一种用于施药导引的无人机机载系统及施药导引系统的制作方法

本发明涉及农业植保技术领域，更具体地，涉及一种用于施药导引的无人机机载系统及施药导引系统。

背景技术

植保无人机利用无人机平台搭载施药装置对作物进行定量定点精准施药，具有复杂地形适应性强、作业效率高等优势。无人机可集成智能飞控系统、复合光电吊舱及精准变量喷施设备等多种新型任务载荷，从而为农业植保提供全方位支持。当前，受益于人工智能技术、并行计算技术以及智能硬件等方面取得的突破，无人机植保技术向着智能化、系统化及精准化方向发展。

植保无人机主要是按照规划路径对特定农田区域进行农药喷施，以达到防治作物病虫害的目的。喷施过程中，植保无人机的飞行路径的准确性非常重要。如飞行路径有偏差，即造成农药喷施区域的遗漏或者重叠，农药漏喷将影响病虫害的防治效果，农药重喷则会造成农药浪费。为解决此问题，当前采用的解决方案包括无人机施药手动模式控制方式和基于自主巡航作业方式。

对于无人机施药手动模式控制，主要是通过人为观察、对无人机喷施区域进行遥控，模拟背负式喷雾器进行田间施药过程。这种方式下，植保无人机没有自主巡航飞行能力，飞行路径依靠人的视觉观察。其中，植保无人机的智能化程度低，作业效率非常有限；特别是当喷施农田较大时，仅依靠人为视觉判断，很难保证无人机施药路径不出现偏差。

对于基于遥感地图和全球导航卫星系统(globalnavigationsatellitesystem,gnss)的施药区域规划和自主巡航作业方式，在开始作业前，首先在地图上定位作业农田区域，将作业边界画出，根据无人机施药有效幅宽自动生成无人机作业航线，然后将无人机作业航线经纬度坐标传送到无人机飞行控制系统，由无人机根据规划航线飞行。

但是，自主巡航作业方式需要依赖全球导航卫星系统，如果无人机在作业过程中无法接收到卫星定位信号，则飞机无法实现自身定位，也即不能进行田间施药作业。而农田中，树木、林地较多，这些极容易对卫星定位信号遮挡或干扰，导致卫星定位信号失效，从而影响无人机施药作业。

其中，全球导航卫星系统主要包括单点定位系统和差分定位系统，差分定位系统需要建立差分基站，不但系统成本较高，而且系统使用较复杂、无人机飞行区域受限于差分基站的覆盖范围，因此当前无人机定位系统多为单点定位系统。当前主流系统(gps、北斗等)的民用系统部分，其单点定位精度偏差3米左右，即使配合多种传感器辅助，定位精度偏差也在1-2米。植保无人机的有效作业幅宽一般3-5米。相比较而言，对于植保无人机田间施药作业而言，单点卫星定位系统的偏差相对太大，已经无法满足施药应用。

并且，自主巡航作业方式下，路径规划需首先在无人机地面站计算机上规划完成，并生成航线经纬度坐标序列，然后下载到无人机，无人机按照规划航线飞行。航线一旦规划完成，想要改变航线，只能先停止无人机作业，并重新规划生成航线、下载航线到无人机，航线改变灵活性较低。而田间施药作业过程常出现应急情况(如出现作业农机和人等)，需要无人机改变原来既定航线。

另外，随着设施农业(温室农业)面积的逐年增加，经常需要无人机在较大的温室大棚内进行施药作业，而温室内受温室顶部覆盖物、金属支架等的影响，常常不能接受卫星定位信号，进而使得无人机无法实现在温室内的作业。

技术实现要素：

为了克服上述问题或者至少部分地解决上述问题，本发明提供一种用于施药导引的无人机机载系统及施药导引系统，用以弥补传统无人机手动遥控飞行和依靠全球导航卫星定位系统飞行的缺陷，适应农业中无人机施药作业需求。

一方面，本发明提供一种用于施药导引的无人机机载系统，包括：主控系统、激光定点测距传感器和视觉传感器；所述视觉传感器用于在检测到地面信标时，启动所述激光定点测距传感器基于旋转定位频率方式，测量无人机与地面信标间距离；所述主控系统用于根据所述无人机与地面信标间距离，确定并实时更新无人机的坐标位置，并基于所述坐标位置控制无人机按照设定路径进行施药作业。

