CN205880671U - 无人机植保作业系统及用于植保作业的无人机 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种无人机植保作业系统、用于植保作业的无人机及控制方法，获取作业区域的地形图像，并基于地形图像计算获取GIS信息，进而自动规划一个或多个作业无人机的作业路径并控制作业无人机根据作业路径进行植保作业。由此，一方面可以使得无人机根据规划好的作业路径自主飞行进行植保作业，保证了植保作业质量，另一方面，操作员不必手动控制无人机，可以多架无人机同时作业，极大提高了作业效率。

Description

无人机植保作业系统及用于植保作业的无人机

技术领域

本实用新型涉及植保作业领域，具体涉及一种无人机植保作业系统及用于植保作业的无人机。

背景技术

传统的航空植保作业由通用航空公司采用有人驾驶的通用航空器进行植保作业。由于通用航空器体积大，速度快，作业面积大，而且维护作业成本非常高。只能在局部超大面积植保作业上使用，一直没有很大规模的普及。随着无人机技术的发展，小型无人机用于与农业植保越来越普遍。使用无人机进行植保飞防作业，相比传统的人工或者其他机械作业有很多优势。可以适用各种复杂地形的植保作业，比如水田，森林，山地，湖泊等各种情形。其中很多植保作业是传统人工植保很难到达的地方。同时，无人机植保相比传统人工和机械作业，还有效率高，成本低，喷洒效果好的有点。无人机是无人驾驶飞机(UnmannedAerial Vehicle，UAV)的简称，其实利用无线电遥控设备或自备程序控制装置操控的不载人飞机。无人机包括固定翼无人机和旋翼无人机两类，其中旋翼无人机有包括单旋翼和多旋翼无人机两种。多旋翼无人机由于其结构简单，稳定性和操控性能较好，适于应用于植保作业。

在现有技术中，植保无人机通常都是单台无人机由操作员控制进行作业(飞行和喷洒)。这种方式完全依靠操作员的观察来控制作业路径，而在较大的作业区域内，人眼对于100米外的无人机位置进行判断和控制，误差很大，这会使得作业质量大幅降低。图1是人工操作的植保无人机在不规则区域的飞行路径示意图，可以看到无人机的作业路径极不规则，这会导致部分区域漏喷，部分区域被重复喷洒。而且，一个操作员只能控制一架无人机，进行植保作业的效率很低。

同时，现有技术中存在部分无人机具有自主飞行功能，但是，自动 化程度低，在定位失准时容易出现如图2所示的飞行轨迹，这会导致大量作业区域漏作业。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型提供一种无人机植保作业系统及用于植保作业的无人机，以提高无人机植保作业的效率和质量。

第一方面，提供一种无人机植保作业系统，包括：

至少一台作业无人机，适于根据卫星定位信息按照所对应的作业路径自动进行植保作业；

作业规划装置，用于获取作业区域的地形图像和作业参数信息，并根据所述地形图像和作业参数信息为每台作业无人机规划作业路径；

控制终端，用于获取并向所述作业规划装置发送所述作业参数信息。

优选地，所述无人机植保作业系统还包括：

指挥无人机，设置有图像获取装置，用于获取所述地形图像并向所述作业传输装置传输。

优选地，所述作业规划装置设置于所述指挥无人机上。

优选地，所述作业规划装置包括用于获取所述地形图像的图像获取装置，所述作业规划装置设置于一台作业无人机上。

优选地，所述作业规划装置与所述控制终端设置为一体，所述作业规划装置通过网络接收所在位置的地形图像。

优选地，所述系统还包括：

差分卫星定位装置，用于为所述至少一台作业无人机提供差分卫星定位信号。

优选地，所述差分卫星定位装置设置于所述指挥无人机平台上；

优选地，所述指挥无人机还用于拍摄植保作业过程，并保存或向所述控制终端或预定地址发送所获取的视频文件。

优选地，所述指挥无人机还用于实时获取作业区域的图像信息，所述指挥无人机或所述作业规划装置或所述控制终端根据所述作业区域的图像信息检测作业区域的状态。

优选地，在检测到作业区域出现除作业无人机以外的活动物体时或出现距离任一作业无人机的距离小于安全阈值的活动物体时控制所有作业无人机上升到预定高度。

第二方面，提供一种用于植保作业的无人机，包括：

无人机平台；

图像获取装置，适于获取无人机平台下方的图像；以及，

作业规划装置，用于根据图像获取装置获取的包括作业区域的地形图像和作业参数信息为每台作业无人机规划作业路径，所述作业路径用于指示作业无人机的飞行路径。

优选地，所述无人机还包括:

