CN106327024A - 一种无人机农药喷洒路径规划系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无人机农药喷洒路径规划系统及方法，方法的步骤如下：S1、控制端发布喷洒任务；S2、根据任务圈定任务区域；S3、通过区域边界线与路径的夹角计算路径边缘航点最优位置；S4、根据农作物实际行间距及当前农作物的大数据分析来调整药量溶液进行配比及翼展宽度；S5、通过区域大小及最优行间距对农作物复喷和漏喷权重计算得出实际任务航线；S6、通过对农作物的大数据分析、确定飞行航线最佳高度；S7、根据规划的最佳飞行路径执行喷洒任务，该方法作业均匀，避免了人工操作可能的遗漏和区域重复作业，保证每个区域只会执行一次。在农业方面，药量使用高效，通过后台大数据及对天气的分析得到精准的飞行速度、高度、药量等航线数据。

Description

一种无人机农药喷洒路径规划系统及方法

技术领域

本发明涉及无人机的路径规划领域，尤其涉及一种无人机农药喷洒路径规划系统及方法。

背景技术

随着信息化技术的发展，应用无人机的领域也越来越多，其不再限于军事领域方面的应用，在民用领域中取得更加广泛的应用，特别是农业方面运用无人机来进行植保，农作物除害和农药喷洒等有很好的研究前景。

目前，对于农业方面的无人机作业方式主要是以培养飞手来手动操控执行任务，这种方式导致作业不均匀，很容易出现区域重复执行或者未执行到的情况，从而在农药喷洒的过程中出现农作物的漏喷和复喷，而使局部农作物农药喷洒过多造成农药的浪费和喷洒过少或者没有喷洒到而影响农作物的生长。

现有已公开的技术申请号为201410128587.4的一种基于无线传感器网络的植保无人机喷施作业方法是通过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。该发明提高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。但是，其一个任务区域就要布设多个无线传感器节点并组成网络，这样极大的增加了成本，而且其结构步骤太过复杂，也不能对喷施过程中的各种数据进行采集，为以后的分析打下基础。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种无人机农药喷洒路径规划系统及方法，解决了传统通过飞手来手动操控执行任务，导致作业不均匀，容易出现区域重复执行或者未执行到的情况。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种无人机农药喷洒路径规划系统，包括控制端、云服务端、圈定任务区域模块、药量配比模块、路径规划模块、数据收集模块和任务执行模块；

所述的控制端主要发布无人机飞行任务；

所述的圈定任务区域模块主要是根据发布的任务对农药喷洒区域进行限定；

所述的药量配比模块主要是根据任务区域的农作物种类、所处位置及生长情况对药量溶液进行配比；

所述的路径规划模块主要是根据飞机作业范围和天气条件计算出无人机飞行将要执行任务的最佳航线；

所述的数据收集模块主要是收集喷洒数据，收集农作物产出时的产出数据，并将数据长传到云服务端；

所述的云服务端主要是讲数据收集模块上传的数据进行归类并存储；

所述的任务执行模块主要是根据路径规划模块规划的最佳航线进行飞行完成喷洒任务。

所述的任务执行模块包括一键式执行任务和断点一键式执行任务，所述的一键式执行任务是无人机根据最佳航线路径一次性完成喷洒任务；所述的断点一键式执行任务是无人机根据最佳航线路径在喷洒的过程中出现了漏喷的情况，再根据断点一键式执行任务进行复喷保证任务区域的所以农作物都喷洒到农药。

所述的计算无人机最佳航线包括计算无人机实际水平航线、路径边缘航点最优位置和飞行最优高度。

一种无人机农药喷洒路径规划方法，所述的方法的步骤如下：

S1、控制端发布喷洒任务；

S2、根据任务圈定任务区域；

S3、通过区域边界线与路径的夹角计算路径边缘航点最优位置；

S4、根据农作物实际行间距及当前农作物的大数据分析来调整药量溶液进行配比及翼展宽度；

S5、通过区域大小及最优行间距对农作物复喷和漏喷权重计算得出实际任务航线；

S6、通过对农作物的大数据分析、确定飞行航线最佳高度；

S7、无人机从基站起飞，根据规划的最佳飞行路径执行农作物农药的喷洒任务。

所述的S3中的计算路径边缘航点最优位置方法为：

S31、根据多边形农田外围最大的矩形R，计算获得矩形R的对角线长度D和矩形R的中心点，设最优行间距为distance；

S32、计算左下角坐标点，方向跟最长边航线角度有关，其坐标系为：左270，下180，右90，上360或0，以矩形R中心点计算其正左方距离为D/ 2 ＋distance的点PL，以点PL计算其正后方距离为D/ 2 ＋distance的点PLB；