进一步的，所述无人机机载系统还包括：三维加速度传感器和超声波测高传感器；所述三维加速度传感器用于测量无人机的飞行加速度；所述超声波测高传感器用于发射测高超声波信号并接收作物冠层返回的回波信号；相应的，所述主控系统还用于，基于所述测高超声波信号和所述回波信号，计算无人机与作物冠层的相对距离，并获取无人机相对高度数据，还用于基于无人机的飞行速度、所述飞行加速度和所述无人机相对高度数据，控制无人机按照设定空间路径进行施药作业。

其中，所述视觉传感器具体用于捕获地面信标顶部不同颜色的强光指示，对所述强光指示进行识别，并确定对应地面信标的位置坐标；所述激光定点测距传感器具体用于利用旋转伺服驱动系统对准所述地面信标，实现所述无人机与地面信标间距离的测量。

其中，所述主控系统具体用于，基于不同作物及该作物的不同生长期，设置不同的回波信号提取关系方程，并利用所述回波信号提取关系方程，计算无人机与作物冠层的相对距离。

其中，所述主控系统具体用于，利用所述回波信号提取关系方程，提取所述回波信号中的有效回波信号，并基于所述有效回波信号和所述测高超声波信号，计算无人机与作物冠层的相对距离。

其中，所述三维加速度传感器具体用于，在所述激光定点测距传感器定位间隙，根据所述飞行加速度确定无人机偏移后的空间坐标。

另一方面，本发明提供一种无人机施药导引系统，包括：地面控制站、多个根据地形设置的地面信标以及如上所述的用于施药导引的无人机机载系统；所述地面控制站用于对无人机设定路径的规划及路径坐标序列的生成，并指令所述无人机机载系统进行作业轨迹调整和作业区域调度。

其中，所述地面信标的顶部设置不同颜色，且表面涂有强反光系数的反光涂料，所述地面信标到无人机的距离在所述激光定点测距传感器量程的1/3～2/3范围。

其中，所述地面信标顶部设置的不同颜色作为无人机的避障提示信标点，以使所述无人机机载系统支持基于地面信标分布的避障模式。

其中，所述地面控制站具体用于在该地面控制站的计算机作业规划系统中放置两个地面信标，并以该两个地面信标为参考点输入作业区域边界，进而基于所述作业区域边界生成无人机飞行路径；或者，用于在实际作业边界的顶点处放置地面信标，以利用所述无人机机载系统扫描该地面信标，并以该地面信标为作业区域边界定点生成闭合区域，进而以所述闭合区域作为目标作业区域。

本发明提供的一种用于施药导引的无人机机载系统及施药导引系统，通过采用激光测距、视觉及多传感器辅助方式来实现无人机田间施药路径引导，能够有效弥补传统无人机手动遥控飞行和依靠全球导航卫星定位系统飞行的缺陷，适应农业中无人机施药作业需求，特别是能有效解决大田作业树木遮挡gnss卫星信号导致无人机无法完成定位，以及作业、gnss定位精准度无法满足应用需求的问题，具有精度高、不依赖全球导航卫星系统的特点，且使得作业精准，续航时间长，无需时刻更新路线，更加节省成本。

附图说明

图1为本发明实施例一种无人机施药导引系统的结构示意图；

图2为根据本发明实施例一种无人机施药导引系统中建立的平面空间坐标系的示意图；

图3为根据本发明实施例一种无人机施药导引系统中绘制作业区域的示意图；

图4为根据本发明实施例一种无人机施药导引系统中另一种绘制作业区域的示意图；

图5为本发明实施例一种用于施药导引的无人机机载系统的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、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。

作为本发明实施例的一个方面，本实施例提供一种无人机施药导引系统，参考图1，为本发明实施例一种无人机施药导引系统的结构示意图，包括：地面控制站1、多个根据地形设置的地面信标2以及用于施药导引的无人机机载系统3。其中，

地面控制站1用于对无人机设定路径的规划及路径坐标序列的生成，并指令无人机机载系统3进行作业轨迹调整和作业区域调度。无人机机载系统3则通过在无人机飞行过程中检测地面信标2，确定无人机坐标位置，并根据地面控制站1的路径规划指示进行施药作业。

可以理解为，本发明实施例的无人机施药导引系统利用无人机机载系统3完成对无人机自身空间位置的定位，并利用地面控制站1的作业规划系统，完成对无人机规划航线的规划及航线坐标序列的生成。无人机通过自身飞行控制条件控制自身按照规划航线飞行。

