CN106679673A - 应用于无人机植保的航线规划方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种应用于无人机植保的航线规划方法及系统，该方法包括：判断地块多边形是否是凸多边形；如果是凸多边形，则计算该凸多边形的最窄条带以确定起始边；否则，基于地块多边形的凹陷区间的垂线方向以及地块多边形的每条边的长度来确定起始边；以及，基于起始边计算航线。本发明可以根据地块的形状自动计算最佳起始边和最佳航线，提高了航线规划的效率和质量；此外，在航线规划过程中考虑到凹多边形的实际需求，避免航线穿越地块边界经过地块外部区域。

Description

应用于无人机植保的航线规划方法及系统

技术领域

本发明涉及无人机植保领域，更具体地，涉及一种应用于无人机植保的航线规划方法及系统。

背景技术

无人机植保即利用无人机进行农林植物保护作业，作业时通常采用自主飞行模式(即无人机根据设定的航线自动飞行)或者由驾驶员通过遥控器控制无人机飞行。对于自主飞行模式而言，航线规划是作业前一个重要的准备步骤。航线规划指的是计算机软件系统根据农田地块的坐标(通常是地块的平面投影坐标)信息，计算出一条覆盖整个地块的合理的航线。航线通常是由在地块内来回折返的多个航段组成，如图1中的虚线所示(需要说明的是，地块通常以多边形的形式来表示，该多边形在下文中也称作地块多边形)。

航线规划通常遵循以下几个原则：

1、航段方向应尽量与地块的最窄条带(即包含植保目标点集合的距离最短的两条平行线)方向平行(其前提条件是航段不超出无人机最大航段限值)，这样可以减少航段数量，从而减少无人机的折返次数。

2、起始航段应保持与地块的一条长边平行，这样可以使得起始航段准确覆盖地块，从而减少漏喷和多喷。

3、在遇到凹多边形的地块时，航线不能穿越到地块外部，从而避免将农药喷到非农田区域，并且避免无人机撞到地块外的障碍物造成损失。

目前，航线规划通常采用人机交互和自动计算相结合的方法。该方法包括：首先，由操作员根据经验指定航线起始边(下文中也称作最佳起始边或起始边，如图2中的实线箭头所示)；接着，计算机系统根据起始边的坐标，计算与起始边平行的所有航段。然而，这种航线规划方法的主要缺点在于：航线起始边需要人为指定，使得航线规划效率和质量受到人为因素的影响，并且不能实现批量自动化处理。

发明内容

为解决上述现有技术中存在的问题，本发明的一方面，提供了一种应用于无人机植保的航线规划方法，该方法包括：

步骤1，判断地块多边形是否为凸多边形，如果是则执行步骤2，如果不是则执行步骤3；

步骤2，选取与该凸多边形最窄条带边界重合的边为起始边，执行步骤5；

步骤3，计算所述地块多边形的凸壳，查找所述凸壳与所述地块多边形围成的所有闭合的凹陷区间，执行步骤4；

步骤4，选取任一所述凹陷区间，基于该凹陷区间对应凸壳的边的垂线方向与所述地块多边形各边的夹角、以及所述地块多边形各边的长度计算所述地块多边形各边权值，并选取权值最大的边为起始边，执行步骤5；

步骤5，基于步骤2或步骤4所确定的起始边计算航线。

优选地，步骤4中计算航线的方法为：

在所述地块多边形内，构建与所确定的起始边平行的一组直线段，以使无人机沿改组直线飞行时其喷幅可覆盖所述地块多边形；

该组直线段顺次首尾连接，构成最佳航线。

优选地，所述与所确定的起始边平行的一组直线段，相邻直线段间距离小于等于两倍的无人机喷幅，所确定的起始边与相邻直线段间的距离小于等于一倍的无人机喷幅。

优选地，所述地块多边形各边权值的计算方法为：

Y＝L*R

其中，Y表示地块多边形中所计算边的权值；L表示所计算边的长度；R表示所计算边与凹陷区间对应凸壳的边的垂线方向之间的夹角dT的权值，当dT为0到PI/4时，R＝PI/4-dT，当dT大于PI/4时，R＝0。

优选地，步骤3中，查找所述地块多边形的凹陷区间的方法为：

计算所述地块多边形的凸壳；

读取所述凸壳的一个顶点P0，在所述地块多边形的顶点中查找与P0重合的顶点Q0；

分别以P0和Q0为起始点，在所述凸壳和所述地块多边形的顶点中依次查找，如果与所述凸壳的相邻两个顶点P1、P2分别重合的所述地块多边形的顶点Q1、Q2不相邻，则所述地块多边形的顶点Q1、Q2之间的部分构成凹陷区间；其中，Q1、Q2是该凹陷区间的两个端点；

