CN112540623B - 基于高精度定位无人机飞播的大田作物景观图案实现方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于高精度定位无人机飞播的大田作物景观图案实现方法。利用GIS系统或GPS定位方式，确定待作业田块的边界数据，根据需求确定景观图案的边界数据；将田块边界数据和景观图案数据融合得到不同区域的边界数据，转换为航线轨迹，采用航点精简算法处理，得到精简航线轨迹，利用喷墨/喷粉功能的无人机，按航线轨迹飞行并喷施，沿航线轨迹在地表的投影线进行标记，得到显性的地表图案；对不同区域分别，分别规划飞播作业航线并精简，利用飞播无人机，装载预设的不同种类或品种的作物种子，按航线实施飞播作业,让种子落入特定区域；等待发芽出苗，适时田间管理，即可得到作物景观图案。本发明适用于大田作物创意景观图案的施工。
Description
技术领域
本发明涉及农业机械领域，具体涉及一种基于高精度定位无人机飞播的大田景观图案实现方法。
背景技术
随着人民生活水平的不断提高和乡村振兴战略及美丽新农村建设活动的推进实施，近年来我国创意景观农业有了很大的发展。人们希望农田里的作物不仅能够丰产增收，而且在其生长期能够呈现出某种字画景观造型视觉效果，达到营造环境氛围、广告宣传的目的。出于旅游景点开发和广告宣传的需求，各地油菜花海、稻田景观等创意景观农业的事例不断涌现，带来了很好的经济效益和社会效益，成为第一、三产业融合发展的典型案例。有别于以获得农产品为主要目的传统农业行为，创意景观农业是一种以增加农业附加值为主要目的，以农作物景观造型为主要手段，以氛围营造、广告宣传和农耕文化及农事体验为主，同时兼顾农产品生产的新型农业行为。作为一种主要专注于农业景观开发与利用的新型农业种植模式，创意景观农业不仅有农业生产价值，更包含生态价值、体验价值、教育价值和观赏价值等，是农业现代化的重要标志和实现途径之一，可在自然村落、农业旅游景点等场景进行推广。
目前大田景观农业图案造型实施过程中，由于种植图案边界有着严格的精度要求并且伴随着不同类别或品种作物混合种植的情形，现有种植机械很难完成任务，只能利用纯人工方式进行田间造型设计与播种施工，虽已借助GPS等先进技术手段进行辅助定位，但仍然费时费力且出错率极高。因此有针对性的研究开发相应的机械化景观造型技术具有重要意义。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术中存在的缺点和不足，提供基于高精度定位无人机飞播的大田作物景观图案实现方法。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
基于高精度定位无人机飞播的大田作物景观图案实现方法，包括以下步骤：
步骤1、确定待作业田块的边界数据B1和景观图案的边界数据B2，并对田块进行耕整、封闭除草、施底肥、开沟等播前处理；
步骤2、将景观图案的边界数据B2与待作业田块的边界数据B1进行匹配，在B1中调整B2的大小、角度、位置，得到与B1相匹配的景观图案的边界数据B2’，待作业田块的边界数据B1与调整后待播种的图案B2’共同组成融合后边界数据B3；
步骤3、将融合后边界数据B3转换为航线轨迹P1，并利用航点精简算法进行处理，得到精简航线轨迹P1’，利用带有喷墨/喷粉装置的无人机，按精简航线轨迹P1’飞行并喷施，沿航线轨迹在地表的投影线进行标记，得到显性的景观图案；
步骤4、按照景观图案的设计意图，将B3分割成不同的区域组别{Ri}n，每个组别Ri预设安排对应类别及品种的作物，利用作物生长期的不同颜色或高度等差异特性形成对应的图案；
步骤5、对每个区域组别Ri，根据作物种植农艺要求分别设置飞播作业参数，并进行飞播作业路径规划，作业路径规划包括以下步骤：1、对区域组别Ri进行一次或多次轮廓偏置，轮廓偏置具体为按预设距离在区域组别Ri内部沿轮廓生成轮廓等距线，下一次的轮廓偏置为在上一次轮廓等距线的内部再次按预设距离生成轮廓等距线，依次存储轮廓等距线，得到轮廓平行路径；2、在最后一次的轮廓等距线轮廓的内部，根据飞播作业参数，进行内部区域的作业路径规划，生成对应的方向平行路径，将区域组别Ri的轮廓边界、每次偏置形成轮廓等距线和生成的方向平行路径一起作为飞播作业路径；
