行时间根据多个无线传感器节点反馈的喷施物浓度和地理位置信息，以及无人机的当前速度计算得出。

可选的，无线传感器节点的高度与作业区域内作物的高度相匹配。

可选的，航迹线为根据作业区域的形状、作业区域内的障碍物位置和高度进行规划。

可选的，无人机飞行高度为以下任意一种：3米、5米、10米、15米和20米。

本发明提高了农田作业环境下无人机的自主运行能力，解决了无人机作业时由于风向等因素造成的喷施不均问题，保证了无人机的作业效果和作物产量。

附图说明

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，下面描述中的附图仅仅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。

图1为本发明一实施例的基于无线传感器网络的植保无人机喷施作业方法流程图；

图2为本发明一实施例的基于无线传感器网络的植保无人机喷施作业方法应用场景示意图；

图3为作业区域内无障碍物时分界点示意图；

图4为作业区域内无障碍物时航迹线规划过程示意图；

图5为作业区域内的障碍物类型示意图；

图6为作业区域内存在障碍物时航迹线规划过程示意图。

附图标记说明：1-无人机；2-无线传感器节点；3-喷施物；4-航迹线；L-参考线；A-作业区域；p1/p2-作业区域与参考线的交界点；I-无障碍时的作业区域；II-无障碍时分解后的多个子作业区域；III-无障碍时规划好航迹线的作业区域；a/b/c-无障碍时的子作业区域；S-子作业区域之间的分割线；R-障碍物半径；A1-障碍点；A2-障碍面；I′-有障碍时的作业区域；II′-有障碍时分解后的多个子作业区域；III′-有障碍时规划好航迹线的作业区域；a′/b′/c′/d′-有障碍时的子作业区域。

具体实施方式

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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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付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。

图1为本发明一实施例的基于无线传感器网络的植保无人机喷施作业方法流程图，如图所示，本发明提供的基于无线传感器网络的植保无人机喷施作业方法，包括以下步骤：

S1：规划无人机在作业区域内的航迹线和无人机飞行高度，其中，航迹线包括一起点和一终点；

作业区域为需要进行无人机喷施作业的区域，可以为农田、森林、草地等，航迹线为无人机相对于地面运动的路线，航迹线可根据作业区域的形状、作业区域内的障碍物位置和高度进行规划；

无人机飞行高度为无人机飞行时距离地面的竖直高度，无人机飞行高度可根据无人机的飞行高度与喷施覆盖面的关系和无人机与无线传感器节点之间的通信时间设定，具体实施时无人机飞行高度可从3米至20米不等；

无人机飞行过程中的航迹线与预定航迹线之间的夹角为航迹角，具体的，航迹角是从经线北端顺时针量到航迹去向的角度。

S2：根据作业区域内的植保要求设定一浓度阈值和一航迹角偏移值；

浓度阈值为无人机改变航迹线时无人机左右两侧最近距离处的无线传感器节点采集到的喷施物浓度差值的参照值，航迹角偏移值为无人机改变航迹线时航迹角的变化量，浓度阈值和航迹角偏移值可根据作业区域内作物的种类、高度、生长状态等设定，具体实施时，航迹角偏移值的范围为10°～45°，也即航迹角偏移值可以为10°～45°之间的任意一个角度。

S3：根据规划的航迹线在作业区域内布设无线传感器网络，无线传感器网络由多个无线传感器节点组成，并在多个无线传感器节点中分别存储其地理位置信息；

其中，无线传感器节点可沿航迹线两侧对称设置，也可根据作物在作业区域内的具体分布情况设置，其中，无线传感器节点的高度与作业区域内作物的高度相匹配，不宜过高或过低。

S4：无人机从航迹线的起点沿航迹线开始起飞；

S5：无人机每隔设定时间向地面的多个无线传感器节点发出一次喷施浓度查询请求；

无人机发出喷施浓度查询请求没有针对性，即不针对任何一个或多个无线传感器节点。

S6：接收到喷施浓度查询请求的多个无线传感器节点向无人机反馈检测到的喷施物浓度和地理位置信息；

在无线信号有效接收距离内的无线传感器节点能够接收到无人机发出的喷施浓度查询请求，从而能够向无人机反馈检测到的喷施物浓度和地理位置信息，在无线信号有效接收距离之外的无线传感器则接收不到无人机发出的喷施浓度查询请求，从而不会向无人机反馈检测到的喷施物浓度和地理位置信息。