以P2和Q2为起始点，继续查找凹陷区间，重复该查找过程直到找到所述地块多边形的所有凹陷区间。

优选地，在所述地块多边形包括多个凹陷区间的情况下，所述方法还包括：

步骤6，如果步骤5中没有计算出航线，则通过步骤3的方法从未利用过的凹陷区间任选一个，并通过步骤4的方法进行新的起始边的计算，然后采用步骤5的方法计算航线，直至计算出满足要求的航线或者所有所述地块多边形的凹陷区间均被利用过。

优选地，步骤2中，所述选取与该凸多边形最窄条带边界重合的边为起始边，包括：

步骤a，对于所述地块多边形的一条边，计算所述地块多边形的其余顶点到该边的垂直距离，查找所计算的垂直距离中的最大值，将该最大值称作该边对应的最大垂直距离；

步骤b，对所述地块多边形剩余的每条边重复步骤a，得到所述地块多边形每条边对应的最大垂直距离；

步骤c，对于所述地块多边形每条边对应的最大垂线距离，通过比较查找最小值，将该最小值对应的边作为起始边。

优选地，步骤4中计算航线的方法进一步包括：

以所述起始边为基准对所述地块多边形进行旋转，以将所述起始边旋转到水平直角坐标系的x轴方向；

根据航线间距计算每条航段的y值，根据每条航段的y值以及所述地块多边形x坐标的最小值和最大值构建与每条航段对应的直线段，将直线段与所述地块多边形求交，得到每条航段；

将每条航段按顺序连接，得到航线。

优选地，所述航线间距为两倍的无人机喷幅。

本发明的另一方面，提供了一种应用于无人机植保的航线规划系统，包括：

地形判断模块，配置为判断地块多边形是否是凸多边形；

航线计算模块，基于上述应用于无人机植保的航线规划方法，依据地形判断模块的判断结果进行起始边的计算和航线的计算。

本发明提供的应用于无人机植保的航线规划方法及系统可以根据地块的形状自动计算最合理的起始边，使得航线折返次数最少，提高了航线规划效率和质量。此外，在航线规划过程中考虑到凹多边形的实际需求，避免航线穿越地块边界经过地块外部区域。

附图说明

图1示例性地示出地块及覆盖该地块的航线；

图2示例性地示出航线起始边；

图3是根据本发明一个实施例的应用于无人机植保的航线规划方法的流程图；

图4示例性地示出凸多边形地块的最窄条带；

图5示例性地示出凹多边形地块的凹陷区间；

图6示例性地示出凹陷区间的垂线以及起始边；

图7示例性地示出所计算的航段和航线。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明加以说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

根据本发明的一个实施例，提供一种应用于无人机植保的航线规划方法。

概括而言，该方法包括：判断地块多边形是否是凸多边形；如果是凸多边形，则计算该凸多边形的最窄条带以确定起始边；否则，基于地块多边形的凹陷区间的垂线方向以及地块多边形的每条边的长度确定起始边(下文也称作最佳起始边)；基于该起始边计算航线(下文也称作最佳航线)。

下面结合图3，对该应用于无人机植保的航线规划方法实施例进行详细描述。

第一步：读取地块多边形坐标并且判断该多边形是否是凸多边形，若是凸多边形则执行第二步，否则执行第三步。

本步骤中，判断多边形是否是凸多边形属于计算几何领域的常规算法，本文不再对此进行具体描述。

第二步：选取与该凸多边形最窄条带边界重合的边为最佳起始边，执行第五步以计算最佳航线。

对于凸多边形，根据一个实施例，确定其最佳起始边的步骤如下：

1、选取该凸多边形的第一条边(可任意选取一条边作为第一条边)，依次计算该凸多边形的其余顶点到该边的垂直距离(应理解，点与线的垂直距离计算属于计算几何领域的常规算法，本文不再对此进行描述)，通过比较查找垂直距离中的最大值并且记录该最大值，将该最大值称作第一条边对应的最大垂直距离。

2、对该凸多边形剩余的每条边重复步骤1，记录每条边对应的最大垂直距离。

3、对于该凸多边形每条边对应的最大垂线距离，通过比较查找最小值，记录该最小值对应的边和顶点，从而获得该凸多边形的最窄条带(即包含该凸多边形所有点集合的距离最短的两条平行线，分别为与所述最小值对应的边重合的直线和通过最小值对应的顶点与所述最小值对应边平行的直线)，将该边作为规划航线的最佳起始边，如图4顶部的虚线所示。

第三步：计算所述地块多边形的凸壳，查找所述凸壳与所述地块多边形围成的所有闭合的凹陷区间，执行第四步。

对于凹多边形，查找其凹陷区间(凹陷区间指的是凹多边形相对于其对应凸壳向内凹进的部分，如图5中的Q1-Q2部分)：

1、计算该凹多边形的凸壳(应理解，计算凸壳属于计算几何领域的常规算法，本文不再对此进行描述)。

2、读取凸壳的第一个顶点P0的坐标(可以任意选择凸壳上的一个顶点作为第一个顶点)，在凹多边形顶点中查找与P0重合的顶点，记录为Q0。

3、分别以P0和Q0为起始点，在凸壳和凹多边形的顶点中依次查找(举例而言，可以以P0和Q0为起始点顺时针依次查找凸壳和凹多边形的顶点)，当找到满足下列条件的顶点时即找到凹多边形的一个凹陷区间：

(1)P1与Q1重合，其中，P1是凸壳上的顶点，Q1是凹多边形上的顶点；

(2)P2与Q2重合，其中，P2是凸壳上的顶点，Q2是凹多边形上的顶点；

(3)P1与P2在凸壳上相邻；

(4)Q1与Q2在凹多边形上不相邻。

记录凹陷区间的两个顶点Q1和Q2。Q1和Q2之间的部分(指凹进部分)构成凹陷区间，Q1，Q2是该凹陷区间的两个端点。

4、以P2和Q2为起始点，重复步骤3，记录该凹多边形的所有凹陷区间。图5右侧的虚线给出了凹陷区间的一个示例。

第四步：选取任一所述凹陷区间，基于该凹陷区间对应凸壳的边的垂线(即凹陷区间的垂线)与所述地块多边形各边的夹角、以及所述地块多边形各边的长度计算所述地块多边形各边权值，并选取权值最大的边为起始边，执行第五步；

(一)计算凹陷区间的垂线方向T。

如图6所示，连接第一个凹陷区间的两个端点Q1和Q2得到线段Q1Q2，计算线段Q1Q2的垂线(如图6所示)，记录垂线方向T。

(二)根据垂线方向计算最佳起始边。

针对第一个凹陷区间，对于凹多边形的每条边，计算一个判定权值Y，计算公式如下：

Y＝L*R

其中，Y表示地块多边形中所计算边的权值；L表示所计算边的长度(单位例如是米，R表示所计算边与凹陷区间对应凸壳的边的垂线方向之间的夹角dT的权值(单位弧度)，R的计算公式如下：

R＝PI/4-dT，dT为0到PI/4，

R＝0，dT大于PI/4；

之所以规定夹角大于PI/4时权值R为0，是为了强化夹角的权值，避免角度不理想的边凭借长度取得较大权值。

完成每条边的权值的计算之后，通过比较查找权值最大的边，记录该边作为最佳起始边，如图6顶部的点状虚线所示。

(三)找到最佳起始边之后，即可以执行第五步以计算最佳航线。

第五步：根据最佳起始边计算最佳航线并输出最佳航线。

经过第二步至第四步的计算，无论是凸多边形还是凹多边形，都已经获得最佳起始边，如图7顶部的实线箭头所示。

在最佳起始边的基础上，计算最佳航线的方法为：在所述地块多边形内，构建与所确定的起始边平行的一组直线段，以使无人机沿改组直线飞行时其喷幅可覆盖所述地块多边形；该组直线段顺次首尾连接，构成最佳航线。

所述与所确定的起始边平行的一组直线段，相邻直线段间距离小于等于两倍的无人机喷幅，所确定的起始边与相邻直线段间的距离小于等于一倍的无人机喷幅。

上述方法可以细化为如下步骤：

1、以最佳起始边为基准，对地块多边形进行旋转，旋转的目标是将最佳起始边旋转到条带方向(即水平直角坐标系中的x轴方向，多边形旋转变换是计算几何领域中仿射变换的一种基本操作，本文不再对此进行描述)。

2、根据航线间距，计算每条航段的y值；根据每条航段的y值以及地块多边形x坐标的最小值和最大值，构建每条航段对应的直线段(如图7中与虚线重合的实线所示)。以直线段与地块多边形求交(应理解，直线段与多边形求交是计算几何领域的常规算法，本文不再描述)，得到准确的航段。

3、将每条航段按顺序连接得到最佳航线，输出该最佳航线。

本实施例中，航线间距优选为两倍的无人机喷幅。

第六步：地块多边形包括多个凹陷区间的情况下的航线计算。

进一步地，在地块多边形是凹多边形并且该凹多边形具有多个凹陷区间的实施例中，如果执行第四步得到了最佳航线，则整个航线规划方法终止，如果返回结果为空值(即不能获得最佳航线)，则通过第三步、第四步的方法从未利用过的凹陷区间任选一个，并进行新的起始边的计算，然后采用第五步的方法计算最佳航线，直至计算出满足要求的最佳航线或者所有所述地块多边形的凹陷区间均被利用过

根据本发明的另一个实施例，还提供一种应用于无人机植保的航线规划系统。

该航线规划系统包括：地形判断模块，用于判断地块多边形是否是凸多边形；航线计算模块，基于上述第一步至第六步所述的方法，依据地形判断模块的判断结果进行起始边的计算和航线的计算。

