CN111077912B - 基于无人机的农药养护系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于无人机的农药养护系统，包括无人机组、调度终端和移动补给站，无人机组包括监测无人机和养护无人机，养护无人机依据调度终端的养护指令，由规划路径执行喷洒任务；调度终端依据养护需求和监测无人获取的探测信息，将目标区域的治理需求进行网格化细分，生成农药精准养护需求，进而计算得出养护方案，养护方案包含每台养护无人机的规划路径和移动补给站的指定位置，并依据养护方案分别发送养护指令给移动补给站和养护无人机；该系统，与传统无人机在区域内无法均匀喷施相比，通过网格精细化养护需求，并通过调度终端生成优化的无人机喷洒路线，能够实现精准喷药精准喷施，能够保证农药喷洒均匀，农药残留低，并能够保护环境。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于无人机的农药养护系统。
背景技术
随着科学技术和互联网的发展，传统农业与数字信息时代相融合，精准农业逐渐成为当今世界农业发展的新潮流，其中无人机这一新型的农业机械在我国农业发展中发挥着重要的作用，促进了我国农业现代化的进程。
植物养护领域是精准农业重要的一部分。目前，传统的无人机植物养护难以实现农药精准按需喷洒，并出现喷洒不均匀的现象。因此，需要根据不均匀需求进行治理区域网格化细分，并在电量与药量受限的基础上，对无人机飞行路径进行高效的路径规划。
上述问题是在基于无人机的农药养护系统的设计过程中应当予以考虑并解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于无人机的农药养护系统解决现有技术中存在的难以实现农药精准按需喷洒的问题。
本发明的技术解决方案是：
一种基于无人机的农药养护系统，包括无人机组、调度终端和移动补给站，
无人机组：包括监测无人机和养护无人机，监测无人机依据调度终端的探测指令，到达指定区域获取探测信息，并回传给调度终端，探测信息包括目标区域植物的缺药信息、目标区域地理特征；养护无人机依据调度终端的养护指令，由规划路径执行喷洒任务；
调度终端：包括数据处理模块、无线通信模块和存储模块，无线通信模块用于与无人机组和移动补给站进行通信，数据处理模块依据养护需求和监测无人获取的探测信息，将目标区域的治理需求进行网格化细分，生成农药精准养护需求，进而计算得出养护方案，养护方案包含每台养护无人机的规划路径和移动补给站的指定位置，将所得养护方案分别发送养护指令给移动补给站和养护无人机，并将所得养护方案发送给存储模块进行存储；
移动补给站：依据调度终端的养护指令，将所需养护无人机、所需农药与所需充电桩送至指定位置。
进一步地，调度终端中，将目标区域的治理需求进行网格化细分，生成农药精准养护需求；具体为，将目标区域以养护无人机的喷洒长度为边长划分为若干正方体网格单元，并配置每个网格单元的待喷洒农药量，采用贪吃策略确定每台养护无人机的规划路径；在养护无人机确定返航移动补给站后，更新目标区域的各网格单元的待喷洒农药量，并重新由贪吃策略确定该养护无人机的规划路径。
进一步地，移动补给站包括车辆、车载终端、充电桩与农药箱，车载终端、充电桩与农药箱分别设于车辆上，车载终端与调度终端无线通信，充电桩用于为无人机组补充电量，农药箱用于为无人机组补充农药。
进一步地，调度终端采用以下调度过程：
S101、调度终端收到养护需求后，向监测无人机发送探测指令，使监测无人机起飞到养护需求的指定区域进行探测，监测无人机将获取的探测信息回传给调度终端；
S102、调度终端根据监测无人机回传的探测信息，结合养护无人机喷幅口径大小，将目标区域的治理需求进行网格化细分，生成农药精准养护需求；