步骤6、对每个区域组别Ri，调用步骤S5中对应的飞播作业路径，转换为航线轨迹P2i，并利用航点精简算法进行处理，得到精简航线轨迹P2i’，利用带有播种装置的无人机，装载每个区域组别对应种类或品种的作物种子，在每个区域组别Ri内按照对应的精简航线轨迹P2i’分别实施飞播作业,让种子落入特定区域。区域组别Ri区域组别Ri区域组别Ri区域组别Ri区域组别Ri区域组别区域组别区域组别。
进一步的，所述航点精简算法指的是，循环遍历考察航线轨迹上相邻的3个航点A、B、C，若角∠ABC大于或等于预设阈值θ且线段AB或BC的长度小于设定长度δ，则认为3点共线，删除中间点B。
进一步的，所述带有播种装置的无人机，包括无人机1、控制系统2和排种系统3，控制系统2用于在定位系统辅助下，控制无人机1按照精简航线轨迹P2i’飞行，根据所处位置实时开启排种系统3并按照规定的播量进行排种。
进一步的，所述带有喷墨/喷粉装置的无人机，包括无人机1、控制系统2和喷墨/喷粉系统4组成，控制系统2用于在定位系统的辅助下，控制无人机1按照精简航线轨迹P1’飞行，根据所处位置实时开启喷墨粉系统3’，对飞行路线进行标记。
进一步的，所述排种系统包括种箱3-1、排种器3-2、排种电机3-3、出种管3-4、折叠电机3-5和折叠式导种管3-6，所述排种器3-2由排种电机3-3驱动，所述折叠式导种管3-6由折叠电机3-5驱动且可进行90°折叠，排种时展开后竖直向下；
进一步的，所述排种器3-2包括排种上壳体3-2-1、排种齿盘3-2-2、排种上壳体3-2-3；排种齿盘3-2-2设置于排种上壳体3-2-1和排种下壳体3-2-3中间。
进一步的，带有喷墨/喷粉装置的无人机还包括水箱3’-1、水泵3’-2、折叠式喷墨粉杆3’-3和折叠电机3-5组成，所述折叠式喷墨粉杆3’-3由折叠电机驱动3-5可进行90°折叠，喷墨粉时展开后竖直向下。
本发明的有益效果为：1、在RTK等高精度定位系统帮助下，利用了无人机飞行定位精度高、作业过程全自动无需人工参与或干预，减少人力投入、提高施工精度和出错几率；2、以机械定量供种的原理进行排种器的设计，结构简单，小巧，供种效率高，能实现稳定高速供种；3、利用喷墨/喷粉无人机，对飞行路径进行标记，及时对飞播作业时无人机位置准确性和飞播作业效果的及时检验和确认。
附图说明
图1为本发明的方法流程示意图；
图2为带有播种装置的无人机的伸展状态立体结构示意图；
图3为带有播种装置的无人机的折叠状态立体结构示意图；
图4为带有喷墨/喷粉装置的无人机的伸展状态正面结构示意图；
图5为排种系统的立体结构示意图；
图6为排种器的分解结构示意图；
图7为喷墨/喷粉系统的立体结构示意图；
图8为待作业田块的边界数据B1；
图9为景观图案的边界数据B2；
图10为融合的边界数据B3；
图11为区域组别R1对应的飞播精简航线轨迹P21；
图12为区域组别1中一子区域航线轨迹的放大图。
图13为区域组别R2对应的飞播精简航线轨迹P22。
附图中，各标号代表的部件列表如下：
1、无人机；2、控制系统；3、排种系统；3-1、种箱；3-2、排种器；3-3、排种电机；3-4、出种管；3-5、折叠电机；3-6、折叠式导种管；3-2-1、排种上壳体；3-2-2、排种齿盘；3-2-3排种下壳体；3’、喷墨/喷粉系统；3’-1、水箱；3’-2、水泵；3’-3、折叠式喷墨/喷粉杆
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
如图1所示，基于高精度定位无人机飞播的大田作物景观图案实现方法，包括以下步骤：
步骤1、利用GIS系统或GPS定位方式，确定待作业田块的边界数据B1，如图8所示；
步骤2、确定景观图案的边界数据B2，如图9所示的国旗五角星；
步骤3、根据田块边界数据B1的大小和方位，通过缩放、平移、旋转等手段，调整景观图案边界数据B2的大小和方位，获得二者融合后的区域边界数据B3，如图10所示；
步骤4、按照景观图案上各区域代表的不同设计意图和含义(对应不同颜色),将B3分割成不同的区域组别{Ri}2，对每个组别Ri预设安排对应一种类别及品种的作物；组别R1包括5个五角星区域，组别R2则为田块中除R1区域以外的其他区域；
