植保无人机集群系统及植保方法与流程

本发明涉及无人机技术领域，具体涉及智能化程度较高的植保无人机集群系统及植保方法。

背景技术：

近年来，随着无人机行业的迅速发展，专业级植保无人机在农田作业中得到了广泛的应用。现有植保技术通常是由一名植保无人机飞手单独操作一架植保无人机进行喷洒作业，作业过程中通过自动飞行程序来进行控制，飞手只需要在紧急情况下对无人机进行应急操作，人员利用效率不高。

无人机集群技术作为一种新兴的技术形态具有智能程度高、协同能力强、环境适应性强等特点，且相关技术日趋成熟，应用于植保无人机领域可以大大提高植保无人机操作人员的利用率，喷洒作业的速度也可以得到大幅提升。

技术实现要素：

针对上述问题中存在的不足之处，本发明提供植保无人机集群系统及植保方法。

本发明公开了一种植保无人机集群系统，包括：任务地面站、无人机地面站和由n架植保无人机组成的植保无人机集群；

所述植保无人机集群通过自组网模块组与所述任务地面站相连、通过数传模块组与所述无人机地面站相连，实现任务指令、协同指令和应急操作指令的实时传输。

作为本发明的进一步改进，所述任务地面站通过所述自组网模块组向所述植保无人机集群上传任务航线的规划结果和任务过程中的重规划结果，以及接收所述植保无人机集群的传感器数据。

作为本发明的进一步改进，所述任务地面站加载二维数字地图，用于植保任务规划和计算，确定植保无人机的出动架数、架次，以及每架植保无人机的飞行速度、飞行高度、喷幅宽度、喷雾流量、喷洒区域和飞行航线；任务地面站操作人员对喷洒任务的规划方案进行检查，根据农田和农作物实际情况，进一步修订所述植保无人机集群出动方案；在任务过程中，操作人员对任务执行情况进行实时监测，当出现重喷、漏喷、无药、断药问题时进行任务重新规划。

作为本发明的进一步改进，所述无人机地面站通过所述数传模块组向所述植保无人机集群上传紧急情况下的应急指令，以及接收所述植保无人机集群的飞行参数和飞行状态。

作为本发明的进一步改进，所述无人机地面站通过可视化界面监控所述植保无人机集群的实时飞行动态，便于无人机地面站操作人员做出应急处理，在植保无人机出现紧急情况时，操作人员通过无人机地面站将植保无人机切换至悬停模式、返航模式或手动模式，避免危险的发生。

作为本发明的进一步改进，所述自组网模块组包括地面端自组网模块和安装在每架植保无人机上的机载端自组网模块，所述地面端自组网模块与所有机载端自组网模块通过mesh组网相互通信，所有所述机载端自组网模块之间组网通信；

所述数传模块组包括地面端数传模块和安装在每架植保无人机上的机载端数传模块，所述地面端数传模块与机载端数传模块一一对应通信。

作为本发明的进一步改进，所述植保无人机包括：飞行平台、动力装置、飞控系统、任务控制板、所述机载端自组网模块、所述机载端数传模块、传感器组和喷洒系统；

所述飞行平台为旋翼无人机平台，用于为所述植保无人机的其他组成部分提供平台；

所述动力装置包括电机、电调、螺旋桨和电池，用于为植保无人机的飞行提供动力；

所述飞控系统包括陀螺仪、加速度计、电子罗盘和计算单元，用于执行所述任务控制板发送的飞行控制指令，实现植保无人机飞行控制；

所述任务控制板，用于接收来自所述机载端自组网模块的任务指令和所述传感器组的传感器数据，对所述任务指令和传感器数据进行解算，得到所述飞行控制指令；以及发送pwm信号至所述喷洒系统，控制农药的喷雾流量；

所述机载端自组网模块，用于接收所述任务地面站上传的任务航线规划和重规划指令，以及所述植保无人机集群内协同任务指令的传输，所有指令均传输至所述任务控制板中进行解算；

所述机载端数传模块，用于接收所述无人机地面站发送的应急处置指令，并实时向所述无人机地面站传输植保无人机的飞行参数和飞行状态；

所述传感器组包括液位传感器和雷达定高模块，所述液位传感器实时测量药箱的剩余液位情况，通过所述自组网模块组转发到所述任务地面站和集群内其他植保无人机；所述雷达定高模块实时测量植保无人机与农田的相对高度，并由所述任务控制板进行解算实现仿地飞行；

