一种基于环境感知的无人机飞防自适应调控系统及方法

本发明涉及植保无人机喷施控制，尤其涉及一种基于环境感知的无人机飞防自适应调控系统及方法。

背景技术：

1、随着植保无人机在农作物病虫害防治中的应用增加，无人机施药过程逐步由固定飞行参数、固定喷施参数向根据环境条件和作物状态进行动态调节的方向发展。植保无人机作业过程中，风速、温度、湿度、飞行高度、飞行速度以及作物冠层状态均会对雾滴运动、喷施覆盖和药液分布产生影响。因此，如何根据作业环境和作物状态调整飞行参数及喷施参数，已经成为无人机飞防控制的重要技术方向。

2、在根据环境信息和飞行状态调整施药参数方面，已有相关技术公开，例如：

3、申请公布号：cn108536203a，公开了《一种无人机施药控制方法及系统》。该方案采集风速、风向、温度、湿度、光照以及无人机飞行速度、高度和姿态等信息，并通过预设模型调整压力泵控制电压、喷头流量、喷头旋转角度以及飞行和雾滴相关参数。该方案的控制重点在于根据环境变化和飞行状态变化修正喷施参数。对于不同雾化方式的喷头共同承担喷施任务的情况，除环境信息与各喷施参数之间的对应关系外，还涉及不同喷头实际输出与整机施药任务之间的协调，单独确定各项喷施参数不能直接反映不同喷施通道之间的出液匹配状态。

4、在结合作物信息和气象信息进行作业决策方面，已有多源信息融合的技术方案，例如：

5、授权公告号：cn108594856b，公开了《多源信息融合智能决策自主飞行植保无人机及控制方法》。该方案通过高光谱相机、机载雷达、图像采集装置和气象采集系统获取作物长势、作物高度、冠层、气象及飞行信息，建立田间信息库，并进一步确定飞行高度、飞行速度、药泵流量和喷头电机转速等控制参数。该方案将作物状态和气象信息引入飞行与施药决策，控制重点在于通过多源信息形成对应的作业参数。对于配置不同雾化机理喷头的喷施系统，仍需考虑同一作业条件对不同喷头产生的影响差异，以及不同喷头共同作业时的实际出液关系。

6、在不同类型喷头的组合配置方面，已有将离心喷头和压力喷头设置在同一植保无人机上的技术方案，例如：

7、授权公告号：cn109677615b，公开了《一种植保无人机》。该方案设置离心喷头和压力喷头，通过不同供液管路及电磁阀控制两类喷头，并通过旋转机构改变喷头位置；公开的实施方式包括根据作物情况使离心喷头和压力喷头独立工作以及进行工作转换。该方案为同一植保无人机配置不同雾化方式提供了结构基础，但喷头的组合配置和工作转换主要解决不同作业需求下的喷头选用问题。对于两类喷头共同参与喷施作业的情况，喷头类型的选择或者工作转换不能直接反映不同喷施通道各自的实际输出状态；当环境条件、作物冠层状态和供液状态同时变化时，两类喷头之间仍可能出现出液状态与当前作业条件不匹配的情况。

8、在变量喷施决策及实际流量反馈方面，已有将模型决策与闭环控制相结合的技术方案，例如：

9、授权公告号：cn109122633b，公开了《神经网络决策的植保无人机精准变量喷雾装置和控制方法》。该方案采集环境参数、飞行参数、定位信息和高光谱信息，并结合施药处方及无人机规格参数进行变量喷雾决策；在形成目标喷施量后，根据实际流量值、压力值与目标值之间的偏差产生控制信号，并通过闭环pid算法调节液泵。该方案已经涉及目标喷施量生成、实际流量和压力反馈以及喷施流量闭环调节。

10、cn109122633b公开的流量传感器和压力传感器设置在分支管路之前，药液经过流量传感器和压力传感器后进入主回路，再由多个分支管输送至喷头。因此，流量传感器和压力传感器获得的数据主要反映主回路的整体供液状态。仅凭主回路流量和压力，不能直接确定不同喷施支路各自的实际出液情况。当不同分支管路受到管路阻力变化、喷头局部堵塞或者执行部件响应差异影响时，即使主回路流量或整体喷施量接近预定值，不同喷施支路之间仍可能存在出液不一致。

