无人机自动航迹生成方法与流程

本发明涉及无人机技术领域，具体涉及一种无人机自动航迹生成方法。

背景技术：

当前无人机喷施物料作业大多数采用手动作业，其作业精度难以保证，由于缺乏喷施无聊远程检测以及电池余量远程检测的手段，飞手在作业的过程中往往采用估计的方法估算物料及电池的余量，这种作业方式易造成电池的浪费以及物料的漏喷。

目前已存在部分具有自主导航功能的农用无人机，其航线规划方法为在卫星地图上标定田块边界并进行等距航线规划，考虑到人工打点的精度、卫星遥感影像较低的时域分辨率以及GPS接收机与国内地图的投影参考椭球体的差异，这种方法并不能精准地获取田块边界；与此同时，该方法并不能准确地获取田间的障碍物以及home点坐标，市面上常见的无人机利用起飞点作为home点，当无人机出现异常情况，如电池电量过低、药箱余量不足的情况下自动返航。然而由于农村空域环境复杂，常有电线杆、高压线、围栏等障碍物，在缺乏切实可靠的自主避障机制的情况下，不能够保证无人机能够安全地返航。

技术实现要素：

本发明的目的在于提出一种无人机自动航迹生成方法，能够精确标定田块、障碍物和安全起降点的坐标及面积，并自动生成最短作业路径，使得无人机在按照最短作业路径自动作业的情况下自主避障，且能自动选择最近的安全起降点进行自主返航。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

作为本发明的一个方面，提供的一种无人机自动航迹生成方法，包括：

对待标定区域的外轮廓进行采样，获得待标定区域的外轮廓的采样点集，所述待标定区域包括田块、障碍物及安全起降点；

对所述采样点集进行最小外接凸多边形的计算，并通过经纬度坐标与平面投影坐标的转换，获得待标定区域的坐标及面积；

根据田块和障碍物的坐标及面积获得作业区域，对所述作业区域进行网格化，并求取所述作业区域的最短作业路径，所述最短作业路径由若干个航点组成；

当无人机在所述作业区域作业时，计算当前航点及下一个航点到所有安全起降点的距离，判断无人机在下一个航点是否能安全到达至少一个安全起降点，若是，则继续作业，否则，在当前航点返航。

可选地，所述对待标定区域的外轮廓进行采样，获得待标定区域的外轮廓的采样点集包括：

在无人机上安装GPS移动站，在地面上建立GPS基站；

将无人机静置于一固定点，通过GPS基站对待标定区域的外轮廓进行采样，并通过差分GPS技术获得采样点的经纬度坐标。

可选地，对所述采样点集进行最小外接凸多边形的计算，并通过经纬度坐标与平面投影坐标的转换，获得待标定区域的坐标及面积包括：

令所述采样点集为P(lon,lat)，包含的最小面积单连通域为C，最小外接凸多边形的顶点集合为B，其中，lon、lat分别表示WGS84参考椭球体下的经度及纬度坐标；

通过Karney快速坐标转换算法进行经纬度坐标与平面投影坐标的转换，公式如下：

P′_i(x,y)＝K(P_i(lon,lat))

P_i(lon,lat)＝K^-1(P′_i(x,y))

其中，K表示经纬度坐标转换至平面坐标函数；K^-1表示平面坐标转换至经纬度坐标函数；x、y分别表示对应投影条带的平面坐标；i∈Card(P),i∈N⁺；

则待标定区域的面积S为：

其中，Card(B′)表示B′集合中的元素数目，

可选地，根据田块和障碍物的坐标及面积获得作业区域具体为：

令田块的连通域边界点集为C_F，带有冗余余量的障碍物连通域为则作业田块面积S_total为：

则除去田块中障碍物的作业区域R表示为：

可选地，对所述作业区域进行网格化，并求取所述作业区域的最短作业路径具体为：

令无人机作业时飞行高度为h时的喷雾幅宽为w，喷雾纵向宽度为l，则将作业区域R离散为宽度为w，长度为l的单连通区域R_i；

以任意R_i为起始子区域，并对其相邻子区域R_j进行检测，若R_i∪R_j单连通域，则有R_i＝R_i∪R_j，持续迭代当R_j＝φ或R_i∪R_j为多连通域时则停止迭代；