S33、计算右下角坐标点，以矩形R中心点计算其正右方距离为D/2＋D的点PR，以点PR计算其正后方距离为D/2＋distance的点PRB；

S34、计算左上角坐标点，以点PL计算其正前方距离为D＋2×distance的点PLU；

S35、计算多边形中与直线PL-PLU距离最短的一个点，其距离为minDistance，作为初始点向右根据实际需要布线，计算中间航线距离为centerDistance；

S36、计算距左下角点距离为minDistance、minDistance＋distance/2、minDistance＋distance/2＋centerDistance的正右方坐标点；

S37、计算航线开始点最左下角PLBEGIN；

S38、计算航线结束点最左下角PLEND。

所述的S4中的调整药量溶液进行配比及翼展宽度的方法为：

S41、收集影响农作物的数据，并存储到云端；

S42、综合分析对比各种数据对农作物产出的影响，并汇总写入数据库，即可获得最优飞行高度、最优喷洒宽度和最优农药配比；

S43、通过机械臂和相应程序即可实现调整喷杆的喷洒宽度。

所述的S5中计算出实际任务航线方法为：

S51、根据航线覆盖于漏喷权重比例算法计算行间距平均距离；

S52、当centerDistance＜＝0时，直接以矩形R的中心点为航线，否则首先生成左边开始航线，其次做循环，最后生成右边结束航线；

S53、将前面步骤生成的线段与当前多边形相交为多点的线段保留，其余删除；

S54、从飞机原点算起，距离这些线段最短一端开始作为第一行点，另一端作为第二航点，将当前线段作废，然后计算取距离第二航点最近的其他线段的当前侧的一端作为第三航点，另一端作为第四航点，依次按此法向下标识所有航点，即可将任务航线规划完成。

本发明的有益效果是：一种无人机农药喷洒路径规划系统及方法，该方法作业均匀，避免了人工操作可能的遗漏，避免区域重复作业，保证每个区域只会执行一次。在农业方面，药量使用高效，通过后台大数据及对天气的分析得到精准的飞行速度、高度、药量等航线数据。

附图说明

图1为系统流程图；

图2为无人机路线飞行示意图。

具体实施方式

下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。

如图1所示，一种无人机农药喷洒路径规划系统，包括控制端、云服务端、圈定任务区域模块、药量配比模块、路径规划模块、数据收集模块和任务执行模块；

所述的控制端主要发布无人机飞行任务；

所述的圈定任务区域模块主要是根据发布的任务对农药喷洒区域进行限定；

所述的药量配比模块主要是根据任务区域的农作物种类、所处位置及生长情况对药量溶液进行配比；

所述的路径规划模块主要是根据飞机作业范围和天气条件计算出无人机飞行将要执行任务的最佳航线；

所述的数据收集模块主要是收集喷洒数据，收集农作物产出时的产出数据，并将数据长传到云服务端；

所述的云服务端主要是讲数据收集模块上传的数据进行归类并存储；

所述的任务执行模块主要是根据路径规划模块规划的最佳航线进行飞行完成喷洒任务。

所述的任务执行模块包括一键式执行任务和断点一键式执行任务，所述的一键式执行任务是无人机根据最佳航线路径一次性完成喷洒任务；所述的断点一键式执行任务是无人机根据最佳航线路径在喷洒的过程中出现了漏喷的情况，再根据断点一键式执行任务进行复喷保证任务区域的所以农作物都喷洒到农药。

