无人机喷洒的作业路径规划方法及装置与流程

1.本技术涉及植保无人机给药喷雾器领域，更具体地说，它涉及一种无人机喷洒的作业路径规划方法及装置。


背景技术：

2.作为新型农业机械设备，无人机尤其是旋翼类无人机不仅具有尺寸小、操控灵活、起降无需跑道、可悬停等特点，已被运用在农田施肥、喷药等领域。
3.随着gis与gps技术的普及和传感技术的发展，具有自主作业功能的植保无人机系统势必成为发展趋势。植保无人机在喷施作业中，需要喷施的范围通常为矩形，将需要喷施作业路径总长度设为g，无人机单架次作业最长路径长度设为gm。目前的无人机控制均以药液耗尽为中途返航依据，但是当n-1《g/gm《n，n为整数且n≥2时，仅仅采用以药液耗尽为中途返航依据时就容易造成能量浪费，有待改进。


技术实现要素：

4.为了改善无人机喷洒容易能量浪费的情况，本技术提供一种无人机喷洒的作业路径规划方法及装置。
5.本技术提供的一种无人机喷洒的作业路径规划方法，采用如下的技术方案：一种无人机喷洒的作业路径规划方法，所述无人机单架次作业最长路径长度为gm，包括以下步骤：基于作业区域、无人机工作起始点、无人机喷施幅宽和栅格法以获得作业路线信息，作业路线信息包括作业路径总长度g；在n-1《g/gm《n，n为整数且n≥2的情况下，基于枚举法获得多个返航方案，每个返航方案均包括n-1个返航点；计算每个返航方案的中途返航路线总长度，并输出中途返航路线总长度为最短的返航方案。
6.通过上述技术方案，通过输出总长度最短的返航方案作为作业路径，节省了无人机的行程，降低了无人机的能耗，减少了能量浪费，实现了节能的效果。
7.可选的，在基于作业区域、无人机工作起始点、无人机喷施幅宽和栅格法以获得作业路线信息步骤中，还包括：构建作业环境坐标图，以无人机起始工作点为原点建立直角坐标系，其x轴、y轴一一对应平行于作业区域的两条垂直边界线；所述无人机的喷施幅宽为2d，所述栅格法的栅格边长为d，将作业区域划分成f
×
h个栅格，基于全覆盖路径规划的往复式方法以获得所述作业路线信息。
8.通过上述技术方案，通过构建作业环境坐标图，方便获取各点的信息，将无人机的喷施幅宽为2d，栅格法的栅格边长为d，在构建作业路径时可以沿着栅格边界移动，方便路线规划。
9.可选的，所述作业路线信息包括作业路径，将整个作业路径表示为点集w，w由多个子点集组成，分别为w4k-3、w4k-2、w4k-1、w4k4，w表示为w＝∑(w4k-3+w4k-2+w4k-1)+∑w4k(1)；各子点集的表达式为：对于点集w上的任一点(xn，yn)，无人机到达此点时已完成的作业路径长度gn的计算公式为
10.通过上述技术方案，通过坐标点方便对于已完成作业路径长度gn的信息获取。
11.可选的，还包括：当用gk表示无人机在执行第k次返航操作时已完成的总作业距离；用gk+1-gk表示无人机经过第k次中途返航后到下一次返航前所作业的距离时，获得式(4)如下在返航次数不变的条件下，利用式(3)与式(4)得到中途返航点的选取区间，根据选取区间获得多个返航方案。
12.通过上述技术方案，先得到返航点的选取区间，然后根据选取区间进行枚举返航方案，使得数据获取更加简便。
13.可选的，设无人机到达第i个中途返航点坐标为(x
′
i，y
′
i)，所述中途返航路线总长度l＝2∑{sqrt(x
′
i2+y
′
i2)}。
14.通过上述技术方案，方便对中途返航路线总长度的计算。
15.可选的，在g》gm且g能被gm整除的情况下，控制无人机单架次作业路径长度等于gm。
16.通过上述技术方案，此时g/gm＝n，n为整数。说明经过n次满载喷施恰好可完成整
个区域的作业，在最小返航次数n-1次的约束下，每架次植保无人机在药液耗尽时即刻返航。
