一种基于北斗精准导航的无人机蜂群空中矩阵播秧系统及其控制方法

本发明属于农业种植器械技术领域，具体涉及一种基于北斗精准导航的无人机蜂群空中矩阵播秧系统及其控制方法。

背景技术：

目前农业市场是众多领域中智能化应用短板领域，包括播种、植保、收割等都是劳动密集型工作，急需智能化产品的引入。随着无人机行业的发展，其应用突飞猛进，行业认可度不断提高，无人机自动化能力及可靠性能力不断完善，并且已经有植保无人机作为农业智能化作业的入口，开始应用于植保领域。

但是传统的植保无人机稳定性差，一般用于施肥或播撒种子，而空中播种由于种子较轻使得种子分布不均匀，并且执行农业植保工作时，定位和作业航线均通过gps遥控控制，不能进行精准的空中插秧作业，在国内外也未见有采用无人机进行播秧的相关文献或专利报道。水稻是我国的主要粮食作物，但我国水稻种植机械化水平低，为适应国内水稻栽培技术的发展需要，再结合我国生产实际，研制开发了一种基于北斗精准导航的无人机蜂群空中矩阵播秧系统及其控制方法。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决上述现有技术存在的问题，提供一种基于北斗精准导航的无人机蜂群空中矩阵播秧系统及其控制方法，能够提高播秧效率，具有稳定性向好、播秧效果好的优点，解决了背景技术提出的问题。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种基于北斗精准导航的无人机蜂群空中矩阵播秧系统，包括若干个无人机组成的蜂群，若干个所述无人机通过后台地理信息管理平台连接；所述无人机包括无人机本体、无人机控制模块以及与无人机控制模块电性连接的用于进行精准导航的北斗导航模块、用于进行播秧区域测量的田间地理信息获取和管理模块、用于进行播秧路径规划的路径规划模块、用于实现秧苗播种的矩阵播秧机构和用于对无人机控制模块进行供电的供电模块。

进一步的，所述矩阵播秧机构设置在无人机本体的底部，所述矩阵播秧机构包括承托架、秧盘和顶秧装置；所述承托架呈矩形；所述秧盘可拆卸地设置在所述承托架上，所述秧盘上设有呈矩阵状排列的若干个内部填充有带土秧苗的秧苗通孔，所述顶秧装置包括：

第一滑轨、第一滑块、第一驱动机构；所述第一滑轨对称设置在所述承托架的两侧上，所述第一滑块可滑动地设置在所述第一滑轨上，所述第一驱动机构驱动所述第一滑块相对于所述第一滑轨滑动；

第二滑轨、第二滑块以及第二驱动机构，所述第二滑轨的两端分别设置在所述第一滑块上，且所述第二滑轨相对所述第一滑轨垂直设置，所述第二滑块与所述第二滑轨滑动配合，所述第二驱动机构驱动所述第二滑块相对于所述第二滑轨滑动；

捅孔组件，所述捅孔组件设置在所述第二滑块上。

进一步的，所述第一驱动机构包括第一滚珠丝杆、第一同步转轴、第一轴承、第一联轴器和第一步进电机；所述第一滚珠丝杆设置在所述第一滑轨内，所述第一滑块与所述第一滚珠丝杆之间滑动配合；所述第一同步转轴的两端与第一轴承连接，所述第一同步转轴的一端通过第一联轴器与所述第一步进电机的输出轴相连接；所述第一步进电机的输出轴上设有第一涡轮，所述第一滚珠丝杆的一端与所述第一涡轮啮合，所述第一步进电机与所述无人机控制模块电性连接；

所述第二驱动机构包括第二滚珠丝杆、第二同步转轴、第二轴承、第二联轴器和第二步进电机；所述第二滚珠丝杆设置在所述第二滑轨内，所述第二滑块与所述第二滚珠丝杆之间滑动配合；所述第二同步转轴的两端与第二轴承连接，所述第二同步转轴的一端通过第二联轴器与所述第二步进电机的输出轴相连接；所述第二步进电机的输出轴上设有第二涡轮，所述第二滚珠丝杆的一端与所述第二涡轮啮合，所述第一步进电机与所述无人机控制模块电性连接；

进一步的，所述捅孔组件包括两块连接板，所述连接板之间通过横梁连接，所述横梁与所述第二滑块的顶部固定连接，所述连接板上安装有伸缩推杆，所述伸缩推杆与所述无人机控制模块电性连接，所述伸缩推杆具有推杆部，所述伸缩推杆的推杆部与所述秧苗通孔相匹配，且所述伸缩推杆的推杆部对准秧苗通孔作上下顶秧动作。

