CN109270950A - 一种农业无人机系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种农业无人机系统，属于无人机技术领域，包括机身、旋翼和控制装置，控制装置包括处理器模块、编队集群遥控飞行模块、编队集群控制模块、自主控制模块、故障返航模块、编队集群返航模块、编队集群管理模块、电源模块、挂载模块、数据传输模块、数据通讯模块和数据存储模块。本发明通过获取无人机的当前位置和飞行姿态，并根据该当前位置和飞行姿态确定该无人机的飞行区域，按照该区域对应的飞行控制策略，控制无人机飞行，提高飞行效率和飞行安全，提高无人机编队飞行安全。
Description
技术领域
本发明涉及一种农业无人机系统，属于无人机技术领域。
背景技术
中国作为农业大国，18亿亩基本农田，每年需要大量的农业植保作业，我国每年农药中毒人数有10万之众，致死率约20％。农药残留和污染造成的病死人数至今尚无官方统计，想必更是一个惊人数字，农业无人机服务在日本、美国等发达国家得到了快速发展，1990年，日本山叶公司率先推出世界上第一架无人机，主要用于喷洒农药，我国南方首先应用于水稻种植区的农药喷洒，2016年，农业无人机逐渐成为行业新宠，各地陆续出现使用无人机用于植保的案例，据农业部最新统计，截至2016年6月5日，我国生产专业级无人机的公司有300多家，其中有200多家是农业无人机生产厂家，生产各类农业无人机共178个品种，保有量超过5000架。
农业无人机是指利用无线遥控设备和自身的控制装置进行控制的不载人飞行器，例如无人直升机、无人固定翼机、无人伞翼机等等，农业无人机可以用于挂载拍摄装置，用于航拍、测绘、喷洒农药等等，目前，农业无人机在工作中，一般都是根据预先配置好的航线自动飞行，而自动飞行时，无法提前识别禁飞区域而进行避让，从而造成农业无人机的工作效率降低，同时存在安全隐患，且在这个过程中，目前的农业无人机无法实现编队集群管理及相互识别判断，影响农业无人机编队航行。
发明内容
本发明的主要目的是为了提供一种农业无人机系统，用于解决目前农业无人机在工作中，无法提前识别禁飞区域而进行避让，从而造成农业无人机的工作效率降低问题，同时用于解决目前农业无人机在工作中无法进行无人机编队集群控制，从而造成无人机的工作效率降低，同时存在安全隐患，造成无人机无法实现编队集群管理及相互识别判断，影响无人机编队航行的问题。
本发明的目的可以通过采用如下技术方案达到：
一种农业无人机系统，包括机身、设置在机身上的旋翼和设置在机身内的控制装置，所述控制装置包括处理器模块、编队集群遥控飞行模块、编队集群控制模块、自主控制模块、故障返航模块、编队集群返航模块、编队集群管理模块、电源模块和挂载模块；所述处理器模块分别与所述编队集群遥控飞行模块、所述编队集群控制模块、所述自主控制模块、所述编队集群管理模块、所述电源模块和所述挂载模块电连接，所述编队集群遥控飞行模块通过遥控器向各个无人机发送控制指令，使无人机按照接收到的控制指令飞行；所述编队集群控制模块通过地面控制设备和无人机机载设备进行无人机编队集群控制，获取无人机编队集群的当前位置和各个无人机的姿态；所述自主控制模块包括内环控制模块和外环控制模块，用于单个无人机自主控制，内环控制模块用于控制单个无人机的姿态，外环控制模块用于控制单个无人机的位置和速度；所述故障返航模块是在飞行过程中，当地面站与单个无人机间的通信出现故障或单个无人机出现机械故障时，出现故障的无人机按照原路径返回至起点或指定地点；所述编队集群返航模块是在无人机编队集群完成任务后，按照原路径返回至起点或指定地点；所述编队集群管理模块通过地面设备及场地，对无人机编队集群进行日常维护及管理；所述电源模块用于为所述控制装置提供电源；所述挂载模块用于农业无人机挂载辅助设备。