步骤5、对区域组别R1，根据作物种植农艺要求分别设置飞播作业参数(作业幅宽、作业高度、播量)，并进行作业路径规划，作业路径规划包括以下步骤：1、对区域组别R1进行一次轮廓偏置，轮廓偏置具体步骤为按预设距离在区域组别Ri内部沿轮廓生成轮廓等距线；2、在轮廓等距线轮廓的内部，根据飞播作业参数，进行内部区域的作业路径规划，生成对应的方向平行路径，将区域组别R1的轮廓边界、轮廓等距线和方向平行路径作为R1对应的飞播作业路径；
对区域组别R2，根据作物种植农艺要求分别设置飞播作业参数(作业幅宽、作业高度、播量)，并进行作业路径规划，作业路径规划包括以下步骤：在区域组别R2的内部，根据飞播作业参数，进行作业路径规划，生成对应的方向平行路径，将区域组别R2的轮廓边界和方向平行路径作为R2对应的飞播作业路径。
步骤6、对待作业田块进行飞播前准备，对于旱地作物而言，包括土壤翻耕、平整、开沟、施底肥和除草等处理，对于水田作物而言，包括土壤翻耕、放水、打浆、平整、施底肥和除草等处理；
步骤7、调用步骤S3中融合后的区域边界数据B3，转换为航线轨迹P1，并利用航点精简算法进行处理，得到精简航线轨迹P1’。利用带有喷墨或喷粉装置的无人机，按精简航线轨迹P1’飞行并喷施，沿航线轨迹在地表的投影线进行标记，得到显性的地表图案。该图案主要用于作业人员或客户方对飞播作业时无人机位置准确性和飞播作业效果的及时检验和确认。
步骤8、对每个区域组别Ri，调用步骤S5中对应的飞播作业路径，转换为航线轨迹P2i，如图11和图13所示，分别为区域组别R1对应的飞播航线轨迹P21和区域组别R2对应的飞播航线轨迹P22，再利用航点精简算法进行处理，得到每个区域组别对应的精简航线轨迹P2i’。利用带有播种装置的无人机，装载区域组别R1和R2对应种类或品种的作物种子，分别按照对应的精简航线轨迹实施飞播作业,让种子落入特定区域。
步骤9、等待发芽出苗，适时田间管理维护，得到作物景观图案。
二、功能块
1、播种无人机
如图2和图3所示，播种无人机；
设置有无人机1、控制系统2和排种系统3；
其位置和连接关系是：
无人机1是本发明中所有装置的载体，也是飞播实现的关键，控制系统2设置在无人机1机架上，在无人机1的上设置有排种系统3；
工作机理：
控制系统2在GNSS等定位系统辅助下，控制无人机1按照指定路线飞行，根据所处位置实时开启排种系统3并按照规定的播量进行排种。
2、排种系统
如图5所示，所述排种系统包括种箱3-1、排种器3-2、排种电机3-3、出种管3-4、折叠式导种管3-5和折叠电机3-6，
其位置和连接关系是：
排种器3-2设置在无人机1的机架上，在排种器3-2的上方设置有种箱3-1，在排种器的下方设置有排种电机，折叠式导种管3-6设置在无人机1起落架上，在折叠式导种管3-6上设置有折叠电机3-5，出种管3-4用于连接排种器3-2和折叠式导种管3-6；
工作机理：
排种器3-2由排种电机3-3驱动，所述折叠式导种管3-6由折叠电机3-5驱动可进行90°折叠，排种时展开后竖直向下；
3、排种器
如图6所示，所述排种器包括排种上壳体3-2-1、排种齿盘3-2-2、排种上壳体3-2-3、
其位置和连接关系及工作机理：
排种齿盘3-2-2设置于排种上壳体3-2-1和排种下壳体3-2-3中间，排种齿盘3-2-2由排种电机3-3驱动。
4、喷墨/喷粉无人机
如图3所示，喷墨/喷粉无人机；
设置有无人机1、控制系统2和喷墨/喷粉系统3’；
其位置和连接关系是：
无人机1是本发明中所有装置的载体，控制系统2设置在无人机1机架上，在无人机1的上设置有喷墨系统3’；
工作机理：
控制系统2在GNSS等定位系统辅助下，控制无人机1按照指定路线飞行，根据所处位置实时开启喷墨/喷粉系统3’，对飞行路线进行标记；
5、喷墨/喷粉系统
如图7所示，所述喷墨/喷粉系统包括水箱3’-1、水泵3’-2和折叠式喷墨/喷粉杆3’-3和折叠电机3-5；
其位置和连接关系是：
在无人机1的上方设置有水箱3’-1，在无人机1的起落架上设置有折叠式喷墨/喷粉杆3’-3，水泵3’-2设置在折叠式喷墨杆3’-3上；
工作机理：
水泵3’-2将水箱3’-1中的墨泵到折叠式喷墨/喷粉杆3’-3，折叠式喷墨/喷粉杆3’-3由折叠电机3-5驱动可进行90°折叠，喷墨/喷粉时展开后竖直向下。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.基于高精度定位无人机飞播的大田作物景观图案实现方法，包括以下步骤：