所述喷洒系统包括药箱、水泵、喷头和电调，所述药箱用于装载任务所需的药液，所述水泵和喷头用于药液的雾化和喷洒，所述电调接收所述任务控制板发送的pwm信号，用于控制所述水泵的功率。

作为本发明的进一步改进，当某架植保无人机故障需要退出任务时，该植保无人机上的任务控制板通过自组网模块将本机剩余的未完成的喷洒任务发给集群内其他植保无人机，集群内植保无人机进行协同方案制定，所述任务地面站进行方案确认，指派其他植保无人机继续执行剩余的任务。

作为本发明的进一步改进，当存在某片区域需要重喷、补喷时，所述植保无人机集群内部协同进行方案制定和评估，经任务地面站操作人员确认后，指派某架植保无人机前往执行重喷、补喷任务。

本发明还公开了一种植保无人机集群系统的植保方法，包括：

s1、启动所述任务地面站，根据实际任务具体信息进行任务前规划和计算，将计算结果通过所述自组网模块组发送给所述植保无人机集群；

s2、操作人员通过所述任务地面站操控所述植保无人机集群起飞；

s3、所述植保无人机集群完成起飞后，所述任务地面站发送开始任务指令，所述植保无人机集群前往任务农田执行喷洒任务；

s4、若某架植保无人机完成航线或液量不足，则自动返航；

s5、对于自返航的植保无人机，若该植保无人机完成所有架次的喷洒任务，则由任务地面站操作人员收回该植保无人机；若还有下一架次的喷洒任务，则进行药液添加和电池更换，执行s2；

s6、若存在某架无人机故障或工作不正常导致产生需要重喷、补喷的区域，集群内部进行协同，进行协同方案制定；

s7、指定一架有剩余药液并电量充足的植保无人机，在完成本机喷洒任务后，飞往需要重喷、补喷的区域完成协同喷洒，执行s3；

s8、评估本次喷洒任务是否完成：如果是，执行s9，否则执行s3；

s9、植保无人机集群返航。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1、自动化程度高：在植保任务过程中，任务地面站可以自动完成任务规划、重规划、集群起飞、集群开始任务、集群返航等一系列动作，对操作人员的依赖较低；

2、智能化程度高：集群内的成员并非独立的完成各自的喷洒任务，而是在必要时进行协同，以更低的代价和更高的效率共同完成整个植保任务；

3、植保效率高：通过操作任务地面站和无人机地面站即可实现植保无人机集群的并行工作和实时监测，人员利用效率高，多架植保无人机协同执行植保任务，缩短了任务时间，大大提高任务效率。

附图说明

图1为本发明一种实施例公开的植保无人机集群系统的框架图；

图2为图1中植保无人机硬件架构图；

图3为本发明一种实施例公开的植保无人机集群系统的植保方法流程图。

图中：

11、任务地面站；12、地面端自组网模块；21、无人机地面站；22、地面端数传模块；30、植保无人机集群；31、机载端自组网模块；32、任务控制板；33、飞控系统；34、机载端数传模块；41、雷达定高模块；42、液位传感器；51、药箱；52、水泵；53、喷头；54、电调。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面结合附图对本发明做进一步的详细描述：

如图1所示，本发明提供一种植保无人机集群系统，包括：任务地面站11、无人机地面站21和由n架协同的植保无人机组成的植保无人机集群30；植保无人机集群30通过自组网模块组与任务地面站11相连，植保无人机集群30通过数传模块组与无人机地面站21相连，从而实现任务地面站11、无人机地面站21和植保无人机集群30之间任务指令、协同指令和应急操作指令的实时传输。其中：

本发明的自组网模块组包括地面端自组网模块12和安装在每架植保无人机上的机载端自组网模块31，地面端自组网模块12与所有机载端自组网模块31通过mesh组网相互通信，所有机载端自组网模块31之间组网通信；

本发明的数传模块组包括地面端数传模块22和安装在每架植保无人机上的机载端数传模块34，地面端数传模块22与机载端数传模块34一一对应通信。

具体的：

本发明的任务地面端包括任务地面站11和地面端自组网模块12：

任务地面站11加载二维数字地图，用于植保任务规划和计算，确定植保无人机的出动架数、架次，以及每架植保无人机的飞行速度、飞行高度、喷幅宽度、喷雾流量、喷洒区域和飞行航线；任务地面站操作人员对喷洒任务的规划方案进行检查，根据农田和农作物实际情况，进一步修订植保无人机集群出动方案；在任务过程中，操作人员对任务执行情况进行实时监测，当出现重喷、漏喷、无药、断药等问题时进行任务重新规划。

