CN117270577B - 一种基于路径规划的农业无人设备的作业方法与系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于路径规划的农业无人设备的作业方法与系统，属于农业无人设备的路径规划技术领域。该作业方法生成农业无人设备的多个理想返航点，监测农业无人设备的剩余电量与剩余介质，计算第一电量阈值和第一介质阈值，生成第一实际返航点或第二返航点，在返航点返回至补给站，实现作业。本发明同时根据第二电量阈值和第二介质阈值，确定是否同时更换料箱和电源，最大程度的提高作业效率。进一步的，本发明通过处理播种图像，估计实际介质密度，调整飞行速度，保证作业质量。

Description

一种基于路径规划的农业无人设备的作业方法与系统

技术领域

本发明涉及农业无人设备的路径规划技术领域，尤其涉及一种基于路径规划的农业无人设备的作业方法与系统。

背景技术

随着科技进步，无人设备已广泛应用于农业领域，如农田巡检、种子播撒、精准施肥和农药喷洒等。这些技术极大地提高了农业生产效率，降低了生产成本，有力地推动了农业现代化。CN202210110936.4 一种无人驾驶拖拉机作业的路径规划与精准作业方法，该方法根据作业田地的边界点定位信息确定田地边界。根据拖拉机起始作业位置规划进圈位置，规划作业路径。该方法假定种子和电源是充足的，不适用于小型农业无人设备。因无人机等小型农业无人设备携带种子、电源有限，如何实现自主换箱和电源是小型农业无人设备的技术难题。CN113359864公开了一种无人机巡线航迹规划方法及其系统。该方法首先生成包含目标巡线区域内所有电力设施的第一轨迹点、第二轨迹点以及补给点，再判定无人机是否需要电力补给进而对预设路径进行调整。该农业无人设备在作业过程中，需要预先设定飞行路径，根据剩余电量确定返航点。该方案假设工作面为平面，未考虑高度对作业的影响，且未考虑种子等作业介质余量对轨迹的影响，无法实现全程自控作业。鉴于此，现有技术有进一步改进的必要。

发明内容

为了解决上述现有技术存在的缺陷，本发明提出了一种基于路径规划的农业无人设备的作业方法与系统，根据剩余电量和剩余介质优化农业无人设备的返航路径，实现农业无人设备的自主作业。

本申请的发明目的可通过以下技术手段实现：

一种基于路径规划的农业无人设备的作业方法，包括以下步骤：

步骤1：获取作业区域的平面地图，建立栅格坐标系并生成农业无人设备的作业路径y=f(x)；

步骤2：生成补给站与作业路径的任意坐标点的距离函数R=g(x)，根据该距离函数生成农业无人设备的多个理想返航点；

步骤3：农业无人设备沿所述作业路径从路径起点移动至路径终点并执行介质播撒作业，测量作业高度与实际介质密度；

步骤4：根据作业高度调整高度参数，根据实际介质密度调整速度参数；

步骤5：监测农业无人设备的剩余电量与剩余介质，计算第一电量阈值和第一介质阈值，当剩余电量小于或等于第一电量阈值时，生成第一实际返航点，进入步骤6，否则进入步骤7；

步骤6：计算基于理想返航点的第二介质阈值，农业无人设备返航至补给站，若剩余介质小于或等于第二介质阈值，同时请求更换电源与料箱，否则请求更换电源，返回至第一实际返航点，返回步骤3；

步骤7：当剩余介质小于或等于第一介质阈值，生成第二实际返航点，进入步骤8，否则返回步骤3；

步骤8：计算基于理想返航点的第二电量阈值，农业无人设备返航至补给站，若剩余电量小于或等于第二电量阈值，同时请求更换料箱与电源，否则请求更换料箱，返回至第二实际返航点，返回步骤3。

在本发明中，在步骤1中，作业路径为分段函数，，D为农业无人设备的作业宽度，L为作业区域的宽度，N为整数。

在本发明中，在步骤2中，补给站的位置坐标为(x₀,y₀)，补给站与作业路径任意坐标点(x,y)的距离函数，当g(x)的导数g'(x)=0且g(x+dx)＞g(x)时的坐标点为理想返航点，dx为x的微分。