S7：无人机接收多个无线传感器节点反馈的喷施物浓度和地理位置信息；

S8：根据多个地理位置信息和无人机当前地理位置信息，无人机计算得出位于无人机左侧最近距离处的无线传感器节点和位于无人机右侧最近距离处的无线传感器节点；

无人机从接收到的地理位置信息中计算得出位于其左右两侧最近距离的无线传感器节点，其余节点反馈的喷施物浓度和地理位置信息则忽略不计。

S9：无人机计算位于无人机左侧最近距离处的无线传感器节点对应的喷施物浓度与位于无人机右侧最近距离处的无线传感器节点对应的喷施物浓度的差值；

位于无人机左侧最近距离处的无线传感器节点对应的喷施物浓度减去位于无人机右侧最近距离处的无线传感器节点对应的喷施物浓度，得到差值，该差值可能为正值，也可能为负值。

S10：将差值与浓度阈值相比较以计算调整方向后的航迹角，如果差值的绝对值大于浓度阈值则进行步骤S11，否则返回步骤S5；

差值的绝对值大于浓度阈值时，表明无人机左右两侧已出现比较明显的喷施不均，故需调整无人机航向以改善喷施不均现象，此时无人机应朝向喷施物浓度较低的方向偏移；如果差值的绝对值不大于浓度阈值，说明无人机左右两侧尚未出现较明显的喷施不均，无人机继续沿设定航迹线飞行即可。

S11：如果差值为正值，则调整方向后的航迹角为在当前航迹角的基础上累加航迹角偏移值，如果差值为负值，则调整方向后的航迹角为在当前航迹角的基础上减去航迹角偏移值；

差值为正值时，表明位于无人机左侧最近距离处的无线传感器节点对应的喷施物浓度高于位于无人机右侧最近距离处的无线传感器节点对应的喷施物浓度，此时无人机需朝向右侧飞行，累加航迹角偏移值可增大航迹角，恰好能够使无人机朝向右侧飞行；

差值为负值时，表明位于无人机左侧最近距离处的无线传感器节点对应的喷施物浓度低于位于无人机右侧最近距离处的无线传感器节点对应的喷施物浓度，此时无人机需朝向左侧飞行，减去航迹角偏移值可减小航迹角，恰好能够使无人机朝向左侧飞行。

S12：无人机保存当前航迹角并计算一运行时间，运行时间为无人机从本次改变航迹角一直飞行直至返回原航迹线的时间；

无人机在改变航迹角之前保存当前航迹角，以备飞行一运行时间后返回原设定航迹线，运行时间由无人机通过计算得到，运行时间可根据多个无线传感器节点反馈的喷施物浓度和地理位置信息，以及无人机的当前速度计算得出，由于无人机返回原设定航迹需在下次改变航迹角之前，所以运行时间小于无人机发出喷施浓度查询请求的周期。

S13：无人机按照调整方向后的航迹角继续飞行；

S14：经过运行时间后，无人机根据保存的当前航迹角返回至原航迹线；

无人机经过运行时间后返回原航迹线，沿原航迹线继续飞行。

S15：重复步骤S5直至无人机到达航迹线的终点。

图2为本发明一实施例的基于无线传感器网络的植保无人机喷施作业方法应用场景示意图，如图所示，作业区域为一不规则形状，航迹线4呈往复状平行设置，无线传感器节点2沿航迹线4两侧对称设置，无人机1沿航迹线4飞行并进行喷施作业，喷施物3由无人机1不断下落至作业区域，为了便于清楚说明，图中仅展示出了喷施物经过的空间的中心截面，实际喷施物从无人机1下落经过的空间路径应为一圆锥体形状。

下面进一步说明无人机航迹线的规划过程，由于作业区域为规则形状时航迹线较容易规划，且一般情况下作业区域均为不规则形状，故以下实施例也假设作业区域为不规则形状。

一、作业区域内无障碍物时航迹线的规划

首先测绘出作业区域的地形图，然后分析作业区域形状，如果作业区域的边界存在凸边，则需要对作业区域进行分解，采用确切细胞分解法，分界点的选择和初始飞行方向的确定方法如下：

如图3所示为作业区域内无障碍物时分界点示意图，首先给出与无人机飞行方向一致的参考线L，参考线L的一侧即为作业区域A，图3左侧为在作业区域存在的一种正常情况，因此边界点p1不是分界点；图3右侧则属于一种特殊情况，p2定义为分界点，其判别条件为：sign(α1)＝-sign(α2)。

如图4所示为作业区域内无障碍物时航迹线规划过程示意图，其中I为作业区域，II为分解后的多个子作业区域，III为规划好航迹线的作业区域。首先将作业区域分解为n个子作业区域(n≥1)，如II中的a、b、c为I分解后得到的3个子作业区域，子作业区域之间由分割线S隔开，然后建立由作业区域飞行方向路径长度(l₁)和垂直飞行方向的路径长度(l₂)构成的成本函数通过成本函数确定飞行方向，最后应用Boustrophedon算法得到III中所示的航迹线，完成航迹线规划。

