农用植保无人机来回往复喷施过程中的转弯路径飞行控制方法、装置及无人机与流程

本发明涉及一种植保无人机来回往复喷施过程中的转弯路径飞行控制方法、装置及无人机，属于无人机路线规划方法及控制方法领域。

背景技术：

植保无人机喷施作业的区域一般面积较大，而无人机体积小，反应灵活，所以一般植保无人机喷施的路线被规划成来回往复的形如“π”的形状，其路线如图3(a)和图3(b)所示，这种情况就会涉及到无人机的转弯问题，无论是人为的还是离线规划器生成的路线一般都不考虑无人机的机动特性对转弯的影响。图3(a)和图3(b)所示的喷洒路径在每一竖行飞行时是比较合理的，但是在第一条喷施路径转弯到第二条路径时，这时的转弯路径是一个直角，这样显然不符合无人机的飞行特性，若按照此路线转弯，无人机需要先减速到0，然后90°掉头，经过加速再减速0，飞行到第二条路径后在90°掉头经过加速至速度v，然后匀速进行喷洒。像这样的飞行路径每次都要进行加速减速，既浪费时间又浪费资源。

图3(a)示出了标准的矩形喷施区域，图3(b)示出了一个不规则的喷施区域，但是他们规划的路线都是来回往复的。这种来回往复的路线在没有障碍的情况下喷施作业的效率和喷洒的均匀度都特别好。但是在实际应用中植保无人机本身的机动(飞行)特性不可能像图3(a)和图3(b)所示的路线进行转弯。

并且无人机转弯时也会受到各个因素的影响，如植保无人机的飞行速度，最小转弯半径的大小，喷施半径的大小等。现有技术的植保无人机转弯策略并没有充分考虑无人机的机动特性，也未考虑到无人机的飞行速度、最小转弯半径、喷施半径，更没有通过上述因素减少无人机变速飞行的时间，从而为植保无人机进行节能、增强续航能力的改进。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决现有技术中的植保无人机转弯策略没有充分考虑无人机的实际机动特性，也未考虑到无人机的飞行速度、最小转弯半径、喷施半径，以及不能通过减少变速次数进而为植保无人机提供节能转弯策略的缺点。

一种用于植保无人机来回往复喷施过程中的转弯路径飞行控制方法，所述转弯路径为无人机从当前直线喷施路径的转弯位置飞至下一条反向的直线喷施路径所经过的弧形路径，所述方法包括如下步骤：

步骤1)：获取无人机的喷洒半径rp以及无人机的最小转弯半径rz；

步骤2)：根据所述喷洒半径rp以及所述最小转弯半径rz判断所述无人机应当进行第一类转弯、第二类转弯或第三类转弯，并得到判断结果；所述第一类转弯表示所述无人机以匀速经过最小转弯rz飞行至与当前飞行路径垂直的直线时，未达到相邻的直线喷施路径；所述第二类转弯表示所述无人机以匀速经过最小转弯rz能够刚好飞行至相邻的喷施路径；所述第三类转弯表示所述无人机在匀速经过最小转弯rz飞行至任意的与当前飞行路径垂直的直线时，将要越过相邻的喷施路径或超出喷施区域；

步骤3)根据所述判断结果调整所述无人机的飞行状态参数，进而控制无人机飞行。

本发明还提供一种用于植保无人机来回往复喷施过程中的转弯路径飞行控制装置，包括：

飞行参数获取模块，用于获取无人机的喷洒半径为rp以及无人机的最小转弯半径为rz；

转弯类型判断模块，用于根据所述喷洒半径rp以及所述最小转弯半径为rz判断所述无人机应当进行第一类转弯、第二类转弯或第三类转弯，并得到判断结果；所述第一类转弯表示所述无人机以匀速经过最小转弯rz飞行至与当前飞行路径垂直的直线时，未达到相邻的直线喷施路径；所述第二类转弯表示所述无人机以匀速经过最小转弯rz能够刚好飞行至相邻的喷施路径；所述第三类转弯表示所述无人机在匀速经过最小转弯rz飞行至任意的与当前飞行路径垂直的直线时，将要越过相邻的喷施路径或超出喷施区域；

