CN109933091B - 无人机作业的路径规划方法、存储介质及电子设备 - Google Patents

Abstract

本公开涉及植保作业技术领域，特别涉及一种用于无人机作业的路径规划方法和系统，其中用于无人机作业的路径规划方法包括以下步骤：获取作业区域的边界，从所述边界上设定一点为起始点，并根据所述起始点选定初始航向；以所述初始航向为参考，生成等间距的平行直线，选取所述作业区域内的线段作为平行航线，所述等间距的宽度为无人机的作业喷幅；根据所述工作区域的边界和所述平行航线生成预设航线，无人机仅在平行航线上飞行时进行作业。其中用于无人机作业的路径规划的存储介质与电子设备均基于用于无人机作业的路径规划方法。本公开能够对无人机的作业路径进行自动规划，降低无人机在喷洒农药时的遗漏率和重复率。

Description

无人机作业的路径规划方法、存储介质及电子设备

技术领域

本公开涉及植保作业技术领域，特别涉及一种无人机作业的路径规划方法、存储介质及电子设备。

背景技术

目前植保无人机进行植保作业时主要通过人为遥控，实际植保作业时对飞手依赖过大，而且在外力因素或人为因素的作用下，人为操纵无人机作业时航线往往又与理论航线存在偏移，使无人机在喷洒农药时，遗漏率和重复率偏高；尤其是在无人机植保作业航线未经过事先规划和比对时，无人机大概率会沿着作业区域的某一边界方向进行往复喷洒，不仅造成农药的浪费，而且效果较差，还会对农作物产生不利影响。

发明内容

本公开主要目的之一在于提供一种用于无人机作业的路径规划方法，能够对无人机的作业路径进行自动规划，降低了无人机在喷洒农药时的遗漏率和重复率。

为达到上述目的，本公开提供了一种用于无人机作业的路径规划方法，包括以下步骤：

获取作业区域的边界，从所述边界上设定一点为起始点，并根据所述起始点选定初始航向；

以所述初始航向为参考，生成等间距的平行直线，选取所述作业区域内的线段作为平行航线，所述等间距的宽度为无人机的作业喷幅；

根据所述工作区域的边界和所述平行航线生成预设航线，无人机仅在平行航线上飞行时进行作业。

本公开的工作原理及优点在于：

等间距的平行航线的设置，由于无人机作业时，具有一定的作业喷幅，在无人机依照航线飞行时，无人机左侧作业喷幅与右侧作业喷幅关于航线对称，因此当两条相邻的平行航线的间距为无人机的作业喷幅时，无人机在两条航线上的作业范围能够无缝衔接。在选定好起始点和初始航向后即可生成类似于方波状的航线，不仅能够让无人机的工作范围覆盖整个工作区域地块，还可以避免工作作业范围出现重叠，而且无人机仅在平行航线上飞行时才进行作业，降低了无人机在喷洒农药时的遗漏率和重复率。

可选的，获取作业区域的边界包括以下步骤：

获取工作区域的边界点，并将相邻边界点进行连线，得到工作区域的边界。

工作区域地块一般为不规则的图形，不方便直接获取工作区域的形状、大小、边界等，而边界点的选取十分方便，然后将相邻边界点进行连线后，就能方便的确定工作区域地块的形状、大小、边界等数据。

可选的，还包括障碍区域边界的获取，包括以下步骤：

获取工作区域内障碍区域的边界点，并将相邻边界点进行连线，得到障碍区域的边界。

工作区域地块内可能存在障碍区域，而障碍区域内可能不会种植农作物，无人机也就无需在障碍区域作业，避免无意义的作业。障碍区域也可能就是阻碍无人机作业的区域，划分之后，能避免无人机撞上障碍区域，造成损坏。