11、由上述公开方案可见，环境感知、作物信息采集、喷施参数调整以及喷施流量反馈均已有相应技术基础。但是，在离心喷头与压力喷头共同参与无人机喷施作业时，两类喷头在雾化方式、供液状态和喷射特性方面存在差异，环境条件、作物冠层状态以及飞行状态的变化对两类喷头产生的影响也不完全相同。因此，仅根据环境信息生成喷施参数、根据作物状态选择喷头类型或者根据总回路流量进行反馈调节，难以完整反映不同喷施通道共同作业时各自的实际输出状态。

12、结合上述公开内容及异构喷头共同作业的工况，现有技术仍存在以下问题：

13、第一，环境条件变化与作物冠层状态变化会同时影响喷施作业，但两类喷头对环境条件和冠层条件的适应关系存在差异。当环境状态、冠层状态以及无人机飞行状态发生变化时，按照固定喷施比例、预先选择的喷头工作方式或者分别生成喷施参数的方式，难以持续保持两类喷施通道的出液状态与当前作业条件相匹配。

14、第二，喷施系统的总供液状态与不同喷施通道各自的实际出液状态并不等同。主回路流量或者整体喷施流量处于预期范围时，不同喷施支路仍可能因管路阻力、喷头状态或者执行部件差异出现出液不一致；单个喷施通道出现流量变化时，也不能仅依据对应喷施通道的局部偏差判断整机喷施状态。因此，在多喷施通道共同作业过程中，仅进行总回路反馈或者各喷施通道相互独立的调节，难以完整反映不同喷施通道之间的实际出液关系。

15、第三，喷施作业过程中，供液能力变化、管路阻力增大、喷头局部堵塞或者执行部件响应偏差可能造成单个喷施通道的实际输出持续偏离原有喷施目标。当对应喷施通道经过自身调节后仍不能恢复预定输出时，继续提高原喷施通道的控制输入可能受到当前供液状态或者执行能力限制，而直接改变另一类喷头的出液量又会改变两类喷施通道原有的出液关系。如何在这种持续输出偏差下协调不同喷施通道的后续喷施状态，仍需要进一步解决。

技术实现思路

1、鉴于现有技术在环境条件、作物冠层状态和喷施执行状态共同变化时，存在离心喷施通道与压力喷施通道的喷施量分配难以适应当前作业条件，以及单个喷施通道出现持续输出偏差后难以兼顾通道工作边界与整机施药量要求的问题，本发明提出一种基于环境感知的无人机飞防自适应调控系统及方法。

2、本发明的目的在于，根据环境状态、冠层需求和无人机飞行状态确定两个喷施通道的目标喷施流量，并根据两个喷施通道经本通道调节后的实际输出，对持续执行缺口进行受约束的跨通道再分配，使喷施量分配与当前作业条件相对应，减少通道间出液失衡以及实际喷施流量偏离目标喷施流量的情况。

3、本发明提供一种基于环境感知的无人机飞防自适应调控方法，包括：

4、s1：采集环境数据、冠层数据和无人机飞行数据，从环境数据取得环境状态，从冠层数据取得冠层需求；读取作业任务设定的单位面积目标施药量，并从无人机飞行数据取得飞行速度。

5、s2：根据环境状态和冠层需求确定当前喷施构型，当前喷施构型包括飞行高度和两个喷施通道的喷射姿态；读取当前喷施构型对应的有效喷幅。

6、s3：根据单位面积目标施药量、飞行速度和有效喷幅确定目标总喷施流量；根据环境状态和当前喷施构型取得离心喷施通道允许区间，根据冠层需求和当前喷施构型取得压力喷施通道允许区间；读取与环境状态、冠层需求和当前喷施构型对应的双通道基础喷施配比，根据双通道基础喷施配比和目标总喷施流量确定压力喷施通道基础目标喷施流量。

