CN112015200A - 一种农业无人机群协同作业系统、协同作业方法及无人机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种农业无人机群协同作业系统，包括主无人机，用于向对应的一个以上的副无人机发送指令；还用于接收来自副无人机的位置信息以及作业任务状态信息，并根据接收到的位置信息以及作业任务状态信息进行飞行路线的规划和作业任务的决策，将规划的飞行路线和决策后的作业任务生成指令并发送给副无人机；还包括一个以上的副无人机，用于接收来自主无人机的指令并解析得到对应的规划的飞行路线和作业任务，按照指令中规划的飞行路线飞行，并在飞行的过程中执行作业任务，采集自身的位置信息以及作业任务状态信息返回给主无人机。本发明还公开了一种农业无人机群协同作业方法和一种无人机。本发明有利于提高作业效率，完成综合作业任务。
Description
技术领域
本发明涉及农用无人机领域，具体涉及一种农业无人机群协同作业系统、协同作业方法及无人机。
背景技术
随着我国农业装备机械化与信息化程度的提高，越来越多的农用无人机被投入到农业生产中，提高了农业生产的效率，提高了施药、灌溉等作业的质量。随着物联网技术在农业中的进一步应用，我国的农业必将走向更高效的智慧农业。
目前，对农用无人机的使用仅仅停留在完成单一的作业任务这一层面上，如施药、灌溉、监测等。存在着作业效率低、操作复杂、不能协同作业等不足之处。若需要对大面积农田进行综合作业，继续使用传统无人机作业方式，则会存在单机作业范围不够，多机协同配合困难、不能进行实时综合作业、难以规避碰撞危险等问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术存在的不足，提供一种统筹农业生产过程中的信息采集、指令发送、协同控制，完成综合作业任务，提高作业效率的农业无人机群协同作业系统、协同作业方法及无人机。
为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
一种农业无人机群协同作业系统，包括：
主无人机，用于向对应的一个以上的副无人机发送指令；还用于接收来自所述副无人机的位置信息以及作业任务状态信息，并根据接收到的位置信息以及作业任务状态信息进行飞行路线的规划和作业任务的决策，将规划的飞行路线和决策后的作业任务生成指令并发送给副无人机；
一个以上的副无人机，用于接收来自所述主无人机的指令并解析得到对应的规划的飞行路线和作业任务，按照指令中规划的飞行路线飞行，并在飞行的过程中执行所述作业任务，采集自身的位置信息以及作业任务状态信息返回给所述主无人机。
主无人机作为空中平台，在用于低空信息节点上具有巨大的优势，其作为信息中枢，能够统筹整个无人机群的各类信息，并将所有信息汇总至主无人机，主无人机再对各类信息进行分析处理，规划出飞行路径，并根据实际情况作出何时何地以何种方式进行作业任务的决策，然后将其生成指令发送给副无人机，控制副无人机的飞行和作业动作，对整个无人机群起到指挥作用，兼具信息收集、指令发送和协同控制的作用，副无人机设有一个或多个作为执行者，该系统在作业区域的上空建立起一个动态的无人机群，整体协同工作完成综合作业任务，提高了农业无人机群的作业效率，减少人工成本。
上述的农业无人机群协同作业系统，优选的，所述主无人机上搭载有用于给各所述副无人机精确定位的激光定位装置，主无人机通过所述激光定位装置测得各副无人机的精确位置，判断各副无人机是否偏离轨迹和\或存在发生碰撞危险，当任一副无人机偏离轨迹和\或存在发生碰撞危险时，所述主无人机向所述副无人机发送强制指令，指示所述一副无人机回到正确的轨迹上和\或紧急避险。具体的，激光定位装置为360度全景激光雷达，安装在主无人机的底部。激光定位装置能够对各个副无人机进行精确定位，避免副无人机偏离轨迹和\或发生碰撞，提前规避副无人机之间可能发生的碰撞危险。
