一种植保无人机航线规划方法与流程

本发明涉及智慧农业领域，尤其涉及一种植保无人机航线规划方法。

背景技术：

植保无人机集旋翼无人机、喷洒装置、传感器模块、控制系统等于一体，是一种高效环保的新型农业机械设备。在操作过程中，受地势及农作物长势情况影响小，而且节水节药，安全性高，近几年被广泛应用于大面积农作物植保作业中。随着人工智能技术不断地发展，植保无人机已具备自主飞行功能，可以脱离传统手工遥控的作业方式，作业效率和质量大大提高。航线规划是植保无人机自主飞行研究中的重要分支，合理的航线规划可有效提高植保无人机作业效率，且节能节耗。

目前，国内很多学者对植保无人机航线规划进行了深入研究，徐博提出一种基于无人机航向的不规则区域作业航线规划算法，针对不规则作业区域规划出较优的作业航线，使得作业过程中能耗与药耗最优。另外，提出一种多架次返航路线规划算法，通过喷药量与返航点位置的寻优来实现最小能耗。王宇结合栅格法与引力搜索算法，分别提出了二维和三维地形的路径规划方法，通过对返航点数量与位置的寻优达到无人机非植保作业时间最短。

电池续航能力与药箱载重能力是植保无人机的两大性能指标，影响着其在大面积区域中的作业效率。长时间的续航能力和较大的药箱载重能力可缩短植保无人机返航时间和加药时间。但在实际无人机植保的过程中，由于电池与药箱两者之间无法达到最佳匹配，经常出现：（1）电池电量耗尽，药箱药量存在剩余，体现为电池的无效消耗；（2）药箱药量耗尽，电池电量存在剩余，体现为电池的不完全利用。

目前已有方法均从返航点位置寻优进行航线规划，实现全局航线遍历中无人机能耗最小，但未充分考虑实际作业中无人机自身综合性能最优问题。

技术实现要素：

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种植保无人机航线规划方法，可以根据电池续航时间、药箱容量进行区域模块化划分和航线规划，以达到无人机作业时自身综合性能最优，全局植保无人机飞行距离最短。

为达到上述目的，本发明的构思是：首先，通过植保无人机的电池续航时间和药箱容量大小确定模块的阈值参数；其次，根据区域模块划分的原理、模块分类及相应模块内部航线规划机制，建立横向和纵向作业区域的ⅰ类区域划分和ⅱ类区域划分对应的数学模型以及区域模块划分方法；进而，在植保无人机作业过程中，输入作业区域的长度l、宽度w和植保无人机综合特性参数，通过区域模块化划分方法计算后，输出飞行距离最短的模块划分结果，并给出各个模块的边界值；最后，获取到划分后的模块，由模块内部航线规划机制，得到植保无人机的航线。

根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案，包括：

一种植保无人机航线规划方法，其特征在于具体操作步骤如下：

步骤1、通过植保无人机控制软件中的地图功能，定位农作物种植区域；

步骤2、通过作业区域选取功能，截取p×q的矩形作业边界；

步骤3、输入植保无人机的喷幅参数，对作业区域的边长进行微调；

步骤4、在软件中输入植保无人机的电池续航时间、药箱容量参数，计算作业模块划分的阈值syz；

步骤5、由软件对作业区域类型进行判断：如果区域中l＞w，则按横向作业区域类型进行ⅰ、ⅱ类区域划分；如果l＜w，则按纵向作业区域类型进行ⅰ、ⅱ类区域划分；

步骤6、通过区域模块划分方法，求出模块划分的结果，同时，给出每个模块内的航线规划。

根据植保无人机的电池续航时间和药箱容量大小，确定作业模块划分的阈值参数，取植保无人机续航能力下的最大作业面积与植保无人机药箱满载状态下的最大作业面积两者较小值。

选取p×q（长×宽）的矩形区域作为植保无人机作业区域，区域短边长度为2nd，n为正整数，d为植保无人机喷幅，长边长度不作要求，确保植保无人机飞入和飞出模块的位置在同一条边界上。植保无人机作业区域分为横向（l＞w）和纵向(l＜w)两种情况，如图3所示。