7、s4：根据目标总喷施流量和两个喷施通道允许区间形成压力喷施通道可行区间；在压力喷施通道可行区间存在时，压力喷施通道基础目标喷施流量位于可行区间内则保持压力喷施通道基础目标喷施流量，低于可行区间下界则采用可行区间下界，高于可行区间上界则采用可行区间上界，得到压力喷施通道目标喷施流量；以目标总喷施流量减去压力喷施通道目标喷施流量所得差值，作为离心喷施通道目标喷施流量。

8、s5：在得到两个目标喷施流量后，按照离心喷施通道目标喷施流量和压力喷施通道目标喷施流量分别调节两个喷施通道；分别取得两个喷施通道的实际流量，根据各通道实际流量与对应目标喷施流量之间的偏差进行本通道调节，获取两个喷施通道经本通道调节后的持续实际流量。

9、s6：对于经本通道调节后实际流量仍持续低于对应目标喷施流量、且偏差超过预设通道允许偏差的喷施通道，将目标喷施流量与持续实际流量之间超出通道允许偏差的差额确定为持续执行缺口量；将目标总喷施流量减去两个喷施通道持续实际流量之和及预设总流量允许偏差所得非负差值，确定为系统净缺口。

10、s7：在仅一个喷施通道存在持续执行缺口量、两个喷施通道的持续实际流量均位于对应允许区间内且系统净缺口大于零时，将存在持续执行缺口量的喷施通道确定为缺口通道，将另一个喷施通道确定为接收通道；从持续执行缺口量与缺口通道目标喷施流量超出对应允许区间下界的部分中选取较小值，确定可替代喷施份额；分别计算接收通道允许区间上界与接收通道持续实际流量之间的非负差值，以及接收通道允许区间上界与再分配前接收通道目标喷施流量之间的非负差值，得到两个余量，从两个余量中选取较小值，确定接收通道剩余允许喷施流量。

11、s8：从可替代喷施份额、接收通道剩余允许喷施流量和系统净缺口中选取最小值，确定跨通道再分配流量；跨通道再分配流量大于零时，将缺口通道目标喷施流量减少跨通道再分配流量，将接收通道目标喷施流量增加相同的跨通道再分配流量。

12、s9：跨通道再分配流量大于零时，按照更新后的两个目标喷施流量分别调节两个喷施通道，重新取得两个喷施通道经本通道调节后的实际流量，按照s6的判定规则重新确定持续执行缺口量和系统净缺口，并比较两个喷施通道实际流量与对应允许区间的关系；跨通道再分配流量为零且系统净缺口仍大于零时，不调整两个喷施通道的目标喷施流量，进入当前可持续输出流量确定以及喷施能力、喷施构型和飞行速度重新判断过程。

13、当前喷施流量分配、两个喷施通道的执行以及跨通道再分配，均采用与当前喷施构型相对应的有效喷幅和两个喷施通道允许区间。

14、进一步地，在s1中，环境数据包括风速和温度，对预设采样窗口内的连续风速采样值执行平均处理、中值处理或异常值剔除，根据处理后的风速数据和温度数据查询环境等级参数数据，得到环境状态。

15、采集湿度数据时，将湿度数据与处理后的风速数据、温度数据共同作为环境等级参数数据的查询条件。

16、进一步地，在s1中，冠层数据包括多光谱图像数据，根据多光谱图像数据提取冠层覆盖度、生育阶段或预设冠层特征，根据提取结果查询冠层需求参数数据，得到冠层需求。

17、进一步地，在s2中，根据环境状态和冠层需求查询喷施构型参数数据，选取飞行高度档位、离心喷头角度档位、压力喷头角度档位以及离心盘转速档位或预标定的离心流量—转速组合档位，并读取选定喷施构型对应的有效喷幅。

18、在一个控制周期内保持选定喷施构型不变；喷施构型发生变更时，结束当前控制周期，在下一控制周期重新选取喷施构型，重新读取有效喷幅，并重新确定两个喷施通道允许区间。

19、进一步地，在s3中，将飞行速度与有效喷幅相乘，得到单位时间内的作业覆盖面积；根据单位面积目标施药量与单位时间内的作业覆盖面积确定目标总喷施流量，并统一换算为体积流量单位。

