基于工作单元按需独立启停的农用无人机精确控制方法与流程

本发明涉及一种农业设备控制领域，具体涉及一种基于工作单元按需独立启停的农用无人机精确控制方法。

背景技术：

随着技术的不断进步，多旋翼无人机在农业中的应用越来越广泛。在利用无人机对某一田块实施植保、施肥、播种等全覆盖作业时，人工遥控操作难度大，作业重复率及遗漏率大。当作业机具工作幅宽较大、带有多个工作单元时，由于不能做到按需独立启停实时启停，在田块边界附近区域的作业误差量大，不仅造成农药、化肥、种子等消耗品的浪费，而且还造成局部区域的作业遗漏。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于工作单元按需独立启停的农用无人机精确控制方法。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

基于工作单元按需独立启停的农用无人机精确控制方法，包括以下步骤：

步骤S1、输入无人机出发点和降落点位置及待作业田块边界数据，依次存储各顶点数据，并顺次连接各顶点，得到多边形边界数据；输入无人机飞行作业参数，包括工作幅宽W和工作单元数N；

步骤S2、设定θ初始值和步距角,所述θ为作业方向与竖直方向或水平方向的夹角，θ的初始值为0，步距角为定值α°；

步骤S3、根据θ值确定作业方向，利用与作业方向平行的多条间距为W/2平行线与多边形边界求交，得到多边形填充线，并对多边形填充线进行筛选和处理，得到行中心线；

步骤S4、对行中心线进行延伸处理后，将行中心线分别向两侧平移M次，所述M为N/2再取整后的值，得到每一条行中心线对应的N条初始单元中心线，将初始单元中心线与多边形边界求交，保留初始单元中心线在多边形区域内的部分，为单元中心线；

步骤S5、利用行中心线、单元中心线、工作幅宽W和工作单元数N求得无人机的初始路径信息和工作状态信息。

步骤S6、对路径进行优化，求得最优路径，将最优路径信息及最优路径对应的无人机各工作单元状态信息进行存储；

步骤S7、判断θ的大小，若θ＜180°，则令θ增加α°，返回步骤步骤S3,若θ≥180°，则进入下一步骤；

步骤S8、比较θ在不同的数值时对应的最优路径的总长度，取总长度最短的最优路径为最终作业路径，将最终作业路径和无人机经过最终作业路径时各工作单元对应的工作状态进行对应存储，得到无人机飞行控制信息。

进一步的，所述步骤S1具体为，输入待作业田块边界数据，通过坐标格式转换，将原始经纬度数据转换成直角坐标系数据，并按照外边界以逆时针方向、内边界以顺时针方向的顺序依次存储各顶点。

进一步的，所述步骤S3中的对多边形填充线进行筛选和处理具体包括以下步骤：从多边形区域的一侧开始，取第奇数条多边形填充线作为行中心线，取第偶数行多边形填充线作为行分界线，若多边形区域另一侧最边缘是行分界线，则在最边缘的行分界线外添加一条与行分界线距离为W/2的平行线为行中心线；

进一步的，所述步骤S4具体为：对位于同一直线上的但不相连的行中心线进行延伸和合并处理之后，将行中心线分别向两侧平移M次，得到每一条行中心线对应的N条初始单元中心线，将初始单元中心线延伸并与多边形边界求交，保留初始单元中心线在多边形区域内的部分，为单元中心线。

进一步的，所述步骤S4包括以下步骤：

步骤S4.1、对位于同一直线上的但不相连的行中心线进行延伸和合并处理；

步骤S4.2、对行中心线两端点与行中心线两侧的行边界线端点取极值，使行中心线两端进行延伸，若行中心线一侧没有行边界线，则对行中心线两端点与行中心线一侧的行边界线端点和另一侧的多边形顶点取极值，使行中心线向两端进行延伸；

步骤S4.3、将行中心线分别向两侧平移M次，得到每一条行中心线对应的N条初始单元中心线，将初始单元中心线延伸并与多边形边界求交，保留单元中心线在多边形区域内的部分，为单元中心线。

