基于多旋翼飞行器的复杂地形边界与面积估计系统与方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及控制工程技术领域、信息工程技术和精准农业交叉领域，具体涉及一种基于多旋翼飞行器的复杂地形边界与面积估计系统与方法。
【背景技术】
[0002]由于我国当前农业生产大环境的制约以及土地不集中且零散管理，导致我国的农业生产还处于粗放模式，例如:农业生产中水资源使用效率低，农药、肥料过度使用，人力、物力劳动强度大等现状。据2012年相关数据显示，我国农田灌溉水有效利用系数远低于世界先进水平；单位用水的粮食产量不足2.4斤/立方米；生产I公斤粮食耗水量高达800公斤。农药、肥料的过度使用，导致土地养分极度缺失，环境恶化，生态环境失衡，农作物产品不达标的恶果。针对以上问题，在我国农业生产中实现精确农业用水灌溉、土壤施肥与农药喷洒是势在必行的。精准农业是信息技术、工程技术等多学科交叉应用的现代农业生产模式。其在最大程度上优化了灌溉用水、土壤施肥与农药喷洒等诸多农业生产因素，获取最大的经济效益并实现良性生态农业。而实现精确农业用水灌溉、土壤施肥与农药喷洒的前提是受用土地地形边界与面积的精确测量。此外，复杂地形边界与面积测量也可用于林地测量、土地勘测等重要环节。
[0003]目前，常用的获取地形边界与面积的方法有:I)采用卫星或飞机远程航拍，获取地形图像。其具有覆盖面广、空间分辨率高等优点。但该方法存在着运维成本高、实时性差等缺陷；2)使用Google Earth或Google Map等软件。但该方法需要手动确认地形边界点、地形面积估计精度低；3)使用Pix4UAV与Agisoft商用航拍软件。其需要利用飞行器或者飞机航拍获取地形的2维或3维图像，利用获取的图像生成DOM或DEM格式文件；然后利用航拍时预先获取地形边界点的定位数据或手动输入地形边界点位置信息，并最终获取地形的边界与面积估计。该方法需预先知道待估计地形边界点的确定位置信息，完成估计过程繁琐，无法实现在线估计；4)使用设备实地测量。该方法容易受地形、地理环境、天气条件等诸多因素影响，设备成本高。如果待估计地形复杂，根本无法实现人工实地作业，且随着地形复杂条件的增加，估计精度急剧降低。
【发明内容】
[0004]针对现有技术存在的问题，本发明提供一种基于多旋翼飞行器的复杂地形边界与面积估计系统与方法。
[0005]本发明的技术方案是:
一种基于多旋翼飞行器的复杂地形边界与面积估计系统，包括:
多旋翼飞行器:根据PC端地面控制系统的控制指令工作，实时获取的前视图像与下视图像，将获取的前视图像与下视图像、解算得到的多旋翼飞行器的实时定位信息、伪距与伪距率回传输至PC端地面控制系统；
捷联惯性导航系统:用于获取多旋翼飞行器的瞬时惯性导航数据，并通过SPI接口将数据传输至多旋翼飞行器的主飞行控制系统；
GPS天线:用于接收多旋翼飞行器的瞬时GPS导航数据并传输至GPS导航数据接收板卡;
GPS导航数据接收板卡:用于解算瞬时GPS导航数据并通过COM接口传输至多旋翼飞行器的主飞行控制系统；
PC端地面控制系统:用于对多旋翼飞行器远程控制，根据多旋翼飞行器飞行姿态、实时获取的前视图像与下视图像、回传的实时定位信息、伪距与伪距率对待估计地形进行边界绘制与面积估计；所述PC端地面控制系统根据实时获取的前视图像与下视图像确定待估计地形的边界点，根据实时定位信息、伪距与伪距率实现多旋翼飞行器定位；利用确定的待估计地形的边界点和多旋翼飞行器飞行姿态进行待估计地形的边界绘制与面积估计；多旋翼飞行器的主飞行控制系统、捷联惯性导航系统与GPS导航数据接收板卡重叠放置在多旋翼飞行器的旋翼支架交汇处，即多旋翼飞行器的理论质心位置；捷联惯性导航系统通过SPI接口与多旋翼飞行器的主飞行控制系统连接，GPS导航数据接收板卡通过COM接口与多旋翼飞行器的主飞行控制系统连接，GPS天线的输出端连接GPS导航数据接收板卡的输入端，多旋翼飞行器与PC端地面控制系统建立无线连接。