具体如图1所示，无人机施药导引系统主要由地面控制站1、地面信标2以及无人机机载系统3三部分组成。其中无人机机载系统3通过寻找作业区域中的地面信标，计算无人机与各地面信标点的距离，并根据该距离确定无人机的坐标位置，进而通过在运行过程中不断定位无人机的位置，使无人机按照设定路径进行施药作业。其中的设定路径为利用地面控制站1进行规划并发布给无人机机载系统3。

其中，无人机在飞行过程中，可实时与地面控制站1保持无线通信，并随时按照地面控制站1发布的指令进行作业轨迹的调整和作业区域的调度。

可以理解的是，本实施例可以采用激光测距、视觉及多传感器辅助等方式，基于对作业区域中设置的地面信标2的捕捉和识别，来实现无人机田间施药路径引导，具有高精度、不依赖全球导航卫星系统的特点。

本发明实施例提供的一种无人机施药导引系统，通过在喷施区域设置地面信标并采用无人机机载系统，实现基于地面信标检测的作物施药作业，能够有效弥补传统无人机手动遥控飞行和依靠全球导航卫星定位系统飞行的缺陷，适应农业中无人机施药作业需求，特别是能有效解决大田作业树木遮挡gnss卫星信号导致无人机无法完成定位，以及作业、gnss定位精准度无法满足应用需求的问题，具有精度高、不依赖全球导航卫星系统的特点，且使得作业精准，续航时间长，无需时刻更新路线，更加节省成本。

其中可选的，地面控制站1具体用于在该地面控制站的计算机作业规划系统中放置两个地面信标，并以该两个地面信标为参考点输入作业区域边界，进而基于所述作业区域边界生成无人机飞行路径；

或者，用于在实际作业边界的顶点处放置地面信标，以利用所述无人机机载系统扫描该地面信标，并以该地面信标为作业区域边界定点生成闭合区域，进而以所述闭合区域作为目标作业区域。

可以理解为，地面信标数量需根据地形进行设定。例如，假设作业地块为矩形，则地面信标一般为四个，设置于作业地块的四角，最少需设定两个。以作业地块为矩形为例，在作业地块的四角放置四个地面信标，分别为a、b、c和d。假设无人机的当前位置坐标为(x,y)，则建立平面空间坐标系如图2所示，为根据本发明实施例一种无人机施药导引系统中建立的平面空间坐标系的示意图。利用无人机机载系统3，无人机可以测得其距离四个地面信标点的距离分别为d1、d2、d3和d4。则任选四个地面信标点中的两个，即可解析出无人机的平面空间坐标，解析方程如下：

(x-x1)²+(y-y1)²＝d1²；

(x-x2)²+(y-y2)²＝d2²。

可见，只需要两个地面信标点，即可求解出无人机的平面坐标。当在具体应用中设置2个以上的地面信标点时，冗余地面信标点可以作为空间位置校准，以提高定位精度。

更进一步，本发明实施例的无人机施药导引系统支持基于信标分布的自主作业区域提取规划和手绘作业区域规划两种作业区域规划模式。根据上述分析可知，使用2个地面信标即可完成无人机自身平面坐标位置的精准定位。对于作业区域边界的设定方式，可以通过在地面控制站1的计算机作业规划系统中设置两个地面信标，并以此地面信标为参考点，输入作业区域边界，进而基于此边界进一步生成无人机飞行路径。

另外，也可以通过在实际作业边界的顶点处放置地面信标，此时无人机启动后会先扫描地面信标，以地面信标为作业区域边界定点生成闭合区域，并以此闭合区域作为目标作业区域。

对于非规则作业区域，如三角形作业区域、五边形作业区域等，可采用手绘作业区域规划模式或自动作业区域生成与规划模式。作业区域的自动识别提取和作业规划较为快捷。

其中，在手绘作业区域规划模式下，规划实施时需要将2个地面信标放置在目标作业区域的边界或边界附近，并需要尽可能有一定距离间隔。利用地面控制站1的计算机作业规划软件，将作业区域框绘出，生成作业规划区域并下载到无人机飞行控制系统，即无人机机载系统中。如图3所示，为根据本发明实施例一种无人机施药导引系统中绘制作业区域的示意图，其中的虚线均为基于实际地形图在规划软件上进行绘制输入完成的。

