CN111061284A - 一种用于植保无人机近作物飞行的高度控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于植保无人机近作物飞行的高度控制方法。本植保无人机高度控制方法是利用测距模块测取作物由于风场影响而产生倾斜后的位置变化，再通过不断控制植保无人机飞行高度来满足植保作业要求。测距模块用于对作物位置的探测，模块产生的信号反馈到自驾仪上，从而进行相应的高度控制。通过使用该控制方法，可以实现植保无人机高度控制的自适应性，具有高效、实时、植保作业效果好等特点。

Description

一种用于植保无人机近作物飞行的高度控制方法

技术领域

本发明涉及一种用于植保无人机近作物飞行的高度控制方法，特别涉及到在作物受到植保无人机的风场影响后，产生倒伏的状况，为了更好的完成喷雾作业，而进行靠近作物飞行的一种高度控制方法。

背景技术

目前在无人机尤其是多旋翼无人机控制系统中，高度控制是一个非常基本的功能。但是最初的多旋翼无人机飞行控制系统中，目前只实现了姿态控制功能，即利用微控制器、加速度和角速度传感器实现自动保持无人机水平稳定的功能。高度的保持完全依靠操作者手工控制油门的大小，进而控制螺旋桨产生的升力大小。这一操作需要经过大量的练习才能实现，不具备通用性。

针对这一情况，后来的飞控系统增加了不同的高度传感器，类似气压计和超声波等，利用控制算法实现高度的自动控制，并取得较好的控制效果。但是在高度控制上，仍然存在一些问题，尤其是针对一些特殊的目标，如电线、细杆、动态目标等。

现有的高度控制方法中，其中，在专利无人机高度控制方面，一般都是基于高度一级或高度、速度二级PID控制器分别实现高度方向的速度和位置控制。PID控制是将误差信号的比例P，积分I，微分D通过线性组合构成控制量，称之为PID控制。PID控制器把收集到的数据和一个参考值进行比较，使其区别于原有的输入值，这个新的输入值的目的是让系统的数据稳定在需要控制的范围内。PID控制器可以根据历史数据和误差的出现率来调整输入值，使系统更加准确而稳定。这其中一种无人机高度控制方法及系统的专利中主要针对的目标物体为固定目标，且通过目标高度与测量高度误差，进行高度修正；在巡视输电线路的无人机高度控制系统及方法中，主要约束无人机的最大飞行高度，通过一种辅助控制装置，来完成高度控制，以及避免与底线之间的阻滞和卡线；在无人机仿地飞行的方法、装置和无人机的专利中主要针对了无人机与地面垂直距离和斜向距离，调整仿地飞行的状态，从而适应无人机在不同地形中能够实现仿地飞行；在类似文章中，关于无人机高度控制，包含有模糊算法等方式，都是基于固定地形或障碍，通过对路径的探测，再对现有目标进行相应的反馈控制，对于农田环境中，主要是针对GPS高度信息，或者各种传感器反馈得到的高度信息或者其他障碍的信息，再根据设定的高度，进行高度修正，并反馈要控制器内完成调节。

但上述方法针对植保作业中缺乏高效和适用性。在针对植保作业时候，高度的调试往往需要大量时间，且操作过程较为复杂，需要有经验的工程师进行大量试验来完成相应的控制功能改进，或者需要行业中的有植保喷雾作业经验的飞手。这使相关单位消耗了大量的人力物力和时间成本，且给飞手带来了很大的挑战。由于作物虫病的防治时间较为短，在大田中一旦无法完成相应的植保作业，造成的虫病会造成作物的产量削减。因此，本专利主要针对，农田作物受到自然风或无人机风的影响，再

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供了一种植保无人机近作物高度控制的方法，通过使用这种方法，可以克服现有的植保无人机飞行过程中的定高飞行无法实现喷雾作业中的自适应性，针对不同作物的倒伏情况，不同机型经过大量调试可以实现高度控制，对不同作物都能在高度控制上有更好的自适应性，具有成本低，喷雾作业效果好等特点。

为实现上述目的，本发明提出一种植保无人机近作物高度控制方法，所述方法包括以下步骤：

地面站连接植保无人机，显示地图和飞机的状态信息：

选中植保无人机，校准GPS模块及测距模块，所述的GPS模块为机载部件，连接地面站和卫星，完成对飞机的定位，所述测距模块为机载部件，能够测量植保无人机到地面作物的距离信息，并实施飞行控制。