S103、调度终端根据步骤S102所生成的农药精准养护需求，计算得到无人机养护方案；
S104、调度终端依据步骤S103所得养护方案向移动补给站发送指令；
S105、移动补给站在依据指令到达指定位置后，发送就位信息给调度终端；调度终端收到移动补给站就位信息后，向养护方案中确定的养护无人机发送开始指令；
S106、调度终端周期性地监控养护无人机实施养护方案的进程和养护无人机当前状态，养护无人机当前状态包括养护无人机的电量和农药量；
S107、判断养护过程是否结束？在没有结束时，分别进入步骤S109和S113，对养护无人机的电量和农药量进行监控；否则进入S108；
S108、养护无人机回到指定位置，养护结束；
S109、依据是否收到养护无人机发送的电量预警信号，判断养护无人机电量是否到达阈值？在收到电量预警信号时，确定到达阈值，进入步骤S110；否则返回步骤S106；
S110、调度终端向养护无人机发送充电指令；
S111、依据养护无人机的实际喷洒路径，判断养护无人机是否完成养护方案的喷洒任务？在没有完成时，进入步骤S112；否则返回步骤S106；
S112、调度终端重新计算养护方案，并将更新的养护方案发送给养护无人机；
S113、依据是否收到养护无人机发送的农药量预警信号，判断养护无人机的农药量是否到达阈值？在收到农药量预警信号时，如果到达阈值，进入步骤S114；否则返回步骤S106；
S114、调度终端向养护无人机发送补充农药指令；
S115、依据养护无人机的实际喷洒路径，判断养护无人机是否完成养护方案的喷洒任务？在没有完成时，进入步骤S112；否则返回步骤S106。
进一步地，养护无人机采用以下过程：
S201、养护无人机等待调度终端的养护指令；
S202、养护无人机在收到养护指令后，依照养护指令的规划路径执行飞行喷洒任务；
S203、在执行飞行喷洒任务中，检测电量是否达到阈值？在达到阈值后，向调度终端发送电量预警信号；
S204、等待调度终端的充电指令，在收到充电指令后飞往移动补给站进行充电；
S205、在充电完成，并收到调度终端更新养护方案后的养护指令后，返回步骤S202，直至完成喷洒任务；
S206、在执行飞行喷洒任务中，检测农药量是否达到阈值？在达到阈值后，向调度终端发送农药量预警信号；
S207、等待调度终端的补充农药指令，在收到补充农药指令后飞往移动补给站进行补充农药；
S208、在补充农药完成，并收到调度终端更新养护方案后的养护指令后，返回步骤S202，直至完成喷洒任务。
本发明的有益效果是：
一、该种基于无人机的农药养护系统，与传统无人机在区域内无法均匀喷施相比，通过提前网格精细化养护需求，并通过调度终端生成优化的无人机喷洒路线，能够实现精准喷药精准喷施，能够保证农药喷洒均匀，农药残留低，并能够保护环境。
二、该种基于无人机的农药养护系统，所产生无人机养护方案中，无人机飞行过程无悬停，通过多次飞过统一区域保证高需求区域的药量，使得无人机经济巡航能够省电，从而减少充电时间和提高养护效率。
附图说明
图1是本发明实施例基于无人机的农药养护系统的说明示意图。
图2是实施例中目标区域的治理需求进行网格化细分的一个具体示例的说明示意图。
图3是实施例中目标区域的网格单元由养护无人机进行养护前后的一个具体示例的说明示意图。
图4是实施例中目标区域的网格单元再次由养护无人机进行养护的一个具体示例的说明示意图。
图5是实施例中调度终端的调度过程的说明示意图；
图6是实施例中养护无人机的流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。
实施例
一种基于无人机的农药养护系统，如图1，包括无人机组、调度终端和移动补给站，
