CN104615146A - 一种无需外部导航信号的无人机喷药作业自动导航方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种无需外部导航信号的无人机喷药作业自动导航方法，该方法通过一次性拍摄或者把分块拍摄的图像拼接起来获得目标作业区域的整体图像，将整体图像进行分割得到待作业区域，之后对得到的整体图像进行特征描述子提取，将整体图像进行网格化到一幅包含待作业区域与特征描述子的具体像素位置的导航地图，以导航地图为参考坐标系规划喷药作业无人机的航线，喷药作业无人机通过拍摄规划航线中的图像并提取其特征描述子与目标作业区域的特征描述子进行匹配实现定位功能，从而实现了在无外部导航信号环境下喷药无人机的自动导航问题。

Description

一种无需外部导航信号的无人机喷药作业自动导航方法

技术领域

本发明涉及农业浇灌领域，更具体地，涉及一种无需外部导航信号的无人机喷药作业自动导航方法。

背景技术

较传统的田间人工或者车辆施药，无人飞机施药具有作业效率高、人工劳动强度低、农药使用量小、病虫防治效果好等优点。国内外现有的农用无人机喷药导航技术主要是基于GPS信号来进行导航。2012年06月27日，公告号为CN 101963806 B的中国发明专利，公开了一种基于GPS导航的无人机施药作业自动控制系统及方法。包括该方法在内的所有类似方案均是基于GPS来进行导航。然而，当GPS信号失效的情况下，例如：在温室内、有遮挡物的情况下，依赖于GPS导航的方法就失去了作用。故急切需要一种能够替代GPS给无人机提供导航的方法。

发明内容

本发明提供一种无需外部导航信号的无人机喷药作业自动导航方法，来实现不依赖于GPS等类似的导航信号，能够在无外部导航环境下完成喷药作业。

为了达到上述技术效果，本发明的技术方案如下：

一种无需外部导航信号的无人机喷药作业自动导航方法，包括以下步骤：

S1：对目标作业区域进行图像拍摄获取该区域的完整图像，若无法一次性对该区域进行完整拍摄，就分块多次拍摄目标作业区域的图像并将分块拍摄的图像进行拼接得到目标作业区域的完整图像；

S2：将得到的目标作业区域的完整图像进行特征描述子提取，并对提取出的特征描述子进行随机一致性检验来提高特征描述子的置信度；

S3：将S1中得到的目标作业区域的完整图像进行分割，形成一个闭合的待作业区域；

S4：将S1中得到的目标作业区域的完整图像网格化，得到一幅包含待作业区域以及特征描述子和目标作业区域中航线控制区的具体像素位置的导航地图；

S5：以S4中的导航地图为参考坐标系并以S4中网格的边线作为依据来规划喷药作业无人机的航线，保证该规划航线以S形完全覆盖待作业区域；

S6：喷药作业无人机从规划的航线原点起飞并拍摄途经规划航线的作业区域图像，对途经航线的作业区域的图像进行特征描述子提取，将提取的特征描述子与步骤S2中提取的特征描述子进行匹配从而确定喷药无人机当前所在位置。

进一步地，所述步骤S4中对目标作业区域的完整图像网格化的过程如下：

以喷药作业无人机的作业半径在目标作业区域的完整图像中的像素半径为网格的边长来进行网格化，所述作业半径在目标作业区域的完整图像中的像素的半径为的计算过程如下：

                                                                                                        

其中，是像素半径即网格的边长，R是喷药作业无人机的作业半径，H是喷药作业无人机的作业高度，f是喷药作业无人机拍摄设备的焦距，C为喷药作业无人机拍摄设备的感光器单位物理尺寸所含的像素点的个数，R、H、f、C为已知量，r是感光芯片物理距离，为待求量。

进一步地，所述步骤S6的具体过程如下：

S61：喷药作业无人机即将到达规划航线中的任一航线控制区时，拍摄作业区域的图像并提取该图像的特征描述子；

S62：将S61中的特征描述子与S6中的对应的航线控制区内的特征描述子进行匹配，若匹配成功率低于阀值θ，喷药作业无人机未到达该航线控制区，喷药作业无人机继续飞行重复步骤S61；若匹配成功率在阀值θ以上，喷药作业无人机到达该航线控制区；

