CN106774434A - 应用于无人机植保的自动避障方法及系统 - Google Patents

应用于无人机植保的自动避障方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种应用于无人机植保的自动避障方法及系统，该方法包括：基于与地块多边形相交的线状障碍物，将地块多边形分割为多个任务区；对于所述任务区，计算第一有效任务区和第二有效任务区；所述第一有效任务区的任一边作为起始航段时，其外移喷幅宽度对应的边界为无人机喷洒所允许达到的最大边界；所述第二有效任务区的任一边作为航段一端时，其延伸喷步宽度对应的边界为无人机喷洒所允许达到的最大边界；基于第一有效任务区计算起始航段和航段数量，基于各航段与第二有效任务区边界的交点获取各航段的端点。本发明提高了无人机避障方法的效率；此外，由于在计算有效任务区时考虑到无人机的喷幅和喷步，还提高了无人机避障方法的准确性。

Description

应用于无人机植保的自动避障方法及系统
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自动避障方法及系统。
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。
在进行航线规划之前，需要考虑地块内和地块附近是否存在障碍物，以保证无人机安全飞行。根据调研，农田地块内最常见的障碍物是电力线(如图2中间的虚线所示，而农田地块附近最常见的障碍物是树木(通常是一排树木，如图2左侧的虚线所示。为了保证无人机安全飞行，有时不仅要求无人机不能穿越障碍物，而且还必须根据障碍物的类型设定合理的缓冲区。例如，针对普通电力线需要设定10米的缓冲区(以电力线中心线为基准，针对树木需要设定2米的缓冲区(以树冠边界为基准，临近机耕道的地块边界一般也需要设定1米的缓冲区。在这种情况下，在规划航线之前，必须先根据地块内的障碍物对地块进行任务区分割，并且在分割之后根据障碍物的缓冲区计算植保作业的有效任务区，经过这样处理的有效任务区才是进行航线规划的目标区域。
在无人机植保领域，目前一般采用人工判别的避障方法，也就是由业务员在电子地图上根据地块内障碍物的分布情况，用鼠标勾绘任务区。然而，这种人工判别的避障方法存在以下几个缺点：1、准确性差，用鼠标勾绘任务区时很难精确给定某种类型障碍物的缓冲区，同一个地块、相同类型障碍物的缓冲距离往往不同；2、效率低，无法实现批量、自动化处理。
发明内容
为解决上述现有技术中存在的问题，根据本发明的一个方面，提供了一种应用于无人机植保的自动避障方法，包括：
步骤1，基于与地块多边形相交的线状障碍物，将地块多边形分割为多个任务区；
步骤2，对于所述任务区，计算第一有效任务区和第二有效任务区；所述第一有效任务区的任一边作为起始航段时，其外移喷幅宽度对应的边界为无人机喷洒所允许达到的最大边界；所述第二有效任务区的任一边作为航段一端时，其延伸喷步宽度对应的边界为无人机喷洒所允许达到的最大边界；
步骤3，基于第一有效任务区计算起始航段和航段数量，基于各航段与第二有效任务区边界的交点获取各航段的端点。
优选地，步骤2中第一有效任务区的计算，具体为：
步骤201，对于所述任务区的每一条边界线段，分别取对应边界线段的缓冲距离与无人机喷幅之间的较大者作为对应边界线段的第一有效缓冲距离，以得到对应边界线段的第一有效缓冲区；
步骤202、将所述对应任务区减去其所有边界线段对应的第一有效缓冲区，得到所述对应任务区的第一有效任务区。
优选地，在所述对应任务区附近存在邻近障碍物的情况下，步骤202中在将所述对应任务区减去其所有边界线段对应的第一有效缓冲区后，还包括：
将所述对应任务区减去该邻近障碍物的缓冲区。
优选地，计算任务区的第二有效任务区包括：
步骤211、对于所述对应任务区的每一条边界线段，分别取对应边界线段的缓冲距离与无人机喷步之间的较大者作为对应边界线段的第二有效缓冲距离，以得到对应边界线段的第二有效缓冲区；
步骤212、将所述对应任务区减去其所有边界线段的第二有效缓冲区，得到所述对应任务区的第二有效任务区。
优选地，在所述对应任务区附近存在邻近障碍物的情况下，步骤212中在将所述对应任务区减去其所有边界线段的第二有效缓冲区后，还包括：
将所述对应任务区减去该邻近障碍物的缓冲区。
优选地，步骤3包括：
从任务区的第一有效任务区的边界线中任选一条作为起始航段，根据设定航线间隔确定航段数量，并生成其他航段；