步骤1、确定待作业田块的边界数据B1和景观图案的边界数据B2，并对田块进行耕整、封闭除草、施底肥、开沟等播前处理；
步骤2、将景观图案的边界数据B2与待作业田块的边界数据B1进行匹配，在B1中调整B2的大小、角度、位置，得到与B1相匹配的景观图案的边界数据B2’，待作业田块的边界数据B1与调整后边界数据B2’共同组成融合后边界数据B3；
步骤3、将融合后边界数据B3转换为航线轨迹P1，并利用航点精简算法进行处理，得到精简航线轨迹P1’，利用带有喷墨/喷粉装置的无人机，按精简航线轨迹P1’飞行并喷施，沿航线轨迹在地表的投影线进行标记，得到显性的景观图案；
步骤4、按照景观图案的设计意图，将B3分割成不同的区域组别｛Ri｝n，每个组别Ri预设安排对应类别或品种的作物，以利用作物生长期的不同颜色或高度差异特性形成对应的图案；
步骤5、对每个区域组别Ri，根据作物种植农艺要求分别设置飞播作业参数，并进行飞播作业路径规划，作业路径规划包括以下步骤：1、对区域组别Ri进行一次或多次轮廓偏置，轮廓偏置具体为按预设距离在区域组别Ri内部沿轮廓生成轮廓等距线，下一次的轮廓偏置为在上一次轮廓等距线的内部再次按预设距离生成轮廓等距线，依次存储轮廓等距线，得到轮廓平行路径；2、在最后一次的轮廓等距线轮廓的内部，根据飞播作业参数，进行内部区域的作业路径规划，生成对应的方向平行路径，将区域组别Ri的轮廓边界、每次偏置形成轮廓等距线和生成的方向平行路径一起作为飞播作业路径；
步骤6、对每个区域组别Ri，调用步骤S5中对应的飞播作业路径，转换为航线轨迹P2i，并利用航点精简算法进行处理，得到精简航线轨迹P2i’，利用带有播种装置的无人机，装载每个区域组别对应种类或品种的作物种子，在每个区域组别Ri内按照对应的精简航线轨迹P2i’分别实施飞播作业,让种子落入特定区域。
2.根据权利要求1所述的基于高精度定位无人机飞播的大田作物景观图案实现方法，其特征在于，所述航点精简算法具体为，循环遍历考察航线轨迹上相邻的3个航点A、B、C，若角∠ABC大于或等于预设阈值θ且线段AB或BC的长度小于设定长度δ，则认为3点共线，删除中间点B。
3.根据权利要求1所述的基于高精度定位无人机飞播的大田作物景观图案实现方法，其特征在于，所述带有播种装置的无人机，包括无人机（1）、控制系统（2）和排种系统（3），控制系统（2）用于在定位系统辅助下，控制无人机（1）按照精简航线轨迹P2i’飞行，根据所处位置实时开启排种系统（3）并按照规定的播量进行排种。
4.根据权利要求3所述的基于高精度定位无人机飞播的大田作物景观图案实现方法，其特征在于，所述带有喷墨/喷粉装置的无人机，包括无人机（1）、控制系统（2）和喷墨/喷粉系统（3’）组成，控制系统（2）用于在定位系统的辅助下，控制无人机（1）按照精简航线轨迹P1’飞行，根据所处位置实时开启喷墨/喷粉系统（3’），对飞行路线进行显性标记。
5.根据权利要求3或4中任一项所述的基于高精度定位无人机飞播的大田作物景观图案实现方法，其特征在于，所述排种系统包括种箱（3-1）、排种器（3-2）和排种电机（3-3）、出种管（3-4）、折叠电机（3-5）和折叠式导种管（3-6），所述排种器（3-2）由排种电机（3-3）驱动，所述折叠式导种管（3-6）由折叠电机（3-5）驱动且可进行90°折叠，排种时展开后竖直向下。
6.根据权利要求5所述的基于高精度定位无人机飞播的大田作物景观图案实现方法，其特征在于，所述排种器（3-2）包括排种上壳体（3-2-1）、排种齿盘（3-2-2）和排种上壳体（3-2-3）；排种齿盘（3-2-2）设置于排种上壳体（3-2-1）和排种下壳体（3-2-3）中间。
7.根据权利要求4所述的基于高精度定位无人机飞播的大田作物景观图案实现方法，其特征在于，带有喷墨/喷粉装置的无人机还包括水箱（3’-1）、水泵（3’-2）、折叠式喷墨/喷粉杆（3’-3）和折叠电机（3-5），所述折叠式喷墨/喷粉杆（3’-3）由折叠电机（3-5）驱动且可进行90°折叠，工作时展开后竖直向下。
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