CN106919178A - 一种植保无人机自主飞行路径优化装置及其优化方法 - Google Patents

Abstract

一种植保无人机自主飞行路径优化装置及其优化方法，涉及植保无人机的技术领域。本发明包括设置在植保无人机上的机载GPS天线、飞行控制系统、机载相对高度探测器、机载摄像头、机载数据回传和接收系统；位于地面站的地面站地理信息和图像处理系统、地面站飞行任务规划系统、地面站指令接收和发送系统。本发明实现了能够根据不同的地形合理选择路径，提高无人机作业的精准性和作业效率，降低重复覆盖率、漏喷率与能量消耗的目的。

Description

一种植保无人机自主飞行路径优化装置及其优化方法

技术领域

本发明涉及植保无人机的技术领域。

背景技术

近年来，随着多旋翼无人机技术的不断发展和成熟，在农业植保方面，多旋翼无人机作业方式相比于传统的人工作业方式，大大节省了人力成本，提高了作业效率，同时也保证了作业人员不受农药的侵害；相比于传统固定翼飞机大面积喷洒的方式，多旋翼无人机作业可以显著降低飞行成本，在农药喷洒的效果上，多旋翼无人机高速旋转的桨叶产生的下洗气流可以吹开植物表面的叶片，使农药均匀地作用于农作物整体，有效的提高了农药的施用效率，体现了精细农业的要求。考虑到植保机是在大片农田中进行作业，如果采用姿态或速度模式飞行，距离较远时，操作人员无法了解到无人机的飞行状态，出现飞行事故机率将大大增加。因此，需要对四旋翼无人植保机的飞行轨迹进行规划。无人机路径规划指的是根据无人机自身机动性、飞行环境和任务要求,选择一条安全有效的飞行路线。在无人机的实际飞行过程中,地面测控系统实时输出大量飞行数据,根据大量飞行数据快速进行处理,并及时地对无人机进行飞行控制,这对于无人机的飞行安全至关重要。

植保机是在大片农田中进行作业，如果采用姿态或GPS辅助的速度模式飞行，距离较远时，操作人员无法了解到无人机的飞行状态，出现飞行事故机率将大大增加。因此，需要对四旋翼无人植保机的飞行轨迹进行规划。现在大多技术是通过地面站系统生成无人机的飞行轨迹，用GPS对周边边缘点进行经纬度分析，并将数据录到地面站系统，地面站根据数据生成多个目标点，并对点进行保存，形成飞机的飞行路径，此方法对地域有一定的局限性，而且当地势不平即存在障碍物时飞机可能无法及时避开，存在安全隐患。而现在有的植保机装有用于探测农用植保无人机周围的障碍物的障碍探测器，但当遇到障碍物时，无人机通过数传发给地面站，再接收紧急避障指令，这样存在延迟可能使飞机来不及避让而发生危险。

