专利名称：一种航空喷药机gps短时自差分导航方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及农业机械装备在线检测技术，特别是一种航空喷药机短时自差分的高精度GPS导航方法及装置。
背景技术：
我国历年病虫草害防治面积中水稻田约占34%，占总防治量的三分之一。长期以来水稻的病虫草害防治主要依靠人力使用手动喷雾器和背负式机动喷雾机进行，不仅劳动强度大，作业质量差，而且作业效率低，难以适应迅速有效控制暴发性重大病虫草害的要求，也已成为制约实现水稻全程机械化目标的主要技术瓶颈。航空喷雾是解决水稻田特殊的田间作业条件的有效手段，但是常规的固定翼飞机喷洒技术，作业高度高，雾滴漂移距离大，而且使用地点和时间受到很大的限制，不适合水田病虫害防治要求。直升飞机特别是无人驾驶小型直升机技术的发展成熟，为解决水稻田施药作业提供了新的施药装备载体。无人驾驶小型直升机具有作业高度低，飘移少，可空中悬停，无需专用起降机场，旋翼产生的向下气流有助于增加雾流对作物的穿透性，防治效果高，远距离遥控操作，喷洒作业人员避免了暴露于农药的危险，提高了喷洒作业安全性等诸多优点，以其作为施药装备载体的超低空低量航空喷施技术已成为农药喷洒技术的研究热点之一。专利号为“ZL200920256505.9”、名称为“基于单片机的智能超低空施药控制系统”的中国实用新型专利，公开了一种通过单片机对喷药飞机的喷药装置进行控制以及对喷药装置液位进行报警的控制系统，但没有涉及如何有效地对无人喷药飞机进行高精度导航的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种航空喷药机GPS短时自差分导航方法，针对无人航空喷药机进行高精度导航，以实现无人喷药直升机的自主导航。为了实现上述目的，本发明提供了一种航空喷药机GPS短时自差分导航方法，其中，包括如下步骤a、在航空喷药机的机载GPS定位导航系统上设置飞行航线记录模块，并在所述飞行航线记录模块上装载预设飞行航线；b、利用所述机载GPS定位导航系统设置飞行导航模块，该飞行导航模块随所述航空喷药机一同启动，该飞行导航模块根据差分法计算所述航空喷药机的位置偏差，且对比该位置偏差与所述预设飞行航线，消除所述航空喷药机的位置偏差，使其按照所述预设飞行航线飞行。上述的航空喷药机GPS短时自差分导航方法，其中，还包括步骤c C、判断所述航空喷药机的喷药作业是否结束，如喷药作业结束，则退出所述飞行导航模块；如喷药作业没有结束，则继续执行步骤b。上述的航空喷药机GPS短时自差分导航方法，其中，所述步骤b包括bl、利用所述机载GPS定位导航系统采集所述航空喷药机的位置坐标，经差分计算得到所述航空喷药机相对于起始点的位置偏差；b2、将所述位置偏差与所述预设飞行航线比较，并判断是否偏离飞行航道；b3、若没有偏离所述飞行航道，则返回步骤bl ；b4、若偏离所述飞行航道，则进行反馈调整纠偏，使所述航空喷药机进入所述飞行航道；b5、返回步骤bl。上述的航空喷药机GPS短时自差分导航方法，其中，所述步骤bl又包括bll、启动所述航空喷药机，并采集所述航空喷药机的初始点位置坐标；bl2、所述航空喷药机进入飞行轨道后，所述机载GPS定位导航系统给出所述航空喷药机所在位置的GPS实时坐标；bl3、将GPS实时坐标与所述初始点位置坐标进行差分运算，得到所述航空喷药机相对起始点在经度方向和纬度方向上的位置偏差。上述的航空喷药机GPS短时自差分导航方法，其中，所述步骤b4又包括b41、计算偏离所述飞行航道的方向和距离，得到偏移量信息；b42、根据所述偏移量信息通过反馈控制系统调整所述航空喷药机的飞行姿态；b43、消除所述航空喷药机的位置偏差，使其进入所述飞行轨道。