應用於無人機植保的自動避障方法及系統與流程
2023-05-08 16:44:26 1
本發明涉及無人機植保領域，更具體地，涉及一種應用於無人機植保的自動避障方法及系統。
背景技術：
無人機植保即利用無人機進行農林植物保護作業，作業時通常採用自主飛行模式(即無人機根據設定的航線自動飛行或者由駕駛員通過遙控器控制無人機飛行。對於自主飛行模式而言，航線規劃是作業前一個重要的準備步驟。航線規劃指的是計算機軟體系統根據農田地塊的坐標(通常是地塊的平面投影坐標信息，計算出一條覆蓋整個地塊的合理的航線。航線通常是由在地塊內來回折返的多個航段組成，如圖1中的虛線所示(需要說明的是，地塊通常以多邊形的形式來表示，該多邊形在下文中也稱作地塊多邊形。
在進行航線規劃之前，需要考慮地塊內和地塊附近是否存在障礙物，以保證無人機安全飛行。根據調研，農田地塊內最常見的障礙物是電力線(如圖2中間的虛線所示，而農田地塊附近最常見的障礙物是樹木(通常是一排樹木，如圖2左側的虛線所示。為了保證無人機安全飛行，有時不僅要求無人機不能穿越障礙物，而且還必須根據障礙物的類型設定合理的緩衝區。例如，針對普通電力線需要設定10米的緩衝區(以電力線中心線為基準，針對樹木需要設定2米的緩衝區(以樹冠邊界為基準，臨近機耕道的地塊邊界一般也需要設定1米的緩衝區。在這種情況下，在規劃航線之前，必須先根據地塊內的障礙物對地塊進行任務區分割，並且在分割之後根據障礙物的緩衝區計算植保作業的有效任務區，經過這樣處理的有效任務區才是進行航線規劃的目標區域。
在無人機植保領域，目前一般採用人工判別的避障方法，也就是由業務員在電子地圖上根據地塊內障礙物的分布情況，用滑鼠勾繪任務區。然而，這種人工判別的避障方法存在以下幾個缺點：1、準確性差，用滑鼠勾繪任務區時很難精確給定某種類型障礙物的緩衝區，同一個地塊、相同類型障礙物的緩衝距離往往不同；2、效率低，無法實現批量、自動化處理。
技術實現要素：
為解決上述現有技術中存在的問題，根據本發明的一個方面，提供了一種應用於無人機植保的自動避障方法，包括：
步驟1，基於與地塊多邊形相交的線狀障礙物，將地塊多邊形分割為多個任務區；
步驟2，對於所述任務區，計算第一有效任務區和第二有效任務區；所述第一有效任務區的任一邊作為起始航段時，其外移噴幅寬度對應的邊界為無人機噴灑所允許達到的最大邊界；所述第二有效任務區的任一邊作為航段一端時，其延伸噴步寬度對應的邊界為無人機噴灑所允許達到的最大邊界；
步驟3，基於第一有效任務區計算起始航段和航段數量，基於各航段與第二有效任務區邊界的交點獲取各航段的端點。
優選地，步驟2中第一有效任務區的計算，具體為：
步驟201，對於所述任務區的每一條邊界線段，分別取對應邊界線段的緩衝距離與無人機噴幅之間的較大者作為對應邊界線段的第一有效緩衝距離，以得到對應邊界線段的第一有效緩衝區；
步驟202、將所述對應任務區減去其所有邊界線段對應的第一有效緩衝區，得到所述對應任務區的第一有效任務區。
優選地，在所述對應任務區附近存在鄰近障礙物的情況下，步驟202中在將所述對應任務區減去其所有邊界線段對應的第一有效緩衝區後，還包括：
將所述對應任務區減去該鄰近障礙物的緩衝區。
優選地，計算任務區的第二有效任務區包括：
步驟211、對於所述對應任務區的每一條邊界線段，分別取對應邊界線段的緩衝距離與無人機噴步之間的較大者作為對應邊界線段的第二有效緩衝距離，以得到對應邊界線段的第二有效緩衝區；
步驟212、將所述對應任務區減去其所有邊界線段的第二有效緩衝區，得到所述對應任務區的第二有效任務區。