依据该任务区所获取航段与第二有效任务区边界的交点确定各航段的起点和终点，以起点和终点之间的直线段作为新的航段生成无人机植保航线。
优选地，步骤1包括：
计算地块多边形的边界线段与障碍物的交点，得到地块多边形的边界线段被障碍物分割后的线段；
由地块多边形的被分割后的线段与所述交点连线构成的障碍物边界线段构成任务区。
优选地，还包括：
步骤0、对于特定地块多边形，判断是否有障碍物将该特定地块多边形分割开，如果有则执行步骤1，否则将该特定地块多边形作为任务区执行步骤2。
本发明的另一方面，还提供了一种应用于无人机植保的自动避障系统，包括：
任务区分割模块，配置为基于障碍物将地块多边形分割为多个任务区；
航线规划模块，配置为对所述任务区，基于权利要求1～8中任一项所述的方法计算第一有效任务区、第二有效任务区，并进一步计算无人机植保航线。
优选地，所述任务区分割模块进行多个任务区分割的方法为：计算地块多边形的边界线段与障碍物的交点，得到地块多边形的边界线段被障碍物分割后的线段；由地块多边形的被分割后的线段与所述交点连线构成的障碍物边界线段构成任务区。
本发明提供的应用于无人机植保的自动避障方法及系统能够根据障碍物将地块自动分割为多个任务区，能够根据任务区边界线段的缓冲距离以及无人机的喷幅和喷步自动计算有效任务区，提高了无人机避障方法的效率；此外，由于在计算有效任务区时综合考虑了无人机的喷幅和喷步，因此还提高了无人机避障方法的准确性。
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示例性地示出地块内以及地块附近的障碍物；
图3是根据本发明一个实施例的应用于无人机植保的自动避障方法的流程图；
图4示例性地示出地块多边形以及将该地块多边形分割开的障碍物；
图5示出对图4中的地块多边形进行分割后得到的任务区；
图6示例性地示出无人机的喷幅和喷步；
图7是无人机沿障碍物边界飞行的示意图；
图8是无人机朝向障碍物飞行的示意图；
图9示例性地示出任务区内的两个有效任务区；
图10示出根据图9中的有效任务区规划的航线。
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自动避障方法。
概括而言，该方法包括：基于障碍物将地块多边形分割为多个任务区；对于每个任务区，基于该任务区的边界线段的缓冲区和无人机喷幅计算该任务区的第一有效任务区，并且基于该任务区的边界线段的缓冲区和无人机喷步确定该任务区的第二有效任务区；以及，基于每个任务区的第一有效任务区和第二有效任务区规划该任务区的航线。
下面结合图3，对该应用于无人机植保的自动避障方法实施例进行详细描述。
第一步：读取地块多边形的坐标和障碍物的坐标，判断是否有障碍物将该地块多边形分割开，若有则执行第二步，否则，将该地块多边形作为任务区执行第三步。
本领域技术人员应理解，判断障碍物是否将地块多边形分割开的过程属于计算几何领域的公知常识，本文不再对此进行描述。
其中，对于地块内常见的线状障碍物(如电力线)而言，则可以判断该线状障碍物是否与地块多边形的两条边相交，如果相交，则说明该线状障碍物分割开了该地块多边形。
第二步：根据障碍物将地块多边形进行分割，得到多个任务区，并且记录任务区边界类型。
在一个实施例中，可以计算地块多边形的边界线段与障碍物的交点，从而得到该地块多边形的边界线段被障碍物分割后的线段；由地块多边形的被分割后的线段与交点之间的障碍物边界线段构成任务区。
下面以图4所示的地块多边形及障碍物为例具体描述第二步，其中地块多边形顶点的坐标为M1-M5，障碍物顶点的坐标为Q1-Q2。
1、计算地块多边形的边界线段(M1M2M3M4M5M1)与障碍物线段(Q1Q2)的交点P1和P2(应理解，线段之间求交是计算几何领域的常规算法，本文不再进行描述)，根据交点P1和P2获得地块多边形的边界线段被障碍物分割后的两条线段(P1M1M2M3P2)和(P2M4M5P1)，以及交点P1和P2之间的障碍物边界线段(P1P2)。
2、根据分割后的边界线段和交点间障碍物的边界线段，组合得到2个闭合的任务区(P1M1M2M3P2P1)和(P2M4M5P1P2)，图4分割后的任务区如图5所示，包括任务区1和任务区2。
3、记录任务区的边界信息，例如可以为图4左边的任务区记录两条线段(P2M4M5P1)和(P1P2)，同时记录边界类型，例如线段(P2M4M5P1)是地块边界，而线段(P1P2)是电力线。