差分卫星定位装置，用于为所述作业无人机提供差分卫星定位信号。

优选地，所述图像获取装置还用于获取植保作业过程的视频文件，并保存或向所述控制终端或预定地址发送所获取的视频文件。

优选地，所述图像获取装置还用于实时获取作业区域的图像信息，所述作业区域的图像信息用于检测作业区域的状态。

优选地，在检测到作业区域出现除作业无人机以外的活动物体时或出现距离任一作业无人机的距离小于安全阈值的活动物体时控制所有作业无人机上升到预定高度。

本实用新型实施例通过预先或实时获取作业区域的地形图像，并基于地形图像计算获取GIS信息，进而自动规划一个或多个作业无人机的作业路径并控制作业无人机根据作业路径进行植保作业。由此，一方面可以使得无人机根据规划好的作业路径自主飞行进行植保作业，保证了植保作业质量，另一方面，操作员不必手动控制无人机，可以多架无人机同时作业，极大提高了作业效率。

附图说明

通过以下参照附图对本实用新型实施例的描述，本实用新型的上述以及其它目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：

图1是现有的植保作业无人机在非规则区域的飞行路径示意图；

图2是现有的植保作业无人机在规则区域的自主飞行路径示意图；

图3A是本实用新型一个实施例的无人机植保作业系统的示意图；

图3B是本实用新型实施例的无人机植保作业系统的控制流程图；

图3C是本实用新型实施例根据地形图像获取作业区域内所有位置的定位信息的原理示意图；

图3D是本实用新型实施例的无人机植保作业的作业路径示意图；

图3E是本实用新型实施例的作业规划装置的结构示意图；

图3F是本实用新型实施例的作业无人机的结构示意图；

图3G是本实用新型实施例的控制终端的结构示意图；

图4是本实用新型另一个实施例的无人机植保作业系统的系统示意图；

图5是本实用新型又一个实施例的无人机植保作业系统的系统示意图；

图6是本实用新型再一个实施例的无人机植保作业系统的系统示意图。

具体实施方式

以下基于实施例对本实用新型进行描述，但是本实用新型并不仅仅限于这些实施例。在下文对本实用新型的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本实用新型。为了避免混淆本实用新型的实质，公知的方法、过程、流程、元件和电路并没有详细叙述。

图3A是本实用新型一个实施例的无人机植保作业系统的示意图。如图3A所示，在本实施例中，无人机植保作业系统包括多台作业无人机1、作业规划装置2、指挥无人机4以及控制终端3。其中，至少一台作业无人机1适于根据卫星定位信息按照对应的作业路径自动进行植保作业。也就是说，作业无人机1对自身位置进行实时定位保证沿着规划好的作业路径行进并进行植保作业(通常为按照预定参数进行喷洒)。作业路径接收自作业规划装置2或控制终端3或从预定的网络位置下载。指挥无人机4用于在空中通过所设置的图像获取装置4a获取包含作业区域的地形图像。通常来说，控制指挥无人机4飞行到预定的高度后进行图像获取就可以获得所述地形图像。作业规划装置2承载于指挥无人机4上，根据所述地形图像和作业参数规划作业路径，并为每个作业无人机1发送对应作业路径控制其进行植保作业。上述的为每个作业无人机1发送对应作业路径可以是将作业路径数据通过无线连接直接发送到对应的作业无人机1，也可以是将作业路径数据通过控制终端3转发给对 应的作业无人机1，还可以是将作业路径数据传送到预定的网络位置供对应的作业无人机1下载。控制终端3用于与作业规划装置通信获取地形图像和作业路径，并通过人机交互界面(例如显示器)向用户展示所述地形图像和作业路径，并根据用户指令获取作业参数。所述作业参数至少包括用户在地形图像上限定的作业区域。优选地，作业参数可以包括同时进行作业的作业无人机数量、地形图像上的障碍物位置、作业无人机的障碍绕行方式、安全距离等等。具体地，在进行作业时，指挥无人机4承载作业规划装置2飞行到作业区域上空较高的位置，通过图像获取装置4a获取包含作业区域的地形图像。将该地形图像传输至控制终端3，由控制终端3向用户展示并提示用户对于植保作业参数进行设定。用户可以在控制终端3上限定地形图像中的每个作业无人机的作业区域或整体的作业区域。优选地，用户还可以在控制终端3上标记作业区域内的障碍物和作业关键点。标记障碍物用于使得植保作业无人机1可以绕过对应的障碍物。标记作业关键点可以使得作业规划装置2以作业关键点为参照进行路径规划。同时，用户还可以在控制终端3设置植保作业无人机1的障碍物绕行方式和飞行高度等参数。设定完毕后，控制终端3将设置的作业参数传输给作业规划装置2。作业规划装置2根据地形图像、用户指定的作业区域以及对应的设置参数为每个作业无人机1规划作业路径。规划完成后，作业规划装置2将规划作业路径直接或间接下发到对应的作业无人机1。各作业无人机1根据对应的作业路径进行作业。需要说明的是，作业无人机1上均具有卫星定位功能，能够根据自身的定位信息判断是否偏离作业路径，从而保证其按照作业路径完成植保作业。由此，一方面可以使得无人机根据规划好的作业路径自主飞行进行植保作业，保证了植保作业质量，另一方面，操作员不必手动控制无人机，可以多架无人机同时作业，极大提高了作业效率。

