一种基于全覆盖路径的植保无人机航线规划方法与流程

1.本发明属于无人机航线规划技术领域，具体涉及一种基于全覆盖路径的植保无人机航线规划方法。


背景技术：

2.随着植保无人机飞行控制技术的发展，越来越多的农户开始采用无人机进行植保作业，尤其是将其用于农药喷洒和化肥施肥等，具备作业效率高、喷洒效果好、节约人工成本等优势。植保无人机作业时一般有两种工作方式，一种是按照既定航线自动飞行，还有一种是人工遥控来控制姿态和位置，一旦农田面积过大，其手操视线受限必然会导致喷洒效率低下，因此研究如何合理规划作业航线是未来航空植保的研究热点之一。
3.植保无人机航线规划属于全覆盖路径规划范畴，其实质是按照某种既定的规则对目标区域进行全局覆盖，同时确保覆盖的精准度和完整度。目前，针对不规则农田区域以及含障区域的航线规划方法较理想化，离实际生产应用尚有较长的一段距离。


技术实现要素：

4.本发明主要研究不规则农田区域以及含障区域离线式全覆盖路径规划问题。通过线扫描法对整个区域进行线性扫描，从而降低喷洒作业的遗漏率和重复率。
5.为实现上述目的，本发明提出的一种基于全覆盖路径的植保无人机航线规划方法，包括以下步骤：
6.1)根据实际需求，归纳并总结合理的植保作业模式；
7.2)获取目标区域边界信息，构造环境坐标系，建立数学模型；
8.3)辨识目标区域基础形状，创建安全作业区域，确定最优作业航向；
9.4)采用线扫描法对目标区域进行全覆盖，规避障碍物，收集与各边界形成的交点并有序地存入航点链表中；
10.5)根据步骤2)3)和4)，采用线扫描法对目标区域进行全覆盖，能够得到合理的植保无人机作业路径。
11.2.根据权利要求1所述的一种基于全覆盖路径的植保无人机航线规划方法，其特征在于所述步骤1的具体过程如下：
12.植保无人机喷洒作业效果的评价标准主要包括作业效率和作业精准度两方面，作业效率主要受无人机飞行能力、载荷能力等影响，而作业精准度主要表现为遗漏率和重复率。常规的植保作业模式有螺旋式和牛耕往复式，考虑到实际飞行时无人机转弯次数和农药喷洒的遗漏率和重复率，最终选定牛耕往复式作为基础植保作业模式。
13.3.根据权利要求1所述的一种基于全覆盖路径的植保无人机航线规划方法，其特征在于所述步骤2的具体过程如下：
14.首先获取植保区域各边界点经纬度信息，采用高斯-克吕格地图投影方式，将多点之间的位置关系从经纬度转化为米制，转换后的米制坐标和可以表示为：
15.为了避免因高斯投影坐标系范围过大造成坐标值的数字位数过多而不方便计算，对目标区域构建基于高斯投影的局部平面坐标系。在高斯投影平面坐标系中，设作业区域为多边形，n为多边形的顶点个数，分别获取作业边界点的横坐标最小值与纵坐标最小值，设横、纵坐标分别小于和的一点为无人机的起始点。
16.4.根据权利要求1所述的一种基于全覆盖路径的植保无人机航线规划方法，其特征在于所述步骤3的具体过程如下：
17.4.1)辨识目标区域基础形状
18.考虑植保作业时由于实际农田形状不规则给植保无人机航线规划带来的不利影响，利用凹、凸多边形的自身性质，分别计算农田各边界点前后有向线段之间的方位角，对其角值范围进行约束，根据两者的差值的正负性对植保区域的形状和方向性进行判断。
19.4.2)创建安全作业区域
20.出于作业合理性和无人机作业安全性的考虑，创建安全作业区域，其中包括农田边界内缩和障碍物边界外扩，根据设定的安全距离确定缩放方位角和缩放系数，可以表示为：
21.4.3)确定最优作业航向