可选的，平行航线的处理，包括以下步骤：

去除障碍区域内的平行航线，保留剩余的平行航线。

与障碍区域地块重合的平行航线被剔除之后，避免了无人机在障碍区域进行无意义的作业，也避免无人机撞上障碍区域内的障碍物，造成无人机的损坏。

可选的，平行航线的处理，还包括以下步骤：

获取所述平行航线与所述工作区域边界的交叉点，设定所述交叉点为航线转折点，根据航向和所述航线转折点在工作区域边界上生成相应的转场航线。

转场航线的设置能够为无人机在相邻平行航线之间飞行做好规划，避免无人机无序飞行，降低工作效率。

可选的，转场航线的生成，包括以下步骤：

根据初始航向获取每条平行航线的航向，并分析每条平行航线与所述工作区域边界的两个航线转折点为起点或终止点，分别连接相邻两条平行航线的起点和终止点，得到转场航线。

能够使无人机有序飞行，提高工作效率。

可选的，避障航线的获取，包括以下步骤：

获取与所述障碍区域边界相交的平行航线，获取所述平行航线与障碍区域边界的交叉点，获取所述平行航线的起点，并根据所述平行航线的起点与所述交叉点，从同一平行航线上的两个交叉点中，选取与所述平行航线的起点距离最近的交叉点为航线避障点，连接所述航线避障点与剩下的交叉点，并设置避障航线生成规则，生成避障航线。

航线避障点的选取，便于根据避障航线生成规则，生成合适的避障航线绕开障碍区域。

可选的，实际航线的获取，包括以下步骤：

根据保留剩余的平行航线线段、转场航线和避障航线，并设置航线规划优先级，生成实际航线。

航线规划优先级的设置，便于无人机在作业时能够有序进行，不会产生混乱。

本公开的目的之二在于提供一种用于无人机作业的路径规划方法的存储介质，所述存储介质存储有多条指令，所述指令由处理器加载，执行上述用于无人机作业的路径规划方法的步骤。

本公开的目的之三在于提供一种用于无人机作业的路径规划方法的电子设备，所述电子设备包括存储介质，以及处理器，用于执行所述存储介质中的指令。

附图说明

图1为本公开实施例用于无人机作业的路径规划方法的流程示意图；

图2为基本航线规划原则对航线的规划示意图：

图3为避障航线选取示意图；

图4为避障航线分析示意图；

图5为一种作业地块的示意图；

图6为图5作业地块的实际飞行航线的示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式进一步详细说明：

实施例：

一种用于无人机作业的路径规划方法，如图1所示，包括以下步骤：

工作区域的边界和内障碍区域的边界的获取，包括以下两个步骤：

获取工作区域的边界点，并将相邻边界点进行连线，得到工作区域的边界；

获取工作区域内障碍区域的边界点，并将相邻边界点进行连线，得到障碍区域的边界。

根据所述作业区域的边界，从所述边界上设定一点为起始点，并根据所述起始点选定初始航向。

将所述起始点往左侧移无人机的半个作业喷幅，并根据初始航向确定初始路径，所述初始路径与初始航向平行且位于所述工作区域的边界内。

以所述初始航向为参考，生成若干等间距且与初始航向平行的平行直线，选取所述作业区域内的线段作为平行航线，所述等间距的宽度为无人机的作业喷幅。

根据所述工作区域地块的边界和所述平行航线生成预设航线，无人机仅在平行航线上飞行时进行作业。

去除障碍区域内的平行航线，保留剩余的平行航线。

获取所述平行航线与所述工作区域边界的交叉点，设定所述交叉点为航线转折点，根据航向和所述航线转折点在工作区域边界上生成相应的转场航线。

转场航线的生成，包括以下步骤：

根据初始航向获取每条平行航线的航向，并分析每条平行航线与所述工作区域边界的两个航线转折点为起点或终止点，分别连接相邻两条平行航线的起点和终止点，得到转场航线。

避障航线的获取，包括以下步骤：

获取与所述障碍区域边界相交的平行航线，获取所述平行航线与障碍区域边界的交叉点，获取所述平行航线的起点，并根据所述平行航线的起点与所述交叉点，从同一平行航线上的两个交叉点中，选取与所述平行航线的起点距离最近的交叉点为航线避障点，连接所述航线避障点与剩下的交叉点，并设置避障航线生成规则，生成避障航线。