20、根据双通道基础喷施配比中压力喷施通道的基础承担比例与目标总喷施流量，确定压力喷施通道基础目标喷施流量。

21、进一步地，在s3中，根据当前喷施构型读取两个喷施通道各自的预标定最大连续流量和预标定最小连续流量；根据环境状态和当前喷施构型读取离心喷施通道最大允许承担比例，根据冠层需求和当前喷施构型读取压力喷施通道最低单位面积承担量及预标定压力下限对应流量。

22、根据离心喷施通道最大允许承担比例与目标总喷施流量确定离心喷施通道当前允许输出流量，从当前允许输出流量与当前喷施构型下离心喷施通道预标定最大连续流量中选取较小值，作为离心喷施通道允许区间上界。

23、从离心喷施通道预标定最小连续流量与离心喷施通道预设最低承担流量中选取较大值，作为离心喷施通道允许区间下界。

24、根据压力喷施通道最低单位面积承担量、飞行速度和有效喷幅取得压力喷施通道最低承担流量。

25、从压力喷施通道最低承担流量、当前喷施构型下压力喷施通道预标定最小连续流量，以及冠层需求、当前喷施构型对应的预标定压力下限对应流量中选取最大值，作为压力喷施通道允许区间下界。

26、将当前喷施构型下压力喷施通道预标定最大连续流量作为压力喷施通道允许区间上界。

27、进一步地，在s4中，从压力喷施通道允许区间下界与目标总喷施流量减去离心喷施通道允许区间上界所得差值中选取较大值，得到压力喷施通道可行下界。

28、从压力喷施通道允许区间上界与目标总喷施流量减去离心喷施通道允许区间下界所得差值中选取较小值，得到压力喷施通道可行上界。

29、压力喷施通道可行下界不高于压力喷施通道可行上界时，确定压力喷施通道可行区间存在；压力喷施通道可行下界高于压力喷施通道可行上界时，确定当前控制周期不存在可行喷施分配。

30、将压力喷施通道基础目标喷施流量记为，将压力喷施通道可行下界和压力喷施通道可行上界分别记为和，将压力喷施通道目标喷施流量记为。

31、在压力喷施通道可行区间存在时，按照下式确定压力喷施通道目标喷施流量：

32、

33、将目标总喷施流量减去所得差值，确定为离心喷施通道目标喷施流量。

34、式中，各流量采用相同的体积流量单位，表示取最大值，表示取最小值。

35、进一步地，在s5和s6中，分别采集离心喷施通道和压力喷施通道的瞬时实际流量，按照预设反馈窗口计算对应的窗口平均实际流量。

36、在认定持续执行缺口前，根据目标喷施流量与窗口平均实际流量之间的偏差，在对应喷施通道内调节供液量、泵速、阀门开度或喷施压力。

37、当一个喷施通道的目标喷施流量与窗口平均实际流量之差，在连续预设数量的反馈窗口内均大于对应通道允许偏差时，将当前反馈窗口中目标喷施流量减去窗口平均实际流量及通道允许偏差所得正差，记录为持续执行缺口量。

38、进一步地，在s6至s8中，采用对应反馈窗口内的窗口平均实际流量计算系统净缺口、可替代喷施份额和接收通道剩余允许喷施流量。

39、计算接收通道剩余允许喷施流量时，接收通道目标喷施流量采用本次再分配前的目标值。

40、将可替代喷施份额记为，将接收通道剩余允许喷施流量记为，将系统净缺口记为，将跨通道再分配流量记为，按照下式确定跨通道再分配流量：

41、

42、式中，各参数均采用相同的体积流量单位。非负差值按照对应减法结果确定，减法结果小于零时取零。

43、压力喷施通道单独存在持续执行缺口时，将压力喷施通道作为缺口通道，将离心喷施通道作为接收通道；离心喷施通道单独存在持续执行缺口时，将离心喷施通道作为缺口通道，将压力喷施通道作为接收通道。

44、两个方向均按照s7和s8确定跨通道再分配流量。

45、跨通道再分配流量大于零时，按照s9重新执行并获取反馈；跨通道再分配流量为零且系统净缺口仍大于零时，不执行目标喷施流量的一减一增，进入当前可持续输出流量确定以及喷施能力、喷施构型和飞行速度重新判断过程。