17.可选的，作业过程中，长度为hd的路径段称作一个作业单元，所述无人机运转到作业区域边界时需转弯并进入下一个作业单元，其中转弯过程不喷药。
18.通过上述技术方案，首先转弯过程中不喷药，一方面减少了药液浪费。另一方面，无人机实际飞行时，由于gps定位存在一定的误差，同时液体药液会使无人机整体重心不稳，再加上风的作用，使飞行线路发生偏移，使得实际无人机单架次作业最长路径长度会超过设定的gm，转弯过程不喷药的设定可以形成喷药余量，可以补偿路线偏移导致的多余喷药的情况，使得路线规划的可行性更高。
19.可选的，点(xn，yn)配置有作业信息，所述作业信息包括无人机到达此点时已完成的作业路径长度、无人机的剩余能量和与起始点的距离，在任何时刻判断所剩能量是否不小于返航所需能量。
20.通过上述技术方案，确保任何情况下无人机能够顺利返航。
21.本技术还提供了一种无人机喷洒的作业路径规划装置，包括：存储器，用于存储作业区域信息、无人机工作起始点信息、无人机喷施幅宽和作业路径规划程序；处理器，在运行所述作业路径规划程序时执行上述任一项所述的无人机喷洒的作业路径规划方法的步骤。
22.综上所述，本技术包括以下至少一种有益技术效果：(1)通过输出总长度最短的返航方案作为作业路径，节省了无人机的行程，降低了无人机的能耗，减少了能量浪费，实现了节能的效果；(2)通过转弯过程不喷药的设定可以形成喷药余量，可以补偿路线偏移导致的多余喷药的情况，使得路线规划的可行性更高。
附图说明
23.图1为实施例的构建作业环境坐标图的示意图；图2为实施例的作业路径的示意图；图3为实施例的假定中途返航点的示意图；图4为实施例的点集w的示意图；图5为实际作业第1次飞行试验路径示意图；图6为实际作业第1次飞行试验数据表；图7为实际作业第2次飞行试验路径示意图；图8为实际作业第2次飞行试验数据表。
具体实施方式
24.以下结合附图对本技术作进一步详细说明。
25.设无人机的续航时间为tu(无人机的最长飞行时间)，作业时间为tz，行程时间为tx(行程时间指的是无人机进入作业区域和返航等非作业情况下所消耗的飞行时间)，最长喷雾时间为tp，其中续航时间tu≥tz+tx，tp≥tz。
26.如果无人机单次作业便可完成整个区域的喷雾工作，则无需进行中途返航，否则需要进行中途返航蓄药，传统植保无人机执行中途返航操作的依据主要是耗药量，即tz＝tp，当药液消耗完毕后即刻返航，但这种方式没有从能量角度考虑返航路线的规划，仅是每架次满载、药液喷完即刻返航，没有预先对作业架次数和每架次载药喷药量进行合理安排，显得不够全面。且在实际作业中，整个作业区域的总喷药时间t往往并不是tp的整数倍，这说明并不需要无人机每架次都要药箱满载和完全喷施。
27.本技术实施例公开一种无人机喷洒的作业路径规划方法。
28.在整个作业工作之前，预先计算出作业的总耗药量和最小架次数，从节约能耗和保证最少架次数的角度出发，合理分配各架次载药和喷药量，并选取合适的中途返航点，最终规划出较优的返航路线，以减少无人机在非作业情况下的能耗。
29.实施例：一种无人机喷洒的作业路径规划方法，无人机单架次作业最长路径长度为gm，喷洒幅宽为2d，包括以下步骤：s1，基于作业区域、无人机工作起始点、无人机喷施幅宽和栅格法以获得作业路线信息，作业路线信息包括作业路径和作业路径总长度g。
30.具体的，先确定作业区域的大小、形状和边界坐标，然后根据喷施幅宽自动生成相应的作业路线、得到作业路径总长度来安排架次数、喷药量和返航点，因此，需要先构建作业环境坐标图。常用的环境地图构建方法有拓扑地图法、栅格地图法和几何特征法。由于无人机的喷施作业属于全覆盖路径规划范畴，各条作业路线相互平行或垂直，相邻平行路线的距离均为无人机喷施幅宽，因此采用栅格法对工作区域进行划分，可得到无人机的作业路径。
