植保無人機階段化飛行作業的打藥方法與流程
2023-08-03 23:15:36 2
本發明屬於植保無人機打藥作業技術領域。
背景技術：
無人機空中作業時，面臨著山脈、建築物、樹木、輸電線路等有形障礙物的安全威脅。因此，針對低空作業飛行無人機的安全保護，研究障礙物自動避讓機制具有非常重要的實際意義，並且所涉及的無人機自動避障系統已或將成為無人機系統中的重要組成部分。現有技術的無人低空作業，作業效果並非很理想，尚有很多實用性的問題需要解決。
技術實現要素：
發明目的：為了克服現有技術中存在的不足，本發明提供一種植保無人機階段化飛行作業的打藥方法，打藥作業效果好，可靠性高。
技術方案：為實現上述目的，本發明的技術方案如下：
植保無人機階段化飛行作業的打藥方法，包括以下步驟：
步驟一：連接無人機；建立地面站與無人機通信關係；
步驟二：無人機解鎖；通過地面站給無人機發送解鎖命令，使無人機進入解鎖狀態；
步驟三：起步；地面站給無人機發送起飛命令，無人機收到命令後給地面站發送確認信號命令，並根據設置好的高度飛行到起飛點的上空，隨後懸停等待指令；
步驟四：進入航線規劃；地面站給無人機發送進入「航線打藥規劃區域」命令，無人機收到命令後向地面站發送確認信號命令，飛行到「航線打藥規劃區域」的第一個航點位置，隨後豎直升高/降低到「航線打藥規劃區域」中設置正常打藥作業高度，隨後懸停等待指令；
步驟五：巡航作業；地面站給無人機發送開始作業的命令，無人機收到命令後地面站發送確認信號命令，並按照規劃好的「航線打藥規劃區域」開始作業，直至到達最後一個航點後懸停等待指令；
步驟六：返航；地面站給無人機發送返航的命令，無人機收到命令後給地面站發送確認命令，並返航到HOME點，等待懸停等待指令；
步驟七：降落；地面站給無人機發送降落的命令，無人機收到命令後給地面站發送確認信號命令並降落。
上述作業過程中，根據「航線打藥規劃區域」，實時改變打藥速率，噴藥速率最小可降低為0；無人機飛行作業至「航線打藥規劃區域」的邊界線時，需要轉彎調頭飛行；無人機轉彎調頭沿邊界線飛行的過程中，打藥速率低於正常作業打藥時的速率，打藥速率下降後的速率最小值為0。
步驟三至步驟七中的任一步驟，還包括從屬的緊急迫降步驟；地面站發送緊急迫降命令至無人機，無人機收到命令後向地面站發送確認信號命令後，無人機直線下降至地面；該緊急迫降步驟根據需要人為觸發。
若「航線打藥規劃區域」內出現飛行打藥過程中地面直接設置的障礙物，且飛行打藥過程中的飛行高度低於或等於地面直接設置的障礙物時，步驟五中的巡航作業在「航線打藥規劃區域」內通過「爬升式避障打藥規劃路徑」進行避障作業，具體如下：無人機飛行狀態下，通過無人機自帶的傳感器獲取「航線打藥規劃區域」內地面直接設置障礙物的地理位置，以地面直接設置障礙物地理位置和高度邊界建立虛擬的障礙物多邊形柱體，定義障礙物多邊形柱體的內部區域為無人機禁止飛行區域，障礙物多邊形柱體的外部為無人機允許飛行區域；將障礙物多邊形柱體的內、外部定義數據傳輸至地面站，無人機通過內置的衛星定位模塊和高度傳感器實時採集無人機當前的經度、緯度和高度，並將無人機的當前經度、維度和高度發送至地面站，地面站結合障礙物多邊形柱體的內、外部定義數據以及無人機當前空間位置得出無人機與障礙物多邊形柱體的立體空間關係，並計算出「爬升式避障打藥規劃路徑」，地面站將計算出的「爬升式避障打藥規劃路徑」傳輸至無人機，實現無人機的自動避障打藥作業過程。