在本发明中，在步骤4中，设定农业无人设备的基准作业高度，获得当前的作业高度，根据作业高度与基准作业高度的高度差调整农业无人设备的高度参数。

在本发明中，在步骤4中，读取作业区域的播种图像，根据作业高度预测播种图像的实际介质密度，根据实际介质密度调整速度参数。

在本发明中，在步骤5中，根据单位路程的基准耗电量W与距离函数计算第一电量阈值，第一电量阈值=(1+γ)×g(x)×W，γ为飞行安全系数。

在本发明中，在步骤6中，计算第一实际返航点(x_i,y_i)与下一理想返航点(x_j,y_j)的轨迹长度，第二介质阈值/>，D为农业无人设备的作业宽度，Q为基准介质密度。

在本发明中，在步骤8中，计算第二实际返航点(x_i,y_i)途经下一理想返航点(x_j,y_j)到达补给站的轨迹长度，第二电量阈值=(1+γ)×，W为基准耗电量，γ为飞行安全系数。

一种根据所述基于路径规划的农业无人设备的作业方法的作业系统，包括：农业无人设备和补给站，所述农业无人设备包括：

控制单元，被配置为生成农业无人设备的作业路径，并生成多个理想返航点；

飞行单元，被配置为沿作业路径带动农业无人设备航行；

作业单元，被配置为执行介质播撒作业；

作业监测单元，被配置为测量作业高度与实际介质密度；

状态监测单元，被配置为监测飞行单元的剩余电量与作业单元的剩余介质；

调度单元，根据剩余电量确定第一实际返航点，以及根据剩余介质确定第二实际返航点，

其中，确定第一实际返航点后，调度单元根据剩余介质确定是否更换料箱，确定第二实际返航点后，调度单元根据剩余电量确定是否更换电源。

在本发明中，该作业系统还包括地面控制站，地面控制站根据调度单元的请求向补给站提供电源或料箱。

本发明实施的一种基于路径规划的农业无人设备的作业方法与系统，具有以下有益效果：该方法根据作业高度和实际介质密度信息，调整飞行单元的高度参数和速度参数，保证播撒密度。本发明实时监测剩余电量和剩余介质，并生成实际返航点，在实际返航点更换电源和料箱，提高了农业无人设备作业的自主性。当农业无人设备返航时，预测确定是否同时更换两种原料，最大程度的提高作业效率。本发明根据农业无人设备的轨迹和作业进度的变化，不断调整电量阈值和介质阈值，在避免电量耗尽或介质不足的前提下减少返航次数，实现高效和可持续的农业播种作业。进一步的，本发明通过处理播种图像，估计实际介质密度，调整飞行速度，保证作业质量。

附图说明

图1为本发明一种农业无人设备作业方法的流程图；

图2为本发明的理想返航点与补给站的示意图；

图3为本发明的实际返航点与补给站的示意图；

图4为本发明的农业无人设备沿作业区域移动的截面示意图；

图5为本发明优选的预测播种图像的实际介质密度的方法的流程图；

图6为本发明的一种根据所述基于路径规划的农业无人设备的作业方法的作业系统的框图；

图7为本发明的农业无人设备结构图。

具体实施方式

为更清楚地理解本申请的目的、技术方案和优点，下面结合附图和实施例，对本申请进行了描述和说明。

本发明的一种基于路径规划的农业无人设备的作业方法与系统实现了无人设备自主完成作业。该技术方案根据作业区域的地图信息建立路径规划，再根据规划的作业路径完成播撒作业。在作业过程中，因高度参数和速度参数的变化，农业无人设备的实际返航点与理想返航点出现偏差。本发明在实际返航点更换电源和料箱，提高了农业无人设备作业的自主性。同时根据农业无人设备的轨迹和作业进度的变化，不断调整电量阈值和介质阈值，在避免电量耗尽或介质不足的前提下减少返航次数。

实施例一

如图1至图4所示，本发明的一种基于路径规划的农业无人设备的作业方法，用于实现播种作业。该方法包括以下步骤。

步骤1：获取作业区域的平面地图，建立栅格坐标系并生成农业无人设备的作业路径y=f(x)。本实施例通过摄像单元或外部数据源获取作业区域的平面地图，建立栅格坐标系xoy，将作业区域划分成多个栅格单元。本发明不限制平面地图的形状，若平面地图为异形或多边形，可以采用现有的轨迹遍历算法生成作业路径。