为了更好地实现上述目的，本发明还提供了一种航空喷药机GPS短时自差分导航装置，其中，包括安装在所述航空喷药机上的机载GPS定位导航系统，所述机载GPS定位导航系统上装载有飞行航线记录模块及飞行导航模块，所述飞行航线记录模块装载有预设飞行航线，所述飞行导航模块随所述航空喷药机一同启动，该飞行导航模块用于根据差分法计算所述航空喷药机的位置偏差，且对比该位置偏差与所述预设飞行航线，消除所述航空喷药机的位置偏差，使其按照所述预设飞行航线飞行。上述的航空喷药机GPS短时自差分导航装置，其中，还包括一判断模块，所述判断模块与所述飞行导航模块连接，用于判断所述航空喷药机的喷药作业是否结束。上述的航空喷药机GPS短时自差分导航装置，其中，所述飞行导航模块包括数据采集计算单元，用于采集所述航空喷药机的位置坐标，经差分计算得到所述航空喷药机相对于起始点的位置偏差；航道比较与判断单元，用于将所述位置偏差与所述预设飞行航线比较，并判断是否偏离飞行航道；反馈调整纠偏单元，用于当所述航道比较与判断单元判断结果为偏离飞行航道时，使所述航空喷药机进入所述飞行航道；返回单元，用于当所述航道比较与判断单元判断结果为没有偏离飞行航道时，返回数据采集计算单元。上述的航空喷药机GPS短时自差分导航装置，其中，所述数据采集计算单元又包括初始坐标采集单元，用于启动所述航空喷药机，并采集所述航空喷药机的初始点位置坐标；实时坐标采集单元，用于所述航空喷药机进入飞行轨道后，采集所述航空喷药机所在位置的GPS实时坐标；
差分计算单元，将所述GPS实时坐标与所述初始点位置坐标进行差分运算，得到所述航空喷药机相对起始点在经度方向和纬度方向上的位置偏差。上述的航空喷药机GPS短时自差分导航装置，其中，所述反馈调整纠偏单元又包括偏移量计算单元，计算偏离所述飞行航道的方向和距离，得到偏移量信息；调整单元，根据所述偏移量信息通过反馈控制系统调整所述航空喷药机的飞行姿态；纠偏单元，消除所述航空喷药机的位置偏差，使其进入所述飞行轨道。本发明的技术效果在于本发明有效地解决了喷药航空喷药机高精度导航问题， 相应的导航设备具有结构简单、成本低、精度高等优点。以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。
图1为本发明的导航方法流程图；图2为本发明的导航装置结构框图。其中，附图标记1机载GPS定位导航系统11飞行航线记录模块12飞行导航模块121数据采集计算单元1211初始坐标采集单元1212实时坐标采集单元1213差分计算单元122航道比较与判断单元123反馈调整纠偏单元1231偏移量计算单元1232调整单元1233纠偏单元124返回单元13判断模块a c、b2 b4、bll bl3、dl d3 步骤
具体实施例方式下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理作具体的描述参见图1，图1为本发明的导航方法流程图。本发明的航空喷药机GPS短时自差分导航方法，包括如下步骤a、在航空喷药机的机载GPS定位导航系统上装载预设飞行航线；b、利用所述机载GPS定位导航系统设置飞行导航模块，该飞行导航模块随所述航空喷药机一同启动，该飞行导航模块根据差分法计算所述航空喷药机的位置偏差，且对比