上述的农业无人机群协同作业系统，优选的，所述主无人机的飞行高度保持在所述副无人机之上，以保证激光定位装置的定位效果和定位精度，使主无人机拥有更良好的通信条件，有利于对副无人机进行精确定位。
上述的农业无人机群协同作业系统，优选的，所述副无人机上搭载有副无人机雷达。这样设置以进一步提高定位精度。
上述的农业无人机群协同作业系统，优选的，所述主无人机和副无人机上均搭载有导航系统。主无人机上的导航系统便于主无人机飞行，同时便于主无人机根据副无人机的位置自适应地调节自身的飞行高度与位置，以保证与各副无人机的通信质量，副无人机上的导航系统主要用于执行主无人机的路径规划指令，与此同时，导航系统还能与激光定位装置配合协同工作，大幅提高定位精度，防止飞行过程中副无人机之间发生碰撞。
上述的农业无人机群协同作业系统，优选的，所述副无人机上搭载有用于与所述主无人机通信的副无人机通信模块，所述主无人机上搭载有用于与所述副无人机通信的主无人机通信模块。主无人机通信模块和副无人机通信模块实现主无人机和副无人机之间的实时通信。
上述的农业无人机群协同作业系统，优选的，所述主无人机上搭载有控制台，所述主无人机通信模块设于所述控制台中，所述控制台中还设有存储模块和决策模块，所述存储模块用于存储来自所述副无人机的位置信息以及作业任务状态信息，所述决策模块用于根据所述位置信息以及作业任务状态信息进行飞行路线的规划和作业任务的决策。具体的，主无人机通信模块、存储模块和决策模块封存与控制台中，控制台上设有用于发射信号的发射天线和用于接收信号的接收天线，发射天线和接收天线与主无人机通信模块相连，主无人机通信模块与存储模块和决策模块相连，存储模块与决策模块相连，控制台上还设有用于将存储模块中记录的信息读取出来的数据接口。无人机群工作时，主无人机和副无人机始终保持实时通信，副无人机将自身的位置信息以及其他的作业任务情况信息通过副无人机通讯模块发送至主无人机，主无人机通信模块接收到信息后先将其存储至存储模块，然后决策模块对其进行数据分析并进行飞行路线的规划和作业任务的决策，然后将规划的飞行路线和决策后的作业任务生成指令通过主无人机通信模块发送给副无人机通信模块，副无人机通信模块接收指令并解析得到规划的飞行路线和作业任务，进而实现指导控制副无人机的飞行轨迹和作业动作，存储模块将整个作业过程采集的信息数据存储起来，便于在完成作业后将数据读取至电脑端进行进一步的分析处理，具体的，信息数据包括飞行路径、作业面积、施药量、作物生长情况、病虫害发生情况等，将其拷贝至电脑端经过分析以生成作业面积、喷洒农药量、病虫害信息、激光成形等综合作业图表。
上述的农业无人机群协同作业系统，优选的，所述副无人机上设有设备搭载平台，所述设备搭载平台上安装有用于执行喷洒农药、病虫害识别或激光点云采集作业任务的作业执行装置。设备搭载平台可根据不同任务选择搭载激光雷达、高清摄像头、喷洒装置等中的一种或多种，以满足不同作业任务的需求，同时还能通过一次飞行完成多种作业任务。
作为一个总的发明构思，本发明还提供了一种农业无人机群协同作业方法，包括以下步骤：主无人机向对应的一个以上的副无人机发送指令；
一个以上的副无人机接收来自主无人机的指令并解析得到对应的规划的飞行路线和作业任务，按照指令中规划的飞行路线飞行，并在飞行的过程中执行所述作业任务，采集自身的位置信息以及作业任务状态信息返回给主无人机；
主无人机接收来自副无人机的位置信息以及作业任务状态信息，并根据接收到的位置信息以及作业任务状态信息进行飞行路线的规划和作业任务的决策，将规划的飞行路线和决策后的作业任务生成指令并发送给副无人机。