如图2所示的一种具体的作业路径，农业无人设备沿该作业路径移动可以在较短的行程完成全部作业区域的覆盖。该作业路径为分段函数，，D为农业无人设备的作业宽度，L为作业区域的宽度，N为整数。本发明的分段函数是指坐标之间的非连续映射关系，在更具体的实施例中，分段函数为往返的折线。

步骤2：生成补给站与作业路径的任意坐标点的距离函数R=g(x)，根据该距离函数生成农业无人设备的多个理想返航点。根据本实施例计算的理想返航点如图2所示，为了提高播种效率，本发明预设农业无人设备在该理想返航点返航。补给站的位置坐标为(x₀,y₀)，补给站与作业路径任意坐标点(x,y)的距离函数。当距离函数取极小值时的坐标点为理想返航点，在该理想返航点返航的耗电较小，时间较短。计算理想返航点简化为计算距离函数的极小值。当距离函数g(x)的导数g'(x)=0时，距离函数为极值，g(x+dx)＞g(x)时的坐标点为理想返航点，dx为x的微分。

步骤3：农业无人设备沿所述作业路径从路径起点移动至路径终点并执行介质播撒作业，测量作业高度与实际介质密度。本发明测距装置实时跟踪作业区域，实现仿地飞行。本实施例还可以利用图像处理算法估计实际介质密度。

步骤4：根据作业高度调整飞行单元的高度参数，根据实际介质密度调整飞行单元的速度参数。在本实施例中，高度参数是指农业无人设备的绝对高度的期望值。首先设定农业无人设备的基准作业高度h₁，基准作业高度为相对作业区域的高度。农业无人设备在作业过程中测量下方作业区域的地形，处理后获得当前的作业高度h₂。计算高度差Δh，Δh=h₁-h₂，如图4所示。根据该高度差调整农业无人设备的高度参数，使得实际的作业高度接近该高度参数。例如Δh>0，农业无人设备上升Δh；若Δh<0，农业无人设备下降Δh。调整高度参数使得农业无人设备与作业区域保持恒定距离。同时，读取作业区域的播种图像，识别播种图像的实际介质密度，调整飞行单元的速度参数。本发明通过控制飞行速度，可以确保播种密度的均匀性。

步骤5：监测农业无人设备的剩余电量与剩余介质，计算第一电量阈值和第一介质阈值，当剩余电量小于或等于第一电量阈值时，控制单元生成第一实际返航点，进入步骤6，否则进入步骤7。本发明可以通过电压状态监测电路实时监测剩余电量，可以通过传感器或重量测量装置监测剩余介质。当剩余电量小于或等于第一电量阈值，农业无人设备继续作业将无法返航。当剩余电量充足，则继续进行剩余介质的判断。第一电量阈值是指，农业无人设备从当前位置返航的电量消耗值。本发明可以根据单位路程的基准耗电量W与距离函数计算第一电量阈值，第一电量阈值=(1+γ)×g(x)×W，γ为飞行安全系数。在平原无风地带，γ可以取值0.1，在山地等恶劣环境下，γ可以取值0.3至0.5。

步骤6：计算基于理想返航点的第二介质阈值，农业无人设备返航至补给站，若剩余介质小于或等于第二介质阈值，同时请求更换电源与料箱，否则请求更换电源，返回至第一实际返航点，返回步骤3。农业无人设备返航后申请更换电源。若料箱不足，可以同时申请更换料箱。若料箱充足，同时请求更换料箱会增加地面设备的操作，降低作业效率。本发明通过第二介质阈值判断是否需要更换料箱。若料箱的剩余介质满足，农业无人设备继续作业至下一理想返航点的介质消耗，则本次返航无须更换料箱。计算第一实际返航点(x_i,y_i)与下一理想返航点(x_j,y_j)的轨迹长度，第二介质阈值，D为农业无人设备的作业宽度，Q为基准介质密度。不同的农作物可以设置不同的基准介质密度，例如玉米的基准介质密度为1万/亩，稻谷的基准介质密度为5万/亩。

步骤7：当剩余介质小于或等于第一介质阈值，生成第二实际返航点，进入步骤8，否则返回步骤3。当剩余介质小于或等于第一介质阈值，表示介质即将耗尽，控制单元将生成第二实际返航点。若剩余介质足够，则返回至步骤3，继续执行作业。