以上以图4为例描述了根据一个障碍物将地块多边形分割为两个任务区的方法，然而本领域技术人员应理解，在具有多个障碍物的情况下，分割任务区的方法也是类似的。
第三步：计算每个任务区的有效任务区。
在计算每个任务区的有效任务区时，不仅要考虑从任务区减去该任务区边界线段的缓冲区和任务区附近的障碍物(也称邻近障碍物)的缓冲区，另外，还需要考虑无人机的喷幅和喷步，理由如下：
无人机的喷幅和喷步可参见图6(其中带箭头的线表示喷步，另一条与之垂直的线表示喷幅)，无人机在喷洒农药时，通过喷杆重点将农药向两侧喷洒，这一范围称为喷幅；同时农药在无人机前后方向上也有一定的喷洒范围，称为喷步。一般情况下，喷幅大于喷步。由于存在喷幅和喷步，因此无人机在地块边界航段上不需要沿着地块边界飞行，并且在航段首尾也不需要直接到达地块边界的终端。
在综合考虑任务区边界线段的缓冲区(包括邻近障碍物的缓冲区)与无人机喷幅、喷步的情况下，以地块内的障碍物的缓冲区为例，该缓冲区与无人机喷幅、喷步的关系可分为以下两种情况：
(一)在无人机沿着障碍物边界飞行的情况下(如图7所示)，如果障碍物的缓冲距离大于喷幅，则无人机应该沿着障碍物的缓冲区边界飞行；如果障碍物的缓冲距离小于喷幅，则无人机可以不沿着该障碍物的缓冲区边界飞行，只要保证农药喷洒到目标处即可，即无人机与障碍物的距离可以是其喷幅的大小。
(二)在无人机朝向障碍物飞行的情况下(如图8所示)，如果障碍物的缓冲距离大于喷步，则无人机应该飞到该缓冲区边界处折返；如果缓冲距离小于喷步，则无人机可以飞到离障碍物的距离为喷步大小时折返(即还没进入缓冲区)，只要保证农药喷洒到目标处即可。
基于上文的分析，为了区分无人机喷幅和喷步在航段左右和前后方向的影响，需要针对每个任务区计算有效任务区A和有效任务区B，有效任务区A的任一边作为起始航段时，其外移喷幅宽度对应的边界为无人机喷洒所允许达到的最大边界；有效任务区B的任一边作为航段一端时，其延伸喷步宽度对应的边界为无人机喷洒所允许达到的最大边界。其中，有效任务区A综合考虑无人机喷幅和任务区边界线段的缓冲区，有效任务区B综合考虑无人机喷步和任务区边界线段的缓冲区。
在一个实施例中，有效任务区A的计算步骤如下：
1、对于任务区的每一条边界线段，取该边界线段的缓冲距离与无人机喷幅之间的较大者作为该边界线段的有效缓冲距离，计算该边界线段的有效缓冲区。
举例而言，如图8所示，边界线段(P1P2)的缓冲区如线段(P1P2)周围一圈的虚线所示，边界线段(P2M4M5P1)的缓冲区与之类似。
2、将该任务区减去其所有边界线段的有效缓冲区。
3、在步骤2的基础上，将该任务区再减去邻近障碍物的缓冲区，例如图8中左侧虚线所表示的排树的缓冲区。
有效任务区B的计算方法与A类似，唯一的区别是用喷步替代喷幅。
图9给出了任务区内的两个有效任务区的示例，其中有效任务区A的示意图如图9任务区1中的实线框所示，有效任务区B的示意图如图9任务区1中的虚线框所示。有效任务区A包含于有效任务区B中，它们的部分边界可能重合。
第四步：根据有效任务区规划航线。
在有效任务区A和有效任务区B的基础上规划航线。其中，有效任务区A用于确定任务区内航线的起始航段和航段数量，有效任务区B用于确定任务区内每条航段的起点和终点，具体为：从任务区的第一有效任务区的边界线中任选一条作为起始航段，根据设定航线间隔确定航段数量，并生成其他航段；依据该任务区所获取航段与第二有效任务区边界的交点确定各航段的起点和终点，以起点和终点之间的直线段作为新的航段生成无人机植保航线。图10给出了航线的示例。而规划航线的方法可采用现有的无人机航线规划方法，本文不再对此进行详细描述。
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自动避障系统。该系统包括任务区分割模块、航线规划模块。
其中，任务区分割模块，配置为基于障碍物将地块多边形分割为多个任务区。航线规划模块，配置为对所述任务区，基于上述应用于无人机植保的自动避障方法计算第一有效任务区、第二有效任务区，并进一步计算无人机植保航线。
所述任务区分割模块进行多个任务区分割的方法为：计算地块多边形的边界线段与障碍物的交点，得到地块多边形的边界线段被障碍物分割后的线段；由地块多边形的被分割后的线段与所述交点连线构成的障碍物边界线段构成任务区。
本发明提供的应用于无人机植保的自动避障方法和系统能够带来如下几个方面的有益效果：
