CN107544534A - 一种基于bds、ins的植保无人机自动精细作业及避障方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于BDS、INS的植保无人机，包括无人机、飞行控制器、机载控制器和动力装置，飞行控制器和机载控制器均安装在无人机上，飞行控制器包括BDS接收器、IMU和电源模块，BDS接收器、IMU和电源模块将信息与机载控制器实时传输，机载控制器接收BDS数据，测量无人机空间位置与地面基站进行差分解算，使无人机精确按照飞行轨迹运动，IMU测定实际运动轨迹，获取飞行参数并通过动力装置调整无人机飞行姿态，无人机还包括作业航迹规划软件、返航处理模块和激光测距仪，同时还公开了基于该无人机的自动精细作业及避障方法；本发明的优点是：利用北斗导航系统和惯导装置精确控制飞行轨迹，能够精细作业；利用内置的避障算法，防止碰撞障碍物。

Description

一种基于BDS、INS的植保无人机自动精细作业及避障方法

技术领域

本发明属于无人机技术领域，涉及一种植保无人机的高精度定位方法及避障方法，具体涉及一种基于BDS、INS的植保无人机自动精细作业及避障方法。

背景技术

在现有技术中，植保无人机通常都是单台无人机由操作员控制进行作业。这种方式完全依靠操作员的观察来控制作业路径，而在较大的作业区域内误差很大，使得作业质量大幅降低，并且作业路径极不规则，这会导致部分区域漏喷，部分区域被重复喷洒，而且进行植保作业的效率很低。且现有技术中，避障技术主要还是采用激光雷达，图形摄像头，传感器等来识别障碍物，采用简单的反射信号来确定障碍物，但无法确定最佳路径来有效规避障碍物。

发明内容

本发明的目的，在于克服上述局限，从而提供一种利用北斗导航系统和惯导装置精确控制飞行轨迹，控制飞行姿态的植保无人机，以及提供一种精细作业及避障方法。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种基于BDS、INS的植保无人机，包括无人机、飞行控制器、机载控制器和动力装置，飞行控制器和机载控制器均安装在无人机上，飞行控制器包括BDS接收器、IMU和电源模块，BDS接收器、IMU和电源模块将信息与机载控制器实时传输，机载控制器接收BDS数据，测量无人机空间位置与地面基站进行差分解算，使无人机精确按照飞行轨迹运动，IMU测定实际运动轨迹，获取飞行参数并通过动力装置调整无人机飞行姿态，无人机还包括作业航迹规划软件、返航处理模块和激光测距仪，激光测距仪安装在无人机顶部，并位于无人机中心位置，飞行控制器与地面控制系统进行数据传输，通过设置在地面控制系统上的无线传感器接收数据，显示飞行信息，地面控制系统为自动或手动控制系统。

一种基于BDS、INS的植保无人机的自动精细作业方法，包括以下步骤：

步骤1：在农田附近开阔地架设BDS基站，再架设多个移动站于农田范围边界点或角点，将移动站CGCS2000当前坐标强制设置成BDS基站坐标，并记录坐标值，以便后续作业使用，开启RTK基站的网络工作模式，即移动站与BDS基站进行差分解算得到移动站的精确坐标；

步骤2：将移动站测定的范围边界点高精度CGCS2000坐标，确定农田范围，将范围导入植保无人机作业航迹规划软件，对植保的区域进行精确规划，对无人机航线进行自动规划，并实时记录飞行轨迹并存储；

步骤3：植保无人机接收BDS基站信号进行差分解算，利用IMU测定实际运动轨迹，实现厘米级的实时定位和测姿，并利用避障技术进行安全精细作业。

优选的是，植保无人机作业航迹规划软件是由无人机上的BDS接收器将接收到的BDS数据经过处理，获得飞行运动轨迹。

优选的是，步骤3中实时定位是通过无人机上的BDS接收机、IMU和电源模块通过接收BDS数据，实时精确地测量出无人机的空间位置，再通过导航算法处理技术与地面BDS基站进行差分解算，使无人机精确按照飞行轨迹运动。

优选的是，步骤3中IMU还测定位置、速度参数。

优选的是，返航处理模块通过BDS得到精确标记点坐标并标记，返到起始点加药后再返回标记点继续作业，位于无人机中心位置的激光测距仪，360度旋转实时检测激光测距仪到障碍物的距离。

一种基于BDS、INS的植保无人机的避障方法，利用内置的避障算法，结合IMU调整姿态，实现自动避障，包括以下步骤：

步骤1：无人机激光测距仪检测到前方轨迹上有障碍物，结合内置坐标系，以无人机中心为圆点，测量距离并在障碍物上实时标注多个点，得到障碍物的轮廓，找到与障碍物的最大距离点；

步骤2：判断无人机到障碍物边界距离的最短距离，规划飞行路线，信息反馈到无人机飞行控制器，对无人机进行姿态的改变；

步骤3：当障碍物在无人机的前方时，即障碍物上标注的点与无人机中心的角度小于90度，设无人机机身的最大半径为R，在障碍物上标注多个点，以这些点为圆心，半径为1.5R做圆，做这些圆的圆心与航线的平行线，与圆交于一点，这些连续点的连线即为避障路径；