该协同作业方法采用主无人机作为信息中枢，统筹协调无人机群的各类信息，副无人机作为执行者，根据主无人机的指令进行飞行或动作，通过主无人机实现了对整个无人机群的协调动作，适用于大面积农田综合作业过程，主无人机伴随副无人机飞行作业，保证了通信质量，调控更为及时，随着无人机群整体的动态移动以完成大面积的作业工作。
上述的农业无人机群协同作业方法，优选的，所述主无人机测得各所述副无人机的精确位置，判断各副无人机是否偏离轨迹和\或存在发生碰撞危险，当任一副无人机偏离轨迹和\或存在发生碰撞危险时，主无人机向副无人机发送强制指令，指示副无人机回到正确的轨迹上和\或紧急避险。该过程能够避免存在多个副无人机时，多个副无人机之间发生碰撞，保证各个副无人机能够在各自的范围轨迹内活动，互不干扰。
上述的农业无人机群协同作业方法，优选的，所述主无人机和副无人机之间存在最大通信距离R，在飞行和作业过程中测量主无人机和各副无人机之间的距离，并将测量得到的主无人机和各副无人机之间的距离与所述最大通信距离R进行比较，当主无人机与任一副无人机之间的距离将超出最大通信距离R时，主无人机调整自身的飞行高度和位置，保持与副无人机之间的良好通信。主无人机根据副无人机的位置进行灵活动作，保证通信质量的同时也便于无人机群的整体移动。
上述的农业无人机群协同作业方法，优选的，所述作业任务包括喷洒农药、病虫害识别或激光点云采集，所述作业任务状态信息包括喷洒农药量、病虫害识别图像或激光点云信息。
作为一个总的发明构思，本发明还提供了一种无人机，作为主无人机与一个以上的副无人机进行协同作业；所述无人机向对应的一个以上的副无人机发送指令；并接收来自所述副无人机的位置信息以及作业任务状态信息，并根据接收到的位置信息以及作业任务状态信息进行飞行路线的规划和作业任务的决策，将规划的飞行路线和决策后的作业任务生成指令并发送给副无人机。该无人机起到信息中枢的作用，用于在无人机群进行农业生产过程中统筹信息、发送指令并协同控制各副无人机工作。
上述的无人机，优选的，所述无人机上搭载有用于给各所述副无人机精确定位的激光定位装置，所述无人机通过所述激光定位装置测得各副无人机的精确位置，判断各副无人机是否偏离轨迹和\或存在发生碰撞危险，当任一副无人机偏离轨迹和\或存在发生碰撞危险时，所述无人机向副无人机发送强制指令，指示所述一副无人机回到正确的轨迹上和\或紧急避险。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明的农业无人机群协同作业系统、协同作业方法及无人机将主无人机作为信息中枢，用以收集副无人机的位置以及作业任务状态等信息，并根据这些信息进行分析规划及决策生成相关指令，以控制副无人机的飞行和作业动作，而副无人机接收主无人机的指令，按照规划的飞行路线飞行，同时在飞行的过程中根据实际情况执行相关的作业任务。本发明克服了传统农用无人机群协同作业需要多人同时操作，同时配合困难等问题，采用主无人机统筹，副无人机执行具体作业任务的方式，相比利用地面站控制无人机群，通信范围更广，飞行控制更精准，有利于实现大面积农田的智能协同作业。
附图说明
图1是实施例中主无人机的结构示意图。
图2是实施例中副无人机的结构示意图。
图3是实施例中设备搭载平台的结构示意图。
图4是实施例中控制台的结构示意图。
图5是实施例中主无人机控制各类副无人机的示意图。
图6是实施例中副无人机与主无人机通信过程的流程图。
图7是实施例中对副无人机进行定位的示意图(俯视方向)。
图8是实施例中主无人机对副无人机进行控制的流程图。
图例说明：
