一种植保固定翼无人航迹规划控制方法与流程
【技术领域】
本发明涉及一种植保固定翼无人机航迹规划控制方法，属于农业植保无人机技术领域。
背景技术：
植保无人机以无人机为载体，搭载农药喷雾设备，用于植保作业，其具有作业高度低、漂移少、对环境的污染较低，受作业区域电线杆、防护林等限制条件的影响较小，且旋翼产生的气流场有助于增加雾流对作物的穿透性，可获得良好的喷施效果等优点，随着相关技术的逐步成熟，植保无人机越来越受到关注，其使用也更加普及。但目前植保无人机作业以遥控方式为主，操作难度较大，操纵人员往往需要经过专业培训，而且人为遥控时，难免产生偏离最佳路径的现象，导致药剂重施、漏施等问题。因此，为了降低操纵人员的技术要求与工作压力，同时使植保作业更加精准、高效与节能，针对植保无人机作业过程，编制合理的路径规划算法，并配套定位技术，使无人机能够稳定的按照规划路径进行植保作业，已经成为当前植保无人机相关研究中需要解决的一个重要问题。另外，植保无人机的作业区域形状较为规则，一般开阔无障碍，作业环境相对优越，这也为植保无人机朝着自动化与智能化方向发展提供了条件。
本发明在研究现有技术的基础上，针对现有技术的缺陷，设计了一种新型的基于作业区域、植被种类、喷药箱存储容量、飞行高度、飞行速度参数进行决策的无人机航迹规划控制方法，并在实际验证的基础上，给出了具体的单架次和多架次航迹规划方法。
技术实现要素：
为解决无人机喷施过程中如何实现航迹路线规划，从而使得能量消耗最小，避免重复喷施，造成药液浪费的问题本发明设计了如下技术方案。
一种植保固定翼无人航迹规划控制方法，包括多架次无人机，无人机飞行控制系统、无人机地面控制站、飞行参数获取模块、图像采集与处理模块、飞行姿态控制模块、喷施控制模块、以及电源模块；航迹规划控制方法具体如下：
步骤1：无人机及地面控制站上电自检，地面控制站发送控制指令，进行飞行控制系统初始化，喷施控制模块初始化，图像采集与处理模块初始化；
步骤2：进入自动巡航变量喷施流程，图像采集与处理模块启动，通过高清摄像机获取待作业区域的植被图像，经图像处理算法后，得到植被图像数据；
步骤3：对上述植被图像数据进行计算，判断待作业区域面积与喷药箱容量之间的关系，若喷药箱药液容量足够完成作业区域喷施，则执行单架次区域航迹规划，进入步骤4，否则执行多架次接续喷施航迹规划，进入步骤8；
步骤4：对作业区域进行图像灰度处理，获得作业区域边界坐标，利用栅格地图法进行地图构建，进行往复作业航迹路线规划；
步骤5：判断无人机当前飞行高度，当无人机飞行高度低于高度第一阈值h1时，发送信号到无人机飞行控制系统，控制无人机拉升舵机，增加飞行高度；当无人机飞行高度处于高度第二阈值h2±0.5m时，进入步骤6；
步骤6：判断无人机当前飞行速度，当无人机飞行速度低于速度第一阈值v1时，发送信号到无人机飞行控制系统，控制无人机加大油门舵机，提高飞行速度；当无人机飞行速度在速度第二阈值v2±0.5m/s时，进入步骤7；
步骤7：读取图像采集与处理模块缓存的植被图像数据，根据经验函数，计算变量喷施控制信号；驱动电磁阀，开启喷施作业，并实时读取喷药箱液位传感器数据，判断药液容量，当药液容量低于容量第一阈值l1时，通知无人机返航；
步骤8：进入药液补充与中途返航点计算，确定多架次无人机的中途接续换航点，进行各架次喷药量和返航点优化计算；
步骤9：多架次无人机按序进行指定作业区域变量喷施作业。
更进一步的，所述步骤4中，利用航空gis软件提取作业区域地图信息，确定作业区域边界坐标，构建平面作业地图，利用多条等距离平行线对作业区域进行划分，相邻的平行线间距为无人机作业幅宽d，每两条相邻平行线之间的作业区域作为整个作业区域的一块子区域，相邻平行线作为此子区域的分隔线，通过获取子区域横坐标值的最小点与最大点，分别做两条宽度为d的线段作为子区域的作业边界线，两条边界线的中点连线即为子区域的作业线路，对应的矩形区域即为子区域的覆盖区域。