进一步的，所述控制装置还包括：数据传输模块、数据通讯模块和数据存储模块，所述数据传输模块和所述数据通讯模块分别与所述编队集群控制模块电连接，所述数据存储模块与所述处理器模块电连接，所述无人机编队集群处于编队集群遥控飞行模式时，无人机编队集群的位置信息通过所述数据传输模块传输到地面站，并显示在地面站的屏幕上；所述无人机编队集群处于自主控制模式时，各个无人机的位置信息通过所述数据通讯模块传输到地面站，并显示在地面站的屏幕上。
进一步的，所述故障返航模块和所述编队集群返航模块均与所述自主控制模块电连接，所述自主控制模块与所述编队集群控制模块电连接，所述编队集群控制模块与所述编队集群遥控飞行模块电连接。
进一步的，所述内环控制模块采用自适应鲁棒控制算法和mahony算法，所述外环控制模块采用模糊PID控制算法，所述mahony算法是根据加速度计和地磁计的数据，转换到地理坐标系后，与对应参考的重力向量和地磁向量进行求误差，这个误差用来校正陀螺仪的输出，然后用陀螺仪数据进行四元数更新，再转换到欧拉角。
进一步的，所述编队集群控制模块通过地面控制设备和所述数据通讯模块进行无人机编队集群控制，所述处理器模块计算无人机编队集群中各个无人机相互距离及相对速度，并计算各个无人机的当前位置和姿态；所述地面控制设备通过所述数据通讯模块接收无人机相互距离及相对速度，获取无人机的当前位置和姿态；所述地面控制设备根据无人机相互距离及相对速度，判断无人机编队集群是否运行正常及安全，并根据所述无人机的当前位置和姿态，判断该无人机是否即将进入飞行区域或禁飞区域。
进一步的，所述挂载模块挂载的所述辅助设备包括机载相机和喷洒设备，所述机载相机和所述喷洒设备均由地面控制设备设定控制参数，并生成所述机载相机和所述喷洒设备的控制指令；所述机载相机和所述喷洒设备自行判断控制指令是否满足预设的触发条件，当控制指令满足预设的触发条件，所述机载相机进行拍摄，所述喷洒设备进行喷洒。
进一步的，所述控制参数至少包括无人机的经纬度、飞行高度、飞行速度、飞行距离以及飞行时间。
进一步的，所述机载相机和所述喷洒设备分别与所述数据存储模块电连接，所述数据存储模块用于存储无人机上的机载相机拍摄的图像和/或录像，并将拍摄图像和/或录像时对应的控制参数写入所述数据存储模块的图像和/或录像的数据中。
进一步的，所述编队集群遥控飞行模块通过通过地面控制设备启动，地面控制设备启动编队集群遥控飞行模块，无人机编队集群接收地面控制设备发出的控制指令，按照接收到的控制指令控制编队集群飞行，地面控制设备判断各个无人机的飞行是否稳定，若稳定，地面控制设备将无人机的控制模式由遥控飞行模式切换至自主控制模式。
进一步的，所述自主控制模块用于不断检测无人机的包括所述数据传输模块和所述数据通讯模块在内的通信系统是否正常，所述处理器模块不断检测自身的位置信息，判断无人机是否已行驶至目的地。
本发明的有益技术效果：按照本发明的农业无人机系统，本发明提供的农业无人机系统，解决了目前农业无人机在工作中，无法提前识别禁飞区域而进行避让，从而造成农业无人机的工作效率降低问题，同时还解决了目前农业无人机在工作中无法进行无人机编队集群控制，从而造成无人机的工作效率降低，同时存在安全隐患，造成无人机无法实现编队集群管理及相互识别判断，影响无人机编队航行的问题，通过获取无人机的当前位置和飞行姿态，并根据该当前位置和飞行姿态确定该无人机的飞行区域，按照该区域对应的飞行控制策略，控制无人机飞行，提高飞行效率和飞行安全，提高无人机编队飞行安全。
附图说明
图1为按照本发明的农业无人机系统的一优选实施例的系统结构示意图。