1、副无人机；11、副无人机通信模块；12、副无人机雷达；2、主无人机；21、主无人机通信模块；22、存储模块；23、决策模块；24、激光定位装置；26、安装平台；3、控制台；31、发射天线；32、接收天线；33、数据接口；4、设备搭载平台；41、水箱固定孔；42、底座；43、线路布设孔；44、安装孔；5、导航系统；6、飞控系统。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本发明做更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体实施例。
除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。
除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。
本实施例的农业无人机群协同作业系统，包括一台主无人机2和多台副无人机1，其中，主无人机2用于向对应的一个以上的副无人机1发送指令；还用于接收来自副无人机1的位置信息以及作业任务状态信息，并根据接收到的位置信息以及作业任务状态信息进行飞行路线的规划和作业任务的决策，将规划的飞行路线和决策后的作业任务生成指令并发送给副无人机1；副无人机1用于接收来自主无人机2的指令并解析得到对应的规划的飞行路线和作业任务，按照指令中规划的飞行路线飞行，并在飞行的过程中执行作业任务，采集自身的位置信息以及作业任务状态信息返回给主无人机2。
本实施例中，主无人机2的飞行高度保持在副无人机1之上。
如图1所示，本实施例中，主无人机2包括主无人机本体，主无人机本体的上部安装有飞控系统6和导航系统5，具体的，导航系统5为北斗导航系统，主无人机本体的底部安装有机架，机架上设有安装平台26，安装平台26上搭载有控制台3，安装平台26的底部固定设置有用于给各副无人机1精确定位的激光定位装置24，主无人机2通过激光定位装置24测得各副无人机1的精确位置，判断各副无人机1是否偏离轨迹和\或存在发生碰撞危险，当任一副无人机1偏离轨迹和\或存在发生碰撞危险时，主无人机2向副无人机1发送强制指令，指示该副无人机1回到正确的轨迹上和\或紧急避险。具体的，激光定位装置24为360°全景激光雷达，主无人机的飞控系统6用于控制主无人机的飞行参数，如速度、移动方向、姿态等。
如图4所示，本实施例中，控制台3内设有主无人机通信模块21、存储模块22和决策模块23。其中存储模块22用于存储来自副无人机1的位置信息以及作业任务状态信息，决策模块23用于根据位置信息以及作业任务状态信息进行飞行路线的规划和作业任务的决策。控制台3上还设有用于发射信号的发射天线31和用于接收信号的接收天线32，发射天线31和接收天线32与主无人机通信模块21相连，主无人机通信模块21与存储模块22和决策模块23相连，存储模块22与决策模块23相连，控制台3上还设有用于将存储模块22中记录的信息读取出来的数据接口33，具体的，数据接口为USB接口。
如图2所示，本实施例中，副无人机1包括副无人机主体，副无人机主体的上部安装有飞控系统6和导航系统5，具体的，导航系统5为北斗导航系统，副无人机主体的底部安装有机架，机架上设有设备搭载平台4，设备搭载平台4上安装有用于执行喷洒农药作业任务的作业执行装置，设备搭载平台4的底部安装有副无人机雷达12。具体的，作业执行装置为农药喷洒装置，副无人机雷达12为激光雷达。副无人机1上还搭载有用于与主无人机2通信的副无人机通信模块11。副无人机的飞控系统6用于控制副无人机的飞行参数，如速度、移动方向、姿态等。
如图3所示，本实施例中，设备搭载平台4为矩形板，设备搭载平台4的四个角落开设有用于固定水箱的水箱固定孔41，水箱固定孔41呈螺孔状，水箱固定于设备搭载平台4上用于存放农药，此外副无人机1上还设有与水箱相连的软管、喷头接口以及用于喷洒农药的喷头；设备搭载平台4的中心位置设有一矩形底座42，底座42的中心预留有用于布设线路的线路布设孔43，底座42的四个角落设有用于固定摄像头或副无人机雷达12的安装孔44，安装孔44呈螺孔状。