进一步的，所述步骤S4.3具体包括以下步骤：

步骤S4.31、对N进行判断，若N为奇数，将每一条行中心线分别向两侧平移M次，每次平移距离为W/N，包括原始行中心线和平移后的行中心线，获得每一条行中心线对应的N条初始单元中心线；若N为偶数，将行中心分别向两侧平移M次，首次平移距离为W/(2×N)，以后每次平移距离为W/N，平移后得到行中心线对应的N条初始单元中心线；

步骤S4.32、将初始单元中心线与多边形边界求交，得到单元中心线；

进一步的，所述步骤S5具体包括以下步骤：

步骤S5.1、将每一条单元中心线端点分别向对应的行中心线所在直线进行投影，得到多个投影点作为行分割点；

步骤S5.2、在每一个投影点作行中心线所在直线的垂线，相邻垂线之间的区域为行分割区，将每一条单元中心线延伸与每一个行分割区相交，单元中心线在行分割区内的部分为相交段，若相交段处于多边形区域外部，则单元中心线对应的工作单元在行分割区内的工作状态为关闭，若相交段处于多边形区域内部，则单元中心线对应的工作单元在行分割区内的工作状态为开启；

步骤S5.3、将每一个行分割区内的行中心线段作为一个初始路径段，按上述步骤，得到无人机各工作单元在所有初始路径段内对应的工作状态，将所有初始路径段信息和初始路径段对应的无人机各工作单元状态信息进行存储。

进一步的，所述步骤S6具体为：对路径进行优化，将每一个初始路径段作为一个元素，求解从出发点出发，遍历所有初始路径段后，再返回降落点的路径，以使总遍历距离之和最小的优化路径顺序，按照优化路径顺序依次连接出发点、所有初始路径段和起降点，得到一条完整的作业路径为最优路径，最优路径中除初始路径段之外的所有连接线段，对应的无人机工作单元状态均为关闭状态，将最优路径信息及最优路径对应的无人机各工作单元状态信息进行存储。

进一步的，所述步骤S8中，获得最终作业路径后，还需要将最终路径数据经过坐标逆变换，将直角坐标系数据转换成经纬度数据，再将转换后的最终作业路径和无人机经过最终作业路径时各工作单元对应的工作状态进行对应存储，得到无人机飞行控制信息。进一步的，所述无人机包括多个工作单元，且各个工作单元分别连接一个启停控制装置，所述启停控制装置用于按照控制器的指令控制相应工作单元的启停。

本发明的有益效果为：本发明提供一种基于工作单元按需独立启停的农用无人机精确控制方法，该方法不仅通过算法优化了无人机作业的方向及行调度次序，减少了非有效作业时段的飞行时间，而且还从数据指令的角度支持了各工作单元的独立实时启停，特别是对于边缘形状不规则的田块，可以使得无人机在田块边界附近区域内能够更精准的作业，进一步减少了作业消耗、提高了作业质量。

附图说明

图1为本发明总体流程示意图；

图2为田块边界、行中心线及行边界示意图；

图3为行中心线延伸之后的示意图；

图4为行中心线平移得到初始单元中心线后的示意图；

图5为初始单元中心线与多边形边界求交之后得到的单元中心线后示意图；

图6为图5中C区域中单元中心线向行中心线投影之后的局部放大图；

图7为图5中C区域划分行分割区后的局部放大图；

图8为路径优化前的初始路径示意图；

图9为路径优化后的最优路径示意图；

图10为作业方向优化后，对应的行中心线和最优路径结果示意图；

图11为无人机作业实际覆盖区域示意图；

图12为N为6时对应的无人机最终作业路径；

图13为N为6时无人机作业实际覆盖区域示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

如图1所示，基于工作单元按需独立启停的农用无人机精确控制方法，包括以下步骤：

步骤S1、输入无人机出发点和降落点位置及待作业田块边界数据，依次存储各顶点数据，并顺次连接各顶点，得到多边形边界数据；输入无人机飞行作业参数，包括工作幅宽W和工作单元数N，本实施例中无人机出发点和降落点为同一位置，N为3；