避障航线生成规则：包括交叉点优选原则、避障处理原则和避障航线优选原则。

根据交叉点优选原则从剩下的交叉点中，获取所述航线避障点之后的下一目标交叉点，并根据避障处理原则处理得到避障航线，并按照避障航线优选原则选取最合适的避障航线。

实际航线的获取，包括以下步骤：

根据保留剩余的平行航线、转场航线和避障航线，并设置航线规划优先级，生成实际航线。

航线规划优先级：从出发点开始，到航线避障点为止，无人机的航线第一优先选取保留剩余的平行航线，无人机的航线第二优先选取转场航线进行平行航线之间的过度，在航线避障点进行避障处理后，无人机的航线第三优先选取避障航线，避开障碍区域；重复上述步骤直到完成将全部所述交叉点连接成线，生成实际航线。

交叉点优选原则包括优先权由高到低的以下三个原则：

交叉点第一优选原则：连线距离最短优先，从剩余交叉点中选取与当前交叉点连线距离最短的交叉点，所述交叉点设定为下一个目标交叉点；

交叉点第二优选原则：距出发点最近优先，从剩余交叉点中选取与出发点距离最短的交叉点，所述交叉点设定为下一个目标交叉点；

交叉点第三优选原则：无需桥接优先，从剩余交叉点中选取无需设置桥接连线连接的交叉点，所述交叉点设定为下一个目标交叉点。

避障处理原则：在获得航线避障点时，分析所述障碍区域是否需要桥接绕过，若不需要桥接绕过，则设置躲避原则，生成躲避航线，避开所述障碍区域；若需要桥接绕过，设置桥接原则，生成桥接连线，绕过所述障碍区域。

躲避原则：根据交叉点优选原则查找下一个目标交叉点，再将所述航线避障点与所述目标交叉点进行连线。

桥接原则：获取所述障碍区域的边界点，并在同一平行航线上，获取与航线避障点关于所述障碍区域相对应的交叉点，并设定所述交叉点为避障目标点，将所述障碍区域的边界点设定为桥接点，依次连接所述航线避障点、所述桥接点和所述避障目标点得到第一桥接连线、第二桥接连线；

从所述障碍区域的边界点中，选取位于避障目标点两侧且最近的边界点，获取避障目标点之后的下一个目标交叉点，依次连接所述航线避障点、所述桥接点和下一个目标交叉点得到第三桥接连线、第四桥接连线；

避障航线包括所述躲避航线、所述第一桥接连线、所述第二桥接连线、所述第三桥接连线和所述第四桥接连线。

避障航线优选原则包括以下两个原则：

路线最短优选原则：对比所述躲避航线、所述第一桥接连线、所述第二桥接连线、所述第三桥接连线和所述第四桥接连线的距离长度，距离长度最短为优选；

桥接点最少优选原则：对比所述第一桥接连线、所述第二桥接连线、所述第三桥接连线和所述第四桥接连线的桥接点，桥接点最少为优选。

一种用于无人机作业的路径规划方法的存储介质，所述存储介质存储有多条指令，所述指令由处理器加载，执行上述用于无人机作业的路径规划方法的步骤。

一种用于无人机作业的路径规划方法的电子设备，所述电子设备包括存储介质，以及处理器，用于执行所述存储介质中的指令。

本发明的其中一个示例性实施例如下：

确定好工作区域的大致范围，再通过打点的方式确定工作区域和障碍区域的边界点，如图5所示，工作区域包含10个点边界点，分别为①、②、③、④、⑤、A(⑥)、B(⑦)、⑧、⑨、⑩，其中A(⑥)起始点，射线AB为初始航向，经过修正后，确定点S为实际出发点，端点为S且与射线AB平行的线段为初始路径。

以初始路径为参考，在工作区域地块范围内生成与所述工作区域地块的边界相交且等间距的平行航线，与障碍区域地块重合的平行航线进行剔除，保留障碍区域地块外的平行航线。等间距的的长度为无人机的作业喷幅。