飞行状态控制模块，用于根据所述判断结果调整所述无人机的飞行状态参数，进而控制无人机飞行。

本发明还包括一种无人机，包括前述的用于植保无人机来回往复喷施过程中的转弯路径飞行控制装置。

本发明的有益效果是：考虑到了飞行速度、最小转弯半径、喷施半径，根据最小转弯半径和喷施半径的关系规划转弯方案，使转弯路径尽可能小，并且最大限度地减少无人机变速飞行的时间，从而达到为植保无人机减少能耗的目的。

附图说明

图1为本发明的用于植保无人机来回往复喷施过程中的转弯路径飞行控制方法的流程图；

图2为本发明的用于植保无人机来回往复喷施过程中的转弯路径飞行控制装置的原理图；

图3(a)为无人机在无障碍的矩形区域进行喷施的路线示意图；

图3(b)为无人机在无障碍的不规则区域进行喷施的路线示意图；

图4为本发明的第一类转弯的飞行路线图；

图5为本发明的第二类转弯的飞行路线图；

图6为本发明的第三类转弯中喷施路径为偶数条时的飞行路线图；

图7为本发明的第三类转弯中喷施路径为奇数条时的飞行路线图；

图8为本发明的一个实施例的整体流程图。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式的用于植保无人机来回往复喷施过程中的转弯路径飞行控制方法，所述转弯路径为无人机从当前直线喷施路径的转弯位置飞至下一条反向的直线喷施路径所经过的弧形路径，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

步骤1)：获取无人机的喷洒半径rp以及无人机的最小转弯半径rz；

步骤2)：根据所述喷洒半径rp以及所述最小转弯半径rz判断所述无人机应当进行第一类转弯、第二类转弯或第三类转弯，并得到判断结果；所述第一类转弯表示所述无人机以匀速经过最小转弯rz飞行至与当前飞行路径垂直的直线时，未达到相邻的直线喷施路径；所述第二类转弯表示所述无人机以匀速经过最小转弯rz能够刚好飞行至相邻的喷施路径；所述第三类转弯表示所述无人机在匀速经过最小转弯rz飞行至任意的与当前飞行路径垂直的直线时，将要越过相邻的喷施路径或超出喷施区域；

步骤3)根据所述判断结果调整所述无人机的飞行状态参数，进而控制无人机飞行。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤3)中，所述飞行参数包括飞行速度、转弯位置以及发生转弯的转弯半径。

其它步骤及参数与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：步骤3)中，当判断结果为第一类转弯时，无人机依次执行如下步骤：

步骤3a.1)在转弯位置处以匀速转弯90度经过最小转弯rz飞行至当前飞行路径垂直的直线；

步骤3a.2)沿直线飞行至相邻的直线喷施路径；

步骤3a.3)在转弯位置处匀速经过最小转弯rz飞行至相邻的喷施路径；

步骤3a.4)沿所述相邻的喷施路径直线飞行。

其它步骤及参数与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：步骤3)中，当判断结果为第二类转弯时，无人机依次执行如下步骤：

步骤3b.1)以匀速转弯180度经过最小转弯rz飞行至相邻的喷施路径上；

步骤3b.2)沿所述相邻的喷施路径直线飞行。

其它步骤及参数与具体实施方式一至三之一相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：步骤3)中，当判断结果为第三类转弯时，无人机依次执行如下步骤：

步骤3c.1)获取预设的喷施路径数量信息；

步骤3c.2)根据所述喷施路径数量信息识别喷施路径为奇数个或偶数个；当所述喷施路径为偶数个时，记喷施路径的数量为2k个；当所述喷施路径为奇数个时，记喷施路径的数量为2k+1个；k为正整数；