步骤S2、设定θ初始值和步距角,所述θ为作业方向与竖直方向或水平方向的夹角，θ的初始值为0，步距角为定值α°；

步骤S3、根据θ值确定作业方向，利用与作业方向平行的多条间距为W/2平行线与多边形边界求交，运用活性边表法求解多边形填充问题，得到多边形填充线，并对多边形填充线进行筛选和处理，得到行中心线；

所述步骤S3中的对多边形填充线进行筛选和处理具体包括以下步骤：从多边形区域的一侧开始，取第奇数条多边形填充线作为行中心线，取第偶数行多边形填充线作为行分界线，若多边形区域另一侧最边缘是行分界线，则在最边缘的行分界线外添加一条与行分界线距离为W/2的平行线为行中心线；如图2所示为田块边界、行中心线及行边界示意图，其中竖直方向的实线为行中心线，虚线为行分界线；

步骤S4、对行中心线进行延伸处理后，将行中心线分别向两侧平移M次，所述M为N/2再取整后的值，本实施例中N为3，因此M为1，得到每一条行中心线对应的N条初始单元中心线，将初始单元中心线与多边形边界求交，保留初始单元中心线在多边形区域内的部分，为单元中心线，每一条单元中心线即为一个工作单元的中心线；

作为一种实施方式，所述步骤S4具体为：对位于同一直线上的但不相连的行中心线进行延伸和合并处理之后，将行中心线分别向两侧平移M次，得到每一条行中心线对应的N条初始单元中心线，将初始单元中心线延伸并与多边形边界求交，保留初始单元中心线在多边形区域内的部分，为单元中心线。

本实施例作为另一种实施方式，所述步骤S4包括以下步骤：

步骤S4.1、对位于同一直线上的但不相连的行中心线进行延伸和合并处理；

步骤S4.2、对行中心线两端点与行中心线两侧的行边界线端点取极值，使行中心线两端进行延伸，若行中心线一侧没有行边界线，则对行中心线两端点与行中心线一侧的行边界线端点和另一侧的多边形顶点取极值，使行中心线两端进行延伸，如图3所示为行中心线延伸之后的示意图，其中竖直方向上的实线为行中心线，虚线为行分界线；

步骤S4.3、将行中心线分别向两侧平移M次，得到每一条行中心线对应的N条初始单元中心线，如图4所示为行中心线和初始单元中心线示意图，其中竖直方向上的实线为行中心线，点画线为初始单元中心线；本实施例中工作单元数N为3，是奇数，因此行中心线处有一条单元中心线与之重叠，将初始单元中心线延伸并与多边形边界求交，保留初始单元中心线在多边形区域内的部分，为单元中心线；如图5所示为初始单元中心线与多边形边界求交之后得到的单元中心线后结果示意图，其中竖直方向上的实线为行中心线，点画线为单元中心线。

所述步骤S4.3具体包括以下步骤：

步骤S4.31、对N进行判断，若N为奇数，将每一条行中心线分别向两侧平移M次，每次平移距离为W/N，包括原始行中心线和平移后的行中心线，获得每一条行中心线对应的N条初始单元中心线；若N为偶数，将行中心分别向两侧平移M次，首次平移距离为W/(2×N)，以后每次平移距离为W/N，平移后得到行中心线对应的N条初始单元中心线；

步骤S4.32、将初始单元中心线与多边形边界求交，得到单元中心线；

步骤S5、利用行中心线、单元中心线、工作幅宽W和工作单元数N求得无人机的初始路径信息和工作状态信息。

所述步骤S5具体包括以下步骤：

步骤S5.1、将每一条单元中心线端点分别向对应的行中心线所在直线进行投影，得到多个投影点作为行分割点，如图6所示，其中A₀B₀既为行中心线，也为单元中心线，A₁B₁、A₂B₂为单元中心线，本实施例中工作单元数N为3，A₀B₀、A₁B₁和A₂B₂分别对应无人机上的一个工作单元的中心线，A₀'、B₀'、A₁'、B₁'、A₂'和B₂'为投影点即行分割点；