22.在直角坐标系中，确定农田各边界顶点与其相对的边界线段，利用点到直线的铅垂线距离公式计算出各顶点到其相对的边界线段的距离，利用最小值算法找出最短距离及其对应边界线段，最短距离可以表示为：
23.进一步，以最短距离对应的农田边界为实际作业航向，这样可以尽可能地减少转弯次数，减小无效损耗。
24.5.根据权利要求1所述的一种基于全覆盖路径的植保无人机航线规划方法，其特征在于所述步骤4的具体过程如下：
25.5.1)对整个植保区域进行坐标转换，方便研究
26.考虑到农田各边界相对于初始作业航向存在角度偏差而导致各边界点相对坐标表述不清晰的情况。通过坐标转换，以初始作业航向为轴的纵轴(轴)，各边界点坐标可以表示为：
27.其中，为各边界点转换前坐标，为旋转中心点，为旋转角度即偏差角；
28.5.2)采用线扫描法对整个植保区域进行全覆盖
29.输入作业喷幅，从起始点出发，以作为扫描线间距对目标区域进行全覆盖，利用二维空间中直线解析式的数学描述方法将目标区域各边界线段抽象为若干直线解析式，其纵坐标可以表示为：
30.其中，表示直线斜率，表示直线截距；
31.记录扫描线与各边界线的交点个数，直至交点个数再次变为0时停止扫描，在此过程中对各航点按某种规则有序收集，待植保区域全覆盖完成后发布至植保作业系统；
32.5.3)采用线性插补方法规避面积较小的点状或块状障碍物
33.考虑到农田中存在点状、块状障碍物，尤其是面积较小的部分，采用线性插补的方法，沿障碍物安全边界按顺序插补航点，绕过障碍物；
34.本发明提出一种基于全覆盖路径的植保无人机航线规划方法来解决植保作业路径自动生成的问题，首先通过市场调研和理论分析归纳总结出合理的植保作业模式，利用
高斯投影以及坐标系转换构建环境坐标系，然后分别从植保作业区域形状辨识、最优作业航向选择、全覆盖路径规划实现和障碍物规避等角度进行具体方法的阐述；
35.本发明提出的一种基于全覆盖路径的植保无人机航线规划方法，能够很好地降低当前植保作业农药喷洒的高遗漏率和高重复率，给未来植保无人机喷洒作业提供解决方案。
附图说明
36.图1为基于全覆盖路径的航线规划整体设计框图；
37.图2为牛耕往复式植保作业模式示意图；
38.图3为内螺旋式植保作业模式示意图；
39.图4为内螺旋植保作业模式实际覆盖率示意图；
40.图5为基于高斯投影的局部平面坐标系示意图；
41.图6为凹、凸多边形几何性质示意图；
42.图7为植保区域安全边界生成示意图；
43.图8为最优植保作业航向选择示意图；
44.图9为植保作业区域坐标转换示意图；
45.图10为线扫描法植保区域全覆盖示意图；
46.图11为植保作业航线自动生成框图；
47.图12为障碍物规避示意图。
具体实施方式
48.为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。本实施例中提供了一种基于全覆盖路径的植保无人机航线规划方法，如图1所示，包括如下步骤：
49.步骤一、根据实际需求，归纳并总结合理的植保作业模式
50.植保作业过程中，影响无人机覆盖作业优劣的主要因素包括遗漏覆盖、重复覆盖、多余覆盖、作业路程和转弯次数等，不同的作业模式对应的作业效果也不尽相同，常用的区域覆盖的作业模式主要有牛耕往复式和内螺旋式，原理如图2、图3所示；
51.假设图2、图3所示的植保作业区域基本参数一致，分别计算无人机覆盖作业路程、和转弯次数、：