優選地，在所述對應任務區附近存在鄰近障礙物的情況下，步驟212中在將所述對應任務區減去其所有邊界線段的第二有效緩衝區後，還包括：
將所述對應任務區減去該鄰近障礙物的緩衝區。
優選地，步驟3包括：
從任務區的第一有效任務區的邊界線中任選一條作為起始航段，根據設定航線間隔確定航段數量，並生成其他航段；
依據該任務區所獲取航段與第二有效任務區邊界的交點確定各航段的起點和終點，以起點和終點之間的直線段作為新的航段生成無人機植保航線。
優選地，步驟1包括：
計算地塊多邊形的邊界線段與障礙物的交點，得到地塊多邊形的邊界線段被障礙物分割後的線段；
由地塊多邊形的被分割後的線段與所述交點連線構成的障礙物邊界線段構成任務區。
優選地，還包括：
步驟0、對於特定地塊多邊形，判斷是否有障礙物將該特定地塊多邊形分割開，如果有則執行步驟1，否則將該特定地塊多邊形作為任務區執行步驟2。
本發明的另一方面，還提供了一種應用於無人機植保的自動避障系統，包括：
任務區分割模塊，配置為基於障礙物將地塊多邊形分割為多個任務區；
航線規劃模塊，配置為對所述任務區，基於權利要求1～8中任一項所述的方法計算第一有效任務區、第二有效任務區，並進一步計算無人機植保航線。
優選地，所述任務區分割模塊進行多個任務區分割的方法為：計算地塊多邊形的邊界線段與障礙物的交點，得到地塊多邊形的邊界線段被障礙物分割後的線段；由地塊多邊形的被分割後的線段與所述交點連線構成的障礙物邊界線段構成任務區。
本發明提供的應用於無人機植保的自動避障方法及系統能夠根據障礙物將地塊自動分割為多個任務區，能夠根據任務區邊界線段的緩衝距離以及無人機的噴幅和噴步自動計算有效任務區，提高了無人機避障方法的效率；此外，由於在計算有效任務區時綜合考慮了無人機的噴幅和噴步，因此還提高了無人機避障方法的準確性。
附圖說明
圖1示例性地示出地塊及覆蓋該地塊的航線；
圖2示例性地示出地塊內以及地塊附近的障礙物；
圖3是根據本發明一個實施例的應用於無人機植保的自動避障方法的流程圖；
圖4示例性地示出地塊多邊形以及將該地塊多邊形分割開的障礙物；
圖5示出對圖4中的地塊多邊形進行分割後得到的任務區；
圖6示例性地示出無人機的噴幅和噴步；
圖7是無人機沿障礙物邊界飛行的示意圖；
圖8是無人機朝向障礙物飛行的示意圖；
圖9示例性地示出任務區內的兩個有效任務區；
圖10示出根據圖9中的有效任務區規劃的航線。
具體實施方式
下面結合附圖和具體實施方式對本發明加以說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本發明，並不用於限定本發明。
根據本發明的一個實施例，提供一種應用於無人機植保的自動避障方法。
概括而言，該方法包括：基於障礙物將地塊多邊形分割為多個任務區；對於每個任務區，基於該任務區的邊界線段的緩衝區和無人機噴幅計算該任務區的第一有效任務區，並且基於該任務區的邊界線段的緩衝區和無人機噴步確定該任務區的第二有效任務區；以及，基於每個任務區的第一有效任務區和第二有效任務區規劃該任務區的航線。
下面結合圖3，對該應用於無人機植保的自動避障方法實施例進行詳細描述。
第一步：讀取地塊多邊形的坐標和障礙物的坐標，判斷是否有障礙物將該地塊多邊形分割開，若有則執行第二步，否則，將該地塊多邊形作為任務區執行第三步。
本領域技術人員應理解，判斷障礙物是否將地塊多邊形分割開的過程屬於計算幾何領域的公知常識，本文不再對此進行描述。