步骤S5.2、如图7所示，在每一个投影点作行中心线所在直线的垂线，相邻垂线之间的区域为行分割区，其中标号1-5分别为五个行分割区，将每一条单元中心线延伸与每一个行分割区相交，单元中心线在行分割区内的部分为相交段，若相交段处于多边形区域外部，则单元中心线对应的工作单元在行分割区内的工作状态为关闭，若相交段处于多边形区域内部，则单元中心线对应的工作单元在行分割区内的工作状态为开启；

以图7示例，第一行分割区1内，单元中心线A₂B₂延伸后与第一行分割区1相交，相交段为EF，EF位于多边形区域外部，则A₂B₂对应的工作单元在第一行分割区1内的工作状态为关闭；单元中心线A₀B₀延伸后与第一行分割区1相交，相交段为A₁'A₀，A₁'A₀位于多边形区域外部，则A₀B₀对应的工作单元在第一行分割区1内的工作状态为关闭；单元中心线A₁B₁与第一行分割区1相交，相交段为A₁D，A₁D位于多边形区域内部，则A₁B₁对应的工作单元在第一行分割区1内的工作状态为开启。

步骤S5.3、将每一个行分割区内的行中心线段作为一个初始路径段，按上述步骤，得到无人机各工作单元在所有初始路径段内对应的工作状态，将所有初始路径段信息和初始路径段对应的无人机各工作单元状态信息进行存储；

步骤S6、对路径进行优化，将每一个初始路径段作为一个元素，求解从出发点出发，遍历所有初始路径段后，再返回至降落点以使总遍历距离之和最小的优化路径顺序，按照优化路径顺序依次连接出发点、所有初始路径段和起降点，得到一条完整的作业路径为最优路径，最优路径中除初始路径段之外的所有连接线段，对应的无人机工作单元状态均为关闭状态，将最优路径信息及最优路径对应的无人机各工作单元状态信息进行存储。如图8所示为路径优化前的初始路径示意图，如图9所示为路径优化后的最优路径示意图，图8-图10、图12中，实线平行线为行边界线，带箭头指向的连接线为路径线；

步骤S7、判断θ的大小，若θ＜180°，则令θ增加α°，返回步骤步骤S3,若θ≥180°，则进入下一步骤；

步骤S8、比较θ在不同数值时对应的最优路径的总长度，取总长度最短的最优路径为最终作业路径，对最终路径数据进行坐标逆变换，将直角坐标系数据转换成经纬度数据，再将转换后的最终作业路径和无人机经过最终作业路径时各工作单元对应的工作状态进行对应存储，得到无人机飞行控制信息。

如图10所示为最终作业路径结果示意图。如图11所示，为无人机作业实际覆盖区域示意图，其中阴影部分为作业实际覆盖区域。

实际实施中无人机的作业质量会随着工作单元间距的变小(工作幅宽一定的前提下，工作单元数越多，单元间距越小)，而变得更加精准化。若将同一工作幅宽条件下的工作单元数N由3变为6，图12所示为N为6时对应的无人机最终作业路径，图13为N为6时无人机作业实际覆盖区域示意图，比较图13和图11，可发现图13的作业区域边缘明显比图11作业区域边缘平滑，即对同一工作幅宽条件而言，无人机工作单元数N越大，作业越精准，作业质量也越高。

本发明的方法所配套使用的无人机上设置有工作单元，比如喷头、排肥器、排种器等，可采用电力驱动形式，工作单元的数量为多个，且均设置有电磁阀或其他开关，每个工作单元均可独立启停控制，各工作单元的开关均连接至协调控制器，协调控制器从无人机主控制器接受工作单元工作状态指令控制字，并根据控制字的位状态统一管理各工作单元的启停。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。