进一步的，所述伸缩推杆为电磁推杆。

进一步的，所述承托架上设有用于与无人机壳体连接的连接架。

进一步的，所述供电模块包括太阳能电池板以及用于对太阳能电池板充电的太阳能充电桩，所述太阳能电池板安装在所述无人机本体上，所述太阳能充电桩设置在播秧区域附近。

本发明还提供一种基于北斗精准导航的无人机蜂群空中矩阵播秧系统的控制方法，所述方法包括如下步骤：

(1)确定无人机蜂群中所述无人机的数量，确定无人机阵列的目标形状及其顺序，并为无人机蜂群建立面向任务的可视化北斗导航；

(2)通过北斗导航模块对田块进行测量，获取田块的三维坐标，标绘田块的边界，获取高精田块地图并发送至田间地理信息获取和管理模块；

(3)在后台地理信息管理平台中，根据高精田块地图并结合实地地形，确定秧盘配送点和充电桩停放位置，根据无人机数量，分配播秧任务，路径规划模块规划每架无人机的作业路径；

(4)无人机控制模块根据分配的播秧任务，完成秧盘安装后，启动作业任务，在北斗精准导航下，无人机自动导航到作业位置，控制矩阵播秧机构进行播秧作业，在作业过程中，实时更新田块地图状态，标记是否完成作业。

进一步的，所述步骤(4)中，控制矩阵播秧机构进行播秧作业的具体方法为：首先，将伸缩推杆设置在秧盘一侧位置的原点上，无人机控制模块控制所述第一步进电机工作使所述第一滑块沿x方向行走一个秧苗通孔的距离，此时所述伸缩推杆的推杆部在z方向对准秧苗通孔作上下顶秧动作，重复以上动作将x方向上的秧苗全部桶出；然后，无人机控制模块控制所述第二步进电机工作使所述第二滑块沿y方向行走一个秧苗通孔的距离以进行换行，再重复x方向上的顶秧动作直至秧盘内的秧苗全部捅出，最后，无人机控制模块控制第一步进电机和第二步进电机工作，使x方向上的第一滑块和y方向上的第二滑块同时运动进而使伸缩推杆复位到原点上，更换新的秧盘再重复播秧工作。

由于采用上述技术方案，本发明具有以下有益效果：

1.本发明一种基于北斗精准导航的无人机蜂群空中矩阵播秧系统，能够提高播秧效率，具备稳定性向好、播秧效果好的优点。在进行播秧之前，先通过田间地理信息获取和管理模块对播秧区域进行测量；通过路径规划模块对无人机进行播秧路径的规划，通过后台地理信息管理平台对无人机进行操控，在北斗导航模块的精准导航下实现无人机在执行任务时的定位及飞行导航，并控制矩阵播秧机构运动实现秧苗的播种；本发明大大提高了无人机的续航能力以及工作效率。

2.本发明通过安装在无人机本体底部的矩阵播秧机构为待播秧区域进行播秧作业；通过第一滑轨、第一滑块、第一驱动机构的配合，从而实现捅孔组件在同一行秧苗通孔上的左右摆动，通过第二滑轨、第二滑块以及第二驱动机构的配合，从而实现捅孔组件换行的前后摆动，提高了播秧效率，使用方便，播秧均匀，易于推广。

3.本发明的捅孔组件结构紧凑合理，具备精确位置控制和高频高速运动的能力，通过设置连接板、横梁和伸缩推杆，在各部件的配合下，能够快速高效地上下运动，每根伸缩推杆的推杆部上下一次就把一株秧苗捅出完成一颗苗的栽种，能够快速高效的进行播秧，而且保证播秧种植均匀。

附图说明

图1是本发明一种基于北斗精准导航的无人机蜂群空中矩阵播秧系统的电路框图；

图2是本发明一种基于北斗精准导航的无人机蜂群空中矩阵播秧系统的结构示意图；

图3是本发明一种基于北斗精准导航的无人机蜂群空中矩阵播秧系统的的俯视结构示意图；

图4是本发明矩阵播秧机构的结构示意图；

图5是本发明顶秧装置的结构示意图；

图6是本发明捅孔组件的结构示意图；

图7是本发明第一涡轮与第一滚珠丝杆的结构示意图；

图8是任意田块的简图；

图9是田块最小边界矩形图；

图10是无人机掉头最少算法的路径规划图；

图11是无人机单条航线最短算法的路径规划图。

其中，附图中标记为：1-后台地理信息管理平台；2-无人机本体；3-无人机控制模块；4-北斗导航模块；5-田间地理信息获取和管理模块；6-路径规划模块；7-矩阵播秧机构；8-供电模块；9-承托架；10-秧盘；11-第一滑轨；12-第一滑块；13-第一驱动机构；14-第二滑轨；15-第二滑块；16-第二驱动机构；17-第一滚珠丝杆；18-第一同步转轴；19-第一轴承；20-第一联轴器；21-第一步进电机；22-第二滚珠丝杆；23-第二同步转轴；24-第二轴承；25-第二联轴器；26-第二步进电机；27-捅孔组件；28-连接板；29-横梁；30-伸缩推杆；31-连接架；32-通讯模块；33-第一涡轮。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。需要说明的是，本发明的具体实施例只是为了能更清楚的描述技术方案，而不能作为本发明保护范围的一种限制。