图3B是实用新型实施例的无人机植保作业系统的控制流程图。如图3B所示，在步骤310、指挥无人机获取地形图像，其中，所述地形图像包含作业区域。

在步骤320、指挥无人机将地形图像发送到控制终端和作业规划装置。

当然，地形图像的发送方式可以不同，在作业规划装置承载在指挥无人机上时，可以通过数据总线传输地形图像，而向地面的控制终端发送地形图像则需要依赖于无线通信连接，例如蓝牙或ZigBee或2.4G频段的自定义协议等。

在步骤330、控制终端向用户展示地形图像并获取用户输入的作业参数。

在步骤340、控制终端将作业参数向作业规划装置发送。

在步骤350、作业规划装置根据地形图像和作业参数规划获取每台作业无人机对应的作业路径。

具体地址，作业规划装置可以根据地形图像以及指挥无人机的卫星定位信息和地面设施(例如控制终端3)的卫星定位信息通过现有的各种GIS技术来计算地形图像上每一点的卫星定位信息。其基本原理如图3C所示，空中的指挥无人机4的卫星定位坐标为(x1,y1,z1)，地面设置的卫星定位坐标为(x2,y2,z2)(现有的卫星定位技术获取的坐标均为三维坐标)。由此，可以计算获得指挥无人机4的高度H。同时，指挥无人机4的图像获取的装置的视角A已知。由此，可以容易计算获取所获取的地形图像对应的实际长度，从而换算得到每个像素对应的实际面积以及尺寸。同时也可以换算得到地形图像上的每个像素(每个点)相对于指挥无人机的位置，进而计算获得其坐标。

进一步地，还可以基于指挥无人机4上设置的例如气压计以及高度雷达等装置对高度信息进行修正或对起伏地形进行测量。

在步骤360、作业规划装置向所有直接或间接作业无人机下发对应的作业路径。

在步骤370、作业无人机根据作业路径进行植保作业。

进一步地，为了保证无人机作业的精确度，所述系统还可以包括差分卫星定位装置5。差分卫星定位装置5用于为所述至少一台作业无人机提供差分卫星定位信号。差分卫星定位技术是一种应用于全球定位系统中用以提高民用定位精度的一种技术。其利用在同一地区内，卫星定位系统缓慢变化的系统误差，包括选择可用性(SA)误差，对基准台及其邻近用户的影响是相同或相近的。应用差分技术可有效地削弱SA、电离 层延迟、大气层延迟、星历误差、卫星钟误差，达到米级定位精度。差分卫星定位装置作为基准台为作业区域内的作业无人机提供差分卫星定位信号，从而可以提高作业无人机的定位精度，提高植保作业质量。通常，差分卫星定位装置所在点需要进行精确地定位，以保证基于其输出的差分卫星信号来定位的终端能够获得精确的绝对卫星定位坐标。但是，本实施例中对于差分卫星定位装置5的位置是否精确不做要求。在本实施例中，差分卫星定位装置5被设置为可拆卸，在进行植保作业时由操作者固定在地面。差分卫星定位装置5根据自身定位获取的卫星定位坐标作为自身位置，并据此发送差分信号。由于差分卫星定位技术实际上是以作为基准站的差分卫星定位装置5为原点进行定位校准的技术。因此，绝对卫星定位坐标的精确度取决于差分卫星定位装置5的位置坐标精确度，而相对卫星定位坐标(也即，在以差分卫星定位装置5为原点的坐标系内的坐标)并不受差分卫星定位装置5的位置坐标准确与否的影响。而在作业过程中，只要保证各无人机与任意原点的相对坐标准确即可，不要求绝对卫星定位坐标精确。因此，可以采用可移动的差分卫星定位装置来辅助校准所有无人机的定位，提高作业无人机的走位精确度。

