一种航空精准施药三维航线规划方法与流程

1.本发明涉及农林航空技术领域，尤其涉及一种航空精准施药三维航线规划方法。


背景技术：

2.目前林业航空施药大多都是基于人为目视的作业方式，而目视规划航线的方式航线精度较低，并且不能实时校准，存在多施、漏施、重施等施药不均匀现象，以及航线冗余、耗时长、能耗药耗大等问题，导致作业效率较低、环境污染严重、作业成本高。由于林业地形复杂，并且在林业航空植保过程航速较大，基于无人机平台或者地面机械研发的区域全覆盖航线规划方法无法应用到林业航空方面，因此针对林业航空规划出合理的航线尤为重要。


技术实现要素：

3.本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种航空精准施药三维航线规划方法。可根据作业区域的形状和坡度宽度，自动规划出三维全覆盖航线，方法简单实用，且适应性较好。
4.为了实现上述目的，本发明的技术方案是：
5.一种航空精准施药三维航线规划方法，包括如下步骤：
6.s1、明确施药区域；
7.s2、结合喷幅对施药区域进行二维全覆盖航线规划；
8.s3、结合航高对施药区域进行三维全覆盖航线规划。
9.作为对上述技术方案的改进，所述步骤s1中，所述明确施药区域包括区域建模和明确区域边界；所述区域建模是指采用牛耕单元分解法把施药区域分成多个无重叠部分的子区域方式先进行划分，并且保证每个子区域内都是待施药区域；所述明确区域边界是指用反向栅格法进行明确，保证明确后的区域边界无锯齿状。
10.所述区域建模为了规划出最优全覆盖施药航线，减少多喷、漏喷、重喷现象，提高覆盖范围的精准性，需要对作业区域进行分解建模。由于林业作业面积较大，在林区中存在不能施药的区域，本发明采用牛耕单元分解法把施药区域分成多个无重叠部分的子区域方式先进行划分，并且保证每个子区域内都是待施药区域。
11.作为对上述技术方案的改进，所述牛耕单元分解法，是用一条垂直于坐标系x轴的虚拟扫描线从地图的左边扫描到右边，通过判断扫描线的连通性变化来生成子区域；当扫描线经过障碍物时，连通性发生变化，产生子区域；在割线与障碍物顶点相切时划分子区域，如此划分下去，将地图分解为若干子区域和障碍物区。
12.作为对上述技术方案的改进，所述反向栅格法，是设置栅格为长宽一个喷幅单位的方格，然后将工作地图放置在直角坐标系中，将工作环境划分解成若干个均匀的方形网格，每个网格都有相关联的值表明是否被占用，根据网格是否被占用将环境划分为空闲区域和占用区域，把施药区域视为障碍物，得到作业区域的边界；连接各有效栅格的中心点，
作为施药区域的边界线。
13.由于通过分解得到的子区域大多为不规则区域，若要实现规划的施药航线精准覆盖每个子区域，需要进一步对每个子区域的边界，本发明采用反向栅格法进行明确，本发明是对栅格法的反向应用。
14.作为对上述技术方案的改进，在使用反向栅格法时，当施药区域占栅格的面积小于四分之一时，视该栅格为无效栅格，反之则视为有效栅格。
15.为保证明确后的区域边界无锯齿状，需要进行平滑处理，即连接锯齿的两端，即得到明确边界后的施药区域。
16.作为对上述技术方案的改进，在所述步骤s2中，采用牛耕往复法作业方式并结合喷幅对施药区域进行二维全覆盖航线规划；所述牛耕往复法作业是指沿某一直线移动至区域边界，然后转向90
°
再沿边界线移动一个单位后再转向 90
°
，然后沿与之前相反方向移动至区域边界，以此方式往复执行，直至全部覆盖施药区域。
17.作为对上述技术方案的改进，所述步骤s3中，所述结合航高对施药区域进行三维全覆盖航线规划，是在二维全覆盖航线上增加飞行高度信息解析，即规划航高，进而实现三维全覆盖施药航线的规划；规划航高需要结合航速、爬升角、下降角和林区地形起伏坡度；林区地形按高度起伏分为平地区域、山峰区域和山谷坡区域，不同的区域规划侧重点不同。
18.所述山峰区域既存在上坡又存在下坡的区域，分别对上坡和下坡进行分析。为保证飞机能够以最佳高度和速度对山峰区域施药，需要在到达坡面前爬升，通过式(1)可得出爬升点。
[0019][0020]
式中，l
dc
—坡面的垂直高度，m；l
ae
—爬升点距坡面垂直高度的水平距离，m；α
s
—飞机施药作业最大爬升角，其单位为度。
[0021]
针对下坡区域，需要规划下降角度和停降点，通过式(2)规划出坡底停降点的位置，下坡区域航线规划：在起降点处直升机以最大下降角度下降，到达停降点时停止下降。
[0022][0023]
所述的山谷坡区域是先下坡再上坡，如果直接采用下坡区域航线规划和上坡区域航线规划，可能会出现谷底区域下坡航线与上坡航线交叉现象。若航线不交叉则可直接按照规划的下坡航线与上坡航线进行施药作业。若谷底航线交叉，则谷底航线可分为下坡航线、圆弧转向航线和上坡航线三段，因此需要确定圆弧转向航线的起点。通过式(3)可计算出谷底转向点到下坡谷口的水平距离，结合转弯半径可规划出三维施药航线。
[0024][0025]
式中，l
sgx
—下坡谷口的垂直高度，m；r
zx
—最小转弯半径，m；α
s
—航空作业最大爬升角，
°
；α