二、作业区域内存在障碍物时航迹线的规划

作业区域内存在障碍物时，航迹线规划的大部分方案与不存在障碍物时相同，不同之处为首先要分析作业区域内的障碍物类型，障碍物类型可分为障碍点和障碍面两种。

如图5所示为作业区域内的障碍物类型示意图，首先定义障碍物半径R(根据作业区域内的障碍区域具体分析后定义)，其中A1为比较小的障碍物，故将其列为障碍点，不对其进行分解，无人机在飞行时采取避让的方式绕过；A2为比较大的障碍物，其边界视为作业区域的边界，故将其列为障碍面。

如图6所示为作业区域内存在障碍物时航迹线规划过程示意图，其中，I′为作业区域；II′为分解后的多个子作业区域，a′、b′、c′和d′为分解后的4个子作业区域；III′为规划好航迹线的作业区域。

最后采用确切细胞分解法对其分解，然后应用Boustrophedon算法得到航迹线如III′所示。

本发明提高了农田作业环境下无人机的自主运行能力，解决了无人机作业时由于风向等因素造成的喷施不均问题，保证了无人机的作业效果和作物产量。

本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。

本领域普通技术人员可以理解：实施例中的装置中的模块可以按照实施例描述分布于实施例的装置中，也可以进行相应变化位于不同于本实施例的一个或多个装置中。上述实施例的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块。

最后应说明的是：以上实施例仅用以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；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种基于无线传感器网络的植保无人机喷施作业方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：规划无人机在作业区域内的航迹线和无人机飞行高度，其中，所述航迹线包括一起点和一终点；

S2：根据所述作业区域内的植保要求设定一浓度阈值和一航迹角偏移值；

S3：根据规划的航迹线在所述作业区域内布设无线传感器网络，所述无线传感器网络由多个无线传感器节点组成，并在多个所述无线传感器节点中分别存储其地理位置信息；

S4：所述无人机从所述航迹线的起点沿所述航迹线开始起飞；

S5：所述无人机每隔设定时间向地面的多个无线传感器节点发出一次喷施浓度查询请求；

S6：接收到喷施浓度查询请求的多个无线传感器节点向无人机反馈检测到的喷施物浓度和地理位置信息；

S7：所述无人机接收多个无线传感器节点反馈的所述喷施物浓度和所述地理位置信息；

S8：根据多个所述地理位置信息和所述无人机当前地理位置信息，所述无人机计算得出位于所述无人机左侧最近距离处的无线传感器节点和位于所述无人机右侧最近距离处的无线传感器节点；

S9：所述无人机计算位于所述无人机左侧最近距离处的无线传感器节点对应的喷施物浓度与位于所述无人机右侧最近距离处的无线传感器节点对应的喷施物浓度的差值；

S10：将所述差值与所述浓度阈值相比较以计算调整方向后的航迹角，如果所述差值的绝对值大于所述浓度阈值则进行步骤S11，否则返回步骤S5；

S11：如果所述差值为正值，则调整方向后的航迹角为在当前航迹角的基础上累加所述航迹角偏移值，如果所述差值为负值，则调整方向后的航迹角为在当前航迹角的基础上减去所述航迹角偏移值；

S12：所述无人机保存当前航迹角并计算一运行时间，所述运行时间为所述无人机从本次改变航迹角一直飞行直至返回原航迹线的时间；

S13：所述无人机按照调整方向后的航迹角继续飞行；

S14：经过所述运行时间后，所述无人机根据保存的所述当前航迹角返回至原航迹线；

S15：重复步骤S5直至所述无人机到达所述航迹线的终点。

2.根据权利要求1所述的基于无线传感器网络的植保无人机喷施作业方法，其特征在于，多个所述无线传感器节点沿所述航迹线两侧对称设置。

3.根据权利要求1所述的基于无线传感器网络的植保无人机喷施作业方法，其特征在于，所述无人机飞行高度根据无人机的飞行高度与喷施覆盖面的关系和无人机与无线传感器节点之间的通信时间设定。

4.根据权利要求1所述的基于无线传感器网络的植保无人机喷施作业方法，其特征在于，所述航迹角偏移值的范围为10°～45°。

5.根据权利要求1所述的基于无线传感器网络的植保无人机喷施作业方法，其特征在于，所述运行时间根据多个所述无线传感器节点反馈的所述喷施物浓度和所述地理位置信息，以及所述无人机的当前速度计算得出。

6.根据权利要求1所述的基于无线传感器网络的植保无人机喷施作业方法，其特征在于，所述无线传感器节点的高度与所述作业区域内作物的高度相匹配。

7.根据权利要求1所述的基于无线传感器网络的植保无人机喷施作业方法，其特征在于，所述航迹线为根据所述作业区域的形状、所述作业区域内的障碍物位置和高度进行规划。

8.根据权利要求1所述的基于无线传感器网络的植保无人机喷施作业方法，其特征在于，所述无人机飞行高度为以下任意一种：3米、5米、10米、15米和20米。