其中，對於地塊內常見的線狀障礙物(如電力線)而言，則可以判斷該線狀障礙物是否與地塊多邊形的兩條邊相交，如果相交，則說明該線狀障礙物分割開了該地塊多邊形。
第二步：根據障礙物將地塊多邊形進行分割，得到多個任務區，並且記錄任務區邊界類型。
在一個實施例中，可以計算地塊多邊形的邊界線段與障礙物的交點，從而得到該地塊多邊形的邊界線段被障礙物分割後的線段；由地塊多邊形的被分割後的線段與交點之間的障礙物邊界線段構成任務區。
下面以圖4所示的地塊多邊形及障礙物為例具體描述第二步，其中地塊多邊形頂點的坐標為M1-M5，障礙物頂點的坐標為Q1-Q2。
1、計算地塊多邊形的邊界線段(M1M2M3M4M5M1)與障礙物線段(Q1Q2)的交點P1和P2(應理解，線段之間求交是計算幾何領域的常規算法，本文不再進行描述)，根據交點P1和P2獲得地塊多邊形的邊界線段被障礙物分割後的兩條線段(P1M1M2M3P2)和(P2M4M5P1)，以及交點P1和P2之間的障礙物邊界線段(P1P2)。
2、根據分割後的邊界線段和交點間障礙物的邊界線段，組合得到2個閉合的任務區(P1M1M2M3P2P1)和(P2M4M5P1P2)，圖4分割後的任務區如圖5所示，包括任務區1和任務區2。
3、記錄任務區的邊界信息，例如可以為圖4左邊的任務區記錄兩條線段(P2M4M5P1)和(P1P2)，同時記錄邊界類型，例如線段(P2M4M5P1)是地塊邊界，而線段(P1P2)是電力線。
以上以圖4為例描述了根據一個障礙物將地塊多邊形分割為兩個任務區的方法，然而本領域技術人員應理解，在具有多個障礙物的情況下，分割任務區的方法也是類似的。
第三步：計算每個任務區的有效任務區。
在計算每個任務區的有效任務區時，不僅要考慮從任務區減去該任務區邊界線段的緩衝區和任務區附近的障礙物(也稱鄰近障礙物)的緩衝區，另外，還需要考慮無人機的噴幅和噴步，理由如下：
無人機的噴幅和噴步可參見圖6(其中帶箭頭的線表示噴步，另一條與之垂直的線表示噴幅)，無人機在噴灑農藥時，通過噴杆重點將農藥向兩側噴灑，這一範圍稱為噴幅；同時農藥在無人機前後方向上也有一定的噴灑範圍，稱為噴步。一般情況下，噴幅大於噴步。由於存在噴幅和噴步，因此無人機在地塊邊界航段上不需要沿著地塊邊界飛行，並且在航段首尾也不需要直接到達地塊邊界的終端。
在綜合考慮任務區邊界線段的緩衝區(包括鄰近障礙物的緩衝區)與無人機噴幅、噴步的情況下，以地塊內的障礙物的緩衝區為例，該緩衝區與無人機噴幅、噴步的關係可分為以下兩種情況：
(一)在無人機沿著障礙物邊界飛行的情況下(如圖7所示)，如果障礙物的緩衝距離大於噴幅，則無人機應該沿著障礙物的緩衝區邊界飛行；如果障礙物的緩衝距離小於噴幅，則無人機可以不沿著該障礙物的緩衝區邊界飛行，只要保證農藥噴灑到目標處即可，即無人機與障礙物的距離可以是其噴幅的大小。
(二)在無人機朝向障礙物飛行的情況下(如圖8所示)，如果障礙物的緩衝距離大於噴步，則無人機應該飛到該緩衝區邊界處折返；如果緩衝距離小於噴步，則無人機可以飛到離障礙物的距離為噴步大小時折返(即還沒進入緩衝區)，只要保證農藥噴灑到目標處即可。
基於上文的分析，為了區分無人機噴幅和噴步在航段左右和前後方向的影響，需要針對每個任務區計算有效任務區A和有效任務區B，有效任務區A的任一邊作為起始航段時，其外移噴幅寬度對應的邊界為無人機噴灑所允許達到的最大邊界；有效任務區B的任一邊作為航段一端時，其延伸噴步寬度對應的邊界為無人機噴灑所允許達到的最大邊界。其中，有效任務區A綜合考慮無人機噴幅和任務區邊界線段的緩衝區，有效任務區B綜合考慮無人機噴步和任務區邊界線段的緩衝區。