x
—航空作业最大下降角，
°
；l
f'l'
—谷底转向点到下坡谷口的水平距离，m。
[0026]
与现有技术相比，本发明具有的优点和积极效果是：
[0027]
本发明公开了一种航空精准施药三维航线规划方法，通过等角度投影方法获取航空图，通过高斯
‑
克吕格投影方式构建施药区域的局部环境坐标系，再通过栅格法的反向应用明确了作业区域。通过牛耕往复法作为覆盖方法进行区域二维全覆盖航线规划。在区域二维全覆盖航线规划的基础上，结合直升机最佳航速下的爬升角和下降角，针对不可仿地飞行区域进行施药航高规划，最终实现三维全覆盖施药作业航线的规划。按照规划的航线作业，不仅可降低飞行能耗，还可以减轻飞行员驾驶的操作难度，使飞行员容易按照规划航线飞行，达到精准覆盖施药区域的目的。
附图说明
[0028]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0029]
图1为本发明的栅格法分解施药区域图；
[0030]
图2为本发明的优化后的施药区域；
[0031]
图3为本发明的施药区域地形图；
[0032]
图4为本发明的施药区域坡度示意图；
[0033]
图5为本发明的施药区域a
‑
i方向施药示意图；
[0034]
图6为本发明的施药区域i
‑
a方向施药示意图；
[0035]
图7为本发明的三维全覆盖施药航线；
[0036]
图8为本发明的山谷坡区域航线示意图；
[0037]
图9为本发明的谷底航线转向点分析；
[0038]
图10为本发明的谷底施药航线航线示意图。
具体实施方式
[0039]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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前提下所获得的所有其他实施例，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。
[0040]
实例1
[0041]
将以一个不规则的7边形施药区域航空图放置在直角坐标系中，采用栅格法以长宽为一个喷幅单位的方格将地图分割成若干个栅格，如图1(栅格法分解施药区域图)所示，图中黑色粗线段为作业区域的边界。
[0042]
当施药区域占有效栅格的面积小于四分之一时，视该栅格为无效栅格。连接各有效栅格的中心点，作为是施药区域的边界线。为保证明确后的区域边界无锯齿状，需要进行平滑处理，即连接锯齿的两端。经处理后的可把2中施药区域优化为图2(优化后的施药区域)红色线所示，图中红色线包围的区域即为明确边界后的施药区域。
[0043]
实例2
[0044]
以r44直升机为施药飞机，作业速度120km/h，设置r44直升机在保持最佳航速下施
药时的最大爬升角为30
°
，最大下降角度为45
°
。因此当上坡的坡度小于30
°
，并且下坡坡度的绝对值小于等于45
°
时，判定该区域为平地区域，飞机可完全仿地飞行。当上坡的坡度值大于30
°
时，判定该区域为上坡区域；当下坡坡度的绝对值大于45
°
时，判定该区域为下坡区域。
[0045]
以北京市大草岭村的林业施药区域为例，区域面积为1010亩，区域顶点经纬度分别是：p1(115
°
48
′
30.96
″
，39
°
44
′
53.60
″
)，p2 (115
°
49
′
3.95
″
，39
°
44
′
28.06
″
)，p3(115
°
48
′
51.09
″
， 39
°
44
′
15.43
″
)，p4(115
°
48
′
28.49
″
，39
°
44
′
26.96
″
)，p5 (115
°
48
′
12.72
″
，39
°
44
′
39.26
″
)，该林区既存在可完全仿地飞行的平地区域，又包含2处山谷坡区域，2处山峰区域和1处上坡区域等不可完全仿地飞行的区域，如图3(施药区域地形图)所示，该区域的坡度如图4(施药区域坡度示意图)所示。由于b
‑
c段的坡度为40
°
，d
‑
e段的坡度为50
°
，f
‑ꢀ
g段的坡度为50
°
，g
‑
h段的坡度为40
°
，h
‑
i段的坡度为36
°
。即a
‑
b段即为平地区域，可实现完全仿地飞行；b
‑
c段为上坡区域，直升机应在b点前开始爬升；d
‑
e段为下坡区域，f
‑
g
‑
h段为山峰区域，g
‑
h
‑
i段为山谷坡区域，其中g点为山峰，h点为山谷。
[0046]
通过航线规划方法可得，从a点向i点进行施药作业的航线规划，如图5 (a
‑
i方向施药)所。图中爬升点b在b点左上方，爬升点f在f点左上方，停降点e在e点右上方，谷底航线转向点h在h点左上方，并且h点与h点的高度差大于正常施药高度差。从i点向a点进行施药作业的航线规划，如图6 (i
‑
a方向施药)所示。图中谷底航线转向点h在h点右上方，并且h点与h 点的高度差大于正常施药高度差；停降点f在f点左上方，停降点b在b点正上方，爬升点e在e点右上方。
[0047]
再结合二维航线规划方法得该区域的三维航线如图7(三维全覆盖施药航线)所示。