图中：1-处理器模块，2-编队集群遥控飞行模块，3-编队集群控制模块，4-自主控制模块，5-故障返航模块，6-编队集群返航模块，7-数据传输模块，8-数据通讯模块，9-数据存储模块，10-编队集群管理模块，11-电源模块，12-挂载模块。
具体实施方式
为使本领域技术人员更加清楚和明确本发明的技术方案，下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
如图1所示，本实施例提供的一种农业无人机系统，包括机身、设置在机身上的旋翼和设置在机身内的控制装置，所述控制装置包括处理器模块1、编队集群遥控飞行模块2、编队集群控制模块3、自主控制模块4、故障返航模块5、编队集群返航模块6、编队集群管理模块10、电源模块11和挂载模块12；所述处理器模块1分别与所述编队集群遥控飞行模块2、所述编队集群控制模块3、所述自主控制模块4、所述编队集群管理模块10、所述电源模块11和所述挂载模块12电连接，所述编队集群遥控飞行模块2通过遥控器向各个无人机发送控制指令，使无人机按照接收到的控制指令飞行；所述编队集群控制模块3通过地面控制设备和无人机机载设备进行无人机编队集群控制，获取无人机编队集群的当前位置和各个无人机的姿态；所述自主控制模块4包括内环控制模块和外环控制模块，用于单个无人机自主控制，内环控制模块用于控制单个无人机的姿态，外环控制模块用于控制单个无人机的位置和速度；所述故障返航模块5是在飞行过程中，当地面站与单个无人机间的通信出现故障或单个无人机出现机械故障时，出现故障的无人机按照原路径返回至起点或指定地点；所述编队集群返航模块6是在无人机编队集群完成任务后，按照原路径返回至起点或指定地点；所述编队集群管理模块10通过地面设备及场地，对无人机编队集群进行日常维护及管理；所述电源模块11用于为所述控制装置提供电源；所述挂载模块12用于农业无人机挂载辅助设备。
进一步的，在本实施例中，如图1所示，所述控制装置还包括：数据传输模块7、数据通讯模块8和数据存储模块9，所述数据传输模块7和所述数据通讯模块8分别与所述编队集群控制模块3电连接，所述数据存储模块9与所述处理器模块1电连接，所述无人机编队集群处于编队集群遥控飞行模式时，无人机编队集群的位置信息通过所述数据传输模块7传输到地面站，并显示在地面站的屏幕上；所述无人机编队集群处于自主控制模式时，各个无人机的位置信息通过所述数据通讯模块8传输到地面站，并显示在地面站的屏幕上，所述故障返航模块5和所述编队集群返航模块6均与所述自主控制模块4电连接，所述自主控制模块4与所述编队集群控制模块3电连接，所述编队集群控制模块3与所述编队集群遥控飞行模块2电连接。
进一步的，在本实施例中，所述内环控制模块采用自适应鲁棒控制算法和mahony算法，所述外环控制模块采用模糊PID控制算法，所述mahony算法是根据加速度计和地磁计的数据，转换到地理坐标系后，与对应参考的重力向量和地磁向量进行求误差，这个误差用来校正陀螺仪的输出，然后用陀螺仪数据进行四元数更新，再转换到欧拉角。
进一步的，在本实施例中，所述编队集群控制模块3通过地面控制设备和所述数据通讯模块8进行无人机编队集群控制，所述处理器模块1计算无人机编队集群中各个无人机相互距离及相对速度，并计算各个无人机的当前位置和姿态；所述地面控制设备通过所述数据通讯模块8接收无人机相互距离及相对速度，获取无人机的当前位置和姿态；所述地面控制设备根据无人机相互距离及相对速度，判断无人机编队集群是否运行正常及安全，并根据所述无人机的当前位置和姿态，判断该无人机是否即将进入飞行区域或禁飞区域，所述挂载模块12挂载的所述辅助设备包括机载相机和喷洒设备，所述机载相机和所述喷洒设备均由地面控制设备设定控制参数，并生成所述机载相机和所述喷洒设备的控制指令；所述机载相机和所述喷洒设备自行判断控制指令是否满足预设的触发条件，当控制指令满足预设的触发条件，所述机载相机进行拍摄，所述喷洒设备进行喷洒。