在系统中设置有位于地面的差分卫星定位装置5时，作业规划装置2或指挥无人机4可以基于差分卫星定位装置5的坐标与自身的坐标确定指挥无人机的高度。

进一步地，指挥无人机4还可以利用图像获取装置拍摄植保作业过程，并将获取的视频文件向所述控制终端或预定网络地址发送，或直接在装载的存储装置中保存所获取的视频文件。优选地，获取的视频图像还可以实时传输到控制终端3显示。并且，可以通过图像识别技术跟踪作业无人机的运动，在控制终端3的显示器上显示作业无人机的轨迹。进一步地，还可以根据作业无人机的喷洒宽度沿其轨迹绘制喷洒覆盖情况，以直观的方式展示作业状态。由此，一方面可以通过形象的显示作业的边界和作业机喷撒的区域和路径，实时显示作业机的线路和画面。另一方面，将整个植保作业过程记录下来，据此记录的作业无人实际飞行轨迹技术计算喷洒面积，用于后续进行总体作业面积统计。

同时，在作业的过程中，可能出现动物或人进入作业区域的意外情况。由于作业无人机飞行高度较低，如果出现相撞，会导致作业无人机损坏或导致人和动物受伤。在作业期间，指挥无人机平台悬停于作业区域上空，通过图像获取装置实时监控作业区域的视频信息，基于图像识别技术检测作业区域内的状态，在检测到除作业无人机外的活动物体时，控制所有的作业无人机上升到预定的高度。由此，可以避免出现碰撞，保障作业安全。同时，也可以在检测到除祖业无人机意外的活动物体时，监控其余各作业无人机的距离，在距离小于安全阈值时控制所有作业无人机上升到预定高度。由此，可以避免偶然进入作业区域的人或动物频繁导致作业中断，同时也可以保证作业安全。

容易理解，在不需要进行大面积作业时，也可以在系统中仅设置一台作业无人机，在指挥无人机所承载的作业规划装置的控制下进行作业。

图3D是依据本实用新型的无人机植保作业的作业路径示意图。由图3D可见，本实用新型实施例的无人机植保作业系统可以适应于不规则的地形进行作业，具有较高的作业质量。

图3E是本实用新型实施例的指挥无人机的结构示意图。如图3E所示，所述指挥无人机包括无人机平台、作业规划装置2、图像获取装置4a。无人机平台可以包括必要的控制装置以及通信装置。图像获取装置4a可以设置专用的通信部件或利用无人机平台已有的通信装置进行发送地形图像、接收作业参数以及下发作业路径等通信操作。上述各部件之间可以共享部分电路或资源。例如，可以共享电源管理系统，共享通信收发前端电路或整个通信电路等。

图3F是本实用新型实施例的作业无人机的结构示意图。如图3F所示，所述作业无人机包括无人机平台、卫星定位装置、通信装置、控制装置以及加载的植保作业装置。卫星定位装置用于获取作业无人机的位置信息，以便控制装置控制无人机平台延规划好的作业路径飞行。通信装置用于获取作业路径，接收控制终端的控制信息以及实时上报作业无人机的状态(包括但不限于位置、喷洒量、剩余电量、作业时间等等)。加载的植保作业装置用于根据控制装置的控制进行植保作业(例如，进行喷洒操作)。

图3G是本实用新型实施例的控制装置的结构示意图。如图3G所示，控制终端包括显示装置、控制装置、通信装置以及人机交互装置。通信装置用于获取地形图像供显示装置显示。人机交互装置可以为键盘或触摸屏，用于获取用户输入。控制装置用于获取用户通过人机交互装置输入的指令，在显示装置显示对应的效果并在必要时控制通信装置对外发送。