通过计算不同组合的下合并后的单连通域的规划航迹长度，取最短的组合作为最短作业路径。

可选地，所述计算当前航点及下一个航点到所有安全起降点的距离具体为：

令当前航点为P₀，该航点到所有安全起降点的距离为D_H；

当无人机与安全起降点不存在障碍物时，有其中为第i个安全起降点的中点；

当无人机与安全起降点存在障碍物时，根据凸多边形的定义，在E″_i一侧存在一点E″_ij，有：

若E″_ijD_H∩E″_i＝E″_ij，则反之则寻找E″_i靠近一侧继续迭代，直至则有：

通过比较该障碍物左右两侧求取的D_H则可判定两侧路程差异，从而判定最优返航航线。

可选地，所述判断无人机在下一个航点是否能安全到达至少一个安全起降点包括：

自动采集无人机的剩余电量，根据所述剩余电量及所述航点到所有安全起降点的距离判断无人机在下一个航点是否能安全到达至少一个安全起降点；或

自动采集无人机的剩余物料，根据所述剩余物料及所述所述作业区域内单连通区域R_i的面积判断无人机能否持续作业到下一个航点。

可选地，所述田块内部设置有若干个喷头，所述若干个喷头平均分配到作业区域R的单连通区域R_i中；当所述单连通区域R_i位于作业区域R的边界时，打开所述单连通区域R_i内的喷头。

本发明的有益效果为：一种无人机自动航迹生成方法，包括：对待标定区域的外轮廓进行采样，获得待标定区域的外轮廓的采样点集，所述待标定区域包括田块、障碍物及安全起降点；对所述采样点集进行最小外接凸多边形的计算，并通过经纬度坐标与平面投影坐标的转换，获得待标定区域的坐标及面积；根据田块和障碍物的坐标及面积获得作业区域，对所述作业区域进行网格化，并求取所述作业区域的最短作业路径，所述最短作业路径由若干个航点组成；当无人机在所述作业区域作业时，计算当前航点及下一个航点到所有安全起降点的距离，判断无人机在下一个航点是否能安全到达至少一个安全起降点，若是，则继续作业，否则，在当前航点返航，能够精确标定田块、障碍物和安全起降点的坐标及面积，并自动生成最短作业路径，使得无人机在按照最短作业路径自动作业的情况下自主避障，且能自动选择最近的安全起降点进行自主返航。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种无人机自动航迹生成方法流程图；

图2是本发明实施例提供的一种无人机最优返航路线计算示意图；

图3是本发明实施例提供的一种无人机自动航迹规划示意图。

具体实施方式

下面结合图1-图3并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

图1是本实施例提供的一种无人机自动航迹生成方法流程图。

一种无人机自动航迹生成方法，包括：

S10、对待标定区域的外轮廓进行采样，获得待标定区域的外轮廓的采样点集，所述待标定区域包括田块、障碍物及安全起降点；

S20、对所述采样点集进行最小外接凸多边形的计算，并通过经纬度坐标与平面投影坐标的转换，获得待标定区域的坐标及面积；

S30、根据田块和障碍物的坐标及面积获得作业区域；

S40、对所述作业区域进行网格化，并求取所述作业区域的最短作业路径，所述最短作业路径由若干个航点组成；

S50、当无人机在所述作业区域作业时，计算当前航点及下一个航点到所有安全起降点的距离；

S60、判断无人机在下一个航点是否能安全到达至少一个安全起降点，若是，进入步骤S70、继续作业，否则，进入步骤S80、在当前航点返航。

在本实施例中，能够精确标定田块、障碍物和安全起降点的坐标及面积，并自动生成最短作业路径，使得无人机在按照最短作业路径自动作业的情况下自主避障，且能自动选择最近的安全起降点进行自主返航。

在本实施例中，所述步骤S10包括：

在无人机上安装GPS移动站，在地面上建立GPS基站；

将无人机静置于一固定点，通过GPS基站对待标定区域的外轮廓进行采样，并通过差分GPS技术获得采样点的经纬度坐标。

在本实施例中，在作业前标定阶段，通过差分式GPS将GPS基站与移动站功能互换的方法快速简单第标定田块、障碍物及安全起降点的位置，并利用坐标集进行自动规划航迹、测算面积以及自动寻找最优返航点。

在本实施例中，所述步骤S20包括：

令所述采样点集为P(lon,lat)，包含的最小面积单连通域为C，最小外接凸多边形的顶点集合为B，其中，lon、lat分别表示WGS84参考椭球体下的经度及纬度坐标；

通过Karney快速坐标转换算法进行经纬度坐标与平面投影坐标的转换，公式如下：

P′_i(x,y)＝K(P_i(lon,lat))

P_i(lon,lat)＝K^-1(P′_i(x,y))