6该位置偏差与所述预设飞行航线，消除所述航空喷药机的位置偏差，使其按照预设飞行航线飞行。为了更好地实现自动导航，还可包括步骤c C、判断所述航空喷药机的喷药作业是否结束，如喷药作业结束，则退出所述飞行导航模块；如喷药作业没有结束，则继续执行步骤b。其中，所述步骤b包括bl、利用所述机载GPS定位导航系统采集所述航空喷药机的位置坐标，经差分计算得到所述航空喷药机相对于起始点的位置偏差；
航道；
1^2、将所述位置偏差与所述预设飞行航线比较，并判断是否偏离飞行航道； b3、若没有偏离所述飞行航道，则返回步骤bl ；
b4、若偏离所述飞行航道，则进行反馈调整纠偏，使所述航空喷药机进入所述飞行
b5、返回步骤bl。 其中，所述步骤bl又包括
bll、启动所述航空喷药机，并采集所述航空喷药机的初始点位置坐标； bl2、所述航空喷药机进入飞行轨道后，所述机载GPS定位导航系统给出所述航空喷药机所在位置的GPS实时坐标；bl3、将GPS实时坐标与所述初始点位置坐标进行差分运算，得到所述航空喷药机相对起始点在经度方向和纬度方向上的位置偏差。其中，所述步骤b4又包括
b41、计算偏离所述飞行航道的方向和距离，得到偏移量信息；
b42、根据所述偏移量信息通过反馈控制系统调整所述航空喷药机的飞行姿态；
b43、消除所述航空喷药机的位置偏差，使其进入所述飞行轨道。 为了实现预定区域的喷药作业，需要对事先设定好航空喷药机的飞行航线。包括起点、终点以及飞行过程中各点的坐标。无人航空喷药机在喷药作业过程中，航线由航路点及相临两个航路点之间的线段组成。利用GPS导航的方法实时测得航空喷药机的当前位置，从而求得航空喷药机偏离航线的侧偏航距离及侧偏航距离的变化速率，依侧偏航距离及侧偏航距离的变化率产生指令控制副翼通过倾斜偏航，最终消除侧偏距。为计算侧偏距离Sg,需要进行航空喷药机当前位置的大地坐标与空间直角坐标之间的转换。GPS测量的数据属于WGS-84系的，为准确定位，需要转化为BJ-M系。 大地坐标系由大地纬度B、大地经度L和大地高H所构成的坐标系统。空间直角坐标的坐标原点位于地球椭球质心，X轴，Y轴，Z轴组成笛卡儿坐标系。对于同一空间点，大地坐标系与空间直角坐标系有下列转换关系为 (n + H)cos B cos L
式α)
'X'Y=Z
(n + H)cosBsinL (n(l-e2)+H)sinB其中，e为大地坐标系对应第一偏心率，η为该点的卯酉圈曲率半径。它们的计算公式为e = ^-(卜/)2 式⑵
权利要求
1.一种航空喷药机GPS短时自差分导航方法，其特征在于，包括如下步骤a、在航空喷药机的机载GPS定位导航系统上设置飞行航线记录模块，并在所述飞行航线记录模块上装载预设飞行航线；b、利用所述机载GPS定位导航系统设置飞行导航模块，该飞行导航模块随所述航空喷药机一同启动，该飞行导航模块根据差分法计算所述航空喷药机的位置偏差，且对比该位置偏差与所述预设飞行航线，消除所述航空喷药机的位置偏差，使其按照所述预设飞行航线飞行。
2.如权利要求1所述的航空喷药机GPS短时自差分导航方法，其特征在于，还包括步骤c C、判断所述航空喷药机的喷药作业是否结束，如喷药作业结束，则退出所述飞行导航模块；如喷药作业没有结束，则继续执行步骤b。
3.如权利要求1或2所述的航空喷药机GPS短时自差分导航方法，其特征在于，所述步骤b包括bl、利用所述机载GPS定位导航系统采集所述航空喷药机的位置坐标，经差分计算得到所述航空喷药机相对于起始点的位置偏差；b2、将所述位置偏差与所述预设飞行航线比较，并判断是否偏离飞行航道； b3、若没有偏离所述飞行航道，则返回步骤bl ；b4、若偏离所述飞行航道，则进行反馈调整纠偏，使所述航空喷药机进入所述飞行航道；b5、返回步骤bl。