在一個實施例中，有效任務區A的計算步驟如下：
1、對於任務區的每一條邊界線段，取該邊界線段的緩衝距離與無人機噴幅之間的較大者作為該邊界線段的有效緩衝距離，計算該邊界線段的有效緩衝區。
舉例而言，如圖8所示，邊界線段(P1P2)的緩衝區如線段(P1P2)周圍一圈的虛線所示，邊界線段(P2M4M5P1)的緩衝區與之類似。
2、將該任務區減去其所有邊界線段的有效緩衝區。
3、在步驟2的基礎上，將該任務區再減去鄰近障礙物的緩衝區，例如圖8中左側虛線所表示的排樹的緩衝區。
有效任務區B的計算方法與A類似，唯一的區別是用噴步替代噴幅。
圖9給出了任務區內的兩個有效任務區的示例，其中有效任務區A的示意圖如圖9任務區1中的實線框所示，有效任務區B的示意圖如圖9任務區1中的虛線框所示。有效任務區A包含於有效任務區B中，它們的部分邊界可能重合。
第四步：根據有效任務區規劃航線。
在有效任務區A和有效任務區B的基礎上規劃航線。其中，有效任務區A用於確定任務區內航線的起始航段和航段數量，有效任務區B用於確定任務區內每條航段的起點和終點，具體為：從任務區的第一有效任務區的邊界線中任選一條作為起始航段，根據設定航線間隔確定航段數量，並生成其他航段；依據該任務區所獲取航段與第二有效任務區邊界的交點確定各航段的起點和終點，以起點和終點之間的直線段作為新的航段生成無人機植保航線。圖10給出了航線的示例。而規劃航線的方法可採用現有的無人機航線規劃方法，本文不再對此進行詳細描述。
根據本發明的另一個實施例，還提供一種應用於無人機植保的自動避障系統。該系統包括任務區分割模塊、航線規劃模塊。
其中，任務區分割模塊，配置為基於障礙物將地塊多邊形分割為多個任務區。航線規劃模塊，配置為對所述任務區，基於上述應用於無人機植保的自動避障方法計算第一有效任務區、第二有效任務區，並進一步計算無人機植保航線。
所述任務區分割模塊進行多個任務區分割的方法為：計算地塊多邊形的邊界線段與障礙物的交點，得到地塊多邊形的邊界線段被障礙物分割後的線段；由地塊多邊形的被分割後的線段與所述交點連線構成的障礙物邊界線段構成任務區。
本發明提供的應用於無人機植保的自動避障方法和系統能夠帶來如下幾個方面的有益效果：
1、能夠根據障礙物將地塊自動分割為多個任務區，並且能夠根據任務區邊界線段的緩衝區以及無人機的噴幅和噴步自動計算有效任務區，這提高了避障效率；
2、在計算有效任務區時，綜合考慮無人機的噴幅和噴步，使得避障更為精準。
所屬技術領域的技術人員可以清楚地了解到，為描述的方便和簡潔，上述描述的系統的具體工作過程及有關說明，可以參考前述方法實施例中的對應過程，在此不再贅述。
本領域技術人員應該能夠意識到，結合本文中所公開的實施例描述的各示例的模塊及方法步驟，能夠以電子硬體、計算機軟體或者二者的結合來實現，為了清楚地說明電子硬體和軟體的可互換性，在上述說明中已經按照功能一般性地描述了各示例的組成及步驟。這些功能究竟以電子硬體還是軟體方式來執行，取決於技術方案的特定應用和設計約束條件。本領域技術人員可以對每個特定的應用來使用不同方法來實現所描述的功能，但是這種實現不應認為超出本發明的範圍。
至此，已經結合附圖所示的優選實施方式描述了本發明的技術方案，但是，本領域技術人員容易理解的是，本發明的保護範圍顯然不局限於這些具體實施方式。在不偏離本發明的原理的前提下，本領域技術人員可以對相關技術特徵作出等同的更改或替換，這些更改或替換之後的技術方案都將落入本發明的保護範圍之內。