其中，在自动作业区域生成与规划模式下，当选取该作业规划模式时，首先需要将地面信标放置在作业区域定点位置，并给定任意两个地面信标点的平面坐标系坐标(x1,y1)和(x2,y2)。启动无人机，无人机首先基于已知地面信标点完成自身定位，并计算出自身平面坐标(x0,y0)，继而进一步扫描寻找其他所有地面信标点，反推计算出其他地面信标点坐标。具体如图4所示，为根据本发明实施例一种无人机施药导引系统中另一种绘制作业区域的示意图。

如图4所示，首先将地面信标a和地面信标b放置在实际作业区域的两个顶点处，并在地面控制站1的作业规划软件中为其赋予相应的坐标(x1,y1)和(x2,y2)。无人机启动后，首先基于地面信标a和地面信标b，计算得到自身平面坐标(x0,y0)，继而无人机机载系统3开始扫描其他地面信标。假设扫描发现地面信标c，并假设地面信标c的坐标为(x3,y3)，且x3、y3未知。通过无人机机载系统3可以获得无人机距离地面信标c的距离d3以及无人机至地面信标b与地面信标c间的夹角θ，由此即可联立如下方程求解地面信标c的坐标(x3,y3)：

(x3-x0)²+(y3-y0)²＝d3²；

(x3-x2)²+(y3-y2)²＝d3²+d2²–2d2d3cosθ。

如上方程中仅包含x3和y3两个未知量，因此可求解地面信标c的坐标(x3,y3)，由此类推可进一步获得其他地面信标的坐标。

获得所有地面信标点的坐标后，地面控制站1中的规划系统将所有地面信标点围成的闭合区域作为作业区域，并在该作业区域中根据无人机设定的有效施药幅宽生成规划路径，并将路径坐标序列下载到无人机飞行控制系统，即无人机机载系统3中，进而引导无人机进行施药作业。

其中，在一个实施例中，在地面信标2的顶部设置不同颜色，在地面信标2的表面涂有强反光系数的反光涂料。

可以理解为，为了对作业区域的不同边界进行区分和标记，在地面信标2的顶部设置不同颜色进行区分。例如将矩形作业区域四个边界的地面信标顶部设置成四种不同颜色的强光灯。同时，一般将地面信标2设置为圆柱体，并在地面信标2的表面涂有较强反光系数的反光涂料。

其中，在另一个实施例中，地面信标2顶部设置的不同颜色作为无人机的避障提示信标点，以使无人机机载系统3支持基于地面信标分布的避障模式。

可以理解为，无人机在田间施药过程中，经常出现田间障碍物或者禁止无人机施药作业的区域，为此本发明实施例的无人机施药导引系统设有支持基于地面信标分布的避障模式。在该避让模式下，无人机施药导引系统可以支持点、线及面等作业避让区域设置。

例如，设定红色地面信标点是避障提示信标点。无人机施药作业过程中，当扫描并识别到红色地面信标点出现在施药作业区域时，即认为该地面信标点附近一定区域禁止无人机靠近，无人机会进行避让飞行。

若无人机连续检测到两个红色地面信标点出现，且红色信标点间距小于一定的距离m，则无人机会判定两个地面信标点连续区域有线状障碍物，进而会对该线区域做避让飞行。

若无人机连续检测到三个及其以上红色地面信标点出现，且红色信标点间距小于一定的距离m，则无人机会判定这些红色地面信标点包围区域是需要避让飞行的区域，并会对该区域进行避让飞行。当红色信标点间距超过m，即使多个红色地面信标点同时出现，无人机依然会判定其为需要避让的离散避让点。其中距离m可在地面控制站1的作业管理系统中根据作业区域大小设定。

作为本发明实施例的另一个方面，本实施例对上述无人机施药导引系统中的无人机机载系统进行设计，并提供一种用于施药导引的无人机机载系统，参考图5，为本发明实施例一种用于施药导引的无人机机载系统的结构示意图，包括：主控系统31、激光定点测距传感器32和视觉传感器33。其中，

视觉传感器33用于在检测到地面信标2时，启动激光定点测距传感器32基于旋转定位频率方式，测量无人机与地面信标间距离；主控系统31用于根据无人机与地面信标间距离，确定并实时更新无人机的坐标位置，并基于所述坐标位置控制无人机按照设定路径进行施药作业。

可以理解为，如图5所示，本发明实施例的无人机机载系统3具体主要由主控系统31、激光定点测距传感器32和视觉传感器33三部分组成。无人机飞行过程中，由视觉传感器33实时检测地面信标2的存在，并在检测到地面信标2时，及时启动激光定点测距传感器32，由激光定点测距传感器32基于旋转定位频率方式，测量无人机与地面信标间距离。