地面端自组网模块12用于将任务地面站11制定的上述任务航线的规划结果和任务过程中的重规划结果上传至植保无人机集群30中；同时，接收植保无人机集群30下发的剩余液量等传感器数据。

本发明的无人机地面端包括无人机地面站21和n个地面端数传模块22：

无人机地面站21通过可视化界面监控植保无人机集群的实时飞行动态，便于无人机地面站操作人员做出应急处理，在植保无人机出现紧急情况时，操作人员通过无人机地面站将植保无人机切换至悬停模式、返航模式或手动模式，避免危险的发生。

n个地面端数传模块22与n个机载端数传模块34一一对应，地面端数传模块22用于将无人机地面站21紧急情况下的应急指令上传至植保无人机集群30中；同时，接收植保无人机集群30下发的飞行参数和飞行状态。

如图2所示，本发明的植保无人机硬件架构包括：飞行平台(图中未示出)、动力装置(图中未示出)、机载端自组网模块31、任务控制板32、飞控系统33、机载端数传模块34、传感器组和喷洒系统；其中：

本发明的飞行平台为旋翼无人机平台，为植保无人机的其他组成部分提供平台。

本发明的动力装置包括电机、电调、螺旋桨和电池，用于为植保无人机的飞行提供动力。

本发明的机载端自组网模块31分别与地面端自组网模块12和任务控制板32相连，用于接收任务地面站11上传的任务航线规划和重规划指令，以及植保无人机集群30内协同任务指令的传输，所有指令均传输到任务控制板32中进行解算。

本发明的任务控制板32分别与机载端自组网模块31、飞控系统33、传感器组和喷洒系统相连，用于接收来自机载端自组网模块31的任务指令和传感器组的传感器数据，任务控制板32基于所搭载的算法和程序对任务指令和传感器数据进行解算，将解算得到的飞行控制指令发送给飞控系统33执行，同时，任务控制板32发送pwm信号至喷洒系统，控制农药的喷雾流量。当某架无人机故障需要退出任务时，该无人机上的任务控制板32通过自组网模块组将本机剩余的未完成的喷洒任务发给集群内其他无人机，集群内无人机进行协同方案制定，任务地面站11进行方案确认，指派其他无人机继续执行剩余的任务。

本发明的飞控系统33分别与任务控制板32和机载端数传模块34相连，飞控系统33包括陀螺仪、加速度计、电子罗盘和计算单元，用于执行任务控制板32发送的飞行控制指令，实现植保无人机飞行控制。

本发明的机载端数传模块34分别与飞控系统33和地面端数传模块22相连，用于接收无人机地面站21发送的应急处置指令，并实时向无人机地面站21传输植保无人机的飞行参数和飞行状态。

本发明的传感器组包括液位传感器41和雷达定高模块42，液位传感器41实时测量药箱的剩余液位情况，通过自组网模块组转发到任务地面站和集群内其他植保无人机；雷达定高模块42实时测量植保无人机与农田的相对高度，并由任务控制板进行解算实现仿地飞行。

本发明喷洒系统包括药箱51、水泵52、喷头53和电调54，药箱51用于装载任务所需的药液，水泵52和喷头53用于药液的雾化和喷洒，电调54接收任务控制板32发送的pwm信号，用于控制水泵52的功率。