步骤4：当障碍物在无人机的左侧或右侧时，即障碍物上标注的点与无人机中心的角度左侧大于270度、小于360度，右侧大于0度、小于90度，在障碍物边部标注多个点，以这些点为圆心，半径为1.5R做圆，做这些圆的圆心与航线的垂线，与圆交于一点，这些连续点的连线即为避障路径；

步骤5：当障碍物在无人机的左右后侧时，即障碍物上标注的点与无人机中心的角度左后侧大于180度、小于270度，右后侧大于90度、小于180度，在障碍物边部标注多个点，以这些点为圆心，半径为1.5R做圆，做这些圆的圆心与航线的平行线，与圆交于一点，这些连续点的连线即为避障路径。

优选的是，在避障过程中停止喷药，回到无人机飞行原轨迹时再开始喷药，避免农药的重喷和漏喷。

综上所述，本发明具有以下优点：利用北斗导航系统和惯导装置精确控制飞行轨迹，能够精细作业；利用内置的避障算法，防止碰撞障碍物。能够实现对多种形状例如圆形、方形或不规则图形障碍物的避障，能够有效避免农药的重喷和漏喷。

附图说明

图1是本发明的飞控系统结构图；

图2是本发明的返航处理过程结构图；

图3是障碍物在无人机前方时避障原理图；

图4是障碍物在无人机左侧时避障原理图；

图5是障碍物在无人机后方时避障原理图。

具体实施方式

为了加深对本发明的理解，下面将结合实施例和附图对本发明作进一步详述，该实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定。

如图1-5所示，本发明提供一种基于BDS、INS的植保无人机，包括无人机、飞行控制器、机载控制器和动力装置，飞行控制器和机载控制器均安装在无人机上，飞行控制器包括BDS接收器、IMU（惯性测量单元）和电源模块，BDS接收器、IMU和电源模块将信息与机载控制器实时传输，机载控制器接收BDS数据，测量无人机空间位置与地面基站进行差分解算，使无人机精确按照飞行轨迹运动，IMU测定实际运动轨迹，获取飞行参数并通过动力装置调整无人机飞行姿态，无人机还包括作业航迹规划软件、返航处理模块和激光测距仪，激光测距仪安装在无人机顶部，并位于无人机中心位置，飞行控制器与地面控制系统进行数据传输，通过设置在地面控制系统上的无线传感器接收数据，显示飞行信息，地面控制系统为自动或手动控制系统。

以上无人机自动精细作业方法，包括以下步骤：

在农田附近开阔地架设BDS基站，再架设多个移动站于农田范围边界点或角点，将移动站CGCS2000当前坐标强制设置成BDS基站坐标，并记录坐标值，以便后续作业使用，开启RTK基站的网络工作模式，即移动站与BDS基站进行差分解算得到移动站的精确坐标；将移动站测定的范围边界点高精度CGCS2000坐标，确定农田范围，将范围导入植保无人机作业航迹规划软件，对植保的区域进行精确规划，对无人机航线进行自动规划，植保无人机作业航迹规划软件是由无人机上的BDS接收器将接收到的BDS数据经过处理，获得飞行运动轨迹。并实时记录飞行轨迹并存储；植保无人机接收BDS基站信号进行差分解算，实时精确地测量出无人机的空间位置，使无人机精确按照飞行轨迹运动，利用IMU测定实际运动轨迹、位置、速度参数，实现厘米级的实时定位和测姿，并利用避障技术进行安全精细作业。

返航处理模块通过BDS得到精确标记点坐标并标记，返到起始点加药后再返回标记点继续作业，位于无人机中心位置的激光测距仪，360度旋转实时检测激光测距仪到障碍物的距离。

以上无人机的避障方法，利用内置的避障算法，结合IMU调整姿态，实现自动避障，包括以下步骤：

无人机激光测距仪检测到前方轨迹上有障碍物，结合内置坐标系，以无人机中心为圆点，测量距离并在障碍物上实时标注多个点，得到障碍物的轮廓，找到与障碍物的最大距离点；判断无人机到障碍物边界距离的最短距离，规划飞行路线，信息反馈到无人机飞行控制器，对无人机进行姿态的改变；当障碍物在无人机的前方时，即障碍物上标注的点与无人机中心的角度小于90度，设无人机机身的最大半径为R，在障碍物上标注多个点，以这些点为圆心，半径为1.5R做圆，做这些圆的圆心与航线的平行线，与圆交于一点，这些连续点的连线即为避障路径；当障碍物在无人机的左侧或右侧时，即障碍物上标注的点与无人机中心的角度左侧大于270度、小于360度，右侧大于0度、小于90度，在障碍物边部标注多个点，以这些点为圆心，半径为1.5R做圆，做这些圆的圆心与航线的垂线，与圆交于一点，这些连续点的连线即为避障路径；当障碍物在无人机的左右后侧时，即障碍物上标注的点与无人机中心的角度左后侧大于180度、小于270度，右后侧大于90度、小于180度，在障碍物边部标注多个点，以这些点为圆心，半径为1.5R做圆，做这些圆的圆心与航线的平行线，与圆交于一点，这些连续点的连线即为避障路径。在避障过程中停止喷药，回到无人机飞行原轨迹时再开始喷药，避免农药的重喷和漏喷。