[0006]采用所述的复杂地形边界与面积估计系统进行复杂地形边界与面积估计的方法，包括以下步骤:
步骤1、PC端地面控制系统向多旋翼飞行器发送起飞控制指令；
步骤2、多旋翼飞行器实时获取飞行姿态、前视图像与下视图像并无线传输至PC端地面控制系统；
步骤3、GPS天线实时接收多旋翼飞行器的瞬时GPS导航数据并传输至GPS导航数据接收板卡；
步骤4、捷联惯性导航系统实时获取多旋翼飞行器的瞬时惯性导航数据，并通过SPI接口将数据传输至多旋翼飞行器的主飞行控制系统；
步骤5、GPS导航数据接收板卡解算瞬时GPS导航数据并通过COM接口传输至多旋翼飞行器的主飞行控制系统；
步骤6、多旋翼飞行器的主飞行控制系统对瞬时惯性导航数据和瞬时GPS导航数据进行解算，得到多旋翼飞行器的实时定位信息、伪距与伪距率并传输至PC端地面控制系统；步骤7、PC端地面控制系统根据多旋翼飞行器飞行姿态、实时获取的前视图像与下视图像、实时定位信息、伪距与伪距率，对待估计地形进行边界绘制与面积估计:根据实时获取的前视图像与下视图像确定待估计地形的边界点；根据实时定位信息、伪距与伪距率实现多旋翼飞行器定位；利用确定的待估计地形的边界点和多旋翼飞行器飞行姿态进行待估计地形的边界绘制与面积估计。
[0007]所述步骤7包括如下步骤:
步骤7-1、依据实时获取的前视图像与下视图像，选择待估计地形的边界点；
步骤7-2、PC端地面控制系统远程控制多旋翼飞行器在当前边界点获取定位信息，并回传至PC端地面控制系统；
步骤7_3、PC端地面控制系统对获取的当前边界点定位信息进行处理:采用Pauta准则剔除异常定位?目息并米用EKPF方法提尚定位彳目息精度； 步骤7-4、判断当前边界点是否处于弧段:是，则执行步骤7-5 ;否则执行步骤7-8 ;
步骤7-5、多旋翼飞行器沿弧段飞行，每间隔固定时间段，多旋翼飞行器自动悬停以获取边界点的定位信息，并回传至PC端地面控制系统进行处理:采用Pauta准则剔除异常定位?目息并米用EKPF方法提尚定位彳目息精度；
步骤7-6、若当前边界点为弧段终止点，执行步骤7-7，否则返回步骤7-5 ;
步骤7-7、将获取的弧段起始点、弧段终止点与弧段上所有边界点每3个分为一组，若弧段上存在剩余边界点，则将所述剩余边界点与之前边界点组合，完成分组；采用分段二次内插方法计算弧段面积；相邻两边界点间内插5个插值点；设由弧段起始点至弧段终止点构成直线的倾角α ;由弧段起始点至弧段终止点构成直线的中间点位置为与Λ弧段的中间点(若弧段边界点为偶数，则取中间两个边界点的均值作为弧段中间点)
位置为义弧段中间点与.％段中间点；右O < a < 9O ，段中间点^ 7直线中间点，则弧段为凸弧段，反之为凹弧段；若90〈α彡180°，，则弧段为凸弧段，反之为凹弧段；若180〈α彡270°，_%段巾间点彡7直线巾间点，则弧段为凸弧段，反之为凹弧段；若270〈 α〈360°
弧夺》##，则弧段为凸弧段，反之为凹弧段；定义图凸弧段面积为“正”，凹弧段面积为“负”；
步骤7-8、判断当前边界点是否为待估计地形的前两个边界点:是，则执行步骤7-9，否则执行步骤7-10 ;
步骤7-9、若当前边界点为待估计地形的第一个边界点，则设定该边界点为凸点并返回执行步骤7-2 ;若当前边界点为待估计地形的第二个边界点，则设定该边界点为与凸点，由待估计地形的前两个边界点的偏航角与位置关系确定初始旋转趋势后，返回执行步骤7-2 ；