52.其中，为作业区域长度，为宽度，为农药喷洒宽度，是向上取整公式。通过计算可得，两种方式的转弯次数与相同，作业路程与的差值约为，因此牛耕往复式作业航程较长，但由于无人机在植保作业时，转弯过程不喷药，因此采用内螺旋法会造成重复覆盖和遗漏覆盖现象，如图4所示。综合以上分析，采用牛耕往复式进行无人机植保作业更为合适；
53.步骤二、获取目标区域边界信息，构造环境坐标系，建立数学模型
54.首先获取植保区域各边界点经纬度信息，采用高斯-克吕格地图投影方式，将多点之间的位置关系从经纬度转化为米制，转换后的米制坐标和可以表示为：
55.在高斯投影平面坐标系中，如图5所示，设作业区域为多边形，n为多边形的顶点个数，分别获取作业边界点的横坐标最小值与纵坐标最小值，设横、纵坐标分别小于和的一点
为无人机的起始点；
56.步骤三、辨识目标区域基础形状，创建安全作业区域，确定最优作业航向
57.考虑植保作业时由于实际农田形状不规则给植保无人机航线规划带来的不利影响，利用凹、凸多边形的自身性质，分别计算农田各边界点前后有向线段之间的方位角，如图6所示。并对其角值范围进行约束得到，以此类推可以得到整个多边形各顶点前后有向线段的方位角，依次计算方位角差值，利用其正负性对植保区域的形状和方向性进行判断；
58.出于作业合理性和无人机作业安全性的考虑，创建安全作业区域，其中包括农田边界内缩和障碍物边界外扩，如图7所示，根据设定的安全距离确定缩放方位角和缩放系数，可以表示为：
59.如图8所示，在直角坐标系中，确定农田各边界顶点与其相对的边界线段，利用点到直线的铅垂线距离公式计算出各顶点到其相对的边界线段的距离，利用最小值算法找出最短距离及其对应边界线段，最短距离可以表示为：
60.根据步骤一中归纳的基础植保作业模式，当无人机选定作为作业航向时，整个喷洒任务过程中转弯次数较少，能够避免无人机因“减速-加速-减速”带来的无效损耗；
61.步骤四、采用线扫描法对目标区域进行全覆盖，规避障碍物，收集与各边界形成的交点并有序地存入航点链表中。
62.考虑到农田各边界相对于初始作业航向存在角度偏差而导致各边界点相对坐标表述不清晰的情况。如图9所示，通过坐标转换，以初始作业航向为轴的纵轴(轴)，各边界点坐标可以表示为：
63.其中，为各边界点转换前坐标，为旋转中心点，为旋转角度即偏差角。为了方便计算，根据农田边界点标号的顺序性将目标区域放置在坐标系第一象限或第四象限。
64.输入作业喷幅，从起始点出发，以作为扫描线间距对目标区域进行全覆盖，利用二维空间中直线解析式的数学描述方法将目标区域各边界线段抽象为若干直线解析式，其纵坐标可以表示为：
65.其中，表示直线斜率，表示直线截距；
66.考虑到农田中存在点状、块状障碍物，尤其是面积较小的部分，采用线性插补的方法，沿障碍物安全边界按顺序插补航点，绕过障碍物，如图10所示，按照1-2-3-4-5航线绕过障碍物，若障碍物面积较大可采用调整飞行高度的方式越过障碍物；
67.进一步地，如图11所示，记录扫描线与各边界线的交点个数，直至交点个数再次变为0时停止扫描，在此过程中对各航点按某种规则有序收集，待植保区域全覆盖完成后发布至植保作业系统，具体植保作业框图如图12所示。
68.步骤五、发布作业航点至植保作业系统中
69.根据步骤二、三和四，采用一种基于全覆盖路径的植保无人机航线规划方法，自动生成无人机作业航点，然后发布至植保作业系统中，这样能够很好地降低当前植保作业农药喷洒的高遗漏率和高重复率，给未来植保无人机喷洒作业提供解决方案。