S63：当喷药作业无人机成功通过该航线控制区后就将飞向下一个航线控制区，依次重复步骤S61-S63控制喷药无人机按照规划的航线进行喷药作业。

进一步地，所述步骤S6还包括：

若喷药作业无人机已经通过一个航线控制区，但未与该航线控制区匹配成功，舍去该航线控制区，对下一个航线控制区进行匹配，若连续多个航线控制区均匹配失败，或者观测到喷药作业无人机已偏离航线，通过人工干预纠正喷药作业无人机航线或者停止喷药作业无人机的作业，之后重复步骤S61-S63。

优选地，所述步骤S3中，采用基于边缘提取或者基于聚类的图像分割技术实现目标作业区域的完整图像的分割并辅以人工干预来保证分割效果。

与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：

本发明通过一次性拍摄或者把分块拍摄的图像拼接起来获得目标作业区域的整体图像，将整体图像进行分割得到待作业区域，之后对得到的整体图像进行特征描述子提取，将整体图像进行网格化到一幅包含待作业区域与特征描述子的具体像素位置的导航地图，以导航地图为参考坐标系规划喷药作业无人机的航线，喷药作业无人机通过拍摄规划航线中的图像并提取其特征描述子与目标作业区域的特征描述子进行匹配实现定位功能，从而实现了在无外部导航信号环境下喷药无人机的自动导航问题。

附图说明

图1为本发明方法的流程图；

图2为本发明实施例1中网格化目标作业区域图像的示意图，其中画圈区域表示航线控制区，带箭头粗线表示规划的航线。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；

对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。

实施例1

如图1所示，一种无需外部导航信号的无人机喷药作业自动导航方法，包括以下步骤：

S1：对目标作业区域进行图像拍摄获取该区域的完整图像，若无法一次性对该区域进行完整拍摄，就分块多次拍摄目标作业区域的图像并将分块拍摄的图像进行拼接得到目标作业区域的完整图像；

S2：将得到的目标作业区域的完整图像进行特征描述子提取，并对提取出的特征描述子进行随机一致性检验来提高特征描述子的置信度；

S3：将S1中得到的目标作业区域的完整图像进行分割，形成一个闭合的待作业区域；

S4：将S1中得到的目标作业区域的完整图像网格化，得到一幅包含待作业区域以及特征描述子和目标作业区域中航线控制区的具体像素位置的导航地图；

S5：以S4中的导航地图为参考坐标系并以S4中网格的边线作为依据来规划喷药作业无人机的航线，保证该规划航线以S形完全覆盖待作业区域；

S6：喷药作业无人机从规划的航线原点起飞并拍摄途经规划航线的作业区域图像，对途经航线的作业区域的图像进行特征描述子提取，将提取的特征描述子与步骤S2中提取的特征描述子进行匹配从而确定喷药无人机当前所在位置。

本实施例中，利用SURF（加速健壮特征）对目标作业区域的完整图像进行特征描述子的提取。

本实施例中，对完整的目标作业区域图像进行图像分割以获得待作业区域的边缘，由于单次作业区域的农作物在通常情况下属于同一类别，也就是说待作业区域的农作物在像素上具有相似性，而非农作物与农作物在像素上会具有很大的区别。如果待分割区域满足上述特点则可以用基于边缘提取或者基于聚类的图像分割技术以实现目标作业区域的分割。

另外，当自动图像分割算法所获得的结果无法满足实际作业需求，可采用人工分割的方式对待作业区域进行分割。

本实施例中，对目标作业区域的完整图像网格化的过程如下：

以喷药作业无人机的作业半径在目标作业区域的完整图像中的像素个数为网格的边长来进行网格化，所述作业半径在目标作业区域的完整图像中的像素的半径为的计算过程如下：

                                                         

                                                         

其中，R是喷药作业无人机的作业半径，H是喷药作业无人机的作业高度，f是喷药作业无人机拍摄设备的焦距，C为喷药作业无人机拍摄设备的感光器单位物理尺寸所含的像素点的个数，R、H、f、C为已知量，r是感光芯片物理距离，为待求量。

本实施例中，如图2所示，为了保证划定区域的特征描述子足以准确的完成匹配和满足匹配时间实时性的要求，以网格的交叉为中心，选择大于网格边长一半且小于网格边长的距离为半径划定航线控制区，即每一个交叉都作为节点并划定相应的航线控制区；依次对航线控制区进行编号，并且将每个航线控制区内包含的特征描述子编入相应的航线控制区内，得到一幅包含待作业区域、特征描述子和航线控制区的具体像素位置的导航地图。