主控系统31则在接收到激光定点测距传感器32测得的无人机与地面信标间距离后，根据该距离数据确定无人机的实时坐标位置。然后，根据该实时坐标位置以及设定路径的坐标，控制无人机按照设定路径进行施药作业。主控系统31同时还在无人机飞行的过程中，根据确定的无人机实时坐标位置，实时记录并更新无人机的坐标位置数据。

本发明实施例提供的一种用于施药导引的无人机机载系统，通过采用激光测距、视觉及多传感器辅助方式来实现无人机田间施药路径引导，能够有效弥补传统无人机手动遥控飞行和依靠全球导航卫星定位系统飞行的缺陷，适应农业中无人机施药作业需求，特别是能有效解决大田作业树木遮挡gnss卫星信号导致无人机无法完成定位，以及作业、gnss定位精准度无法满足应用需求的问题，具有精度高、不依赖全球导航卫星系统的特点，且使得作业精准，续航时间长，无需时刻更新路线，更加节省成本。

其中可选的，视觉传感器33具体用于捕获地面信标2顶部不同颜色的强光指示，对该强光指示进行识别，并确定对应地面信标的位置坐标；

激光定点测距传感器32具体用于利用旋转伺服驱动系统对准地面信标，实现无人机与地面信标间距离的测量。

可以理解为，本发明实施例的无人机机载系统采用视觉与激光测距仪相结合的空间信标寻、测方式。通过激光定点测距传感器和视觉传感器(又称为双目视觉相机)寻找作业区域内地面信标，并测量该地面信标与无人机间距离。

具体在地面信标顶部设置不同颜色的强光指示灯，视觉传感器33在旋转过程中，通过快速捕捉地面信标顶部的强光指示灯，对该强光指示进行识别，并通过视觉确定其位置坐标。通过视觉确定其位置坐标后，控制激光定点测距传感器32的旋转伺服驱动系统快速对准该地面信标，并完成无人机到该地面信标的测距过程。主控系统31则通过捕获传感器的信息，计算自身位置并根据规划路线控制无人机进行施药作业。

其中，在一个实施例中，参考图5，激光测距传感器与视觉传感器固定在一起，由伺服电机驱动可360度旋转。激光定点测距传感器32和视觉传感器33通过不停进行360度旋转，不断发现、识别并测量自身与地面信标点的距离，进而通过平面解析确定无人机的平面坐标。

其中，在另一个实施例中，选择地面信标2到无人机的距离在激光定点测距传感器32量程的1/3～2/3范围。

可以理解的是，测距过程中在进行地面信标点选择时，优选信标点与无人机距离在激光定点测距传感器32最佳测距场内的地面信标，一般选择信标到无人机的距离在激光定点测距传感器32量程1/3～2/3范围内的地面信标。当所有地面信标点均在激光定点测距传感器32的最近测距场内时，优选最近的两个地面信标点来计算无人机屏幕坐标位置。

进一步的，在上述实施例的基础上，参考图5，无人机机载系统3还包括：三维加速度传感器34和超声波测高传感器35。其中，

三维加速度传感器34用于测量无人机的飞行加速度；超声波测高传感器35用于发射测高超声波信号并接收作物冠层返回的回波信号；

相应的，主控系统31还用于，基于测高超声波信号和回波信号，计算无人机与作物冠层的相对距离，并获取无人机相对高度数据，还用于基于无人机的飞行速度、飞行加速度和无人机相对高度数据，控制无人机按照设定空间路径进行施药作业。

可以理解为，在施药过程中，不但需要无人机解析其平面位置坐标，以引导其平面飞行路径，还需要引导无人机的飞行高度，以使无人机保持距离作物冠层的特定高度进行农药喷施。为此本实施例在上述无人机机载系统3的基础上，另外设置三维加速度传感器34和超声波测高传感器35，以保证无人机按既定空间路径飞行。

其中，无人机在飞行过程中，通过计算两次定位的距离差和飞行时间，计算无人机的巡航飞行速度。飞行加速度则通过无人机机载系统中的三维加速度传感器34测量获得。三维加速度传感器34与激光定点测距传感器32和视觉传感器33一起为无人机飞行提供平面坐标位置、飞行速度和飞行加速度数据。