步骤3c.3)当所述喷施路径为奇数个时，执行a类飞行路线；当所述喷施路径为偶数个时，执行b类飞行路线；

所述a类飞行路线的特征是：每当到达第k条喷施路径的转弯处时，以匀速转弯180°飞至第k+2条路径；以及当无人机飞至第2k-1条喷施路径时，需以匀速转弯180°由第2k-1条喷施路径飞至第2k条喷施路径；

所述b类飞行路线的特征是：每当到达第k条喷施路径的转弯处时，以匀速转弯180°飞至第k+2条路径；以及当无人机飞至第2k+1条喷施路径时，需以匀速转弯180°由第2k+1条路径飞至第2k条路径。

其它步骤及参数与具体实施方式一至四之一相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：

本实施方式的用于植保无人机的避障喷施路径确定方法包括如下步骤：

步骤3c.3)中，执行a类飞行路线具体为：

步骤a1)在转弯位置处以匀速转弯180°由第1条喷施路径飞至第3条喷施路径；

步骤a2)在所述第3条喷施路径处匀速直线飞行，直至到达第3条喷施路径的转弯位置处；

步骤a3)重复步骤a1)至步骤a2)，直至第1、3……2k-1条喷施路径全部喷施完毕；

步骤a4)在第2k-1条喷施路径的转弯处经过变速飞行至第2k条喷施路径；

步骤a5)在第2k条喷施路径匀速直线飞行，直至达到第2k条喷施路径的转弯位置处；

步骤a6)在第2k条喷施路径的转弯位置处以匀速转弯180°由第2k条喷施路径飞至第2k-2条喷施路径；

步骤a7)重复步骤a4)至步骤a6)，直至第2k、2k-2……2条喷施路径全部喷施完毕。

其它步骤及参数与具体实施方式一至五之一相同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：

步骤3c.3)中，执行b类飞行路线具体为：

步骤b1)在转弯位置处以匀速转弯180°由第1条喷施路径飞至第3条喷施路径；

步骤b2)在所述第3条喷施路径处匀速直线飞行，直至到达第3条喷施路径的转弯位置处；

步骤b3)重复步骤b1)至步骤b2)，直至第1、3……2k+1条喷施路径全部喷施完毕；

步骤b4)在第2k+1条喷施路径的转弯处经过变速飞行至第2k条喷施路径；

步骤b5)在第2k条喷施路径匀速直线飞行，直至达到第2k条喷施路径的转弯位置处；

步骤b6)在第2k条喷施路径的转弯位置处以匀速转弯180°由第2k条喷施路径飞至第2k-2条喷施路径；

步骤b7)重复步骤b4)至步骤b6)，直至第2k、2k-2……2条喷施路径全部喷施完毕。

其它步骤及参数与具体实施方式一至六之一相同。

具体实施方式八：本实施方式是基于具体实施方式一至七中任意一项实现的，其区别是：

第一类转弯的单次飞行路径长度为：

d转1＝2rp-2rz+πrz；

第二类转弯的单次飞行路径长度为：

d转2＝πrz；

第三类转弯的单次飞行路径长度为：

d转3＝πrz。

具体实施方式九：本实施方式提供一种用于植保无人机来回往复喷施过程中的转弯路径飞行控制装置，包括：

飞行参数获取模块，用于获取无人机的喷洒半径为rp以及无人机的最小转弯半径为rz；

转弯类型判断模块，用于根据所述喷洒半径rp以及所述最小转弯半径为rz判断所述无人机应当进行第一类转弯、第二类转弯或第三类转弯，并得到判断结果；所述第一类转弯表示所述无人机以匀速经过最小转弯rz飞行至与当前飞行路径垂直的直线时，未达到相邻的直线喷施路径；所述第二类转弯表示所述无人机以匀速经过最小转弯rz能够刚好飞行至相邻的喷施路径；所述第三类转弯表示所述无人机在匀速经过最小转弯rz飞行至任意的与当前飞行路径垂直的直线时，将要越过相邻的喷施路径或超出喷施区域；