所述飞行控制包括：

选中相应的植保无人机，所述地面站显示无人机参数，参数界面用于控制植保无人机飞行参数，所述飞行参数包括有姿态传感器的修正速率、姿态角偏差修正、最大地速和空速差异、油门对应油门值的空速和空速计校准后的偏移及比率。

在选中并执行飞行计划时，在地面站地图上显示植保无人机实时的飞行高度；所述飞行计划是指，在农田中的，按照植保无人机自主飞行的模式完成喷雾作业的条件下，产生的无人机飞行路线图。

植保无人机启动飞行，到达农田时，喷雾系统作业启动，开始喷雾，并执行所要进行的飞行的控制，直到飞行作业完成。

在无人机被选中，并且启动载入喷雾作业航迹操作时，所述地面站显示已保存的高度信息，进行无人机飞行高度的控制，完成喷雾系统的调节。

所述无人机飞行高度的控制的方法包括：

获取在植保无人机机体下表面的测距模块及无人机机体下方的喷杆的位置信息；再由测距模块测得无人机到作物上点距离的集合[l_p]及无人机到作物上点距离与垂线的夹角的集合[α]，并在竖直方向投影得到对应作物距离的高度信息集合[h_p]，获取特征点。

所述的植保无人机机体下表面的测距模块及无人机机体下方的喷杆的位置信息指：测距模块距离无人机机体中心的高度投影和喷杆距离无人机机体中心的高度投影。

通过计算测距模块及喷杆位置信息，与特征点取差值，可得作物距离机载喷杆的实际高度距离，得到无人机的喷杆距农田内作物最高高度和无人机机载喷杆距离作物的最低高度。

将测得作物距机载喷杆实际距离的信号传输到植保无人机自驾仪内，调整飞行参数，控制无人机飞行高度为无人机的喷杆距农田内作物的高度与喷杆距离无人机机体中心的高度投影之和，完成飞行高度的控制。

无机人的GPS模块实时反馈高度信息，并保存在飞行计划内。

与背景技术相比，本发明具有良好的适应性：

(1)喷雾效果更好。喷头与作物的直线距离更近，可在叶面有更好的沉积，并且在叶背也可以有足够的沉积。

(2)漂移量低。由于无人机飞行高度的降低，使得喷雾受自然风影响减小，且受到无人机旋翼产生涡流的影响变小，从而减少漂移，降低了对农田附近人畜的伤害。

(3)增加对不同作物的植保无人机喷雾作业的适应性。完成对作物边界特征点测量后，针对不同作物倾斜情况，使得无人机在不与作物接触的前提下，尽可能接近作物，从而完成高效的喷雾。

附图说明

图1为说明本发明的具体执行方式。

图2说明了植保无人机及测距模块布置图。

图3为作物分布与植保无人机距离关系简图。

图中，1、植保无人机旋翼，2、机体，3、测距模块，4、喷杆，5、喷头。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明做进一步阐释。

如图1所示，植保无人机整体距作物高度控制由自驾仪内部的飞控系统完成。启动时，先由GPS模块完成植保无人机高度的定位，再通过自驾仪完成高度稳定的控制；在进行作业时，受风场影响，作物产生类倒伏的变化时，测距模块测得植保无人机与作物的距离；降低飞机飞行高度，保证作物在一定的喷雾范围内；在无人机飞行过程中，实时反馈测量数据，完成实时控制。

如图2所示，在植保无人机机体下端安装喷杆，在植保无人机机体下表面上安装测距模块，测距模块为激光雷达，其可测得测距模块到作物距离信息；测距模块测得信号，通过无线端口传输到自驾仪。

如图3所示，作物受风场影响，产生倾斜后，由测距模块探测到作物直线距离l_p且与垂线的夹角为α，即可得到多点距离为l_p1,l_p2…l_pn及相应的夹角α_p1,α_p2…α_pn,作物在无人机竖直高度上的投影距离h_p＝l_p·cosα,此高度h_p为测距模块距离作物的投影高度距离，测距模块距植保无人机机体中心高度h_s；机载喷杆距植保无人机机体中心高度h_R；为取得特征点，取

令

再取 h_pmin,h_pmax俩特征点，从而可得到l_pmin,l_pmax。

如图3所示，特征点距离为测距模块所测得的最近及最远的投影距离，其特征在于可以满足机载喷杆到植物所在点的位置都能得到良好的作业效果，且在机载喷杆处距离都为安全距离，经过计算，无人机的喷杆距农田内作物最高高度 h_max＝l_pmax·cosα-(h_R-h_s)，并保证控制h_max<750mm,所述的高度即为无人机机载喷杆距离作物的最高高度。