更进一步的，提取上述子区域的平面坐标，计算作业区域面积s，基于喷施作业幅宽d，选择航向角，计算无人机按规划的航线进行喷施的作业面积s1，计算重复覆盖率
更进一步的，所述步骤8中，当进行多架次无人机接续作业时，首先计算作业航线总长度f，单架次作业的最大航线长度fm，当f是fm的整数倍时，不再进行航线规划，按无人机在药液耗尽时执行返航，同时启动另一架无人机接续飞行；当f不是fm的整数倍时，至少进行一次中途返航，进行返航能耗最小点最优求解，并将该点坐标作为返航点。
更进一步的，能耗最小点最优求解基于勾股定理和正余弦定理进行求解。
更进一步的，步骤2中，图像采集与处理模块在获得喷施作业区图像之后，首先进行图像灰度二值化处理，基于图像的空间分布，得到图像的空间邻近度和像素值相似度，并结合图像灰度相似性，实现背景去噪，得到植被的轮廓图像。此外，图像处理系统内存中预存储有待作业植被区域的轮廓数据库，将通过采集与处理后得到的图像植被轮廓，与内存数据库中的植被轮廓进行比对，从而得到相应的植被先验类型匹配值，并将该匹配值传输给飞行控制系统。
更进一步的，本发明申请人在经过多次探索和试验后得出了喷施控制变量p与作业区域面积数据s、植被类型v、植被行数r、植被列数c之间的数值函数关系，其中
所述无人机飞行控制系统，负责与地面站进行数据传输和飞行数据处理，接受地面控制站的人工控制指令。
所述飞行参数获取模块，用于获取无人机飞行状态参数，包括飞行高度、飞行速度。
所述图像采集与处理模块用于对地面喷施作业区进行图像采集，并基于图像处理算法获得待喷施作业植被图像数据。
所述喷施控制模块，用于根据图像采集与处理模块采集的图像数据，以及无人机的飞行控制状态参数，综合执行喷施流量控制，从而确保无人机实现根据地面植被类型以及当前飞行状态等参数动态调整喷施量。
所述地面控制站与所述无人机飞行控制系统进行远程数据传输，使得飞行控制系统可以接受地面工作人员的控制数据，从而实现无人机远程控制。
所述电源模块为上述各模块提供相应的供电电源。
更进一步的，所述图像采集与处理模块为高清度遥感摄像机，其通过遥感拍摄地面喷施作业区域图像，基于图像处理算法，获取喷施作业区域的面积，植被种类、植被行数、植被列数，并将该数据传输给无人机飞行控制系统。
更进一步的，所述飞行参数获取模块为基于gps/ins的捷联惯导系统，可以实时准确的获取无人机的飞行高度、飞行速度。
更进一步的，所述电源模块为大容量，可充电，长续航能力的锂电池组。
更进一步的，所述无人机地面控制站，通过无线通信网络，如wifi或4g与无人机飞行控制系统进行远程数据传输。
优选的，所述容量第一阈值l1为喷药箱药液量为0.5升。
优选的，所述高度第一阈值h1为无人机当前高度为1米。
优选的，所述高度第二阈值h2为无人机当前高度为2米。
优选的，所述速度第一阈值v1为无人机当前飞行速度为4m/s。
优选的，所述速度第二阈值v2为无人机当前飞行速度为5m/s。
可选的，所述喷药箱容量约为5l-10l，挂载在无人飞行器的正下方，隔膜泵的正上方，出水口与隔膜泵入水口相连；所述隔膜泵用于提供药液喷施压力。所述pwm控制模块采用mosfet触发开关驱动模块，用于将pwm占空比信号转化成隔膜泵驱动电压信号。电磁阀用于控制喷头喷施的开启和关闭。喷药箱顶部具有液位传感器，可以实时获得喷药箱内部药液容量数据。
【附图说明】
附图1为本发明为本发明植保无人机单架次航迹规划示意图。