31.步骤s1中包括：构建作业环境坐标图，以无人机起始工作点为原点建立直角坐标系，其x轴、y轴一一对应平行于作业区域的两条垂直边界线；无人机的喷施幅宽为2d，栅格法的栅格边长为d，将作业区域划分成f
×
h个栅格，基于全覆盖路径规划的往复式方法以获得所述作业路线信息。
32.如图1所示，一个矩形工作区域，长宽分别为fd和hd，o为无人机起始工作点，同时无人机也需要中途返回此点进行药液补充和蓄能。将此作业区域进行栅格法划分，栅格边长为d，划分成f
×
h个栅格，并以o为原点建立直角坐标系，其x轴、y轴一一对应平行于作业区域的两条垂直边界线，且y轴重合于作业区域的对应界线。
33.参见图2，由于作物种植方式和生长方式等原因，无人机始终是按照头朝前方的方向进行往复喷施，因此采用全覆盖路径规划中的往复式方法作为无人机作业时的行走方式。可得到无人机的作业路径，沿着箭头表示的方向依次行进，w0为无人机进入作业区域的初始点，w1为无人机完成整个作业工作后的返航点，长度为hd的纵向段称作一个作业单元，当无人机作业到地块边界时需转弯并进入下一个作业单元，其中转弯过程并不喷药。
34.s2，中途返航点规划：参见图3，l1为无人机从起始点第1次进入作业区域的飞行航线，l2为无人机完成作业后的返航航线，s1、s2为可能的中途返航点，返航点与原点o的连线称为中途返航路线。
35.设无人机作业飞行速度为v，最长喷雾时间为tm，g为作业路径的总长度，单架次作
业的最长路径长度为gm＝vtm。假定无人机飞行距离与能耗成正比，即通过飞行距离来反映无人机的能耗情况。
36.参见图4，将整个作业路径表示为点集w，w由多个子点集组成，分别为w
4k-3
、w
4k-2
、w
4k-1
、w
4k
4，w表示为w＝∑(w
4k-3
+w
4k-2
+w
4k-1
)+∑w
4k
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(1)；中途返航点的选择不仅要考虑尽可能少的返航次数，而且往返途中的路径也要尽可能地达到最短。
37.各子点集的表达式为：对于点集w上的任一点(xn，yn)，点(xn，yn)配置有作业信息，作业信息包括无人机到达此点时已完成的作业路径长度、无人机的剩余能量和与起始点的距离，在任何时刻判断所剩能量是否不小于返航所需能量。无人机到达点(xn，yn)时已完成的作业路径长度gn的计算公式为在g》gm且g能被gm整除的情况下，控制无人机单架次作业路径长度等于gm。经过n次满载喷施恰好可完成整个区域的作业，在最小中途返航次数n-1次的约束下，每架次植保无人机在药液耗尽时即刻返航。
38.在n-1《g/gm《n，n为整数且n≥2的情况下，说明经过n次施药可完成整个区域的作业，所需中途返航次数为n-1次，如果不经航线规划、单以药液耗尽为中途返航依据，当无人机到达第i个中途返航点(x
′
i，y
′
i)时，已完成的作业路径长度g
′
i＝igm，i＝1，2，...，n-1。如式(3)所示，由于g
′
i的计算公式为分段函数，对于不同子点集的表达式并不相同，因此先假设(x
′
i，y
′
i)为子点集w4k-3的元素，即g
′
i＝y
′
i+[2(k-1)(h+2)-1]d，且x
′
i＝(4k-3)d，求y
′
的实数解，并验证(x
′
，y
′
)是否符合假设。如果符合，得到有效解，否则在其他子点集中继续求解判断。最终得到第i个返航点(x
′
i，y
′
i)的值，进而可得到n-1个返航点的坐标。在保证最小架次数的情况下，以药液耗尽为返航依据得到的返航路径未必就是能耗最优或次优解，因为在满足最少返航次数n-1的条件下，返航点的选取并不唯一，有
gk表示无人机在执行第k次返航操作时已完成的总作业距离；gk+1-gk表示无人机经过第k次中途返航后到下一次返航前所作业的距离。
[0039]