步骤8：计算基于理想返航点的第二电量阈值，农业无人设备返航至补给站，若剩余电量小于或等于第二电量阈值，同时请求更换料箱与电源，否则请求更换料箱，返回至第二实际返航点，返回步骤3。农业无人设备计算第二电量阈值，以便预测到达补给站后是否请求更换电源。若剩余电量可以支持农业无人设备返回至第二返航点完成下一阶段的作业后再进入补给站，则无须更换电源，减少地面设备的操作。

农业无人设备从补给站返回至第二实际返航点(x_i,y_i)的轨迹长度为，第二实际返航点(x_i,y_i)至下一理想返航点(x_j,y_j)的轨迹长度为/>，下一理想返航点(x_j,y_j)至补给站的轨迹长度为/>。第二实际返航点(x_i,y_i)途经下一理想返航点(x_j,y_j)到达补给站的轨迹长度为/>。第二电量阈值=(1+γ)××W。若剩余电量小于或等于第二电量阈值，则需要同时更换电源。

实施例二

如图5所示，本发明进一步提出了步骤4中优选的预测播种图像的实际介质密度的方法，包括如下步骤。本实施例的介质例如是种子。

步骤21：农业无人设备的摄像装置拍摄播种图像，播种图像经预处理得到目标图像。预处理包括：几何校正、去噪、平滑处理以及锐化处理等。

步骤22：读取YOLOv4模型，目标图像经过YOLOv4模型的卷积和标准激活层处理后，得到基础密度图。YOLOv4模型通过相同种子的先验数据集训练。基础密度图包含任意种子的像素区。

步骤23：利用密度生成函数标注基础密度图中种子的像素区中心点，形成标签密度图。标签密度图对种子的像素区进行标记处理，便于区分背景像素，提高统计精度。首先计算任意种子k与相邻的5个种子的平均距离。计算高斯范围参数σ_k，/>。密度生成函数/>。T为基础密度图中统计的种子数量，u_k为第k个种子中心点横坐标，δ(u-u_k)为坐标点(u,v)与种子中心点(u_k,v_k)的坐标偏差函数，用于表达像素距离对密度生成函数的影响。/>为高斯范围参数σ_k的高斯核函数。本实施例通过平均距离调整高斯范围参数，控制高斯核函数的作用范围，避免函数过拟合。密度生成函数可以优化各坐标点的像素，突出种子中心点。

步骤24：根据当前的高度参数计算视场覆盖面积，再预测实际介质密度。重新统计标签密度图中种子数量T'，视场覆盖面积S=3tan(θ/2)²×h₂，实际介质密度Q'=T'/S。θ为农业无人设备的水平视角场，h₂为当前的作业高度。若实际介质密度Q'小于基准介质密度Q，则降低速度参数，若实际介质密度Q'大于基准介质密度Q，则提高速度参数。

实施例三

如图6所示的本发明的一种根据所述基于路径规划的农业无人设备的作业方法的作业系统，包括：农业无人设备、补给站以及地面控制站。

农业无人设备包括：控制单元、飞行单元、作业单元、作业监测单元、状态监测单元、调度单元、料箱、电源以及飞机天线。控制单元被配置为生成农业无人设备的作业路径，并生成多个理想返航点。控制单元是农业无人设备的核心部件，用于整体路径规划和协调各个子系统的工作。飞行单元被配置为沿作业路径带动农业无人设备航行。飞行单元是农业无人设备的运动执行部件。调整飞行单元的高度参数，以保持适当的飞行高度。调整飞行单元的速度参数，以保持适当的介质密度。电源向飞行单元提供电量。作业单元被配置为执行介质播撒作业，作业单元可以是现有的播种盘。料箱向作业单元提供介质，本实施例的介质例如是玉米、稻谷种子。作业监测单元被配置为测量作业高度与实际介质密度。作业监测单元例如包括测距装置和摄像装置，分别实现对高度的测量和密度的测量。状态监测单元被配置为监测飞行单元的剩余电量与作业单元的剩余介质。调度单元根据剩余电量确定第一实际返航点，以及根据剩余介质确定第二实际返航点。飞机天线用于与地面控制站通信。调度单元确定第一实际返航点后，调度单元根据剩余介质确定是否更换料箱；确定第二实际返航点后，调度单元根据剩余电量确定是否更换电源。调度单元将相应更换请求发送至地面控制站。地面控制站包括地面天线、计算机与机械臂。地面天线接收飞机天线的相关请求，计算机调度系统相关电源与料箱的数据，与机械臂向补给站提供电源或料箱。