请参阅图1-图11，一种基于北斗精准导航的无人机蜂群空中矩阵播秧系统，包括若干个无人机组成的蜂群，若干个所述无人机通过后台地理信息管理平台1连接；所述无人机包括无人机本体2、无人机控制模块3以及与无人机控制模块3电性连接的用于进行精准导航的北斗导航模块4、用于进行播秧区域测量的田间地理信息获取和管理模块5、用于进行播秧路径规划的路径规划模块6、用于实现秧苗播种的矩阵播秧机构7和用于对无人机控制模块3进行供电的供电模块8。本实施例中，无人机还包括与无人机控制模块3电性连接的通讯模块32。

本发明一种基于北斗精准导航的无人机蜂群空中矩阵播秧系统，能够提高播秧效率，具备稳定性向好、播秧效果好的优点。在进行播秧之前，先通过田间地理信息获取和管理模块5对播秧区域进行测量，手持式北斗测量型接收机沿地块进行测量，获取三维坐标，统一为cgcs2000坐标系，平面坐标采用高斯投影3度分带，高程采用1985黄海高程基准；通过路径规划模块6对无人机进行播秧路径的规划，通过后台地理信息管理平台1对无人机进行操控，在北斗导航模块4的精准导航下实现无人机在执行任务时的定位及飞行导航，并控制矩阵播秧机构7运动实现秧苗的播种；所述供电模块8包括太阳能电池板以及用于对太阳能电池板充电的太阳能充电桩，所述太阳能电池板安装在所述无人机本体2上与电池电连接，所述太阳能充电桩设置在播秧区域附近，采用太阳能充电大大提高了无人机的续航能力以及工作效率。

进一步的，所述矩阵播秧机构7设置在无人机本体2的底部，所述矩阵播秧机构7包括承托架9、秧盘10和顶秧装置；所述承托架9呈矩形；所述承托架9上设有用于与无人机壳体连接的连接架31；所述秧盘10可拆卸地设置在所述承托架9上，所述秧盘10上设有呈矩阵状排列的若干个内部填充有带土秧苗的秧苗通孔，秧苗朝下，所述顶秧装置包括：

第一滑轨11、第一滑块12、第一驱动机构13；所述第一滑轨11对称设置在所述承托架9的两侧上，所述第一滑块12可滑动地设置在所述第一滑轨11上，所述第一驱动机构13驱动所述第一滑块12相对于所述第一滑轨11滑动；

第二滑轨14、第二滑块15以及第二驱动机构16，所述第二滑轨14的两端分别设置在所述第一滑块12上，且所述第二滑轨14相对所述第一滑轨11垂直设置，所述第二滑块15与所述第二滑轨14滑动配合，所述第二驱动机构16驱动所述第二滑块15相对于所述第二滑轨14滑动；

捅孔组件27，所述捅孔组件27设置在所述第二滑块15上。通过第一滑轨11、第一滑块12、第一驱动机构13的配合，从而实现捅孔组件27在同一行秧苗通孔上的左右摆动，通过第二滑轨14、第二滑块15以及第二驱动机构16的配合，从而实现捅孔组件27换行的前后摆动，提高了播秧效率。

进一步的，所述第一驱动机构13包括第一滚珠丝杆17、第一同步转轴18、第一轴承19、第一联轴器20和第一步进电机21；所述第一滚珠丝杆17设置在所述第一滑轨11内，所述第一滑块12与所述第一滚珠丝杆17之间滑动配合；所述第一同步转轴18的两端与第一轴承19连接，所述第一同步转轴18的一端通过第一联轴器20与所述第一步进电机21的输出轴相连接；所述第一步进电机21的输出轴上设有第一涡轮33，所述第一滚珠丝杆17的一端与所述第一涡轮33啮合，所述第一步进电机21与所述无人机控制模块3电性连接；

所述第二驱动机构16包括第二滚珠丝杆22、第二同步转轴23、第二轴承24、第二联轴器25和第二步进电机26；所述第二滚珠丝杆22设置在所述第二滑轨14内，所述第二滑块15与所述第二滚珠丝杆22之间滑动配合；所述第二同步转轴23的两端与第二轴承24连接，所述第二同步转轴23的一端通过第二联轴器25与所述第二步进电机26的输出轴相连接；所述第二步进电机26的输出轴上设有第二涡轮，所述第二滚珠丝杆22的一端与所述第二涡轮啮合，所述第一步进电机21与所述无人机控制模块3电性连接；