进一步的，在本实施例中，所述控制参数至少包括无人机的经纬度、飞行高度、飞行速度、飞行距离以及飞行时间，所述机载相机和所述喷洒设备分别与所述数据存储模块9电连接，所述数据存储模块9用于存储无人机上的机载相机拍摄的图像和/或录像，并将拍摄图像和/或录像时对应的控制参数写入所述数据存储模块9的图像和/或录像的数据中。
进一步的，在本实施例中，所述编队集群遥控飞行模块2通过通过地面控制设备启动，地面控制设备启动编队集群遥控飞行模块2，无人机编队集群接收地面控制设备发出的控制指令，按照接收到的控制指令控制编队集群飞行，地面控制设备判断各个无人机的飞行是否稳定，若稳定，地面控制设备将无人机的控制模式由遥控飞行模式切换至自主控制模式，所述自主控制模块4用于不断检测无人机的包括所述数据传输模块7和所述数据通讯模块8在内的通信系统是否正常，所述处理器模块1不断检测自身的位置信息，判断无人机是否已行驶至目的地。
综上所述，在本实施例中，按照本实施例的农业无人机系统，本实施例提供的农业无人机系统，解决了目前农业无人机在工作中，无法提前识别禁飞区域而进行避让，从而造成农业无人机的工作效率降低问题，同时还解决了目前农业无人机在工作中无法进行无人机编队集群控制，从而造成无人机的工作效率降低，同时存在安全隐患，造成无人机无法实现编队集群管理及相互识别判断，影响无人机编队航行的问题，通过获取无人机的当前位置和飞行姿态，并根据该当前位置和飞行姿态确定该无人机的飞行区域，按照该区域对应的飞行控制策略，控制无人机飞行，提高飞行效率和飞行安全，提高无人机编队飞行安全。
以上所述，仅为本发明进一步的实施例，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明所公开的范围内，根据本发明的技术方案及其构思加以等同替换或改变，都属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种农业无人机系统，其特征在于：包括机身、设置在机身上的旋翼和设置在机身内的控制装置，所述控制装置包括处理器模块(1)、编队集群遥控飞行模块(2)、编队集群控制模块(3)、自主控制模块(4)、故障返航模块(5)、编队集群返航模块(6)、编队集群管理模块(10)、电源模块(11)和挂载模块(12)；所述处理器模块(1)分别与所述编队集群遥控飞行模块(2)、所述编队集群控制模块(3)、所述自主控制模块(4)、所述编队集群管理模块(10)、所述电源模块(11)和所述挂载模块(12)电连接，所述编队集群遥控飞行模块(2)通过遥控器向各个无人机发送控制指令，使无人机按照接收到的控制指令飞行；所述编队集群控制模块(3)通过地面控制设备和无人机机载设备进行无人机编队集群控制，获取无人机编队集群的当前位置和各个无人机的姿态；所述自主控制模块(4)包括内环控制模块和外环控制模块，用于单个无人机自主控制，内环控制模块用于控制单个无人机的姿态，外环控制模块用于控制单个无人机的位置和速度；所述故障返航模块(5)是在飞行过程中，当地面站与单个无人机间的通信出现故障或单个无人机出现机械故障时，出现故障的无人机按照原路径返回至起点或指定地点；所述编队集群返航模块(6)是在无人机编队集群完成任务后，按照原路径返回至起点或指定地点；所述编队集群管理模块(10)通过地面设备及场地，对无人机编队集群进行日常维护及管理；所述电源模块(11)用于为所述控制装置提供电源；所述挂载模块(12)用于农业无人机挂载辅助设备。