附图2为本发明为本发明植保无人机多架次航迹规划示意图。
附图3为本发明为本发明植保无人机航迹规划控制算法流程图。
【具体实施方式】
为解决无人机喷施过程中如何实现航迹路线规划，从而使得能量消耗最小，避免重复喷施，造成药液浪费的问题本发明设计了如下技术方案。
一种植保固定翼无人航迹规划控制方法，包括多架次无人机，无人机飞行控制系统、无人机地面控制站、飞行参数获取模块、图像采集与处理模块、飞行姿态控制模块、喷施控制模块、以及电源模块；航迹规划控制方法具体如下：
步骤1：无人机及地面控制站上电自检，地面控制站发送控制指令，进行飞行控制系统初始化，喷施控制模块初始化，图像采集与处理模块初始化；
步骤2：进入自动巡航变量喷施流程，图像采集与处理模块启动，通过高清摄像机获取待作业区域的植被图像，经图像处理算法后，得到植被图像数据；
步骤3：对上述植被图像数据进行计算，判断待作业区域面积与喷药箱容量之间的关系，若喷药箱药液容量足够完成作业区域喷施，则执行单架次区域航迹规划，进入步骤4，否则执行多架次接续喷施航迹规划，进入步骤8；
步骤4：对作业区域进行图像灰度处理，获得作业区域边界坐标，利用栅格地图法进行地图构建，进行往复作业航迹路线规划；
步骤5：判断无人机当前飞行高度，当无人机飞行高度低于高度第一阈值h1时，发送信号到无人机飞行控制系统，控制无人机拉升舵机，增加飞行高度；当无人机飞行高度处于高度第二阈值h2±0.5m时，进入步骤6；
步骤6：判断无人机当前飞行速度，当无人机飞行速度低于速度第一阈值v1时，发送信号到无人机飞行控制系统，控制无人机加大油门舵机，提高飞行速度；当无人机飞行速度在速度第二阈值v2±0.5m/s时，进入步骤7；
步骤7：读取图像采集与处理模块缓存的植被图像数据，根据经验函数，计算变量喷施控制信号；驱动电磁阀，开启喷施作业，并实时读取喷药箱液位传感器数据，判断药液容量，当药液容量低于容量第一阈值l1时，通知无人机返航；
步骤8：进入药液补充与中途返航点计算，确定多架次无人机的中途接续换航点，进行各架次喷药量和返航点优化计算；
步骤9：多架次无人机按序进行指定作业区域变量喷施作业。
更进一步的，所述步骤4中，利用航空gis软件提取作业区域地图信息，确定作业区域边界坐标，构建平面作业地图，利用多条等距离平行线对作业区域进行划分，相邻的平行线间距为无人机作业幅宽d，每两条相邻平行线之间的作业区域作为整个作业区域的一块子区域，相邻平行线作为此子区域的分隔线，通过获取子区域横坐标值的最小点与最大点，分别做两条宽度为d的线段作为子区域的作业边界线，两条边界线的中点连线即为子区域的作业线路，对应的矩形区域即为子区域的覆盖区域。
更进一步的，提取上述子区域的平面坐标，计算作业区域面积s，基于喷施作业幅宽d，选择航向角，计算无人机按规划的航线进行喷施的作业面积s1，计算重复覆盖率
更进一步的，所述步骤8中，当进行多架次无人机接续作业时，首先计算作业航线总长度f，单架次作业的最大航线长度fm，当f是fm的整数倍时，不再进行航线规划，按无人机在药液耗尽时执行返航，同时启动另一架无人机接续飞行；当f不是fm的整数倍时，至少进行一次中途返航，进行返航能耗最小点最优求解，并将该点坐标作为返航点。
更进一步的，能耗最小点最优求解基于勾股定理和正余弦定理进行求解。
更进一步的，步骤2中，图像采集与处理模块在获得喷施作业区图像之后，首先进行图像灰度二值化处理，基于图像的空间分布，得到图像的空间邻近度和像素值相似度，并结合图像灰度相似性，实现背景去噪，得到植被的轮廓图像。此外，图像处理系统内存中预存储有待作业植被区域的轮廓数据库，将通过采集与处理后得到的图像植被轮廓，与内存数据库中的植被轮廓进行比对，从而得到相应的植被先验类型匹配值，并将该匹配值传输给飞行控制系统。