Claims (8)

1.一种基于BDS、INS的植保无人机，包括无人机、飞行控制器、机载控制器和动力装置，其特征在于：所述飞行控制器和机载控制器均安装在无人机上，所述飞行控制器包括BDS接收器、IMU和电源模块，所述BDS接收器、IMU和电源模块将信息与机载控制器实时传输，所述机载控制器接收BDS数据，测量无人机空间位置与地面基站进行差分解算，使无人机精确按照飞行轨迹运动，所述IMU测定实际运动轨迹，获取飞行参数并通过动力装置调整无人机飞行姿态，所述无人机还包括作业航迹规划软件、返航处理模块和激光测距仪，所述激光测距仪安装在无人机顶部，并位于无人机中心位置，所述飞行控制器与地面控制系统进行数据传输，通过设置在地面控制系统上的无线传感器接收数据，显示飞行信息，所述地面控制系统为自动或手动控制系统。

2.一种如权利要求1所述的基于BDS、INS的植保无人机的自动精细作业方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：在农田附近开阔地架设BDS基站，再架设多个移动站于农田范围边界点或角点，将移动站CGCS2000当前坐标强制设置成BDS基站坐标，并记录坐标值，以便后续作业使用，开启RTK基站的网络工作模式，即移动站与BDS基站进行差分解算得到移动站的精确坐标；

步骤2：将移动站测定的范围边界点高精度CGCS2000坐标，确定农田范围，将范围导入植保无人机作业航迹规划软件，对植保的区域进行精确规划，对无人机航线进行自动规划，并实时记录飞行轨迹并存储；

步骤3：植保无人机接收BDS基站信号进行差分解算，利用IMU测定实际运动轨迹，实现厘米级的实时定位和测姿，并利用避障技术进行安全精细作业。

3.根据权利要求2所述的一种基于BDS、INS的植保无人机自动精细作业方法，其特征在于：所述植保无人机作业航迹规划软件是由无人机上的BDS接收器将接收到的BDS数据经过处理，获得飞行运动轨迹。

4.根据权利要求2所述的一种基于BDS、INS的植保无人机自动精细作业方法，其特征在于：所述步骤3中实时定位是通过无人机上的BDS接收机、IMU和电源模块通过接收BDS数据，实时精确地测量出无人机的空间位置，再通过导航算法处理技术与地面BDS基站进行差分解算，使无人机精确按照飞行轨迹运动。

5.根据权利要求2所述的一种基于BDS、INS的植保无人机自动精细作业方法，其特征在于：所述步骤3中IMU还测定位置、速度参数。

6.根据权利要求2所述的一种基于BDS、INS的植保无人机自动精细作业方法，其特征在于：所述返航处理模块通过BDS得到精确标记点坐标并标记，返到起始点加药后再返回标记点继续作业，位于无人机中心位置的激光测距仪，360度旋转实时检测激光测距仪到障碍物的距离。

7.一种如权利要求1所述的基于BDS、INS的植保无人机的避障方法，其特征在于：利用内置的避障算法，结合IMU调整姿态，实现自动避障，包括以下步骤：

步骤1：无人机激光测距仪检测到前方轨迹上有障碍物，结合内置坐标系，以无人机中心为圆点，测量距离并在障碍物上实时标注多个点，得到障碍物的轮廓，找到与障碍物的最大距离点；

步骤2：判断无人机到障碍物边界距离的最短距离，规划飞行路线，信息反馈到无人机飞行控制器，对无人机进行姿态的改变；

步骤3：当障碍物在无人机的前方时，即障碍物上标注的点与无人机中心的角度小于90度，设无人机机身的最大半径为R，在障碍物上标注多个点，以这些点为圆心，半径为1.5R做圆，做这些圆的圆心与航线的平行线，与圆交于一点，这些连续点的连线即为避障路径；

步骤4：当障碍物在无人机的左侧或右侧时，即障碍物上标注的点与无人机中心的角度左侧大于270度、小于360度，右侧大于0度、小于90度，在障碍物边部标注多个点，以这些点为圆心，半径为1.5R做圆，做这些圆的圆心与航线的垂线，与圆交于一点，这些连续点的连线即为避障路径；

步骤5：当障碍物在无人机的左右后侧时，即障碍物上标注的点与无人机中心的角度左后侧大于180度、小于270度，右后侧大于90度、小于180度，在障碍物边部标注多个点，以这些点为圆心，半径为1.5R做圆，做这些圆的圆心与航线的平行线，与圆交于一点，这些连续点的连线即为避障路径。

8.根据权利要求7所述的一种基于BDS、INS的植保无人机避障方法，其特征在于：在避障过程中停止喷药，回到无人机飞行原轨迹时再开始喷药，避免农药的重喷和漏喷。