如图6至图8所示，本实施例还提供了一种采用本实施例的农业无人机群协同作业系统进行协同作业的方法，包括以下步骤：
S1、主无人机2起飞并飞行至作业区域的上空，主无人机2保持稳定后向多个副无人机1发出起飞指令；
S2、多个副无人机1接收主无人机2的起飞指令起飞，且飞行高度始终保持在主无人机2的下方；
S3、主无人机2向对应的多个副无人机1发送指令；
多个副无人机1接收来自主无人机2的指令并解析得到对应的规划的飞行路线和作业任务，按照指令中规划的飞行路线飞行，并在飞行的过程中执行作业任务，采集自身的位置信息以及作业任务状态信息返回给主无人机2；
主无人机2接收来自副无人机1的位置信息以及作业任务状态信息，并根据接收到的位置信息以及作业任务状态信息进行飞行路线的规划和作业任务的决策，将规划的飞行路线和决策后的作业任务生成指令并发送给副无人机1；
S4、在飞行作业过程中，主无人机2和副无人机1保持实时信息数据通信；
主无人机2测得各副无人机1的精确位置，判断各副无人机1是否偏离轨迹和\或存在发生碰撞危险，当任一副无人机1偏离轨迹和\或存在发生碰撞危险时，主无人机2向副无人机1发送强制指令，指示该副无人机1回到正确的轨迹上和\或紧急避险；
主无人机2和副无人机1之间存在最大通信距离R，在飞行和作业过程中测量主无人机2和各副无人机1之间的距离，并将测量得到的主无人机2和各副无人机1之间的距离与最大通信距离R进行比较，当主无人机2与任一副无人机1之间的距离将超出最大通信距离R时，主无人机2调整自身的飞行高度和位置，保持与副无人机1之间的良好通信；
S5、作业完成后，主无人机2控制副无人机1降落至指定地点，待副无人机1全部安全着陆后，主无人机2降落；
S6、通过主无人机2控制台3上的USB接口将飞行数据如飞行轨迹、作业面积、施药量等情况拷贝至电脑端，电脑端对数据进行处理得到喷洒农药量的综合作业图表。
采用本实施例的协同作业系统进行无人机群的协同作业，能对大面积农田进行农药喷洒综合作业，主无人机上部署具有信息收集与指令发布的设备，起到统筹农业生产的信息收集、指令发送、协同控制的作用，提高了无人机群的作业效率，保证作业过程中通信良好及时，有利于实现大面积农田的智能协同作业。
如图5所示，在其他实施例中，设备搭载平台4上还安装有用于执行病虫害识别或激光点云采集作业任务的作业执行装置，设备搭载平台4采用模块化设计，根据实际需求选择搭载的作业执行装置，根据搭载的作业执行装置的不同，存储模块22最终存储的数据不同，最终得到作业面积、病虫害信息或激光成形等综合作业图表。
Claims (10)
1.一种农业无人机群协同作业系统，其特征在于，包括：
主无人机(2)，用于向对应的一个以上的副无人机(1)发送指令；还用于接收来自所述副无人机(1)的位置信息以及作业任务状态信息，并根据接收到的位置信息以及作业任务状态信息进行飞行路线的规划和作业任务的决策，将规划的飞行路线和决策后的作业任务生成指令并发送给副无人机(1)；
一个以上的副无人机(1)，用于接收来自所述主无人机(2)的指令并解析得到对应的规划的飞行路线和作业任务，按照指令中规划的飞行路线飞行，并在飞行的过程中执行所述作业任务，采集自身的位置信息以及作业任务状态信息返回给所述主无人机(2)。