2.根据权利要求1所述的一种农业无人机系统，其特征在于：所述控制装置还包括：数据传输模块(7)、数据通讯模块(8)和数据存储模块(9)，所述数据传输模块(7)和所述数据通讯模块(8)分别与所述编队集群控制模块(3)电连接，所述数据存储模块(9)与所述处理器模块(1)电连接，所述无人机编队集群处于编队集群遥控飞行模式时，无人机编队集群的位置信息通过所述数据传输模块(7)传输到地面站，并显示在地面站的屏幕上；所述无人机编队集群处于自主控制模式时，各个无人机的位置信息通过所述数据通讯模块(8)传输到地面站，并显示在地面站的屏幕上。
3.根据权利要求1所述的一种农业无人机系统，其特征在于：所述故障返航模块(5)和所述编队集群返航模块(6)均与所述自主控制模块(4)电连接，所述自主控制模块(4)与所述编队集群控制模块(3)电连接，所述编队集群控制模块(3)与所述编队集群遥控飞行模块(2)电连接。
4.根据权利要求1所述的一种农业无人机系统，其特征在于：所述内环控制模块采用自适应鲁棒控制算法和mahony算法，所述外环控制模块采用模糊PID控制算法，所述mahony算法是根据加速度计和地磁计的数据，转换到地理坐标系后，与对应参考的重力向量和地磁向量进行求误差，这个误差用来校正陀螺仪的输出，然后用陀螺仪数据进行四元数更新，再转换到欧拉角。
5.根据权利要求2所述的一种农业无人机系统，其特征在于：所述编队集群控制模块(3)通过地面控制设备和所述数据通讯模块(8)进行无人机编队集群控制，所述处理器模块(1)计算无人机编队集群中各个无人机相互距离及相对速度，并计算各个无人机的当前位置和姿态；所述地面控制设备通过所述数据通讯模块(8)接收无人机相互距离及相对速度，获取无人机的当前位置和姿态；所述地面控制设备根据无人机相互距离及相对速度，判断无人机编队集群是否运行正常及安全，并根据所述无人机的当前位置和姿态，判断该无人机是否即将进入飞行区域或禁飞区域。
6.根据权利要求5所述的一种农业无人机系统，其特征在于：所述挂载模块(12)挂载的所述辅助设备包括机载相机和喷洒设备，所述机载相机和所述喷洒设备均由地面控制设备设定控制参数，并生成所述机载相机和所述喷洒设备的控制指令；所述机载相机和所述喷洒设备自行判断控制指令是否满足预设的触发条件，当控制指令满足预设的触发条件，所述机载相机进行拍摄，所述喷洒设备进行喷洒。
7.根据权利要求6所述的一种农业无人机系统，其特征在于：所述控制参数至少包括无人机的经纬度、飞行高度、飞行速度、飞行距离以及飞行时间。
8.根据权利要求6所述的一种农业无人机系统，其特征在于：所述机载相机和所述喷洒设备分别与所述数据存储模块(9)电连接，所述数据存储模块(9)用于存储无人机上的机载相机拍摄的图像和/或录像，并将拍摄图像和/或录像时对应的控制参数写入所述数据存储模块(9)的图像和/或录像的数据中。
9.根据权利要求6所述的一种农业无人机系统，其特征在于：所述编队集群遥控飞行模块(2)通过通过地面控制设备启动，地面控制设备启动编队集群遥控飞行模块(2)，无人机编队集群接收地面控制设备发出的控制指令，按照接收到的控制指令控制编队集群飞行，地面控制设备判断各个无人机的飞行是否稳定，若稳定，地面控制设备将无人机的控制模式由遥控飞行模式切换至自主控制模式。
10.根据权利要求9所述的一种农业无人机系统，其特征在于：所述自主控制模块(4)用于不断检测无人机的包括所述数据传输模块(7)和所述数据通讯模块(8)在内的通信系统是否正常，所述处理器模块(1)不断检测自身的位置信息，判断无人机是否已行驶至目的地。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20190125 |
|
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |