CN109917814A - 无人机作业方法与系统 - Google Patents

Abstract

本公开涉及无人机技术领域，具体为一种无人机作业方法及系统。无人机作业方法包括以下内容：获取并处理作业区域空间三维数据，生成作业区域的空间三维数据模型；根据无人机起点位置、参数设定以及作业区域空间三维数据模型生成无人机的飞行路径；无人机根据飞行路径进行飞行和作业。本公开提供的无人机作业方法以及无人机作业系统，能够解决现有的作业无人机需要人工对障碍区域打点、需要额外配备避障系统的问题。

Description

无人机作业方法与系统

技术领域

本公开涉及无人机技术领域，具体为一种无人机作业方法及系统。

背景技术

无人机在作业时，需要规划飞行作业区域和飞行路线，然后按照飞行路线在飞行作业区域中飞行并作业。相关技术采用目标区域的二维作业区域地理信息图来确定目标作业区域以及作业飞行路线，这种方式无法在获得的目标区域中直接得出完整详细的飞行路径，如飞行路径中存在障碍物时，需要在地图上进行障碍物的标定，一般采用带有定位装置的遥控器对障碍物进行标定或采用专用的打点设备进行打点，又或者在地面站等终端的二维地图上进行人工标点的方式进行障碍区域确定，这些方式都需要人工对障碍区域进行确定，需要耗费较多人力，并且障碍物信息不含高程值，无人机飞行路径确定时还需配备如仿地雷达等探测系统来辅助无人机进行避障。

发明内容

本公开意在提供一种无人机作业系统以及无人机作业方法，能够解决现有的作业无人机需要人工对障碍区域打点、需要额外配备避障系统的问题，且能实现对作业区域的地形跟随作用。

为了解决上述技术问题，本申请提供如下技术方案：

基于三维模型的无人机作业方法，包括以下内容：获取并处理作业区域空间三维数据，生成作业区域的空间三维数据模型；根据无人机起点位置、参数设定以及作业区域空间三维数据模型生成无人机的飞行路径；无人机根据飞行路径进行飞行和作业。

本公开的有益效果为：本方案中，直接应用空间三维数据模型来对无人机飞行路径进行规划，无需人工对作业区域障碍物进行标志打点操作，同时无人机自身无需进行避障判断与避障操作，无需配备额外的避障探测辅助设备，可以简化无人机系统的控制逻辑，降低无人机开发难度和成本。

可选的，生成无人机的飞行路径的步骤包括：

根据起点位置和目标位置生成初始二维航线；

以起点位置为当前航点，执行以下步骤：

S100：判断当前航点与初始二维航线之间是否有偏移，若当前航点与初始二维航线之间没有偏移，则以初始二维航线方向为当前航向；若当前航点与初始二维航线之间有偏移，则判断当前航向是否为远离初始二维航线的方向，若当前航向为远离初始二维航线的方向，则以初始二维航线的方向为当前航向，若当前航向不为远离初始二维航线的方向，则以向当前航点向初始二维航线靠近的方向为当前航向；

S200：以当前航点为起点，沿着当前航向，按照预设的间隔生成下一个航点；

S300：判断下一个航点是否为可飞行航点，若下一个航点为可飞行航点，则标记下一个航点为最终航点，并令下一个航点作为当前航点；执行S100直至下一个航点为目标位置；

若下一个航点不是可飞行航点，则调整当前航向，执行S200；

连接起点位置和目标位置之间的最终航点，生成飞行路线。

有益效果：当航点为不可飞行航点时，则调整当前航向，生成其他方向的下一个航点，进而实现障碍规避，通过判断当前航点与初始二维航线之间是否有偏移，进而可以在避障过程中及时回归到初始二维航线上，以生成最优的飞行路线。

可选的，调整当前航向时，以与当前航向垂直的方向作为当前航向。

可选的，调整当前航向时，执行：

以当前航向垂直的两个方向依次作为当前航向，以当前航点为绕行起点，按照S100至S300的步骤生成航点，直至航点与初始二维航线没有偏移，以第一个回到初始二维航线上的航点为绕行终点，计算绕行起点和绕行终点之间的绕行距离；

判断两个方向对应的绕行距离的长短，选取绕行距离短的方向作为当前航向。

有益效果：可以选取最短的绕行路径，进而得到最优飞行路径。

可选的，判断航点是否为可飞行航点时执行以下步骤：

以航点位置为中心生成无人机覆盖区域；

根据三维数据模型的对应区域，判断是否满足无人机覆盖区域的最高点和最低点的高度差值小于预设的第一高度差且无人机覆盖区域的最低点与航点的前一个航点的无人机覆盖区域的最高点的差值小于预设的第二高度差的条件，若满足条件，则航点为可飞行航点，若不满足条件，则航点为不可飞行航点。

可选的，飞行路径包括作业航线和非作业航线，作业航线由作业航点构成，非作业航线由非作业航点构成，S100中，若当前航点与初始二维航线之间有偏移，则设定当前航点为非作业航点，若当前航点与初始二维航线之间没有偏移，则设定当前航点为作业航点，无人机作业时，仅在作业航线进行作业。

有益效果：仅在作业航线进行作业进而在绕路或者各个作业路径之间过渡时不进行作业，避免重复作业或者无效作业。

可选的，预设的间隔在当前航向与初始二维航线的方向相同时小于等于无人机前后机身长度；预设的间隔在当前航向与理想的航线的方向垂直时小于等于无人机左右机身的长度。

有益效果：使得航点间距小于等于无人机机身，进而可以更加准确判断航点是否为可飞行航点。

可选的，各个最终航点的飞行高度为最终航点对应的无人机覆盖区域内的最高点的高度加上预设的调整值。

可选的，作业路径生成时，S100中若当前航点与初始二维航线之间不存在偏移，则还会判断当前航向是否是靠近初始二维航线的方向，若当前航向是靠近初始二维航线的方向，则执行S500：调整当前航向为初始二维航线的方向相反的方向，沿着当前航向，按照预设的间隔生成下一个航点；判断下一个航点是否为可飞行航点，若下一个航点为可飞行航点，则标记下一个航点为最终航点，并令下一个航点作为当前航点，重复执行S500；若下一个航点为不可飞行航点，则调整当前航向为初始二维航线的方向，并继续执行S100。

有益效果：通过上述设置，可以在避障并回归初始二维航线后，反向作业，进而可以实现最大的作业面积，避免因避障而遗漏部分作业区域，提高作业覆盖范围。

可选的，三维数据模型的生成与飞行路径的生成都是由服务器处理的，飞行路径生成之后服务器下发给无人机。

有益效果：利用服务器强大的处理能力，使得无人机无需再配置额外的避障配套系统，可以有效的降低无人机的成本。

可选的，处理作业区域的空间三维数据时执行以下步骤：

根据划定的作业边界，获取作业区域内作物的平均高度；

将作物范围对应的区域高度减去作物平均高度，并加上该区域内目前作物的实际高度，得到作业区域目前实际的空间三维数据模型。

结合当前作物对象的生长高度，对空间三维数据模型进行编辑，以提高空间三维数据模型的复用性和可用性。

可选的，本申请还公开了使用上述无人机作业方法的无人机作业系统。

附图说明

图1为本公开无人机作业方法实施例中初始二维航线生成结果示意图；

图2为本公开无人机作业方法实施例中飞行路线生成结果示意图；

图3为本公开无人机作业方法实施例中启航路径生成原理示意图；

图4为本公开无人机作业方法实施例中理想航线生成原理示意图；

图5为本公开无人机作业方法实施例中当前航向调整选择原理示意图

图6为本公开无人机作业方法实施例中无人机机身覆盖区域示意图

图7为本公开无人机作业方法实施例中航点生成原理示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式进一步详细说明：

说明书附图中的标记包括：作业区域1、转线航线2、理想航线3、启航路径4、停放点5、作业起点6、障碍区域7、飞行路线8、航点9。

实施例一

本实施例公开了一种无人机作业方法，该方法包括以下内容：

获取并处理作业区域1的空间三维数据，生成作业区域1的空间三维数据模型；

根据无人机起点位置、参数设定以及作业区域1的空间三维数据模型生成无人机的飞行路径；

无人机根据飞行路径进行飞行和作业。

处理作业区域1的空间三维数据时执行以下步骤：

根据划定的作业边界，获取作业区域1内作物的平均高度；

将作物范围对应的区域高度减去作物平均高度，并加上该区域内目前作物的实际高度，得到作业区域1目前实际的空间三维数据模型。

作业区域1的空间三维数据可以通过航测、如倾斜摄影、激光雷达成像、数字航摄仪DMC等，或者人工大点测量的方式来获取，本实施例中，以植保作业为例，通过倾斜摄像获取作业区域1的空间三维数据，形成数字表面模型，即DSM，本实施例的DSM数据是目标作业区域1的DSM以摄影精度为参数将DSM栅格化生成DSM栅格图；服务器接收并保存了这些数据后，对DSM数据进行进一步的处理，DSM栅格图中的每个栅格值对应当前坐标的高程值，服务器首先对比作业区域1的对应时间的DOM图，判断并划分出农田作物的范围，进而得到作业边界；然后服务器在根据拍摄时候的农作物高度，得到当时农作物相对于农田地面的平均高度；然后再将作物范围对应的作业区域1的高度值减去前述的平均高度，再加上当前作物的实际高度，就可以得到能直接反映作物范围对应的作业区域1当前的地面高度的数字表面模型栅格数据。服务器根据数字表面模型栅格数据生成作业飞行路径，飞行路径生成之后服务器下发给无人机，无人机则根据飞行路径进行飞行和作业。

飞行路径生成步骤包括：

根据起点位置和目标位置生成初始二维航线；

如图1所示，飞行路径包括启航路径4和作业路径，启航路径4指的就是无人机从停放点5飞行到作业起点6的路径，整个启航路径4都是非作业航线，无人机在启航路径4上并不执行作业工作。生成启航路径4时，起点位置为无人机的停放点5，目标位置为无人机的作业起点6，初始二维航线为从无人机的起点位置到目标位置之间的直线。

作业路径的初始二维航线包括理想航线3和转线航线2，作业路径的初始二维航线生成包括以下步骤：

根据作业区域1边界以及设定参数，生成若干等间距的理想航线3；

根据理想航线3和作业区域1边界生成转线航线2。

然后以起点位置为当前航点，执行以下步骤：

S100：判断当前航点与初始二维航线之间是否有偏移，若当前航点与初始二维航线之间没有偏移，则以初始二维航线方向为当前航向；若当前航点与初始二维航线之间有偏移，则判断当前航向是否为远离初始二维航线的方向，若当前航向为远离初始二维航线的方向，则以初始二维航线的方向为当前航向，若当前航向不为远离初始二维航线的方向，则以向当前航点向初始二维航线靠近的方向为当前航向；

S200：以当前航点为起点，沿着当前航向，按照预设的间隔生成下一个航点9；

S300：判断下一个航点9是否为可飞行航点9，若下一个航点9为可飞行航点9，则标记下一个航点9为最终航点，同时设置最终航点的飞行高度，飞行高度为最终航点对应的无人机覆盖区域内的最高点的高度加上预设的调整值。

并令的下一个航点9作为当前航点；执行S100直至下一个航点9为目标位置；

若下一个航点9不是可飞行航点9，则调整当前航向，执行S200；

本实施例中，当前航向以初始二维航线的航向为前，划分为前、后、左、右四个航向。再调整航向时，若向右，即顺时针90°的方向和向左，即顺时针270°的方向皆可绕行，则计算两个方向的绕行距离并去绕行距离较短的路径。

如图5，90°方向绕行距离为3*RX+4*RY、270°方向绕行距离为3*RX+2*RY；所以应往270°方向绕行。若皆不可绕行，则回退至绕行起点的前一点重新进行绕行。

最终航点生成完毕后，连接起点位置和目标位置之间的最终航点，生成飞行路线8，如图2所示。

本实施例中，飞行路径包括作业航线和非作业航线，作业航线由作业航点9构成，非作业航线由非作业航点9构成，在上述的S100中，若当前航点与初始二维航线之间有偏移，则设定当前航点为非作业航点9，若当前航点与初始二维航线之间没有偏移，则设定当前航点为作业航点9，无人机作业时，仅在作业航线进行作业

预设的间隔在当前航向与初始二维航线的方向相同时小于等于无人机前后机身长度；预设的间隔在当前航向与理想的航线的方向垂直时小于等于无人机左右机身的长度。

如图3所示，以植保作业的启航路径4为例，需要说明的是，本申请不仅限于植保无人机的作业，对于其他的无人机作业类型，也是适用的，服务器生成启航路径4时，首先根据无人机操控设备传回的作业边界数据、无人机当前的停放点5，判断无人机的最佳作业起点6，以无人机当前停放点5作为启航路径4的起点，以最佳作业起点6作为启航路径4的终点，即可得到无人机从停放点5飞行到作业起点6的直线作为初始二维航线，即启航路径4。

如图7所示，将初始二维航线划分为若干个以无人机当前的停放点5为起点，间隔为无人机前后机身长度，终点为作业起点6的航点9阵列。

以无人机的当前的停放点5作为最开始的当前航点，以向前作为当前航向，判断当前航点的下一个航点9是否为可飞行航点9，如果下一个航点9是可飞行航点9，则标记下一个航点9为最终航点，并以下一个航点9作为当前航点重复进行上述判断，直至最终取到作业起点6。

如果下一个航点9不是可飞行航点9，那么就向当前航向的垂直方向，也即向左或向右的方向为当前航向，以当前航点为绕行起点并记录，重新取下一个航点9，并重新判断是否为可飞行航点9，如果是可飞行航点9则，将其设为最终航点和当前航点，并继续选取和判断后续的航点9，如果左右方向均不可行，则后退至最近的绕行起点的上一个航点9，重新选取上一个航点9的航向，这样子可以实现通过向左右两侧平移绕过障碍区域7。

为了使得无人机在绕过障碍区域7后能够及时回到初始二维航线上，在选取航向时，会首先判断当前航点是不是与初始二维航线有偏移，如果是，则应该首先将向初始二维航线靠近的方向作为当前航向来选取航点9。为了避免平移后发生回退的情况，还应该判断上一次的移动是不是朝着远离初始二维航线的方向，如果是，则当前的航向不应该设置为靠近初始二维航线的方向。

当向左或向右绕行皆可绕过障碍区域7时，则在绕行起点处，分别进行两个方向的绕行长度，即沿两个方向分别完成绕行，当航点9回归到初始二维航线上后，记录第一个回归到初始二维航线的航点9为绕行终点。以绕行起点和绕行终点之间的路径长度作为绕行距离，判断左右绕行距离长短，取较短绕行方向为最终绕行路线，如果向左绕行和向右绕行的路线一样长，则默认取右边绕行。

如图6所示，设无人机机身覆盖区域为R1，无人机与初始二维航线的偏移量为offset，offset为偏移的航点9数量，无人机是否向处于平行避障的参数对应为is_parallel_movement，默认为False，绕行起点为avoid_start_point,绕行终点avoid_stop_point。

若Offset为0，即没有离开原航线，则以起启航路径4的方向为当前航向，使得R1前移了一个航点9，通过R1覆盖区域内的高度参数，判断R1对应的区域是否为可飞行区域，进而得知该航点9是否为可飞行航点9，若是则令该航点9为最终航点，并继续沿着起启航路径4方向向后取航点9和判断。

若Offset为0，则设置当前航点为作业航点9，否则为非作业航点9，还要判断is_parallel_movement是否为True，进而可知无人机上一个航点9是否是在绕行避障，若是则标记当前航点为绕行终点，将is_parallel_movement设置为False。

如果当前航点不是可飞行航点9，则将R1向垂直于起启航路径4的方向，本实施例中为顺时针90°的方向，将此点设置为绕行起点，移动一个无人机左右机身的长度的距离，得到另一个航点9，使用同样方法，判定R1当前对应的航点9是否为可飞行航点9。

如果继续判定为不可飞行航点9，则R1回退至上一个点且向另一个垂直方向，即顺时针270°的方向，将此点设置为绕行起点，移动一个无人机左右机身的长度的距离，得到另一个航点9，判定R1当前对应的航点9是否为可飞行航点9，假设两个方向移动后，R1所对应的航点9，都不是可飞行航点9，则回退两个航点9，再重复在垂直于起启航路径4的方向上取航点9进行判断。

若沿着90°的方向或270°的方向移动一个航点9后，R1对应区域为可飞行区域，则设置相应的offset，且设置is_parallel_movement为True。

若Offset不为0，且is_parallel_movement不是True，则首先尝试向起启航路径4方向移动航点9。

在选择向90°的方向或270°的方向绕行时，会分别计算左右两个方向的绕行长度，即分别以两个方向完成绕行，绕行结束后，计算绕行起点和绕行终点之间的绕行长度，绕行长度按公式X1*RX+Y1*RY来计算，X1表示绕行起点和绕行终点之间横向移动的航点9数量，Y1表示绕行起点和绕行终点纵向移动的航点9数量，RX表示无人机对应的区域R1的宽度，RY表示无人机对应区域R1的长度，最终取绕行距离较短的绕行方向。

当航点9取到起启航路径4的最后一个点，即作业起点6时，依次连接最终航点，生成飞行路线8，飞行路线8中，各个最终航点的飞行高度为最终航点对应的无人机覆盖区域内的最高点的高度加上预设的调整值，本实施例中，调整值为1m，如R1对应的作业区域1内的栅格的最大值为97.8m，则该区域对应的航点9的高程值为98.8m，即无人机在此区域内的飞行高度设置为98.8m。

判断航点9是否为可飞行航点9时执行以下步骤：

以航点9位置为中心生成无人机覆盖区域；

根据三维数据模型的对应区域，判断是否满足无人机覆盖区域的最高点和最低点的高度差值小于预设的第一高度差且无人机覆盖区域的最低点与航点9的前一个航点9的无人机覆盖区域的最高点的差值小于预设的第二高度差的条件，若满足条件，则航点9为可飞行航点9，若不满足条件，则航点9为不可飞行航点9。

另一方面，本实施例还公开了使用上述无人机作业方法的无人机作业系统，该系统包括数据采集装置、服务器、无人机以及用户终端，数据采集装置采集DSM数据，服务器接收DSM数据，并对DSM数据进行处理，服务器包括DSM数据处理模块、路径规划生成模块以及数据模型生成模块，DSM数据处理模块用于对采集的DSM数据进行处理，得到能直接反映作物范围对应的作业区域1当前的地面高度的数字表面模型栅格数据；数据模型生成模块用于根据数字表面模型栅格模型数据生成三维模型，并进行相应简化和减面处理，并发送给用户终端，用户终端用于显示三维模型，并供用户输入设置参数，如作业间隔、作业方向等；

路径规划生成模块采用上述的方法，生成启航路径4和作业路径，并将相关路径发送给用户端以及无人机。

无人机用于根据服务器下发的路径进行飞行和作业，并采集相关视频和位置信息上传给服务器，用户终端还用于通过服务器获取无人机的位置以及相关视频信息并供用户进行查看。

实施例二

本实施例与实施例中的区别在于：作业路径生成时，S100中若当前航点与初始二维航线之间不存在偏移，则还会判断当前航向是否是靠近初始二维航线的方向，若当前航向是靠近初始二维航线的方向，则令当前航向为初始二维航线的方向相反。具体的，若当前航向是靠近初始二维航线的方向，则执行S500：调整当前航向为初始二维航线的方向相反的方向，沿着当前航向，按照预设的间隔生成下一个航点9；判断下一个航点9是否为可飞行航点9，若下一个航点9为可飞行航点9，则标记下一个航点9为最终航点，并令下一个航点9作为当前航点，重复执行S500；若下一个航点9为不可飞行航点9，则调整当前航向为初始二维航线的方向，并继续执行S100。如图4所示，通过上述设置，可以在避障并回归初始二维航线后，反向作业，进而可以实现最大的作业面积，避免因避障而遗漏部分作业区域1，提高作业覆盖范围。

以上的仅是本公开的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述，所属领域普通技术人员知晓申请日或者优先权日之前发明所属技术领域所有的普通技术知识，能够获知该领域中所有的现有技术，并且具有应用该日期之前常规实验手段的能力，所属领域普通技术人员可以在本申请给出的启示下，结合自身能力完善并实施本方案，一些典型的公知结构或者公知方法不应当成为所属领域普通技术人员实施本申请的障碍。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本公开结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本公开的保护范围，这些都不会影响本公开实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

Claims (10)

1.无人机作业方法，其特征在于：包括以下内容：

获取并处理作业区域空间三维数据，生成作业区域的空间三维数据模型；

根据无人机起点位置、参数设定以及作业区域空间三维数据模型生成无人机的飞行路径；

无人机根据飞行路径进行飞行和作业。

2.根据权利要求1所述的无人机作业方法，其特征在于：生成无人机的飞行路径的步骤包括：

根据起点位置和目标位置生成初始二维航线；

以起点位置为当前航点，执行以下步骤：

S100：判断当前航点与初始二维航线之间是否有偏移，若当前航点与初始二维航线之间没有偏移，则以初始二维航线方向为当前航向；若当前航点与初始二维航线之间有偏移，则判断当前航向是否为远离初始二维航线的方向，若当前航向为远离初始二维航线的方向，则以初始二维航线的方向为当前航向，若当前航向不为远离初始二维航线的方向，则以向当前航点向初始二维航线靠近的方向为当前航向；

S200：以当前航点为起点，沿着当前航向，按照预设的间隔生成下一个航点；

S300：判断下一个航点是否为可飞行航点，若下一个航点为可飞行航点，则标记下一个航点为最终航点，并令下一个航点作为当前航点；执行S100直至下一个航点为目标位置；

若下一个航点不是可飞行航点，则调整当前航向，执行S200；

连接起点位置和目标位置之间的最终航点，生成飞行路线。

3.根据权利要求2所述的无人机作业方法，其特征在于：飞行路径包括作业航线和非作业航线，作业航线由作业航点构成，非作业航线由非作业航点构成，S100中，若当前航点与初始二维航线之间有偏移，则设定当前航点为非作业航点，若当前航点与初始二维航线之间没有偏移，则设定当前航点为作业航点，无人机作业时，仅在作业航线进行作业。

4.根据权利要求2所述的无人机作业方法，其特征在于：调整当前航向时，以与当前航向垂直的方向作为当前航向。

5.根据权利要求4所述的无人机作业方法，其特征在于：调整当前航向时，执行：

以当前航向垂直的两个方向依次作为当前航向，以当前航点为绕行起点，按照S100至S300的步骤生成航点，直至航点与初始二维航线没有偏移，以第一个回到初始二维航线上的航点为绕行终点，计算绕行起点和绕行终点之间的绕行距离；

判断两个方向对应的绕行距离的长短，选取绕行距离短的方向作为当前航向。

6.根据权利要求2所述的无人机作业方法，其特征在于：判断航点是否为可飞行航点时执行以下步骤：

以航点位置为中心生成无人机覆盖区域；

根据三维数据模型的对应区域，判断是否满足无人机覆盖区域的最高点和最低点的高度差值小于预设的第一高度差且无人机覆盖区域的最低点与航点的前一个航点的无人机覆盖区域的最高点的差值小于预设的第二高度差的条件，若满足条件，则航点为可飞行航点，若不满足条件，则航点为不可飞行航点。

7.根据权利要求2所述的无人机作业方法，其特征在于：预设的间隔在当前航向与初始二维航线的方向相同时小于等于无人机前后机身长度；预设的间隔在当前航向与理想的航线的方向垂直时小于等于无人机左右机身的长度。

8.根据权利要求2所述的无人机作业方法，其特征在于：各个最终航点的飞行高度为最终航点对应的无人机覆盖区域内的最高点的高度加上预设的调整值。

9.根据权利要求2所述的无人机作业方法，其特征在于：作业路径生成时，S100中若当前航点与初始二维航线之间不存在偏移，则还会判断当前航向是否是靠近初始二维航线的方向，若当前航向是靠近初始二维航线的方向，则执行S500：调整当前航向为初始二维航线的方向相反的方向，沿着当前航向，按照预设的间隔生成下一个航点；判断下一个航点是否为可飞行航点，若下一个航点为可飞行航点，则标记下一个航点为最终航点，并令下一个航点作为当前航点，重复执行S500；若下一个航点为不可飞行航点，则调整当前航向为初始二维航线的方向，并继续执行S100。

10.无人机作业系统，其特征在于：使用了权利要求1-9任一项所述的无人机作业方法。