2.根据权利要求1所述的农业无人机群协同作业系统，其特征在于：所述主无人机(2)上搭载有用于给各所述副无人机(1)精确定位的激光定位装置(24)，主无人机(2)通过所述激光定位装置(24)测得各副无人机(1)的精确位置，判断各副无人机(1)是否偏离轨迹和\或存在发生碰撞危险，当任一副无人机(1)偏离轨迹和\或存在发生碰撞危险时，所述主无人机(2)向所述副无人机(1)发送强制指令，指示所述一副无人机(1)回到正确的轨迹上和\或紧急避险。
3.根据权利要求2所述的农业无人机群协同作业系统，其特征在于：所述主无人机(2)的飞行高度保持在所述副无人机(1)之上。
4.根据权利要求1至3任一项所述的农业无人机群协同作业系统，其特征在于：所述主无人机(2)和副无人机(1)上均搭载有导航系统。
5.根据权利要求1至3任一项所述的农业无人机群协同作业系统，其特征在于：所述副无人机(1)上搭载有用于与所述主无人机(2)通信的副无人机通信模块(11)，所述主无人机(2)上搭载有用于与所述副无人机(1)通信的主无人机通信模块(21)；
所述主无人机(2)上搭载有控制台(3)，所述主无人机通信模块(21)设于所述控制台(3)中，所述控制台(3)中还设有存储模块(22)和决策模块(23)，所述存储模块(22)用于存储来自所述副无人机(1)的位置信息以及作业任务状态信息，所述决策模块(23)用于根据所述位置信息以及作业任务状态信息进行飞行路线的规划和作业任务的决策。
6.一种农业无人机群协同作业方法，其特征在于：主无人机(2)向对应的一个以上的副无人机(1)发送指令；
一个以上的副无人机(1)接收来自主无人机(2)的指令并解析得到对应的规划的飞行路线和作业任务，按照指令中规划的飞行路线飞行，并在飞行的过程中执行所述作业任务，采集自身的位置信息以及作业任务状态信息返回给主无人机(2)；
主无人机(2)接收来自副无人机(1)的位置信息以及作业任务状态信息，并根据接收到的位置信息以及作业任务状态信息进行飞行路线的规划和作业任务的决策，将规划的飞行路线和决策后的作业任务生成指令并发送给副无人机(1)。
7.根据权利要求6所述的农业无人机群协同作业方法，其特征在于：所述主无人机(2)测得各所述副无人机(1)的精确位置，判断各副无人机(1)是否偏离轨迹和\或存在发生碰撞危险，当任一副无人机(1)偏离轨迹和\或存在发生碰撞危险时，主无人机(2)向副无人机(1)发送强制指令，指示副无人机(1)回到正确的轨迹上和\或紧急避险。
8.根据权利要求6所述的农业无人机群协同作业方法，其特征在于：所述主无人机(2)和副无人机(1)之间存在最大通信距离R，在飞行和作业过程中测量主无人机(2)和各副无人机(1)之间的距离，并将测量得到的主无人机(2)和各副无人机(1)之间的距离与所述最大通信距离R进行比较，当主无人机(2)与任一副无人机(1)之间的距离将超出最大通信距离R时，主无人机(2)调整自身的飞行高度和位置，保持与副无人机(1)之间的良好通信。
9.一种无人机，其特征在于：作为主无人机(2)与一个以上的副无人机(1)进行协同作业；所述无人机向对应的一个以上的副无人机(1)发送指令；并接收来自所述副无人机(1)的位置信息以及作业任务状态信息，并根据接收到的位置信息以及作业任务状态信息进行飞行路线的规划和作业任务的决策，将规划的飞行路线和决策后的作业任务生成指令并发送给副无人机(1)。
10.根据权利要求9所述的无人机，其特征在于：所述无人机上搭载有用于给各所述副无人机(1)精确定位的激光定位装置(24)，所述无人机通过所述激光定位装置(24)测得各副无人机(1)的精确位置，判断各副无人机(1)是否偏离轨迹和\或存在发生碰撞危险，当任一副无人机(1)偏离轨迹和\或存在发生碰撞危险时，所述无人机向副无人机(1)发送强制指令，指示所述一副无人机(1)回到正确的轨迹上和\或紧急避险。
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