本发明提供的应用于无人机植保的航线规划方法和系统能够带来如下几个方面的有益效果：

1、基于地块多边形的形状自动计算最佳起始边和最佳航线，不需要人为指定起始边，提高了航线规划的效率和质量；

2、自动计算的航线的起始航段与地块多边形的一条边平行，满足折返次数最少的条件，并且满足不穿越凹多边形边界经过凹多边形外部区域的条件。

所属技术领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统的具体工作过程及有关说明，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

本领域技术人员应该能够意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的模块及方法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明电子硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以电子硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。本领域技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征作出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种应用于无人机植保的航线规划方法，其特征在于，包括：

步骤1，判断地块多边形是否为凸多边形，如果是则执行步骤2，如果不是则执行步骤3；

步骤2，选取与该凸多边形最窄条带边界重合的边为起始边，执行步骤5；

步骤3，计算所述地块多边形的凸壳，查找所述凸壳与所述地块多边形围成的所有闭合的凹陷区间，执行步骤4；

步骤4，选取任一所述凹陷区间，基于该凹陷区间对应凸壳的边的垂线方向与所述地块多边形各边的夹角、以及所述地块多边形各边的长度计算所述地块多边形各边权值，并选取权值最大的边为起始边，执行步骤5；

步骤5，基于步骤2或步骤4所确定的起始边计算航线。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤4中计算航线的方法为：

在所述地块多边形内，构建与所确定的起始边平行的一组直线段，以使无人机沿改组直线飞行时其喷幅可覆盖所述地块多边形；

该组直线段顺次首尾连接，构成最佳航线。

3.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述与所确定的起始边平行的一组直线段，相邻直线段间距离小于等于两倍的无人机喷幅，所确定的起始边与相邻直线段间的距离小于等于一倍的无人机喷幅。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述地块多边形各边权值的计算方法为：

Y＝L*R

其中，Y表示地块多边形中所计算边的权值；L表示所计算边的长度；R表示所计算边与凹陷区间对应凸壳的边的垂线方向之间的夹角dT的权值，当dT为0到PI/4时，R＝PI/4-dT，当dT大于PI/4时，R＝0。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤3中，查找所述地块多边形的凹陷区间的方法为：

计算所述地块多边形的凸壳；

读取所述凸壳的一个顶点P0，在所述地块多边形的顶点中查找与P0重合的顶点Q0；

分别以P0和Q0为起始点，在所述凸壳和所述地块多边形的顶点中依次查找，如果与所述凸壳的相邻两个顶点P1、P2分别重合的所述地块多边形的顶点Q1、Q2不相邻，则所述地块多边形的顶点Q1、Q2之间的部分构成凹陷区间；其中，Q1、Q2是该凹陷区间的两个端点；

以P2和Q2为起始点，继续查找凹陷区间，重复该查找过程直到找到所述地块多边形的所有凹陷区间。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的方法，其特征在于，在所述地块多边形包括多个凹陷区间的情况下，所述方法还包括：

步骤6，如果步骤5中没有计算出航线，则通过步骤3的方法从未利用过的凹陷区间任选一个，并通过步骤4的方法进行新的起始边的计算，然后采用步骤5的方法计算航线，直至计算出满足要求的航线或者所有所述地块多边形的凹陷区间均被利用过。

7.根据权利要求1-5中任一项所述的方法，其特征在于，步骤2中，所述选取与该凸多边形最窄条带边界重合的边为起始边，包括：

步骤a，对于所述地块多边形的一条边，计算所述地块多边形的其余顶点到该边的垂直距离，查找所计算的垂直距离中的最大值，将该最大值称作该边对应的最大垂直距离；

步骤b，对所述地块多边形剩余的每条边重复步骤a，得到所述地块多边形每条边对应的最大垂直距离；

步骤c，对于所述地块多边形每条边对应的最大垂线距离，通过比较查找最小值，将该最小值对应的边作为起始边。

8.根据权利要求2-5中任一项所述的方法，其特征在于，步骤4中计算航线的方法进一步包括：

以所述起始边为基准对所述地块多边形进行旋转，以将所述起始边旋转到水平直角坐标系的x轴方向；

根据航线间距计算每条航段的y值，根据每条航段的y值以及所述地块多边形x坐标的最小值和最大值构建与每条航段对应的直线段，将直线段与所述地块多边形求交，得到每条航段；

将每条航段按顺序连接，得到航线。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述航线间距为两倍的无人机喷幅。

10.一种应用于无人机植保的航线规划系统，其特征在于，包括：

地形判断模块，配置为判断地块多边形是否是凸多边形；

航线计算模块，基于权利要求1～9中任一项所述的方法，依据地形判断模块的判断结果进行起始边的计算和航线的计算。