更进一步的，本发明申请人在经过多次探索和试验后得出了喷施控制变量p与作业区域面积数据s、植被类型v、植被行数r、植被列数c之间的数值函数关系，其中
所述无人机飞行控制系统，负责与地面站进行数据传输和飞行数据处理，接受地面控制站的人工控制指令。
所述飞行参数获取模块，用于获取无人机飞行状态参数，包括飞行高度、飞行速度。
所述图像采集与处理模块用于对地面喷施作业区进行图像采集，并基于图像处理算法获得待喷施作业植被图像数据。
所述喷施控制模块，用于根据图像采集与处理模块采集的图像数据，以及无人机的飞行控制状态参数，综合执行喷施流量控制，从而确保无人机实现根据地面植被类型以及当前飞行状态等参数动态调整喷施量。
所述地面控制站与所述无人机飞行控制系统进行远程数据传输，使得飞行控制系统可以接受地面工作人员的控制数据，从而实现无人机远程控制。
所述电源模块为上述各模块提供相应的供电电源。
更进一步的，所述图像采集与处理模块为高清度遥感摄像机，其通过遥感拍摄地面喷施作业区域图像，基于图像处理算法，获取喷施作业区域的面积，植被种类、植被行数、植被列数，并将该数据传输给无人机飞行控制系统。
更进一步的，所述飞行参数获取模块为基于gps/ins的捷联惯导系统，可以实时准确的获取无人机的飞行高度、飞行速度。
更进一步的，所述电源模块为大容量，可充电，长续航能力的锂电池组。
更进一步的，所述无人机地面控制站，通过无线通信网络，如wifi或4g与无人机飞行控制系统进行远程数据传输。
优选的，所述容量第一阈值l1为喷药箱药液量为0.5升。
优选的，所述高度第一阈值h1为无人机当前高度为1米。
优选的，所述高度第二阈值h2为无人机当前高度为2米。
优选的，所述速度第一阈值v1为无人机当前飞行速度为4m/s。
优选的，所述速度第二阈值v2为无人机当前飞行速度为5m/s。
可选的，所述喷药箱容量约为5l-10l，挂载在无人飞行器的正下方，隔膜泵的正上方，出水口与隔膜泵入水口相连；所述隔膜泵用于提供药液喷施压力。所述pwm控制模块采用mosfet触发开关驱动模块，用于将pwm占空比信号转化成隔膜泵驱动电压信号。电磁阀用于控制喷头喷施的开启和关闭。喷药箱顶部具有液位传感器，可以实时获得喷药箱内部药液容量数据。
设无人机的小面积作业区域为100*200的一块矩形区，作业航线总长度g＝2980m。首先利用栅格法快速提取到无人机的作业航线，得到作业起始点的坐标为(2，5)，终止点坐标为(130.5，5)。然后判断药液容量能否满足全区域喷施，若满足，则执行单架次无人机喷施作业。否则执行多架次接续航行。
本申请，在进行植被喷施变量经验公式的选择中，发明人将植被行数和列数分别减一，并除以区域面积，从而可以得出每一块栅格区域的作业面积，然后，利用预设的植被种类值，作为喷施控制调节系数，利用基本的数学关系，得到pwm信号控制的输入波形，基于电力电子学基础知识，可以得出相应的控制信号。基于本发明实现的变量精确喷施作业，可以很好的识别植被种类，避免喷施过程的药液的浪费。
例如，我们选择药箱容积为5l，隔膜泵采用pld-1206，额定电压12v，最大压力1mpa，最大流量4l/min；采用基于armcortex-m4内核的stm32f407vet6单片机作为施药控制器核心处理器；组建好无人机的各个模块，连接好数据通信接口，当无人机通过图像采集和数据处理后，经喷施控制模块进行参数状态判断后，经喷施控制变量经验函数计算公式计算后得到pwm斩波控制信号后，驱动pwm控制器实现变量喷施作业。
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