无人机组：包括监测无人机和养护无人机，监测无人机依据调度终端的探测指令，到达指定区域获取探测信息，并回传给调度终端，探测信息包括目标区域植物的缺药信息、目标区域地理特征；养护无人机依据调度终端的养护指令，由规划路径执行喷洒任务。
调度终端：包括数据处理模块、无线通信模块和存储模块，无线通信模块用于与无人机组和移动补给站进行通信，数据处理模块依据养护需求和监测无人获取的探测信息，将目标区域的治理需求进行网格化细分，生成农药精准养护需求，进而计算得出养护方案，养护方案包含每台养护无人机的规划路径和移动补给站的指定位置，将所得养护方案分别发送养护指令给移动补给站和养护无人机，并将所得养护方案发送给存储模块进行存储。
移动补给站：依据调度终端的养护指令，将所需养护无人机、所需农药与所需充电桩送至指定位置。
该种基于无人机的农药养护系统，调度终端中，将目标区域的治理需求进行网格化细分，生成农药精准养护需求；具体为，将目标区域以养护无人机的喷洒长度为边长划分为若干正方体网格单元，并配置每个网格单元的待喷洒农药量，采用贪吃策略确定每台养护无人机的规划路径；在养护无人机确定返航移动补给站后，更新目标区域的各网格单元的待喷洒农药量，并重新由贪吃策略确定该养护无人机的规划路径。
该种基于无人机的农药养护系统中，如图5，调度终端采用以下调度过程：
S101、调度终端收到养护需求后，向监测无人机发送探测指令，使监测无人机起飞到养护需求的指定区域进行探测，监测无人机将获取的探测信息回传给调度终端；
S102、调度终端根据监测无人机回传的探测信息，结合养护无人机喷幅口径大小，将目标区域的治理需求进行网格化细分，生成农药精准养护需求；
将面积为S的农田作为目标区域，看作一个n*n的网格，无人机的喷洒长度即为网格单元的边长。在一个具体示例中，将目标区域看做一个5*5的网格，如图2所示，0表示不缺药，正数表示缺药，负数表示喷洒过量，养护无人机在不缺药的情况下喷洒飞行路径每经过一个网格单元，网格单元内缺药量会相应减少固定数值，例如1，喷洒过量则缺药量会变成负值，最终实现每一个网格都在合理范围之内（假设喷洒完毕的需求矩阵内的所有值范围在-2到0之间为合理范围）。
S103、调度终端根据步骤S102所生成的农药精准养护需求，计算得到无人机养护方案；
在一个具体示例中，调度终端可调派2台养护无人机在农田的目标区域内同时执行喷洒任务，每台养护无人机各自按养护方案的规划路径对目标区域进行养护。
S104、调度终端依据步骤S103所得养护方案向移动补给站发送指令；
S105、移动补给站在依据指令到达指定位置后，发送就位信息给调度终端；调度终端收到移动补给站就位信息后，向养护方案中确定的养护无人机发送开始指令；
S106、调度终端周期性地监控养护无人机实施养护方案的进程和养护无人机当前状态，养护无人机当前状态包括养护无人机的电量和农药量；
S107、判断养护过程是否结束？在没有结束时，分别进入步骤S109和S113，对养护无人机的电量和农药量进行监控；否则进入S108；
S108、养护无人机回到指定位置，养护结束；
S109、依据是否收到养护无人机发送的电量预警信号，判断养护无人机电量是否到达阈值？在收到电量预警信号时，确定到达阈值，进入步骤S1010；否则返回步骤S106；
S110、调度终端向养护无人机发送充电指令；
S111、依据养护无人机的实际喷洒路径，判断养护无人机是否完成养护方案的喷洒任务？在没有完成时，进入步骤S112；否则返回步骤S106；
S112、调度终端重新计算养护方案，并将更新的养护方案发送给养护无人机；
在一个具体示例中，如图3，图3中（a）是目标区域的各网格单元在养护前的缺药分布，图3中（b）是养护无人机的飞行路径的示意图，图3中（c）是目标区域的各网格单元在养护无人机养护更新后的缺药分布。图3中（a）是养护无人机的再次养护的飞行路径的示意图，其中粗线条是再次养护的飞行路径，图4中（b）是目标区域的各网格单元再次由养护无人机养护后的缺药分布。
S113、依据是否收到养护无人机发送的农药量预警信号，判断养护无人机的农药量是否到达阈值？在收到农药量预警信号时，如果到达阈值，进入步骤S114；否则返回步骤S106；
S114、调度终端向养护无人机发送补充农药指令；
S115、依据养护无人机的实际喷洒路径，判断养护无人机是否完成养护方案的喷洒任务？在没有完成时，进入步骤S112；否则返回步骤S106。
该种基于无人机的农药养护系统中，移动补给站包括车辆、车载终端、充电桩与农药箱，车载终端、充电桩与农药箱分别设于车辆上，车载终端与调度终端无线通信，充电桩用于为无人机组补充电量，农药箱用于为无人机组补充农药。
在一个实施方式中，在一个需要养护的农田区域，移动补给站采用设有车载终端的车辆，并装载农药和充电桩，用于为养护无人机补充农药以及充电，移动补给站在到达在调度终端指定位置后，养护无人机以移动补给站所在位置为起点，开始实施各自的养护任务。
该种基于无人机的农药养护系统中，如图6，养护无人机采用以下过程：
S201、养护无人机等待调度终端的养护指令；
S202、养护无人机在收到养护指令后，依照养护指令的规划路径执行飞行喷洒任务；
S203、在执行飞行喷洒任务中，检测电量是否达到阈值？在达到阈值后，向调度终端发送电量预警信号；
S204、等待调度终端的充电指令，在收到充电指令后飞往移动补给站进行充电；
S205、在充电完成，并收到调度终端更新养护方案后的养护指令后，返回步骤S202，直至完成喷洒任务；
S206、在执行飞行喷洒任务中，检测农药量是否达到阈值？在达到阈值后，向调度终端发送农药量预警信号；
S207、等待调度终端的补充农药指令，在收到补充农药指令后飞往移动补给站进行补充农药；
S208、在补充农药完成，并收到调度终端更新养护方案后的养护指令后，返回步骤S202，直至完成喷洒任务。
该种基于无人机的农药养护系统中，养护无人机采用巡航喷药方式执行养护指令的喷洒任务，也就是，在养护无人机依据规划路径飞行时进行喷洒农药而不悬停。
该种基于无人机的农药养护系统中，突发状况包括养护方案实施与计划发生时间偏差较大、突发无人机故障、补给站故障等；调度终端收到这些突发状况信息后，需要启动应急养护方案，以保障养护任务的完成；应急养护方案包括重新计算可行养护方案或指派新的无人机组执行任务。
该种基于无人机的农药养护系统，与传统无人机在区域内无法均匀喷施相比，通过提前网格精细化养护需求，并通过调度终端生成优化的无人机喷洒路线，能够实现均匀能够实现精准喷药精准喷施，能够保证农药喷洒均匀，农药残留低，并能够保护环境。
该种基于无人机的农药养护系统，所产生无人机养护方案中，无人机飞行过程无悬停，通过多次飞过统一区域保证高需求区域的药量，使得无人机经济巡航能够省电，从而减少充电时间和提高养护效率。
Claims (3)
1.一种基于无人机的农药养护系统，其特征在于：包括无人机组、调度终端和移动补给站，
无人机组：包括监测无人机和养护无人机，监测无人机依据调度终端的探测指令，到达指定区域获取探测信息，并回传给调度终端，探测信息包括目标区域植物的缺药信息、目标区域地理特征；养护无人机依据调度终端的养护指令，由规划路径执行喷洒任务；
调度终端：包括数据处理模块、无线通信模块和存储模块，无线通信模块用于与无人机组和移动补给站进行通信，数据处理模块依据养护需求和监测无人获取的探测信息，将目标区域的治理需求进行网格化细分，生成农药精准养护需求，进而计算得出养护方案，养护方案包含每台养护无人机的规划路径和移动补给站的指定位置，将所得养护方案分别发送养护指令给移动补给站和养护无人机，并将所得养护方案发送给存储模块进行存储；
调度终端中，将目标区域的治理需求进行网格化细分，生成农药精准养护需求；具体为，将目标区域以养护无人机的喷洒长度为边长划分为若干正方体网格单元，并配置每个网格单元的待喷洒农药量，采用贪吃策略确定每台养护无人机的规划路径；在养护无人机确定返航移动补给站后，更新目标区域的各网格单元的待喷洒农药量，并重新由贪吃策略确定该养护无人机的规划路径；
移动补给站：依据调度终端的养护指令，将所需养护无人机、所需农药与所需充电桩送至指定位置；移动补给站包括车辆、车载终端、充电桩与农药箱，车载终端、充电桩与农药箱分别设于车辆上，车载终端与调度终端无线通信，充电桩用于为无人机组补充电量，农药箱用于为无人机组补充农药。
2.如权利要求1的基于无人机的农药养护系统，其特征在于：调度终端采用以下调度过程：
S101、调度终端收到养护需求后，向监测无人机发送探测指令，使监测无人机起飞到养护需求的指定区域进行探测，监测无人机将获取的探测信息回传给调度终端；
S102、调度终端根据监测无人机回传的探测信息，结合养护无人机喷幅口径大小，将目标区域的治理需求进行网格化细分，生成农药精准养护需求；
S103、调度终端根据步骤S102所生成的农药精准养护需求，计算得到无人机养护方案；
S104、调度终端依据步骤S103所得养护方案向移动补给站发送指令；
S105、移动补给站在依据指令到达指定位置后，发送就位信息给调度终端；调度终端收到移动补给站就位信息后，向养护方案中确定的养护无人机发送开始指令；
S106、调度终端周期性地监控养护无人机实施养护方案的进程和养护无人机当前状态，养护无人机当前状态包括养护无人机的电量和农药量；
S107、判断养护过程是否结束？在没有结束时，分别进入步骤S109和S113，对养护无人机的电量和农药量进行监控；否则进入S108；
S108、养护无人机回到指定位置，养护结束；
S109、依据是否收到养护无人机发送的电量预警信号，判断养护无人机电量是否到达阈值？在收到电量预警信号时，确定到达阈值，进入步骤S110；否则返回步骤S106；
S110、调度终端向养护无人机发送充电指令；
S111、依据养护无人机的实际喷洒路径，判断养护无人机是否完成养护方案的喷洒任务？在没有完成时，进入步骤S112；否则返回步骤S106；
S112、调度终端重新计算养护方案，并将更新的养护方案发送给养护无人机；
S113、依据是否收到养护无人机发送的农药量预警信号，判断养护无人机的农药量是否到达阈值？在收到农药量预警信号时，如果到达阈值，进入步骤S114；否则返回步骤S106；
S114、调度终端向养护无人机发送补充农药指令；
S115、依据养护无人机的实际喷洒路径，判断养护无人机是否完成养护方案的喷洒任务？在没有完成时，进入步骤S112；否则返回步骤S106。
3.如权利要求1的基于无人机的农药养护系统，其特征在于：养护无人机采用以下过程：
S201、养护无人机等待调度终端的养护指令；
S202、养护无人机在收到养护指令后，依照养护指令的规划路径执行飞行喷洒任务；
S203、在执行飞行喷洒任务中，检测电量是否达到阈值？在达到阈值后，向调度终端发送电量预警信号；
S204、等待调度终端的充电指令，在收到充电指令后飞往移动补给站进行充电；
S205、在充电完成，并收到调度终端更新养护方案后的养护指令后，返回步骤S202，直至完成喷洒任务；
S206、在执行飞行喷洒任务中，检测农药量是否达到阈值？在达到阈值后，向调度终端发送农药量预警信号；
S207、等待调度终端的补充农药指令，在收到补充农药指令后飞往移动补给站进行补充农药；
S208、在补充农药完成，并收到调度终端更新养护方案后的养护指令后，返回步骤S202，直至完成喷洒任务。
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