在返航次数不变的条件下，单架次作业所喷施的药量是一个区间值，可通过调整各架次的喷药量来选择合适的中途返航点，利用式(3)与式(4)得到返航点的选取区间，根据选取区间基于枚举法获得多个返航方案，每个返航方案均包括n-1个返航点。枚举法的距离间隔可以采用d、d/2、d/3甚至更小。
[0040]
s3，设无人机到达第i个中途返航点坐标为(x
′
i，y
′
i)，中途返航路线总长度l＝2∑{sqrt(x
′
i2+y
′
i2)}。计算每个返航方案的中途返航路线总长度，并输出中途返航路线总长度为最短的返航方案，以获得返航路线规划的能耗较优解。
[0041]
以实际实施为例，植保无人机，空机质量13kg，农药容器容量16l，电池容10000ma
·
h，续航时间33min，作业速度3～8m/s，最大起飞质量29kg，最长喷雾时间15min。
[0042]
试验在一块50m
×
50m的方形田块进行，通过手持gps测得了田块4个顶点a、b、c、d的经纬度坐标，初始点o位于d点正南方向2.5m处，设无人机的作业幅宽为5m，单架次最长作业距离gm为400m。根据4个顶点的gps坐标，通过栅格法快速获取到沿ad方向的往复作业路线，作业路线总长度g为545m，以o点为原点建立直角坐标系，其中x轴与y轴分别平行于cd与ad。利用本航线规划算法对无人机的返航路线进行规划，得到最少返航次数n为1，返航点在oxy坐标系的坐标为(17.5m，2.5m)。分别进行2次飞行试验，使用机载gps实时记录无人机的飞行航线轨迹。
[0043]
如图5所示，第1次是每架次植保无人机在药液耗尽时即刻返航的规划，当药液耗尽立即返航，待补充完药液和能量后返回返航点继续作业。将无人机飞行轨迹的经纬度信息转换成oxy坐标系对应的坐标，其中曲线为实际作业与飞行航线，点p为实际中途返航点，点p到o的连线为其对应的中途返航路线。
[0044]
试验结果如图6表中所示，实际作业路线总长度gz为533.4m，实际飞行路线总长度gf为690.7m。
[0045]
如图7所示，第2次试验是经过路径规划算法规划航线的喷药作业，曲线为实际作业的飞行航线，点p1为实际中途返航点，点p1到o的连线为其对应的中途返航路线。
[0046]
试验结果如图8表中所示，实际作业路线总长度gz为532.6m，实际飞行路线总长度gf分别为619.3m，实际返航点坐标为(17.4m，3.7m)。
[0047]
与第1次药液耗尽时即刻返航规划的作业相比，第2次节省了71.4m的飞行距离，实现了节能的目的。
[0048]
再参见图5和图7，2次作业均与理论航线存在一定偏差，第2次作业的实际返航点p1也与理论返航点发生了偏移，而且无人机经常出现提前或滞后转弯的现象，这主要由于gps定位存在一定的误差，同时液体药液会使无人机整体重心不稳，再加上风的作用，使飞行线路发生偏移。转弯过程不喷药的设定可以形成喷药余量，可以补偿路线偏移导致的多余喷药的情况，形成补偿余量，使得实际的喷施作业与规划的匹配性更高。
[0049]
本技术还提供了一种无人机喷洒的作业路径规划装置，包括：存储器，用于存储作业区域信息、无人机工作起始点信息、无人机参数和作业路径规划程序。作业区域信息包括矩形作业区域四个顶点的经纬度，无人机工作起始点信息为起始点的经纬度，经纬度通过gps或北斗定位实现。无人机参数包括无人机喷施幅宽d、续航时间、作业速度以及最长作业时间。
[0050]
处理器，在运行作业路径规划程序时执行上述无人机喷洒的作业路径规划方法的步骤。
[0051]
以上均为本技术的较佳实施例，并非依此限制本技术的保护范围，故：凡依本技术的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本技术的保护范围之内。

技术特征：