基于图2所示的植保无人机硬件架构，其在完成任务前规划和计算后，由任务地面站操作人员操作任务地面站11，通过地面端自组网模块12发送起飞指令，植保无人机上的机载端自组网模块31收到起飞指令后，由任务控制板32进行解算，将起飞指令转化为飞行控制指令发送给飞控系统33，飞控系统控制植保无人机自动起飞至指定高度。完成起飞后，任务地面站11通过地面端自组网模块12发送开始任务指令，植保无人机上的机载端自组网模块31收到起飞指令后，任务控制板32给飞控系统33发送模式切换命令，飞控系统将植保无人机飞行模式切换为航线模式，开始任务航线飞行。到达任务农田上空后，任务控制板32发送pwm信号至电调54，进而控制水泵52的功率，喷头53开始喷洒农药。任务过程中，任务控制板32实时获取雷达定高模块41的高度数据，根据农田高度的起伏计算无人机的飞行高度，并发送给飞控系统33执行，实现植保无人机的仿地飞行，确保农药喷雾流量和喷洒宽度保持稳定。任务过程中，任务控制板32实时获取液位传感器的液位数据，当液位小于给定阈值时，此时药箱51内药液不足，任务控制板32向飞控系统33发送返航指令，无人机返航。同时，任务地面站11可通过地面端自组网模块12获取液位数据，供任务地面站操作人员实时监测任务执行情况。任务过程中，若某架无人机故障或工作不正常导致产生需要重喷、补喷的区域，集群内的植保无人机通过机载端自组网模块31进行组网通信，传输的协同信息通过任务控制板32进行解算，最后指派集群内代价最小的植保无人机成员前往执行重喷、补喷任务。

如图3所示，本发明提供一种植保无人机集群系统的植保方法，包括：

s1、启动任务地面站，根据实际任务具体信息进行任务前规划和计算，将计算结果通过自组网模块组发送给植保无人机集群；

s2、操作人员通过任务地面站操控植保无人机集群起飞；

s3、植保无人机集群完成起飞后，任务地面站发送开始任务指令，植保无人机集群前往任务农田执行喷洒任务；

s4、若某架植保无人机完成航线或液量不足，则自动返航；

s5、对于自返航的植保无人机，若该植保无人机完成所有架次的喷洒任务，则由任务地面站操作人员收回该植保无人机；若还有下一架次的喷洒任务，则进行药液添加和电池更换，执行s2；

s6、若存在某架无人机故障或工作不正常导致产生需要重喷、补喷的区域，集群内部进行协同，进行协同方案制定；

s7、指定一架有剩余药液并电量充足的植保无人机，在完成本机喷洒任务后，飞往需要重喷、补喷的区域完成协同喷洒，执行s3；

s8、评估本次喷洒任务是否完成：如果是，执行s9，否则执行s3；

s9、植保无人机集群返航。

具体的：

本发明提供一种植保无人机集群系统的植保方法，包括：

步骤1、启动任务地面站，输入农田边界点gps坐标信息、障碍物信息和农作物信息，任务地面站根据农作物信息确定植保无人机飞行高度、飞行速度、喷幅宽度和喷雾流量；根据农田边界点gps坐标信息确定喷洒任务区域范围；

步骤2、任务地面站根据喷洒任务区域范围和喷幅宽度计算执行喷洒任务所需的植保无人机架数m，若所需植保无人机架数m小于等于n，则出动m架植保无人机执行此次喷洒任务；若所需植保无人机架数m大于n，则出动n架植保无人机执行此次喷洒任务，并计算每架植保无人机的出动架次；

步骤3、任务地面站为每架植保无人机划分任务区域，并规划每一架次的喷洒航线，将规划好的航线通过自组网模块发送至每架植保无人机的任务控制板中进行保存，以便任务过程中实时调用；

步骤4、为每架植保无人机填充药液并安装电池，飞行前检查无误后将植保无人机放置到空旷的起飞区域，每架植保无人机之间保持一定的安全间隔；

步骤5、无人机地面站连接数传模块，与植保无人机一一连接，确保每个数传模块正常连接，并在无人机地面站上显示实时状态信息；

步骤6、任务地面站通过自组网模块发送一键起飞指令，植保无人机集群同时起飞，每架植保无人机到达指定高度后，飞往各自任务区域执行喷洒任务；

步骤7、完成航线或液量不足的植保无人机记录当前断点并自动返航，若该植保无人机完成所有架次的喷洒任务，则由任务地面操作人员收回该植保无人机；若还有下一架次的喷洒任务，则进行药液添加和电池更换，准备完毕后通过任务地面站操纵其起飞并开始断点续喷任务；

步骤8、是否存在某架植保无人机故障或工作不正常导致需要重喷、补喷的区域：如果是，集群内部进行协同，指定一架有剩余药液并电量充足的植保无人机，在完成本机喷洒任务后，飞往需要重喷、补喷的区域完成协同喷洒；

步骤9、评估本次喷洒任务是否完成：如果是，执行步骤10，否则执行步骤7；

步骤10、所有植保无人机返航。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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。