根据作业区域地形的不同，选取横向作业区域（如图3-a，3-b）或纵向作业区域（如图3-a，3-b），整个作业区域的长和宽均可在软件界面显示。

输入植保无人机的喷幅参数，对作业区域的边长进行微调。微调之后的作业区域，短边长度为植保无人机喷幅的2n倍，n为正整数，长边长度不变。

将p×q的矩形作业区域划分为s个模块，每个模块的面积均在模块划分阈值范围内。模块之间相互独立，无重合部分，且边界与矩形作业区域边界对应平行，如图1。

模块划分遵循由远到近的顺序，先从距离无人机起飞点最远的区域开始划分。图1中模块由p点向o点的方向开始划分。

根据区域地形特征，划分的模块类型包括：1）横向模块（l＞w），如图2-a，短边w=2nd（n为正整数），长边l=si/w（i=1,2,…，s），d为植保无人机的喷幅。在横向划分模块中，航线采用牛耕往复法规划，并遵循“下入上出”原则，模块中无人机的飞入点start和飞出点end如图2-b所示。2）纵向模块（w＞l），如图2-c，短边l=2nd（n为正整数），长边w=si/l。在纵向划分模块中，航线规划同于横向划分，并遵循“左入右出”原则，无人机的飞入点start和飞出点end如图2-d所示。模块边界记作{a,b,c,d}={(xi-1,yj),(xi,yj-1),(xi,yj),(xi-1,yj)}。

模块划分的方式分为两类：ⅰ类区域划分（图3-a，3-c）和ⅱ类区域划分（图3-b，3-d）。ⅰ类区域划分中，每一个模块si的长边与作业区域的长边相等，模块短边长度由模块阈值syz与作业区域长边长度l的比值来确定，取小于等于且接近比值的2nd值（n为正整数，d为植保无人机的喷幅）作为模块短边的长度。ⅱ类区域划分中，先根据模块阈值syz与作业区域长边l的比值来大概估计模块的短边长度，再将预估的短边长度适当调整为大于等于且接近比值的2nd值（n为正整数，d为植保无人机的喷幅）。短边长度确定后，继续由模块阈值syz与短边长度的比值确定模块长边的长度。我们需要先确定最后一个模块的短边长度，短边长度大于等于作业区域长边与由模块阈值syz与短边长度的比值确定的模块长边的差值，且接近2nd（n为正整数，d为植保无人机的喷幅）的值。最后再计算前面s-1个模块的长边长度。

植保无人机作业区域分为横向（l＞w）和纵向(w＞l)两种情况，如图3所示。在这两种作业环境中，结合区域模块划分原理，对其进行模块划分。模块划分的方式分为两类：ⅰ类区域划分（图3-a，3-c）和ⅱ类区域划分（图3-b，3-d）。ⅰ类区域划分将整个作业区域s划分成s个相互独立的模块，每一个模块si的长边与作业区域的长边相等。由于受到植保无人机自身作业性能条件约束，模块短边长度由模块阈值syz与作业区域长边长度l的比值来确定，取小于等于且接近比值的2nd值（n为正整数，d为植保无人机的喷幅）作为模块短边的长度。ⅱ类区域划分与ⅰ类区域划分不同的是，ⅱ类区域划分为了避免由作业区域长度l、宽度w的特殊性产生的划分缺陷，因此在划分过程中，先根据模块阈值syz与作业区域长边l的比值来大概估计模块的短边长度，再将预估的短边长度适当调整为大于等于且接近比值的2nd值（n为正整数，d为植保无人机的喷幅）。为了满足模块最大程度地接近阈值，短边长度确定后，继续由模块阈值syz与短边长度的比值确定模块长边的长度。此时，为了保证第s个模块的短边长满足2nd的要求，我们需要先确定最后一个模块的短边长度，短边长度大于等于作业区域长边与由模块阈值syz与短边长度的比值确定的模块长边的差值，且接近2nd（n为正整数，d为植保无人机的喷幅）的值，再计算前面s-1个模块的长边长度。植保无人机在每个模块内的航线如图2所示。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著技术进步：1）无人机自身综合使用性能得到提高，充分利用了其工作载荷进行任务执行，减少了在实际植保作业中的作业次数；2）该发明提出的航线规划方法可移植性强，不受作业环境影响；3）与传统的航线规划方法相比，该方法可以有效减少飞行距离。

附图说明

图1是本发明的区域模块划分示意图；

图2是本发明的模块分类与航线路径示意图；

图3是本发明的区域特征及模块划分示意图；

图4是本发明的植保无人机航线规划方法流程图。

图5是本发明的植保无人机作业时的飞行示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明，见图4。本发明的植保无人机航线规划方法的具体步骤为：