1.一种无人机喷洒的作业路径规划方法，所述无人机单架次作业最长路径长度为gm，其特征在于：包括以下步骤：基于作业区域、无人机工作起始点、无人机喷施幅宽和栅格法以获得作业路线信息，作业路线信息包括作业路径总长度g；在n-1<g/gm<n，n为整数且n≥2的情况下，基于枚举法获得多个返航方案，每个返航方案均包括n-1个返航点；计算每个返航方案的中途返航路线总长度，并输出中途返航路线总长度为最短的返航方案。2.根据权利要求1所述的无人机喷洒的作业路径规划方法，其特征在于：在基于作业区域、无人机工作起始点、无人机喷施幅宽和栅格法以获得作业路线信息步骤中，还包括：构建作业环境坐标图，以无人机起始工作点为原点建立直角坐标系，其x轴、y轴一一对应平行于作业区域的两条垂直边界线；所述无人机的喷施幅宽为2d，所述栅格法的栅格边长为d，将作业区域划分成f
×
h个栅格，基于全覆盖路径规划的往复式方法以获得所述作业路线信息。3.根据权利要求2所述的无人机喷洒的作业路径规划方法，其特征在于：所述作业路线信息包括作业路径，将整个作业路径表示为点集w，w由多个子点集组成，分别为w4k-3、w4k-2、w4k-1、w4k4，w表示为w＝∑(w4k-3+w4k-2+w4k-1)+∑w4k(1)；各子点集的表达式为：对于点集w上的任一点(xn，yn)，无人机到达此点时已完成的作业路径长度gn的计算公式为4.根据权利要求3所述的无人机喷洒的作业路径规划方法，其特征在于：还包括：当用gk表示无人机在执行第k次中途返航操作时已完成的总作业距离；用gk+1-gk表示
无人机经过第k次中途返航后到下一次返航前所作业的距离时，获得式(4)如下在返航次数不变的条件下，利用式(3)与式(4)得到中途返航点的选取区间，根据选取区间获得多个返航方案。5.根据权利要求1所述的无人机喷洒的作业路径规划方法，其特征在于：设无人机到达第i个中途返航点坐标为(x
′
i，y
′
i)，所述中途返航路线总长度l＝2∑{sqrt(x
′
i2+y
′
i2)}。6.根据权利要求1所述的无人机喷洒的作业路径规划方法，其特征在于：在g>gm且g能被gm整除的情况下，控制无人机单架次作业路径长度等于gm。7.根据权利要求2所述的无人机喷洒的作业路径规划方法，其特征在于：作业过程中，长度为hd的路径段称作一个作业单元，所述无人机运转到作业区域边界时需转弯并进入下一个作业单元，其中转弯过程不喷药。8.根据权利要求3所述的无人机喷洒的作业路径规划方法，其特征在于：点(xn，yn)配置有作业信息，所述作业信息包括无人机到达此点时已完成的作业路径长度、无人机的剩余能量和与起始点的距离，在任何时刻判断所剩能量是否不小于返航所需能量。9.一种无人机喷洒的作业路径规划装置，其特征在于，包括：存储器，用于存储作业区域信息、无人机工作起始点信息、无人机参数和作业路径规划程序，所述无人机参数包括无人机喷施幅宽；处理器，在运行所述作业路径规划程序时执行权利要求1-8任一项所述的无人机喷洒的作业路径规划方法的步骤。

技术总结
本申请公开了一种无人机喷洒的作业路径规划方法及装置，涉及植保无人机给药喷雾器领域，所述无人机单架次作业最长路径长度为Gm，包括以下步骤：基于作业区域、无人机工作起始点、无人机喷施幅宽和栅格法以获得作业路线信息，作业路线信息包括作业路径总长度G；在n-1<G/Gm<n，n为整数且n≥2的情况下，基于枚举法获得多个返航方案，每个返航方案均包括n-1个返航点；计算每个返航方案的中途返航路线总长度，并输出中途返航路线总长度为最短的返航方案。通过输出总长度最短的返航方案作为作业路径，节省了无人机的行程，降低了无人机的能耗，减少了能量浪费，实现了节能的效果。实现了节能的效果。实现了节能的效果。


技术研发人员：陈国 李骏
受保护的技术使用者：浙江文信机电制造有限公司
技术研发日：2023.05.04
技术公布日：2023/7/12