发明内容

本发明目的是提供一种能够根据不同的地形合理选择路径，提高无人机作业的精准性和作业效率，降低重复覆盖率、漏喷率与能量消耗的植保无人机自主飞行路径优化方法。

一种植保无人机自主飞行路径优化装置，包括：

设置在植保无人机上用于采集植保无人机的水平坐标和高度坐标，并与GPS卫星系统通信的机载GPS天线；

设置在植保无人机上用于控制植保无人机的飞行和播撒作业的飞行控制系统；

设置在植保无人机上用于探测植保无人机相对于地面的高度的机载相对高度探测器；

设置在植保无人机上用于对作业农田进行航拍取样的机载摄像头；

设置在植保无人机上用于将所述机载GPS天线、机载相对高度探测器和机载摄像头获得的数据回传到地面站子系统，同时接收地面站子系统数据的机载数据回传和接收系统；

位于地面站用来处理并存储农田地块的坐标、植被类型、植被相对地面高度、障碍物信息的地面站地理信息和图像处理系统；

位于地面站用于对接收到的机载数据回传和接收系统发来的数据，并结合地面站地理信息和图像处理系统中存储的信息，规划植保无人机飞行路线的地面站飞行任务规划系统；

位于地面站用于接收机载数据回传和接收系统的数据，并将地面站飞行任务规划系统的数据回传的地面站指令接收和发送系统。

本发明设置在植保无人机上的机载相对高度探测器采用声纳和光流探测。

一种植保无人机自主飞行路径优化方法，包括如下步骤：

第一步：用装有摄像头的植保机对工作区域进行航拍，对航拍图像进行自动识别，并找出“雷区点”；

第二步：地面站根据分析后的地形特点以避开“雷区点”为原则生成相应的飞行路径；

第三步：植保机按照地面站设定的飞行高度和喷雾航线飞行；

第四步：航线导航控制随时调整飞行过程中的航线误差，使实际航迹符合预定航路。

本发明的对航拍图像进行自动识别，并找出“雷区点”，包括如下步骤：

1）输入原始图像；

2）对输入的原始图像进行灰度化处理；

3）对灰度化处理的图像进行图像增强；

4）对增强的图像进行滤波处理；

5）对滤波处理的图像进行二值化处理；

6）生成图像表盘定位，并将飞行过程中遇到的障碍物位置标注为“雷区点”。

本发明将标注的“雷区点”对应转化到地面站的经纬度，地面站根据分析后的地形特点并以避开雷区点为原则生成相应的飞行轨迹。

本发明的航线导航控制随时调整飞行过程中的航线误差，使实际航迹符合预定航路，包括如下步骤：

a）植保机通过无线信息输入接口接收地面站设定的飞行高度和规划的喷雾航路数据,存储在飞控处理单元中；

b）航路导航控制将规划的喷雾航路中的目标位置信息与GPS装置获得的实际位置信息进行比较,产生姿态控制指令和水平速度控制指令,使无人机随时调整飞行过程中出现的航路误差,使实际的航迹符合预定航路。

本发明在植保无人机上装置摄像头，在喷洒作业开始前，首先用装有摄像头的植保机对工作区域进行航拍，通过对航拍图像的自动识别可以了解农田的地势以及飞行过程中可能遇到的障碍物，地面站根据分析后的地形生成相应的飞行轨迹。植保无人机将沿预设的飞行航路进行植保作业, 能减轻遥控操作人员的劳动强度,提高无人机作业的精准性和作业效率，降低重复覆盖率、漏喷率与能量消耗。

附图说明

图1是本发明优化装置的连接示意图。

图2是本发明优化方法的流程示意图。

图3是本发明找到“雷区点”的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：

如图1所示，一种植保无人机自主飞行路径优化装置，包括：

设置在植保无人机上用于采集植保无人机的水平坐标和高度坐标，并与GPS卫星系统通信的机载GPS天线1；

设置在植保无人机上用于控制植保无人机的飞行和播撒作业的飞行控制系统2；

设置在植保无人机上用于探测植保无人机相对于地面的高度的机载相对高度探测器3；

设置在植保无人机上用于对作业农田进行航拍取样的机载摄像头8；

设置在植保无人机上用于将所述机载GPS天线1、机载相对高度探测器3和机载摄像头8获得的数据回传到地面站子系统，同时接收地面站子系统数据的机载数据回传和接收系统4；

位于地面站用来处理并存储农田地块的坐标、植被类型、植被相对地面高度、障碍物信息的地面站地理信息和图像处理系统5；

位于地面站用于对接收到的机载数据回传和接收系统4发来的数据，并结合地面站地理信息和图像处理系统5中存储的信息，规划植保无人机飞行路线的地面站飞行任务规划系统6；

位于地面站用于接收机载数据回传和接收系统4的数据，并将地面站飞行任务规划系统6的数据回传的地面站指令接收和发送系统7。

本发明设置在植保无人机上的机载相对高度探测器3采用声纳和光流探测。

如图2所示，一种植保无人机自主飞行路径优化方法，包括如下步骤：

第一步：用装有摄像头的植保机对工作区域进行航拍，对航拍图像进行自动识别，并找出“雷区点”；

第二步：地面站根据分析后的地形特点以避开“雷区点”为原则生成相应的飞行路径；

第三步：植保机按照地面站设定的飞行高度和喷雾航线飞行；

第四步：航线导航控制随时调整飞行过程中的航线误差，使实际航迹符合预定航路。

如图3所示，本发明的对航拍图像进行自动识别，并找出“雷区点”，包括如下步骤：

1）输入原始图像；

2）对输入的原始图像进行灰度化处理；

3）对灰度化处理的图像进行图像增强；

4）对增强的图像进行滤波处理；

5）对滤波处理的图像进行二值化处理；

6）生成图像表盘定位，并将飞行过程中遇到的障碍物位置标注为“雷区点”。

本发明将标注的“雷区点”对应转化到地面站的经纬度，地面站根据分析后的地形特点并以避开雷区点为原则生成相应的飞行轨迹。

本发明的航线导航控制随时调整飞行过程中的航线误差，使实际航迹符合预定航路，包括如下步骤：

a）植保机通过无线信息输入接口接收地面站设定的飞行高度和规划的喷雾航路数据,存储在飞控处理单元中；

b）航路导航控制将规划的喷雾航路中的目标位置信息与GPS装置获得的实际位置信息进行比较,产生姿态控制指令和水平速度控制指令,使无人机随时调整飞行过程中出现的航路误差,使实际的航迹符合预定航路。

本发明的植保无人机在作业开始前,首先用机载摄像头对飞行区域进行定点航拍，所拍区域符合地面站的经纬要求。然后将航拍所得的图像实时传送到地面站，地面站通过对航拍图像进行图像处理。处理的过程包括对图像进行灰度化、图像增强，滤波、二值化等处理，克服图像干扰可以确定飞行过程中可能遇到的障碍物位置，在地势变化较大处和障碍物点设置为“雷区点”，然后将图片中识别出的“雷区点”对应转化到地面站的具体经纬度，地面站根据分析后的地形特点并以避开“雷区点”为原则生成相应的飞行轨迹，主要功能有：单路点和多路点发送，直线飞行，矩形飞行，环状飞行，横向往复及纵向往复，飞行轨迹描绘及擦除等。植保机通过无线信息输入接口接收地面站设定的飞行高度和规划的喷雾航路数据,存储在飞控处理单元中，航路导航控制将规划的喷雾航路中的目标位置信息与GPS装置获得的实际位置信息进行比较,产生姿态控制指令和水平速度控制指令,使无人机随时调整飞行过程中出现的航路误差,使实际的航迹符合预定航路,做到精确导航。可以安全便捷的完成农药喷洒任务。

Claims (6)

1.一种植保无人机自主飞行路径优化装置，其特征在于：

设置在植保无人机上用于采集植保无人机的水平坐标和高度坐标，并与GPS卫星系统通信的机载GPS天线（1）；

设置在植保无人机上用于控制植保无人机的飞行和播撒作业的飞行控制系统（2）；

设置在植保无人机上用于探测植保无人机相对于地面的高度的机载相对高度探测器（3）；

设置在植保无人机上用于对作业农田进行航拍取样的机载摄像头（8）；

设置在植保无人机上用于将所述机载GPS天线（1）、机载相对高度探测器（3）和机载摄像头（8）获得的数据回传到地面站子系统，同时接收地面站子系统数据的机载数据回传和接收系统（4）；

位于地面站用来处理并存储农田地块的坐标、植被类型、植被相对地面高度、障碍物信息的地面站地理信息和图像处理系统（5）；

位于地面站用于对接收到的机载数据回传和接收系统（4）发来的数据，并结合地面站地理信息和图像处理系统（5）中存储的信息，规划植保无人机飞行路线的地面站飞行任务规划系统（6）；

位于地面站用于接收机载数据回传和接收系统（4）的数据，并将地面站飞行任务规划系统（6）的数据回传的地面站指令接收和发送系统（7）。

2.根据权利要求1所述的植保无人机自主飞行路径优化装置，其特征在于上述设置在植保无人机上的机载相对高度探测器（3）采用声纳和光流探测。

3.一种植保无人机自主飞行路径优化方法，其特征在于包括如下步骤：

第一步：用装有摄像头的植保机对工作区域进行航拍，对航拍图像进行自动识别，并找出“雷区点”；

第二步：地面站根据分析后的地形特点以避开“雷区点”为原则生成相应的飞行路径；

第三步：植保机按照地面站设定的飞行高度和喷雾航线飞行；

第四步：航线导航控制随时调整飞行过程中的航线误差，使实际航迹符合预定航路。

4.根据权利要求3所述的植保无人机自主飞行路径优化方法，其特征在于上述第一步中对航拍图像进行自动识别，并找出“雷区点”，包括如下步骤：

1）输入原始图像；

2）对输入的原始图像进行灰度化处理；

3）对灰度化处理的图像进行图像增强；

4）对增强的图像进行滤波处理；

5）对滤波处理的图像进行二值化处理；

6）生成图像表盘定位，并将飞行过程中遇到的障碍物位置标注为“雷区点”。

5.根据权利要求4所述的植保无人机自主飞行路径优化方法，其特征在于将上述标注的“雷区点”对应转化到地面站的经纬度，地面站根据分析后的地形特点并以避开雷区点为原则生成相应的飞行轨迹。

6.根据权利要求3所述的植保无人机自主飞行路径优化方法，其特征在于上述第四步中航线导航控制随时调整飞行过程中的航线误差，使实际航迹符合预定航路，包括如下步骤：

a）植保机通过无线信息输入接口接收地面站设定的飞行高度和规划的喷雾航路数据,存储在飞控处理单元中；

b）航路导航控制将规划的喷雾航路中的目标位置信息与GPS装置获得的实际位置信息进行比较,产生姿态控制指令和水平速度控制指令,使无人机随时调整飞行过程中出现的航路误差,使实际的航迹符合预定航路。