其中，K表示经纬度坐标转换至平面坐标函数；K^-1表示平面坐标转换至经纬度坐标函数；x、y分别表示对应投影条带的平面坐标；i∈Card(P),i∈N⁺；

则待标定区域的面积S为：

其中，Card(B′)表示B′集合中的元素数目，

在本实施例中，还包括通过迭代的方法求取最小外接凸多边形的顶点集合为B：

令的ε邻域为Q,其中ε→0；

则其最小外接凸多边形的顶点集合可被定义为取P中纵坐标最小时横坐标最小一点为B₀，当Card(B)＝1时，令当Card(B)>1时，令则：

当上述D_j不存在时迭代结束，其中，Card(B)表示B集合中的元素数目，i∈Card(B),i∈N⁺,j∈i。

在本实施例中，所述步骤S30包括：

令田块的连通域边界点集为C_F，带有冗余余量的障碍物连通域为则作业田块面积S_total为：

则除去田块中障碍物的作业区域R表示为：

在本实施例中，所述冗余余量是为了防止环境风场干扰以及飞手操作失误而添加的，设冗余长度为l_C。令点O为B′中各点中点，即：

令过B各相邻元素的直线为L，则：

LI＝{LI|LI_i⊥L_i,O∈LI_i}

令LI_i∩L_i＝PI_i，则：

L′_i＝{L′_i||LI_i,L′_i∈PI′_i}

B″＝{P|P＝L′_i∩L′_i+1}

则B″即为所求的带有冗余余量的障碍物边界顶点，其中i∈Card(B′),i∈N⁺，

利用该方法生成的禁飞区面积S_P为：

在本实施例中，所述步骤S40包括：

令无人机作业时飞行高度为h时的喷雾幅宽为w，喷雾纵向宽度为l，则将作业区域R离散为宽度为w，长度为l的单连通区域R_i；

以任意R_i为起始子区域，并对其相邻子区域R_j进行检测，若R_i∪R_j单连通域，则有R_i＝R_i∪R_j，持续迭代当R_j＝φ或R_i∪R_j为多连通域时则停止迭代；

通过计算不同组合的下合并后的单连通域的规划航迹长度，取最短的组合作为最短作业路径。

在本实施例中，所述步骤S50包括：

令当前航点为P₀，该航点到所有安全起降点的距离为D_H；

当无人机与安全起降点不存在障碍物时，有其中为第i个安全起降点的中点；

当无人机与安全起降点存在障碍物时，根据凸多边形的定义，在E″_i一侧存在一点E″_ij，有：

若E″_ijD_H∩E″_i＝E″_ij，则反之则寻找E″_i靠近一侧继续迭代，直至则有：

通过比较该障碍物左右两侧求取的D_H则可判定两侧路程差异，从而判定最优返航航线。

在本实施例中，所述步骤S60包括：

自动采集无人机的剩余电量，根据所述剩余电量及所述航点到所有安全起降点的距离判断无人机在下一个航点是否能安全到达至少一个安全起降点；或

自动采集无人机的剩余物料，根据所述剩余物料及所述所述作业区域内单连通区域R_i的面积判断无人机能否持续作业到下一个航点。

在本实施例中，无人机不仅考虑剩余电量的因素而自主返回，减少了电量浪费，延长无人机及电池的寿命，还能够精准地估算农药用量以及作业面积，减少在喷洒作业中由于作业面积引发的争执。

如图2所示，为无人机最优返航路线计算示意图，假设无人机处于P₀点。作业场地F存在home点H₁、H₂以及障碍物冗余边界E₁、E₂。此时无人机与H₁中间不存在障碍物，则由于无人机与H₂中间存在障碍物E₂，则无人机则分别计算从左、右两侧绕过E₂的路径长度。由上文叙述可知，若：

则无人机返航至H₁，反之则返航至H₂。若：

则无人机绕过E₂₁返航至H₂，反之则绕过E₂₃返航至H₂。

如图3所示为本实施例的一种无人机自动航迹规划示意图，在本实施例中，所述最短作业路径与最优返航路线共同组成无人机的自动航迹，使得无人机在按照最短作业路径自动作业的情况下自主避障，且能自动选择最近的安全起降点按照最优返航路线进行自主返航。

在本实施例中，所述田块内部设置有若干个喷头，所述若干个喷头平均分配到作业区域R的单连通区域R_i中；当所述单连通区域R_i位于作业区域R的边界时，打开所述单连通区域R_i内的喷头，从而减少雾滴漂移带来的污染。

以上所述仅为本发明的具体实施方式，这些描述只是为了解释本发明的原理，而不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方法，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。