4.如权利要求3所述的航空喷药机GPS短时自差分导航方法，其特征在于，所述步骤 bl又包括bll、启动所述航空喷药机，并采集所述航空喷药机的初始点位置坐标； bl2、所述航空喷药机进入飞行轨道后，所述机载GPS定位导航系统给出所述航空喷药机所在位置的GPS实时坐标；bl3、将GPS实时坐标与所述初始点位置坐标进行差分运算，得到所述航空喷药机相对起始点在经度方向和纬度方向上的位置偏差。
5.如权利要求3所述的航空喷药机GPS短时自差分导航方法，其特征在于，所述步骤 b4又包括b41、计算偏离所述飞行航道的方向和距离，得到偏移量信息；b42、根据所述偏移量信息通过反馈控制系统调整所述航空喷药机的飞行姿态；b43、消除所述航空喷药机的位置偏差，使其进入所述飞行轨道。
6.一种航空喷药机GPS短时自差分导航装置，其特征在于，包括安装在所述航空喷药机上的机载GPS定位导航系统，所述机载GPS定位导航系统上装载有飞行航线记录模块及飞行导航模块，所述飞行航线记录模块装载有预设飞行航线，所述飞行导航模块随所述航空喷药机一同启动，该飞行导航模块用于根据差分法计算所述航空喷药机的位置偏差，且对比该位置偏差与所述预设飞行航线，消除所述航空喷药机的位置偏差，使其按照所述预设飞行航线飞行。
7.如权利要求6所述的航空喷药机GPS短时自差分导航装置，其特征在于，还包括一判断模块，所述判断模块与所述飞行导航模块连接，用于判断所述航空喷药机的喷药作业是否结束。
8.如权利要求6或7所述的航空喷药机GPS短时自差分导航装置，其特征在于，所述飞行导航模块包括数据采集计算单元，用于采集所述航空喷药机的位置坐标，经差分计算得到所述航空喷药机相对于起始点的位置偏差；航道比较与判断单元，用于将所述位置偏差与所述预设飞行航线比较，并判断是否偏离飞行航道；反馈调整纠偏单元，用于当所述航道比较与判断单元判断结果为偏离飞行航道时，使所述航空喷药机进入所述飞行航道；返回单元，用于当所述航道比较与判断单元判断结果为没有偏离飞行航道时，返回数据采集计算单元。
9.如权利要求8所述的航空喷药机GPS短时自差分导航装置，其特征在于，所述数据采集计算单元又包括初始坐标采集单元，用于启动所述航空喷药机，并采集所述航空喷药机的初始点位置坐标；实时坐标采集单元，用于所述航空喷药机进入飞行轨道后，采集所述航空喷药机所在位置的GPS实时坐标；差分计算单元，将所述GPS实时坐标与所述初始点位置坐标进行差分运算，得到所述航空喷药机相对起始点在经度方向和纬度方向上的位置偏差。
10.如权利要求8所述的航空喷药机GPS短时自差分导航装置，其特征在于，所述反馈调整纠偏单元又包括偏移量计算单元，计算偏离所述飞行航道的方向和距离，得到偏移量信息； 调整单元，根据所述偏移量信息通过反馈控制系统调整所述航空喷药机的飞行姿态； 纠偏单元，消除所述航空喷药机的位置偏差，使其进入所述飞行轨道。
全文摘要
一种航空喷药机GPS短时自差分导航方法及装置，利用通用GPS，通过记录航空喷药机起飞时所在位置的GPS坐标作为差分基准坐标，在航空喷药机作业过程中按此起始点的GPS坐标进行差分运算，得到航空喷药机相对起始点在经度方向和纬度方向上的位置偏差，对比事先设定的作业路径，通过位置控制对喷药飞机进行高精度导航。本发明为解决喷药飞机高精度导航问题提供了一条有效途径，相应的导航设备具有结构简单、成本低、精度高等优点。
文档编号A01M7/00GK102375150SQ20101026444
公开日2012年3月14日 申请日期2010年8月26日 优先权日2010年8月26日
发明者张小超, 苑严伟 申请人:中国农业机械化科学研究院