图4是本实用新型另一个实施例的无人机植保作业系统的系统示意图。如图4所示，在本实施例的无人机植保作业系统中，不设置专门的指挥无人机平台。而是将作业规划装置2承载于一台作业无人机上。由承载作业规划装置2的作业无人机先飞到较高的位置获取地形图像，并获取各作业无人机对应的作业路径后，再飞到较低的高度与其它的作业无人机一同开始作业。本实施例的方案可以减少系统所需要的无人机的数量。优选地，在本实施例的无人机植保作业系统中，同样可以设置位于地面的差分卫星定位装置5以为各作业无人机1提供差分卫星定位信号，提高定位精度。

图5是本实用新型又一个实施例的无人机植保作业系统的系统示意图。如图5所示，在本实施例的无人机植保作业系统中，作业规划装置2与控制终端3设置为一体。作业规划装置2通过网络获取所在位置的地形图像，并通过总线或其他通信线路传输给控制终端3，以供用户进行参数输入。在获取到作业参数信息后，作业规划装置2根据地形图像和作业参数信息为每台作业无人机规划作业路径，并将所述作业路径下发给对应的作业无人机。由此，作业规划装置2不需要设置图像获取装置，减少了成本。优选地，在本实施例的无人机植保作业系统中，也可以设置指挥无人机4以进行地形图像获取，并在作业期间对作业区域的状态和作业过程进行监控和记录。优选地，在本实施例的无人机植保作业系统中，同样可以设置位于地面的差分卫星定位装置5以为各作业无人机1提供差分卫星定位信号，提高定位精度。

图6是本实用新型再一个实施例的无人机植保作业系统的系统示意图。在本实施例中，利用指挥无人机4选定在空中位置相对确定的特定，将差分卫星定位装置5装载在指挥无人机4上，由其在空中悬停后提供 差分卫星定位信号，辅助作业无人机进行定位，提高定位精度。本实施例的系统的关键部件均集成在指挥无人机这一平台上，可以提高设备集成度，方便运输和携带。

由于飞行高度和图像获取装置分辨率的限制，一台悬停指挥无人机只能覆盖50-100亩左右的区域。在进行大面积作业时，可以控制指挥无人机现在一个子区域作业，作业完成后，再移动到新的子区域进行作业，直至整个作业区域均被覆盖。

本实用新型实施例通过设置作业规划装置获取作业区域的地形图像，根据地形图像自动规划一个或多个作业无人机的作业路径并控制作业无人机根据作业路径进行植保作业。由此，一方面可以使得无人机根据规划好的作业路径自主飞行进行植保作业，保证了植保作业质量，另一方面，操作员不必手动控制无人机，可以多架无人机同时作业，极大提高了作业效率。

此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的附图都是为了说明的目的，并且附图不一定是按比例绘制的。

除非上下文明确要求，否则整个说明书和权利要求书中的“包括”、“包含”等类似词语应当解释为包含的含义而不是排他或穷举的含义；也就是说，是“包括但不限于”的含义。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例，并不用于限制本实用新型，对于本领域技术人员而言，本实用新型可以有各种改动和变化。凡在本实用新型的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种无人机植保作业系统，包括：

至少一台作业无人机，适于根据卫星定位信息按照所对应的作业路径自动进行植保作业；

作业规划装置，用于获取作业区域的地形图像和作业参数信息，并根据所述地形图像和作业参数信息为每台作业无人机规划作业路径；

控制终端，用于获取并向所述作业规划装置发送所述作业参数信息；以及，

指挥无人机，设置有图像获取装置，用于获取所述地形图像并向所述作业规划装置传输。

2.根据权利要求1所述的无人机植保作业系统，其特征在于，所述作业规划装置设置于所述指挥无人机上；或者，

所述作业规划装置包括用于获取所述地形图像的图像获取装置，所述作业规划装置设置于一台作业无人机上；或者，

所述作业规划装置与所述控制终端设置为一体，所述作业规划装置通过网络接收所在位置的地形图像。

3.根据权利要求2所述的无人机植保作业系统，其特征在于，所述系统还包括：

差分卫星定位装置，用于为所述至少一台作业无人机提供差分卫星定位信号。

4.根据权利要求3所述的无人机植保作业系统，其特征在于，所述差分卫星定位装置设置于所述指挥无人机平台上。

5.一种用于植保作业的无人机，包括：

无人机平台；

图像获取装置，适于获取无人机平台下方的图像；以及，

作业规划装置，用于根据图像获取装置获取的包括作业区域的地形图像和作业参数信息为每台作业无人机规划作业路径。

6.根据权利要求5所述的无人机，其特征在于，所述无人机还包括:差分卫星定位装置，用于为所述作业无人机提供差分卫星定位信号。