以特征点为极限，在保证不触碰到作物的前提下，即h_min＝l_pmin·cosα- (h_R-h_s)＞0mm，h_mix为无人机机载喷杆距离作物的最低高度，减小植保无人机油门控制飞机高度，使得作物极限点的高度投影，都处于喷雾效果较好的范围，控制飞行高度使其能满足上述喷杆距离作物的高度要求，无人机GPS高度的控制为h_c，即其控制h_c＝h+h_R，h为无人机机载喷杆距离作物的高度，并将数据反馈到GPS模块，进行实时的校正控制，使其能稳定飞行，并实时记录高度信息，保证植保无人机正常飞行。

上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改和改变，都在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种用于植保无人机近作物飞行的高度控制方法，其特征在于，具体步骤如下：

(1)获取在植保无人机机体下表面的测距模块及无人机机体下方的喷杆的位置信息；再由测距模块测得无人机到作物上点距离的集合[l_p]及无人机到作物上点距离与垂线的夹角的集合[α]，并在竖直方向投影得到对应作物距离的高度信息集合[h_p]，并获取对应且具代表性的特征点；

(2)通过计算测距模块及喷杆位置信息得到对应的距离值，并与特征点的信息对应的值取差，可得作物距离机载喷杆的实际高度距离值，继而得到无人机机载喷杆距农田内作物最高高度和无人机机载喷杆距离作物的最低高度；

(3)将测得作物距机载喷杆实际距离的信号传输到植保无人机的飞行控制模块内，调整飞行参数，控制无人机飞行高度为无人机的喷杆距农田内作物的高度与喷杆距离无人机机体中心的高度投影之和，完成飞行高度的控制。

(4)无人机的GPS模块实时反馈高度信息，并保存在飞行计划内或进行相应的云数据传递等其他用于无人机信息记录的数据储存单元。

2.如权利要求1所述的一种用于植保无人机近作物飞行的高度控制方法，其特征在于，所述的植保无人机机体下表面的测距模块及无人机机体下方的喷杆的位置信息指：测距模块距离无人机机体中心的高度投影和喷杆距离无人机机体中心的高度投影。

3.如权利要求1所述的一种用于植保无人机近作物飞行的高度控制方法，其特征在于，步骤(1)中，作物受风场影响，产生倾斜后，由测距模块探测到作物直线距离l_p且与垂线的夹角为α，即可得到多点距离为l_p1,l_p2…l_pn及相应的夹角α_p1,α_p2…α_pn,作物在无人机竖直高度上的投影距离h_p＝l_p·cosα,此高度h_p为测距模块距离作物的投影高度距离，测距模块距植保无人机机体中心高度h_s；机载喷杆距植保无人机机体中心高度h_R；为取得特征点，取

令

再取h_pmin,h_pmax俩特征点，从而可得到l_pmin,l_pmax。

4.如权利要求1所述的一种用于植保无人机近作物飞行的高度控制方法，其特征在于，步骤(2)中，无人机的喷杆距农田内作物最高高度h_max＝l_pmax·cosα-(h_R-h_s)，并保证控制h_max<750mm；无人机机载喷杆距离作物的最低高度h_min＝l_pmin·cosα-(h_R-h_s)＞0mm。

5.如权利要求1所述的一种用于植保无人机近作物飞行的高度控制方法，其特征在于，步骤(3)中，无人机飞行高度的控制为h_c，即其控制h_c＝h+h_R，h为无人机机载喷杆距离作物的高度，并将数据反馈到GPS模块，进行实时的校正控制，使其能稳定飞行，并实时记录高度信息，保证植保无人机正常飞行。

6.如权利要求1所述的一种用于植保无人机近作物飞行的高度控制方法，其特征在于，所述的GPS模块为机载部件，连接地面站和卫星，完成对飞机的定位；所述测距模块为机载部件，能够测量植保无人机到地面作物的距离信息，并实施飞行控制。

7.如权利要求1所述的一种用于植保无人机近作物飞行的高度控制方法，其特征在于，所述飞行参数包括有姿态传感器的修正速率、姿态角偏差修正、最大地速和空速差异、油门对应油门值的空速和空速计校准后的偏移及比率。

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