飞行状态控制模块，用于根据所述判断结果调整所述无人机的飞行状态参数，进而控制无人机飞行。

具体实施方式十：本实施方式提供了一种无人机，包括如具体实施方式九所述的用于植保无人机来回往复喷施过程中的转弯路径飞行控制装置：

<实施例>

本实施例主要涉及具体实施方式中出现公式的推导过程。

一、符号定义

假设植保无人机在一块理想的没有障碍的矩形地面上进行喷施作业(其他情况也是相似，如图3(b)中的不规则形状)，假设矩形的长为a，宽为b，也即植保无人机单条飞行路径长度为b，植保无人机单条飞行路径的起点命名为s(i)，终点命名为t(i)，如s(1)t(1)则代表第一条飞行路线上的起点和终点。

植保无人机喷施作业时的相关参数为：植保无人机的喷洒半径为rp，飞行速度v，当前速度下，植保无人机的最小转弯半径rz。

二、植保无人机喷施作业过程中转弯情况的分析

转弯时需要考虑的因素有很多，第一，最小转弯半径rz的影响；第二，无人机飞行速度v对最小转弯半径的影响；第三，无人机喷施作业半径rp的影响。另外还有诸多外部因素的影响，如风力干扰，电磁干扰，障碍干扰等，这里只讨论前面三项的影响，不考虑其他外部因素。下面就rp和rz的大小关系张开讨论。

本发明使用的dubins路径是现有技术，作者在文章中给出过证明，连接两个有向向量时，使用dubins路径得到的路径是最短的。本发明将其应用到植保无人机喷施作业过程的转弯问题研究中。这样做既兼顾了转弯路线的长度，又提高了转弯的效率。

(1)1类转弯

当rp>rz时，植保无人机可以通过dubins路径生成由直线以速度v经过以最小转弯半径rz生成的最小转弯圆飞行至与第一条飞行路径垂直的直线，再以速度v飞过水平的一段直线后，经最小转弯圆飞行至第二条喷施作业路径上，常见的植保无人机喷施半径大约是6-8米，此时要求植保无人机的最小转弯半径应小于此值。其具体的飞行如图4所示。

此时计算得到的转弯路径长度如下(长度是从开始转弯到转弯结束的长度)：

首先计算两段弧长，因为两个最小转弯圆大小一致且都与两垂直的线段相切，有几何知识得两段圆弧所对应的弧度都是90°，所以可以计算出两段弧长之和为

又由于

l水平的直线段＝2rp-2rz

综上，得到转弯时的总路径长度为

d转1＝2rp-2rz+πrz

(2)2类转弯

当rp＝rz时，此时植保无人机恰巧可以以最小转弯半径生成的做小转弯圆，有直线经过圆弧再飞到第二条喷施路径，这样正好可以转过180°，进入下一条喷施路径。但由于环境因素和无人机本身的飞行特性影响，这情况出现的可能性较少。其飞行路线图如图5所示，此时计算转弯路线长度时并没有第一种情况中的水平的直线段，所以此种情况的转弯过程中的路线长度为：

d转2＝πrz

(3)3类转弯

当rp<rz(本实施例中预设的rz最大值是rz＝4rp，rz的值再增加就会飞到第四条喷施路径，因为与此类类似就不在继续讨论)，此时，植保无人机不可能通过当前速度保持不变的情况下飞到下一条喷施作业的路径上，这种情况下无人机必须在每飞行完一条喷施路径时，经过减速飞行到下一条飞行路径。但是每次都要进行加速减速，必然造成不必要的浪费(如燃料，农药，液体肥料等)。本文采取的方法如下

当植保无人机在喷施作业前发现rp<rz时，采取的飞行路径不再是依次遍历每条路径，而是从第一条飞行路径直接转弯飞到第三条飞行路径，直到完成1,3,5,7…2n+1等路径后，经过一次变速，飞到第2n条喷施路径上，然后重复上述方法，直到作业完成。

具体的飞行路线如图6和图7所示，其中图6是示出的是偶数条喷施路径的情形，图7示出的是奇数条喷施路径的情形。

本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，本领域技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。