其中，无人机机载系统3可通过设置对地超声波测量传感器，测量无人机对地相对高度数据。也可通过设置超声波测高传感器35，利用超声波对作物冠层的相对距离测量直接获得无人机的高程坐标。

具体的，在该测量过程中，在确定作业区域后，主控系统31可将作业区域农田的地面高度作为高程参考面，设定其高程为零。假设作物高度为z0，则作物某点(x0,y0)的冠层顶部坐标即可表示为(x0,y0,z0)。若农药喷施要求无人机距离作物冠层需保持高度h0，则无人机在点(x0,y0)进行农药喷施时，其设定空间坐标即为(x0,y0,z1)，其中z1＝z0+h0。

于是，利用超声波测高传感器35发射测高超声波信号，该测高超声波信号在空气中传输至作物冠层时，由作物冠层的反射作用将该超声波信号反射回来，形成回波信号并被超声波测高传感器35接收。

主控系统31则根据超声波测高传感器35发射的测高超声波信号和接收的回波信号，计算无人机与作物冠层的相对距离，并基于该相对距离获取无人机相对高度数据。另外，主控系统31还用于基于无人机的飞行速度、飞行加速度和无人机相对高度数据，控制无人机按照设定空间路径进行空间范围内的施药作业。

其中，在一个实施例中，主控系统31具体用于，基于不同作物及该作物的不同生长期，设置不同的回波信号提取关系方程，并利用回波信号提取关系方程，计算无人机与作物冠层的相对距离。

应当理解的是，超声波回波信号强度会随测距对象平面的粗糙度、硬度、起伏度等而衰减，当被测对象是镜面、或平整水泥面时，其回波信号非常集中，通过提取该回波信号峰值与信号发出时的时间差即可测得超声波传感器距离目标物的距离。但是当采用超声波传感器测量无人机到作物冠层距离时，因作物冠层有一定深度、叶片交错，其回波信号呈多峰特点，难以准确提取准确回波信号。为此本发明实施例在超声波对作物冠层相对距离的测量方式上与传统方法有所区别。

具体考虑到不同作物冠层对超声波反射能力的影响，对不同作物及其不同生长期设置不同的回波信号提取关系方程。假设采用超声波换能器对镜面反射目标进行距离测量时，其回波信号功率峰值p与测量距离d间关系为p＝f1(d)，一般功率峰值随距离的增大呈2次方指数衰减。

当采用该超声波换能器进行无人机到某作物w的距离dw的测量时，受作物冠层叶片交错影响，换能器接收到nw个回波信号，其信号强度分别为pnw1、pnw2、pnw3……，且分别与距离dw的关系为：

pnw1＝fnw1(dw)；

pnw2＝fnw2(dw)；

pnw3＝fnw3(dw)；

……。

则，对于作物w，建立有效回波信号f0的识别模型为：

f＝fw(tw,nw,pnw1,pnw2,pnw3,……,pnwn)。

最终主控系统31根据超声波测高传感器35接收到的回波信号，利用上述回波信号提取关系方程，提取有效回波信号，并基于该有效回波信号，计算无人机与作物冠层的相对距离。

其中可选的，主控系统31具体用于，利用回波信号提取关系方程，提取回波信号中的有效回波信号，并基于有效回波信号和测高超声波信号，计算无人机与作物冠层的相对距离。

可以理解为，主控系统31在获取到超声波测高传感器35接收到的回波信号后，利用上述回波信号提取关系方程，提取回波信号中的有效回波信号。同时，从地面控制站1中获取喷施作物种类，如小麦、玉米、大豆或棉花等。设tw是作物的生长周期，当选择不同的喷施对象时，需通过地面控制站1设定该参数，并传输至主控系统31。一般小麦可选择3个生长期，玉米4个生长期，大豆2个生长期，棉花2个生长期。tw可以设定特殊值null，在该模式下，回波信号中峰值最高回波会被选定为有效回波信号f0。

通过计算超声波发射信号与有效回波信号f0的时间差t，即可确定无人机距离作物冠层的距离h：

h＝0.5v0t

式中，v0表示超声波在测量时空气中的传播速度。

上述速度v0与环境温度有关，通过无人机机载环境温度传感器测得环境温度，即可确定准确的v0值。

其中，根据上述实施例，三维加速度传感器34具体用于，在激光定点测距传感器定位间隙，根据飞行加速度确定无人机偏移后的空间坐标。

可以理解为，无人机在田间施药作业飞行时，无人机机载系统若要提高其导引精度，即要求其扫描定位频率较高。若扫描定位频率较低，则当无人机偏移既定规划路线后无法及时纠正，进而会造成较大的导引误差。另一方面，若要实现施药导引系统具有较好的实用性，必须保证激光定点测距传感器具有较大量程，量程较小(比如100米以内)则限制了无人机的作业区域，进而会影响无人机的作业效率。