步骤1、通过植保无人机控制软件中的地图功能，定位农作物种植区域。

步骤2、通过软件上作业区域选取功能，在地图中截取p×q的矩形作业边界，作业区域满足短边长度为2nd（n为正整数，d为植保无人机喷幅），长边长度不作要求。可根据作业区域地形的不同，选取横向作业区域（如图3-a，3-b）或纵向作业区域（如图3-a，3-b）。整个作业区域的长和宽均可在软件界面中显示。

步骤3、输入植保无人机的喷幅参数，对作业区域的边长进行微调。微调之后的作业区域，短边的长度为植保无人机喷幅的2n倍，n为正整数，长边长度不变。

步骤4、在软件中输入植保无人机的电池续航时间、药箱容量参数，计算作业模块划分的阈值syz。阈值syz取植保无人机续航能力下的最大作业面积与植保无人机药箱满载状态下的最大作业面积两者中的较小值。作业区域中的每个模块均在阈值范围内。模块之间相互独立，无重合部分，且边界与矩形作业区域边界对应平行，如图1。

步骤5、由软件对作业区域类型进行判断：如果区域中l＞w，则按横向作业区域类型进行ⅰ、ⅱ类区域划分，如图3-a，3-b；如果l＜w，则按纵向作业区域类型进行ⅰ、ⅱ类区域划分，如图3-c，3-d。

步骤6、模块划分遵循由远到近的顺序，先从距离无人机起飞点最远的区域开始划分。图1中模块由p点向o点的方向开始划分。通过区域模块划分方法，求出模块划分的结果。同时，给出每个模块内的航线规划。

本实施例中，所述步骤6具体为：

步骤61、如涉及ⅰ类区域划分，每一个模块si的长边与作业区域的长边相等，由于受到植保无人机自身作业性能条件约束，短边由模块阈值syz与长边的比值来确定，取小于等于且接近比值的2nd值（n为正整数，d为植保无人机的喷幅）作为模块短边的长度。

步骤62、如涉及ⅱ类区域划分，先根据模块阈值syz与作业区域长边的比值来大概估计模块的短边长度，再将预估的短边长度适当调整为大于等于且接近比值的2nd值（n为正整数，d为植保无人机的喷幅）。短边长度确定后，继续由模块阈值syz与短边长度的比值确定模块长边的长度。接着确定最后一个模块的短边长度，短边长度取大于等于作业区域长边与其他模块长边的差值，且接近2nd（n为正整数，d为植保无人机的喷幅）的值，模块长边是由模块阈值syz与模块内短边长度的比值确定的，最后再计算前面s-1个模块的长边长度。

步骤63、在求出ⅰ、ⅱ类划分的模块后，分别计算两种植保无人机的飞行代价值。代价值较小的区域划分作为最终模块划分的结果。

步骤64、根据得到的模块特征，自动调出符合区域内各模块的植保无人机航线规划结果。

下面结合实例，进行说明：

在一块210m×200m（l×w）的矩形区域进行植保无人机航线规划，植保无人机性能参数如下：农药容器容量15l，电池容量16000ma·h，作业速度4m/s，作业续航时间10.5min，亩喷洒量为1.1l，喷幅d=5m。

通过计算可以得到药箱在注满农药的情况下，植保无人机喷洒面积为13.6亩，电池在充满电的情况下可持续作业18.9亩，因此模块划分的阈值syz选为13.6亩（约9057平方米）。

由于该矩形作业区域的边长均为喷幅的2n倍，故不需要调整。

根据矩形区域中l＞w的条件，需要按横向作业区域类型进行ⅰ、ⅱ类区域划分；

ⅰ类区域划分：

模块长边长度选作业区域长边长度，为210m；短边长度为9057/210=43.12m，根据植保无人机喷幅参数限制，短边长度取2nd=10n，我们取n=4，即短边长度为40m。因此，作业区域划分为5个模块，面积分别为210×40=8400平方米。

ⅱ类区域划分：

模块短边长度为9057/210=43.12m，扩大短边长度至50m，长边长度为9057/50=181.14m。最后一个模块的短边长度则为：210-181.14=28.86m，根据短边长度为2nd的要求，则短边长度为30cm。再将之前模块的长边长度调整为210-30=180m。因此，前4个模块面积为180×50=9000平方米。最后1个模块面积为30×200=6000平方米。

最后，分别计算上述两种划分情况下的无人机飞行距离，选择飞行距离较短的划分模式，并将各模块的航线按照牛耕往返法给出，如图5。

综上所述，本发明的植保无人机航线规划方法有效地缩短了植保无人机作业时的飞行总距离，提高了无人机综合使用性能，降低了植保无人机无效能耗损失。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。