46、进一步地，在s4中，压力喷施通道可行区间不存在时，停止当前控制周期的喷施流量分配，不生成本周期两个目标喷施流量，不进入以本周期目标喷施流量为输入的s5至s8，进入当前可持续输出流量确定以及喷施能力、喷施构型和飞行速度重新判断过程。

47、进一步地，在压力喷施通道可行区间存在并生成两个目标喷施流量后，将两个喷施通道的持续实际流量按照预设反馈窗口处理为窗口平均实际流量；根据连续反馈过程中窗口平均实际流量与对应目标喷施流量之间的偏差以及对应通道允许偏差，分别确定两个喷施通道是否存在持续执行缺口量。

48、两个喷施通道同时存在持续执行缺口量时，停止跨通道再分配。

49、任一喷施通道窗口平均实际流量低于对应允许区间下界时，停止跨通道再分配。

50、任一喷施通道窗口平均实际流量高于对应允许区间上界时，降低对应喷施通道的流量控制量，并停止当前反馈周期内的跨通道再分配。

51、经降低对应喷施通道的流量控制量后，窗口平均实际流量在连续预设数量的反馈周期内仍未回到对应允许区间时，记录对应喷施通道的执行异常。

52、进一步地，在压力喷施通道可行区间不存在、两个喷施通道同时存在持续执行缺口量、任一喷施通道窗口平均实际流量低于对应允许区间下界、执行异常持续存在，或者跨通道再分配流量为零且系统净缺口仍大于零时，分别取得两个喷施通道在当前喷施构型下的当前可持续输出流量，根据两个当前可持续输出流量之和、单位面积目标施药量和有效喷幅重新确定飞行速度。

53、进一步地，在s9中，按照更新后的两个目标喷施流量完成调节并重新取得实际流量后，重新计算系统净缺口；系统净缺口仍大于零时，分别取得两个喷施通道在当前喷施构型下的当前可持续输出流量，根据两个当前可持续输出流量之和、单位面积目标施药量和有效喷幅重新确定飞行速度。

54、重新确定的飞行速度低于预设最低作业速度时，停止当前喷施段的药液输出。

55、重新确定的飞行速度不低于预设最低作业速度时，向无人机飞控发送对应飞行速度指令，在下一控制周期重新确定喷施构型、有效喷幅、目标总喷施流量和两个喷施通道允许区间，并重新进行可行区间判断。

56、重新计算后仍不存在可行喷施分配时，停止当前喷施段的药液输出。

57、本发明还提供一种基于环境感知的无人机飞防自适应调控系统，包括植保无人机、环境采集组件、冠层采集组件、边缘控制器、参数存储器、离心喷施通道和压力喷施通道。

58、环境采集组件、冠层采集组件、参数存储器和植保无人机的飞控分别与边缘控制器连接，离心喷施通道和压力喷施通道分别与边缘控制器连接。

59、边缘控制器接收环境数据、冠层数据和无人机飞行数据，确定环境状态、冠层需求、当前喷施构型、有效喷幅、目标总喷施流量和两个喷施通道允许区间。

60、边缘控制器从参数存储器读取与环境状态、冠层需求和当前喷施构型对应的双通道基础喷施配比，确定压力喷施通道基础目标喷施流量，并按照压力喷施通道可行区间对压力喷施通道基础目标喷施流量进行三分支限幅，形成压力喷施通道目标喷施流量。

61、边缘控制器以目标总喷施流量减去压力喷施通道目标喷施流量所得差值，形成离心喷施通道目标喷施流量。

62、压力喷施通道可行区间不存在时，边缘控制器结束当前控制周期的喷施流量分配；在生成两个目标喷施流量后，边缘控制器分别调节两个喷施通道，分别取得两个喷施通道的实际流量数据，并根据各通道实际流量与对应目标喷施流量之间的偏差执行本通道调节。

63、边缘控制器根据目标总喷施流量、两个喷施通道的持续实际流量及总流量允许偏差，确定系统净缺口；根据缺口通道持续执行缺口量和对应允许区间下界，确定可替代喷施份额；根据接收通道允许区间上界、接收通道持续实际流量和再分配前目标喷施流量，确定接收通道剩余允许喷施流量。