所述的计算无人机最佳航线包括计算无人机实际水平航线、路径边缘航点最优位置和飞行最优高度。

一种无人机农药喷洒路径规划方法，所述的方法的步骤如下：

S1、控制端发布喷洒任务；

S2、根据任务圈定任务区域；

S3、通过区域边界线与路径的夹角计算路径边缘航点最优位置；

S4、根据农作物实际行间距及当前农作物的大数据分析来调整药量溶液进行配比及翼展宽度；

S5、通过区域大小及最优行间距对农作物复喷和漏喷权重计算得出实际任务航线；

S6、通过对农作物的大数据分析、确定飞行航线最佳高度；

S7、无人机从基站起飞，根据规划的最佳飞行路径执行农作物农药的喷洒任务。

所述的S3中的计算路径边缘航点最优位置方法为：

S31、根据多边形农田外围最大的矩形R，计算获得矩形R的对角线长度D和矩形R的中心点，设最优行间距为distance；

S32、计算左下角坐标点，方向跟最长边航线角度有关，其坐标系为：左270，下180，右90，上360或0，以矩形R中心点计算其正左方距离为D/ 2 ＋distance的点PL，以点PL计算其正后方距离为D/ 2 ＋distance的点PLB；

S33、计算右下角坐标点，以矩形R中心点计算其正右方距离为D/2＋D的点PR，以点PR计算其正后方距离为D/2＋distance的点PRB；

S34、计算左上角坐标点，以点PL计算其正前方距离为D＋2×distance的点PLU；

S35、计算多边形中与直线PL-PLU距离最短的一个点，其距离为minDistance，作为初始点向右根据实际需要布线，计算中间航线距离为centerDistance；

S36、计算距左下角点距离为minDistance、minDistance＋distance/2、minDistance＋distance/2＋centerDistance的正右方坐标点；

S37、计算航线开始点最左下角PLBEGIN；

S38、计算航线结束点最左下角PLEND。

所述的S4中的调整药量溶液进行配比及翼展宽度的方法为：

S41、收集影响农作物的数据，并存储到云端；

S42、综合分析对比各种数据对农作物产出的影响，并汇总写入数据库，即可获得最优飞行高度、最优喷洒宽度和最优农药配比；

S43、通过机械臂和相应程序即可实现调整喷杆的喷洒宽度。

所述的S5中计算出实际任务航线方法为：

S51、根据航线覆盖于漏喷权重比例算法计算行间距平均距离；

S52、当centerDistance＜＝0时，直接以矩形R的中心点为航线，否则首先生成左边开始航线，其次做循环，最后生成右边结束航线；

S53、将前面步骤生成的线段与当前多边形相交为多点的线段保留，其余删除；

S54、从飞机原点算起，距离这些线段最短一端开始作为第一行点，另一端作为第二航点，将当前线段作废，然后计算取距离第二航点最近的其他线段的当前侧的一端作为第三航点，另一端作为第四航点，依次按此法向下标识所有航点，即可将任务航线规划完成。

计算中间航线平均距离perDistance的方法为：

S511、用centerDistance/distance取整得到DisInteger，中间航线距离centerDistance/distance取余得到DisRemainder；

S512、若余数0＜DisRemainder＜distance/2，则采用漏喷方式，将中间航线数量totalCount赋值为DisInteger－1，中间航线平均距离为perDistance为centerDistance/DisInteger取整；

S513、若余数DisRemainder＜distance/2，则采用覆盖方式，将中间航线数量totalCount赋值为DisInteger，中间航线平均距离perDistance为centerDistance/（DisInteger＋1）取整。

实施方式如图2所示，无人机从H点起飞，然后飞行路径为如图中箭头所示从A到B，最后无人机从最B处返回H点，一次农药喷洒任务就结束了，图中虚线为圈定区域即为任务区域农田的外框。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (7)