在进行无人机实际航线规划时，在遇到障碍物之前，从出发点开始选取工作区域内交叉点进行无人机的航线规划，规划原则依据航线规划优先级来规划，如图2所示：航线的第一优选为平行航线A1,航线的第二优选为转场航线A2B2，规划后的航线为A1-A2-B2-B1-C1-C2。在遇到航线避障点C2之后，无人机的航线规划需作避障处理，获取避障航线为优选。

如图3所示，避障方式包含有2种，(1)不穿过障碍区域的，直接避开障碍区域，如C2D1；(2)穿过障碍区域的，如C2C3、C2C4、C2D2；以第二种方式选取避障航线时，将障碍区域的边界点设为桥节点，如C21、C22、C23、C24，搜索出所有可能的不穿过障碍区域的路径，例如对C2C3搜索桥接路线：得到第一桥接连线C2-C21-C22-C3和第二桥接连线C2-C23-C24-C3，对C2C4搜索桥接路线：得到第三桥接连线C2-C21-C22-C4和第四桥接连线C2-C23-C24-C4；避障航线包含躲避航线C2D1、第一桥接连线C2-C21-C22-C3、第二桥接连线C2-C23-C24-C3、第三桥接连线C2-C21-C22-C4和第四桥接连线C2-C23-C24-C4，再根据避障航线优选原则选取合适的避障航线。

当选用路线最短原则时，测量5条线段躲避航线C2D1、第一桥接连线C2-C21-C22-C3、第二桥接连线C2-C23-C24-C3、第三桥接连线C2-C21-C22-C4和第四桥接连线C2-C23-C24-C4的距离长度，距离长度最短优先，例如由图3可知，躲避航线C2D1最短，则线段C2D1为最优的避障航线，且无人机下一个目标交叉点为D1点；

当最短线段为第一桥接连线C2-C21-C22-C3、第二桥接连线C2-C23-C24-C3、第三桥接连线C2-C21-C22-C4和第四桥接连线C2-C23-C24-C4其中的某一条时，若将交叉点C2、C3、C4均连上，则第一桥接连线变为C2-C21-C22-C3-C4，第二桥接连线变为C2-C23-C24-C3-C4，第三桥接连线变为C2-C21-C22-C4-C3，第四桥接连线变为C2-C23-C24-C4-C3。如图4所示，若点C21、C23与点C23、C24关于平行航线C1C4对称时，其长短对比的差异点主要为C22-C3与C22-C4的对比，C24-C3与C24-C4的对比。因此当C22-C3的长度小于C22-C4时，根据路线最短优选原则可知，线段C2-C21-C22-C3为最优的避障航线，且无人机下一个目标交叉点为C3；当C22-C3的长度大于C22-C4时，根据路线最短优选原则可知，线段C2-C21-C22-C4为最优的避障航线，且无人机下一个目标交叉点为C4。当C24-C3小于C24-C4时，线段C2-C23-C24-C3为最优的避障航线，且无人机下一个目标交叉点为C3，当C24-C3大于C24-C4时，线段C2-C23-C24-C3为最优的避障航线，且无人机下一个目标交叉点为C4。若C21-C22与C23-C24不关于障碍区域对称时，C2-C21-C22-C3和C2-C23-C24-C3，C2-C21-C22-C4和C2-C23-C24-C4内部之间还需要进行对比，来确定最优避障航线和无人机即将到达的下一个目标交叉点。

当选用桥接点最少原则时，将C2C3的桥接路线：C2-C21-C22-C3和C2-C23-C24-C3进行对比，将C2C4的桥接路线：C2-C21-C22-C4和C2-C23-C24-C4进行对比，优先选取桥接点最少的桥接路线，桥接点相同时，如图4所示，可任意选取。