本实施例中，步骤S6的具体过程如下：

S61：喷药作业无人机即将到达规划航线中的任一航线控制区时，拍摄作业区域的图像并提取该图像的特征描述子；

S62：将S61中的特征描述子与S6中的对应的航线控制区内的特征描述子进行匹配，若匹配成功率低于阀值θ，喷药作业无人机未到达该航线控制区，喷药作业无人机继续飞行重复步骤S61；若匹配成功率在阀值θ以上，喷药作业无人机到达该航线控制区；

S63：当喷药作业无人机成功通过该航线控制区后就将飞向下一个航线控制区，依次重复步骤S61-S63控制喷药无人机按照规划的航线进行喷药作业。本实施例中，阀值θ设定为80%。

本实施例中，若喷药作业无人机已经通过一个航线控制区，但未与该航线控制区匹配成功，舍去该航线控制区，对下一个航线控制区进行匹配，若连续多个航线控制区均匹配失败，或者喷药作业无人机已偏离航线，通过人工干预纠正喷药作业无人机航线或者停止喷药作业无人机的作业，之后重复步骤S61-S63。

相同或相似的标号对应相同或相似的部件；

附图中描述位置关系的用于仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种无需外部导航信号的无人机喷药作业自动导航方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：对目标作业区域进行图像拍摄获取该区域的完整图像，若无法一次性对该区域进行完整拍摄，就分块多次拍摄目标作业区域的图像并将分块拍摄的图像进行拼接得到目标作业区域的完整图像；

S2：将得到的目标作业区域的完整图像进行特征描述子提取，并对提取出的特征描述子进行随机一致性检验来提高特征描述子的置信度；

S3：将S1中得到的目标作业区域的完整图像进行分割，形成一个闭合的待作业区域；

S4：将S1中得到的目标作业区域的完整图像网格化，得到一幅包含待作业区域以及特征描述子和目标作业区域中航线控制区的具体像素位置的导航地图； 

S5：以S4中的导航地图为参考坐标系并以S4中网格的边线作为依据来规划喷药作业无人机的航线，保证该规划航线以S形完全覆盖待作业区域；

S6：喷药作业无人机从规划的航线原点起飞并拍摄途经规划航线的作业区域图像，对途经航线的作业区域的图像进行特征描述子提取，将提取的特征描述子与步骤S2中提取的特征描述子进行匹配从而确定喷药无人机当前所在位置。

2.根据权利要求1所述的无需外部导航信号的无人机喷药作业自动导航方法，其特征在于，所述步骤S4中对目标作业区域的完整图像网格化的过程如下：

以喷药作业无人机的作业半径在目标作业区域的完整图像中的像素半径为网格的边长来进行网格化，所述作业半径在目标作业区域的完整图像中的像素的半径为的计算过程如下：

                                                   

其中，是像素半径即网格的边长，R是喷药作业无人机的作业半径，H是喷药作业无人机的作业高度，f是喷药作业无人机拍摄设备的焦距，C为喷药作业无人机拍摄设备的感光器单位物理尺寸所含的像素点的个数，R、H、f、C为已知量，r是感光芯片物理距离，为待求量。

3.根据权利要求1所述的无需外部导航信号的无人机喷药作业自动导航方法，其特征在于，所述步骤S6的具体过程如下：

S61：喷药作业无人机即将到达规划航线中的任一航线控制区时，拍摄作业区域的图像并提取该图像的特征描述子；

S62：将S61中的特征描述子与S6中的对应的航线控制区内的特征描述子进行匹配，若匹配成功率低于阀值θ，喷药作业无人机未到达该航线控制区，喷药作业无人机继续飞行重复步骤S61；若匹配成功率在阀值θ以上，喷药作业无人机到达该航线控制区；

S63：当喷药作业无人机成功通过该航线控制区后就将飞向下一个航线控制区，依次重复步骤S61-S63控制喷药无人机按照规划的航线进行喷药作业。

4.根据权利要求3所述的无需外部导航信号的无人机喷药作业自动导航方法，其特征在于，所述步骤S6还包括：

若喷药作业无人机已经通过一个航线控制区，但未与该航线控制区匹配成功，舍去该航线控制区，对下一个航线控制区进行匹配，若连续多个航线控制区均匹配失败，或者观测到喷药作业无人机已偏离航线，通过人工干预纠正喷药作业无人机航线或者停止喷药作业无人机的作业，之后重复步骤S61-S63。

5.根据权利要求1所述的无需外部导航信号的无人机喷药作业自动导航方法，其特征在于，所述步骤S3中，采用基于边缘提取或者基于聚类的图像分割技术实现目标作业区域的完整图像的分割并辅以人工干预来保证分割效果。