目前成熟的激光定点测距传感器虽然扫描测距频率较高，但是测量距离范围有限，一般为30米左右，且设备功耗、体积都较大。

为解决上述问题，本发明实施例采用测量定位与三轴加速度计相结合的飞行导引方法。具体采用低功耗、大量程的单点激光测距仪与视觉传感器相结合进行360度旋转定位。考虑视觉处理及激光测距计算需要一定的时间延迟，同时为了提供单次定位的定位精度，采用降低激光与视觉结合定位的旋转定位频率方式，并在定位间隙采用三轴加速度计来保证飞机按照设定航线飞行。

例如，若当前飞机飞行航线为沿轴航向飞行，则通过激光定位将无人机导引到x轴航向后，利用三维加速度传感器34，在激光定位间隙高频测量无人机在y、z轴上的加速度值。若飞机在y、z轴上出线加速度分量，则通过对该分量的二次时间积分即可计算出无人机在y、z轴上的距离偏移值，进而结合无人机前一次的空间坐标，确定其偏移后的空间坐标。

在其中的一个实施例中，无人机机载系统3还包括姿态传感器，用于对无人机的飞行姿态进行调整，以使其对待喷施作物部位进行准确喷施。

为进一步说明本发明的技术方案，本发明实施例提供如下举例说明，但不对本发明的保护范围进行限制。

根据上述实施例，无人机施药导引系统通过无人机机载系统3完成对无人机空间位置的定位，并通过地面控制站1的作业规划系统完成对无人机设定路径的规划及航线坐标序列的生成，无人机通过自身飞行控制条件控制自身按照设定路径飞行以进行施药作业。

其中，在一个具体的例子中，无人机机载系统3可以通过大量程激光测距传感器、视觉相机、伺服驱动电机、超声波换能器及其驱动电路、短距离无线通信链路、三轴加速度计、高性能微处理器及电源系统等组成。激光测距传感器具体可选用邦纳3000米镜面反射、300米漫反射激光测距传感器lt300，视觉识别相机可选用高分辨率具有特定目标识别的工业相机。

其中，在另一个具体实施例中，将激光测距传感器与视觉相机同轴安装，并由伺服驱动电机驱动其可做360度旋转及上下伸缩调节。对视觉识别相机视场中心线和激光测距传感器测距射线进行水平校正，使其保证平行，即视觉识别相机视场具有激光测距传感器对特定目标对准测距的瞄准能力。

主控系统31的微处理器发送控制指令控制伺服电机驱动激光传感器和视觉相机做360度旋转。视觉相机不断采集其视场内图像并发送给微处理器，微处理器对图像进行处理，并判断是否有地面信标点出现。当发现地面信标点后，即控制伺服电机使视觉相机视场中的特定点对准地面信标点激光发射区域，并启东激光传感器测距，获得激光传感器与地面信标点间距离。

如图2所示，地面信标点a为绿色地面信标点、b为黄色地面信标点，且两个地面信标点的坐标(该坐标是按照点a、b的实际距离设定的虚拟坐标，假如a、b的间距为100米，以a、b连线为x轴建立坐标系，设定a坐标为(0,100)，则设定b坐标为(0,200))预先已经通过地面控制站1发送到无人机机载系统3。则，无人机机载系统3可利用如下方程解析出无人机平面坐标(x,y)，并通过不断扫描更新无人机到两个地面信标点的间距d1、d2来更新无人机的平面位置坐标：