在图7中，控制单元固定在飞机天线的下方，作业单元的宽度为农业无人设备的作业宽度。因电源与飞行单元配对，料箱与作业单元配对。每次返航均更换电源与料箱的工作量较大。本发明通过电量阈值和介质阈值，确定是否需要同时更换电源和料箱，提高作业的效率。D为农业无人设备的作业宽度。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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，等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于路径规划的农业无人设备的作业方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：获取作业区域的平面地图，建立栅格坐标系并生成农业无人设备的作业路径y=f(x)；

步骤2：生成补给站与作业路径的任意坐标点的距离函数R=g(x)，根据该距离函数生成农业无人设备的多个理想返航点，其中，补给站的位置坐标为(x₀,y₀)，补给站与作业路径任意坐标点(x,y)的距离函数，当g(x)的导数g'(x)=0且g(x+dx)＞g(x)时的坐标点为理想返航点，dx为x的微分；

步骤3：农业无人设备沿所述作业路径从路径起点移动至路径终点并执行介质播撒作业，测量作业高度与实际介质密度；

步骤4：根据作业高度调整高度参数，根据实际介质密度调整速度参数；

步骤5：监测农业无人设备的剩余电量与剩余介质，计算第一电量阈值和第一介质阈值，当剩余电量小于或等于第一电量阈值时，生成第一实际返航点，进入步骤6，否则进入步骤7，其中，根据单位路程的基准耗电量W与距离函数计算第一电量阈值，第一电量阈值=(1+γ)×g(x)×W，γ为飞行安全系数；

步骤6：计算基于理想返航点的第二介质阈值，农业无人设备返航至补给站，若剩余介质小于或等于第二介质阈值，同时请求更换电源与料箱，否则请求更换电源，返回至第一实际返航点，返回步骤3，其中，计算第一实际返航点(x_i,y_i)与下一理想返航点(x_j,y_j)的轨迹长度，第二介质阈值/>，D为农业无人设备的作业宽度，Q为基准介质密度；

步骤7：当剩余介质小于或等于第一介质阈值，生成第二实际返航点，进入步骤8，否则返回步骤3；

步骤8：计算基于理想返航点的第二电量阈值，农业无人设备返航至补给站，若剩余电量小于或等于第二电量阈值，同时请求更换料箱与电源，否则请求更换料箱，返回至第二实际返航点，返回步骤3，其中，计算第二实际返航点(x_i,y_i)途经下一理想返航点(x_j,y_j)到达补给站的轨迹长度，第二电量阈值=(1+γ)××W。

2.根据权利要求1所述的基于路径规划的农业无人设备的作业方法，其特征在于，在步骤1中，作业路径为分段函数，，D为农业无人设备的作业宽度，L为作业区域的宽度，N为整数。

3.根据权利要求1所述的基于路径规划的农业无人设备的作业方法，其特征在于，在步骤4中，设定农业无人设备的基准作业高度，获得当前的作业高度，根据作业高度与基准作业高度的高度差调整农业无人设备的高度参数。

4.根据权利要求3所述的基于路径规划的农业无人设备的作业方法，其特征在于，在步骤4中，读取作业区域的播种图像，根据作业高度预测播种图像的实际介质密度，根据实际介质密度调整速度参数。

5.一种根据权利要求1所述基于路径规划的农业无人设备的作业方法的作业系统，其特征在于，包括：农业无人设备和补给站，所述农业无人设备包括：

控制单元，被配置为生成农业无人设备的作业路径，并生成多个理想返航点；

飞行单元，被配置为沿作业路径带动农业无人设备航行；

作业单元，被配置为执行介质播撒作业；

作业监测单元，被配置为测量作业高度与实际介质密度；

状态监测单元，被配置为监测飞行单元的剩余电量与作业单元的剩余介质；

调度单元，根据剩余电量确定第一实际返航点，以及根据剩余介质确定第二实际返航点，

其中，确定第一实际返航点后，调度单元根据剩余介质确定是否更换料箱，确定第二实际返航点后，调度单元根据剩余电量确定是否更换电源。

6.根据权利要求5所述的作业系统，其特征在于，该作业系统还包括地面控制站，地面控制站根据调度单元的请求向补给站提供电源或料箱。