1、能够根据障碍物将地块自动分割为多个任务区，并且能够根据任务区边界线段的缓冲区以及无人机的喷幅和喷步自动计算有效任务区，这提高了避障效率；
2、在计算有效任务区时，综合考虑无人机的喷幅和喷步，使得避障更为精准。
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自动避障方法，其特征在于，包括：
步骤1，基于与地块多边形相交的线状障碍物，将地块多边形分割为多个任务区；
步骤2，对于所述任务区，计算第一有效任务区和第二有效任务区；所述第一有效任务区的任一边作为起始航段时，其外移喷幅宽度对应的边界为无人机喷洒所允许达到的最大边界；所述第二有效任务区的任一边作为航段一端时，其延伸喷步宽度对应的边界为无人机喷洒所允许达到的最大边界；
步骤3，基于第一有效任务区计算起始航段和航段数量，基于各航段与第二有效任务区边界的交点获取各航段的端点。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2中第一有效任务区的计算，具体为：
步骤201，对于所述任务区的每一条边界线段，分别取对应边界线段的缓冲距离与无人机喷幅之间的较大者作为对应边界线段的第一有效缓冲距离，以得到对应边界线段的第一有效缓冲区；
步骤202、将所述对应任务区减去其所有边界线段对应的第一有效缓冲区，得到所述对应任务区的第一有效任务区。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在所述对应任务区附近存在邻近障碍物的情况下，步骤202中在将所述对应任务区减去其所有边界线段对应的第一有效缓冲区后，还包括：
将所述对应任务区减去该邻近障碍物的缓冲区。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于，计算任务区的第二有效任务区包括：
步骤211、对于所述对应任务区的每一条边界线段，分别取对应边界线段的缓冲距离与无人机喷步之间的较大者作为对应边界线段的第二有效缓冲距离，以得到对应边界线段的第二有效缓冲区；
步骤212、将所述对应任务区减去其所有边界线段的第二有效缓冲区，得到所述对应任务区的第二有效任务区。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在所述对应任务区附近存在邻近障碍物的情况下，步骤212中在将所述对应任务区减去其所有边界线段的第二有效缓冲区后，还包括：
将所述对应任务区减去该邻近障碍物的缓冲区。
6.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于，步骤3包括：
从任务区的第一有效任务区的边界线中任选一条作为起始航段，根据设定航线间隔确定航段数量，并生成其他航段；
依据该任务区所获取航段与第二有效任务区边界的交点确定各航段的起点和终点，以起点和终点之间的直线段作为新的航段生成无人机植保航线。
7.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于，步骤1包括：
计算地块多边形的边界线段与障碍物的交点，得到地块多边形的边界线段被障碍物分割后的线段；
由地块多边形的被分割后的线段与所述交点连线构成的障碍物边界线段构成任务区。
8.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于，还包括：
步骤0、对于特定地块多边形，判断是否有障碍物将该特定地块多边形分割开，如果有则执行步骤1，否则将该特定地块多边形作为任务区执行步骤2。
9.一种应用于无人机植保的自动避障系统，其特征在于，包括：
任务区分割模块，配置为基于障碍物将地块多边形分割为多个任务区；
航线规划模块，配置为对所述任务区，基于权利要求1～8中任一项所述的方法计算第一有效任务区、第二有效任务区，并进一步计算无人机植保航线。
10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述任务区分割模块进行多个任务区分割的方法为：计算地块多边形的边界线段与障碍物的交点，得到地块多边形的边界线段被障碍物分割后的线段；由地块多边形的被分割后的线段与所述交点连线构成的障碍物边界线段构成任务区。
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