(x-x1)²+(y-y1)²＝d1²；

(x-x1)²+(y-y1)²＝d2²。

假设当前作业对象为作物w的第一个生长周期，当采用本发明实施例的激光定点测距传感器32进行无人机到某作物w的距离dw的测量时，受作物冠层叶片交错影响，激光定点测距传感器接收到nw个回波信号，其信号强度分别为pnw1、pnw2、pnw3……，且分别与距离dw的关系为：

pnw1＝fnw1(dw)；

pnw2＝fnw2(dw)；

pnw3＝fnw3(dw)；

……。

根据w的有效回波信号识别模型，在w作物的该生长周期下，其有效回波信号f0的识别模型如下：

f0＝{pnwi|pnwi＝min(pnwi-0.75max(pnw1,pnw2,pnw3,……,pnwn))}。

即，有效回波信号选定为与所有回波信号中功率最大的回波信号的0.75倍信号功率最接近的信号。当确定该信号为有效回波信号后，即可通过计算超声波发射信号与有效回波信号f0的时间差t，确定无人机距离作物冠层的距离h0：

h0＝0.5v0t0；

式中，v0表示超声波在测量时空气中的传播速度。

上述速度v0与环境温度有关，通过无人机机载环境温度传感器测得环境温度，即可确定准确的v0值。

若设定此时飞机的飞行高度为空间坐标系z轴原点位置，则此时无人机的空间坐标即为(x,y,0)。当无人机测得其距离相对h0升高δh时，无人机的空间坐标即为(x,y,δh)。由此类推，即可实时获取无人机的空间位置。

假设在激光视觉定位系统的定位间隙，三维加速度传感器的x轴出现加速度分量ax，并作用t秒，方向为x轴正方向，则施药导引系统估算当前无人机的飞行位置变为(x+δx,y,δh)，其中：

当选择使用手绘作业区域规划模式时，规划实施时需要将2个地面信标放置在目标作业区域的边界或边界附近，并需要尽可能有一定距离间隔。利用地面控制站1的计算机作业规划软件，将作业区域框绘出，生成作业规划区域并下载到无人机飞行控制系统，即无人机机载系统中。规划区域如图3所示，其中的虚线均为基于实际地形图在规划软件上进行绘制输入完成的。

当选取自动作业区域生成与规划模式时，首先需要将地面信标放在作业区域的定点位置，并给定任意两个地面信标点的平面坐标系坐标(x1,y1)和(x2,y2)。启动无人机，无人机首先基于已知地面信标点完成自身定位，并计算出自身平面坐标(x0,y0)，继而进一步扫描寻找其他所有地面信标点，反推计算出其他地面信标点坐标。

如图4所示，首先将地面信标a和地面信标b放置在实际作业区域的两个顶点处，并在地面控制站1的作业规划软件中为其赋予相应的坐标(x1,y1)和(x2,y2)。无人机启动后，首先基于地面信标a和地面信标b，计算得到自身平面坐标(x0,y0)，继而无人机机载系统3开始扫描其他地面信标。假设扫描发现地面信标c，并假设地面信标c的坐标为(x3,y3)，且x3、y3未知。通过无人机机载系统3可以获得无人机距离地面信标c的距离d3以及无人机至地面信标b与地面信标c间的夹角θ，由此即可联立如下方程求解地面信标c的坐标(x3,y3)：

(x3-x0)²+(y3-y0)²＝d3²；

(x3-x2)²+(y3-y2)²＝d3²+d2²–2d2d3cosθ。

如上方程中仅包含x3和y3两个未知量，因此可求解地面信标c的坐标(x3,y3)，由此类推可进一步获得其他地面信标的坐标。

获得所有地面信标点的坐标后，地面控制站1中的规划系统将所有地面信标点围成的闭合区域作为作业区域，并在该作业区域中根据无人机设定的有效施药幅宽生成规划路径，并将路径坐标序列下载到无人机飞行控制系统，即无人机机载系统3中，进而引导无人机进行施药作业。

基于上述实施例的描述，本发明另一个实施例提供一种无人机施药导引方法，该方法所做处理即如上所述。可以认为上述所设置的传感器仅为获取信号，可以集中布置以采集信号或者通过数据传输所得，即本实施例所述的方法不依赖于具体的部件或者硬件结构也可以单独实施。

以上所描述的无人机施药导引系统的实施例仅仅是示意性的，其中作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，既可以位于一个地方，或者也可以分布到不同网络单元上。可以根据实际需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例的方案。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

通过以上实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解，各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如u盘、移动硬盘、rom、ram、磁碟或者光盘等，包括若干指令，用以使得一台计算机设备(如个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行上述各方法实施例或者方法实施例的某些部分所述的方法。

另外，本领域内的技术人员应当理解的是，在本发明的申请文件中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本发明的说明书中，说明了大量具体细节。然而应当理解的是，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。同理，应当理解，为精简本发明公开并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本发明的示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。

然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本发明要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如权利要求书所反映的那样，发明方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本发明的单独实施例。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。