64、其中，边缘控制器分别计算接收通道允许区间上界与接收通道持续实际流量之间的非负差值，以及接收通道允许区间上界与再分配前接收通道目标喷施流量之间的非负差值，从两个非负差值中选取较小值，形成接收通道剩余允许喷施流量。

65、边缘控制器从可替代喷施份额、接收通道剩余允许喷施流量和系统净缺口中选取最小值，确定跨通道再分配流量。

66、跨通道再分配流量大于零时，边缘控制器减少缺口通道目标喷施流量，增加接收通道目标喷施流量，两个目标喷施流量的变化量均等于跨通道再分配流量，并根据重新取得的实际流量判断后续执行状态。

67、跨通道再分配流量为零且系统净缺口仍大于零时，边缘控制器保持两个喷施通道的目标喷施流量不变，并进入当前可持续输出流量确定以及喷施能力、喷施构型和飞行速度重新判断过程。

68、进一步地，离心喷施通道包括离心喷头、离心供液调节件、离心流量采集件、离心盘驱动件和转速采集件；压力喷施通道包括压力喷头、压力供液调节件、压力流量采集件和压力采集件。

69、离心流量采集件向边缘控制器发送离心喷施通道实际流量，转速采集件向边缘控制器发送离心盘转速，压力流量采集件向边缘控制器发送压力喷施通道实际流量，压力采集件向边缘控制器发送喷施压力。

70、边缘控制器在进行跨通道再分配判断前，根据离心喷施通道实际流量调节离心供液调节件，根据压力喷施通道实际流量和喷施压力调节压力供液调节件。

71、进一步地，参数存储器存储环境状态、喷施构型与离心喷施通道最大允许承担比例之间的对应数据，存储冠层需求、喷施构型与压力喷施通道最低单位面积承担量之间的对应数据，存储喷施构型与有效喷幅之间的对应数据，存储环境状态、冠层需求、喷施构型与双通道基础喷施配比之间的对应数据。

72、参数存储器还存储喷施构型与两个喷施通道各自的预标定最大连续流量、预标定最小连续流量之间的对应数据，存储离心喷施通道预设最低承担流量，存储冠层需求、喷施构型与预标定压力下限对应流量之间的对应数据，并存储两个喷施通道各自的通道允许偏差，以及系统总流量允许偏差。

73、边缘控制器根据当前环境状态、冠层需求和喷施构型读取对应参数，确定两个喷施通道允许区间，并在实际流量反馈过程中读取对应的允许偏差参数。

74、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

75、1.本发明通过将环境状态和冠层需求分别引入两种不同喷施通道的允许区间，并将两个允许区间与目标总喷施流量共同用于确定可行分配范围。基础目标喷施流量在可行区间内保持原值，低于可行区间下界时采用下界，高于可行区间上界时采用上界。在当前可行区间存在的情况下，使确定的双通道基础喷施配比对应唯一的双通道目标喷施流量，同时保持两个通道目标喷施流量之和等于目标总喷施流量，减少固定喷施配比与变化作业条件不匹配的情况。

76、2.本发明通过在本通道调节后仍存在持续执行缺口时，区分单通道执行缺口与系统实际总流量缺口，并同时考虑缺口通道允许区间下界、接收通道实际流量及再分配前目标喷施流量。跨通道再分配不会将缺口通道更新后的目标喷施流量降低至允许区间下界以下，也不会将接收通道更新后的目标喷施流量提高至允许区间上界以上；系统净缺口参与再分配量计算，避免仅依据单个通道的局部偏差追加喷施控制量。

77、3.本发明通过将本通道调节、跨通道再分配和重新执行后的实际流量反馈依次衔接，能够区分目标喷施流量更新与实际输出恢复。接收通道不存在剩余允许喷施量、跨通道再分配后仍存在系统净缺口、当前不存在可行喷施分配或者实际流量出现持续异常时，进一步根据当前喷施能力重新判断喷施构型和飞行速度，并检查下一控制周期的可行性，使喷施通道流量调整、飞行状态调整和停止喷施之间具有明确的判断依据。