进一步的，所述捅孔组件27包括两块连接板28，所述连接板28之间通过横梁29连接，所述横梁29与所述第二滑块15的顶部固定连接，所述连接板28上安装有伸缩推杆30，所述伸缩推杆30与所述无人机控制模块3电性连接，所述伸缩推杆30具有推杆部，所述伸缩推杆30的推杆部与所述秧苗通孔相匹配，且所述伸缩推杆30的推杆部对准秧苗通孔作上下顶秧动作。本发明的捅孔组件27结构紧凑合理，具备精确位置控制和高频高速运动的能力，通过设置连接板28、横梁29和伸缩推杆30，在各部件的配合下，能够快速高效地上下运动，每根伸缩推杆30的推杆部上下一次就把一株秧苗捅出完成一颗苗的栽种，能够快速高效的进行播秧，而且保证播秧种植均匀。本实施例中，所述伸缩推杆30为电磁推杆。

无人机本体2上的矩阵播秧机构7总共有三个方向，即三维空间的笛卡尔坐标系，分别为x、y、z轴向。其中x、y向为平面移动机构，是使伸缩推杆30精确定位每个秧苗通孔，此平面的移动通过第一滑轨11、第一滑块12、第一驱动机构13、第二滑轨14、第二滑块15以及第二驱动机构16来实现精确毫米级别的控制，使得捅孔组件27能够稳定的前后左右移动，提高了捅孔组件27的稳定性，平面移动机构还可以具体参考现有的同步滚珠丝杠导轨机构，x方向和y方向的丝杠旋转动力采用的是步进电机。z方向为竖直方向，即伸缩推杆30捅进秧盘10上的秧苗通孔使秧苗掉落的方向，z方向采用间歇性运动的机构实现伸缩推杆30的上下反复运动方向，间歇运动的动力采用的是轻巧的舵机旋转。以上电机都是用无人机控制模块3来进行分配电流和控制不同方向的运动，协同运作来实现矩阵播秧机构7的运转。

本发明还提供一种基于北斗精准导航的无人机蜂群空中矩阵播秧系统的控制方法，所述方法包括如下步骤：

(1)确定无人机蜂群中所述无人机的数量，确定无人机阵列的目标形状及其顺序，并为无人机蜂群建立面向任务的可视化北斗导航；

(2)通过北斗导航模块4对田块进行测量，获取田块的三维坐标，标绘田块的边界，获取高精田块地图并发送至田间地理信息获取和管理模块5；

(3)在后台地理信息管理平台1中，根据高精田块地图并结合实地地形，确定秧盘10配送点和充电桩停放位置，根据无人机数量，分配播秧任务，路径规划模块6规划每架无人机的作业路径；

(4)无人机控制模块3根据分配的播秧任务，完成秧盘10安装后，启动作业任务，在北斗精准导航下，无人机自动导航到作业位置，控制矩阵播秧机构7进行播秧作业，在作业过程中，实时更新田块地图状态，标记是否完成作业。

对于任意不规则田块，无人机采用掉头最少原则或单程航线最短原则进行路径规划。设任意田块如图8所示，通过gis空间分析，找出最小边界矩形图9。具体方法采用最小二乘法拟合。

掉头最少算法：见图10，沿着长边方向，以无人机插秧宽度为间距d，制作平行线，作为航线。无人机沿着航线飞行，在航线与田块相交点进行转向后，进入下一条航线作业。

单条航线最短算法：见图11，沿着短边方向，以无人机插秧宽度为间距d，制作平行线，作为航线。无人机沿着航线飞行，在航线与田块相交点进行转向后，进入下一条航线作业。

所述步骤(4)中，控制矩阵播秧机构7进行播秧作业的具体方法为：首先，将伸缩推杆30设置在秧盘10一侧位置的原点上，无人机控制模块3控制所述第一步进电机21工作使所述第一滑块12沿x方向行走一个秧苗通孔的距离，此时所述伸缩推杆30的推杆部在z方向对准秧苗通孔作上下顶秧动作，重复以上动作将x方向上的秧苗全部桶出；然后，无人机控制模块3控制所述第二步进电机26工作使所述第二滑块15沿y方向行走一个秧苗通孔的距离以进行换行，再重复x方向上的顶秧动作直至秧盘10内的秧苗全部捅出，最后，无人机控制模块3控制第一步进电机21和第二步进电机26工作，使x方向上的第一滑块12和y方向上的第二滑块15同时运动进而使伸缩推杆30复位到原点上，更换新的秧盘10再重复播秧工作。

上述说明是针对本发明较佳可行实施例的详细说明，但实施例并非用以限定本发明的专利申请范围，凡本发明所提示的技术精神下所完成的同等变化或修饰变更，均应属于本发明所涵盖专利范围。