1.一种无人机农药喷洒路径规划系统，其特征在于：包括控制端、云服务端、圈定任务区域模块、药量配比模块、路径规划模块、数据收集模块和任务执行模块；

所述的控制端主要发布无人机飞行任务；

所述的圈定任务区域模块主要是根据发布的任务对农药喷洒区域进行限定；

所述的药量配比模块主要是根据任务区域的农作物种类、所处位置及生长情况对药量溶液进行配比；

所述的路径规划模块主要是根据飞机作业范围和天气条件计算出无人机飞行将要执行任务的最佳航线；

所述的数据收集模块主要是收集喷洒数据，收集农作物产出时的产出数据，并将数据长传到云服务端；

所述的云服务端主要是讲数据收集模块上传的数据进行归类并存储；

所述的任务执行模块主要是根据路径规划模块规划的最佳航线进行飞行完成喷洒任务。

2.根据权利要求1所述的一种无人机农药喷洒路径规划系统，其特征在于：所述的任务执行模块包括一键式执行任务和断点一键式执行任务，所述的一键式执行任务是无人机根据最佳航线路径一次性完成喷洒任务；所述的断点一键式执行任务是无人机根据最佳航线路径在喷洒的过程中出现了漏喷的情况，再根据断点一键式执行任务进行复喷保证任务区域的所以农作物都喷洒到农药。

3.根据权利要求1所述的一种无人机农药喷洒路径规划系统，其特征在于：所述的计算无人机最佳航线包括计算无人机实际水平航线、路径边缘航点最优位置和飞行最优高度。

4.一种无人机农药喷洒路径规划方法，其特征在于：所述的方法的步骤如下：

S1、控制端发布喷洒任务；

S2、根据任务圈定任务区域；

S3、通过区域边界线与路径的夹角计算路径边缘航点最优位置；

S4、根据农作物实际行间距及当前农作物的大数据分析来调整药量溶液进行配比及翼展宽度；

S5、通过区域大小及最优行间距对农作物复喷和漏喷权重计算得出实际任务航线；

S6、通过对农作物的大数据分析、确定飞行航线最佳高度；

S7、无人机从基站起飞，根据规划的最佳飞行路径执行农作物农药的喷洒任务。

5.根据权利要求4所述的一种无人机农药喷洒路径规划方法，其特征在于：所述的S3中的计算路径边缘航点最优位置方法为：

S31、根据多边形农田外围最大的矩形R，计算获得矩形R的对角线长度D和矩形R的中心点，设最优行间距为distance；

S32、计算左下角坐标点，方向跟最长边航线角度有关，其坐标系为：左270，下180，右90，上360或0，以矩形R中心点计算其正左方距离为D/ 2 ＋distance的点PL，以点PL计算其正后方距离为D/ 2 ＋distance的点PLB；

S33、计算右下角坐标点，以矩形R中心点计算其正右方距离为D/2＋D的点PR，以点PR计算其正后方距离为D/2＋distance的点PRB；

S34、计算左上角坐标点，以点PL计算其正前方距离为D＋2×distance的点PLU；

S35、计算多边形中与直线PL-PLU距离最短的一个点，其距离为minDistance，作为初始点向右根据实际需要布线，计算中间航线距离为centerDistance；

S36、计算距左下角点距离为minDistance、minDistance＋distance/2、minDistance＋distance/2＋centerDistance的正右方坐标点；

S37、计算航线开始点最左下角PLBEGIN；

S38、计算航线结束点最左下角PLEND。

6.根据权利要求4所述的一种无人机农药喷洒路径规划方法，其特征在于：所述的S4中的调整药量溶液进行配比及翼展宽度的方法为：

S41、收集影响农作物的数据，并存储到云端；

S42、综合分析对比各种数据对农作物产出的影响，并汇总写入数据库，即可获得最优飞行高度、最优喷洒宽度和最优农药配比；

S43、通过机械臂和相应程序即可实现调整喷杆的喷洒宽度。

7.根据权利要求4所述的一种无人机农药喷洒路径规划方法，其特征在于：所述的S5中计算出实际任务航线方法为：

S51、根据航线覆盖于漏喷权重比例算法计算行间距平均距离；

S52、当centerDistance＜＝0时，直接以矩形R的中心点为航线，否则首先生成左边开始航线，其次做循环，最后生成右边结束航线；

S53、将前面步骤生成的线段与当前多边形相交为多点的线段保留，其余删除；

S54、从飞机原点算起，距离这些线段最短一端开始作为第一行点，另一端作为第二航点，将当前线段作废，然后计算取距离第二航点最近的其他线段的当前侧的一端作为第三航点，另一端作为第四航点，依次按此法向下标识所有航点，即可将任务航线规划完成。