反复上述步骤直到所有的交叉点都被连上。确认好实际航线后，如图6所示，无人机从S点出发开始作业，到F点终止作业，实际航线为S到F的连线，其中点12为重复点，当无人机到点5时，进行避障处理，根据避障航线优选原则可知点5到点6的距离短，下一个目标交叉点优选为点6。当无人机到达点7时，距点10与点8的距离相同，根据交叉点第二优选原则，选择点8作为下一个目标交叉点，因为点8相比点10更靠近出发点S。在无人机从点11到点12时，点12距离点13、点19的距离相同，且从点12到点20，有2条相同的路径，分别为，12-13-14-15-16-17-18-19-12-20和12-19-18-17-16-15-14-13-12-20，根据交叉点第二优选原则，点13相比于点19更靠近出发点，因此选择点13作为下一个到达的交叉点。其中15-16-17的选取是根据交叉点第三优选原则和路线最短原则来选的。根据以上对无人机路径的规划，降低了无人机在喷洒农药时的遗漏率和重复率，而且无人机仅在平行航线上喷洒农药，避免了农药喷洒在工作区域范围外，造成浪费和对工作区域外的农作物带来不利影响。

以上所述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 (3)

1.用于无人机作业的路径规划方法，其特征在于，包括以下步骤：

获取作业区域的边界，从所述边界上设定一点为起始点，并根据所述起始点选定初始航向；所述获取作业区域的边界包括以下步骤：

获取工作区域的边界点，并将相邻边界点进行连线，得到工作区域的边界；

获取工作区域内障碍区域的边界点，并将相邻边界点进行连线，得到障碍区域的边界；

以所述初始航向为参考，生成等间距的平行直线，选取所述作业区域内的线段作为平行航线，所述等间距的宽度为无人机的作业喷幅；去除障碍区域内的平行航线，保留剩余的平行航线；

根据所述工作区域的边界和所述平行航线生成预设航线，无人机仅在平行航线上飞行时进行作业；

获取所述平行航线与所述工作区域边界的交叉点，设定所述交叉点为航线转折点，根据航向和所述航线转折点在工作区域内生成相应的转场航线；

所述转场航线的生成，包括以下步骤：根据初始航向获取每条平行航线的航向，并分析每条平行航线与所述工作区域边界的两个航线转折点为起点或终止点，分别连接相邻两条平行航线的起点和终止点，得到转场航线；

获取与所述障碍区域边界相交的平行航线，获取所述平行航线与障碍区域边界的交叉点，获取所述平行航线的起点，并根据所述平行航线的起点与所述交叉点，从同一平行航线上的两个交叉点中，选取与所述平行航线的起点距离最近的交叉点为航线避障点，连接所述航线避障点与剩下的交叉点，并设置避障航线生成规则，生成避障航线；

所述避障航线生成规则：包括交叉点优选原则、避障处理原则和避障航线优选原则；

所述避障航线的选取包括以下步骤：根据交叉点优选原则从剩下的交叉点中，获取所述航线避障点之后的下一目标交叉点，并根据避障处理原则处理得到避障航线，并按照避障航线优选原则选取最合适的避障航线；

所述交叉点优选原则为从剩余交叉点中选取一交叉点做为下一个目标交叉点；目标交叉点选取的优先级由高到低依次为：与当前交叉点连线距离最短的交叉点、与出发点距离最短的交叉点，以及无需设置桥接连线连接的交叉点；

避障处理原则：在获得航线避障点时，分析所述障碍区域是否需要桥接绕过，若不需要桥接绕过，则生成躲避航线，避开所述障碍区域；若需要桥接绕过，则生成桥接连线，绕过所述障碍区域；所述避障航线包括所述躲避航线和桥接连线；

避障航线优选原则：对比躲避航线、桥接连线的距离长度，距离长度最短为优选的避障航线；对比多组桥接连线中的桥接点数量，桥接点最少为优选的避障航线；

根据保留剩余的平行航线、转场航线和避障航线，并设置航线规划优先级，生成实际航线。

2.一种存储介质，其中存储有多条指令，其特征在于，所述指令由处理器加载，执行权利要求1所述方法的步骤。

3.一种电子设备，其特征在于，所述电子设备包括权利要求2所述的存储介质，以及处理器，用于执行所述存储介质中的指令。

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