所述「爬升式避障打藥規劃路徑」的計算方法如下：
1)根據直接地面設置障礙物的佔地投影最大面積的二維地理邊界，用直線段相切繪製形成閉合多邊形障礙物邊界輪廓線，所用直線段的數量為N，N≥3；
2)以障礙物邊界輪廓線的每條邊向障礙物外側平移安全距離S1，形成閉合的第一避障邊界線，以第一避障邊界線的每條邊向外繼續平移S2，作為爬升飛行打藥過渡的水平距離，形成閉合的第二避障邊界線；S2≥S1；
3)無人機向上爬升飛行的高度位置為H，H＝虛擬的障礙物多邊形柱體的高度+與直接地面設置障礙物頂部豎直方向安全飛行通過間距；
4)無人機飛行過程中，無人機內置衛星定位模塊檢測到無人機所處的經緯度位置進入第二避障邊界線內，無人機由水平方向飛行，改為坡度方向爬升飛行，坡度方向爬升飛行的路徑為無人機初次進入第一避障邊界線至爬升至H高度後正好進入第二避障邊界線之間的垂直方向連線；上升坡度方向爬升飛行過程中，無人機打藥速率有水平方向正常打藥速率勻減速至0；
5)無人機停止打藥進入第一避障邊界線內，水平飛越直接地面設置障礙物頂部，直至無人機內置衛星定位模塊檢測到無人機所處的經緯度位置離開第一避障邊界線，無人機由水平飛行，改為坡度方向下降飛行，坡度方向下降飛行的路徑為無人機初次離開第一避障邊界線至下降至正常飛行高度後正好進入第二避障邊界線之間的垂直方向的連線；下降坡度方向飛行過程中，無人機打藥速率由0勻增速至正常打藥速率；
6)無人機進入正常打藥飛行高度後，按照正常打藥速率打藥，並繼續水平方向作業飛行。
若「航線打藥規劃區域」內出現飛行打藥過程中地面直接設置的障礙物，且飛行打藥過程中的飛行高度高於地面直接設置的障礙物時；無人機飛行過程中，當無人機的正常作業打藥高度高於地面直接設置的障礙物頂部時，無人機內置衛星定位模塊檢測到無人機所處的經緯度位置初次進入第二避障邊界線內直至初次進入第一避障邊界線內的飛行過程中，無人機的打藥速率由正常打藥速率勻減速至0；直至飛越地面直接設置的障礙物頂部，無人機內置衛星定位模塊再次檢測到無人機所處的經緯度位置初次離開第一避障邊界線內直至初次離開第二避障邊界線內的飛行過程中，無人機的打藥速率由0勻增速向正常打藥速度增加，然後繼續水平方向作業飛行。
若「航線打藥規劃區域」內出現飛行打藥過程中地面騰空設置的障礙物，且飛行打藥過程中的飛行高度高於地面騰空設置的障礙物頂部時，具體如下：
無人機飛行過程中，當無人機的正常作業打藥高度高於地面騰空設置的障礙物頂部時，無人機內置衛星定位模塊檢測到無人機所處的經緯度位置初次進入第二避障邊界線內直至初次進入第一避障邊界線內的飛行過程中，無人機的打藥速率由正常打藥速率勻減速至0；直至飛越地面騰空設置的障礙物頂部，無人機內置衛星定位模塊再次檢測到無人機所處的經緯度位置初次離開第一避障邊界線內直至初次離開第二避障邊界線內的飛行過程中，無人機的打藥速率由0勻增速向正常打藥速度增加，然後繼續水平方向作業飛行。
若「航線規劃」區域內出現飛行打藥過程中地面騰空設置的障礙物，且飛行打藥過程中的飛行高度低於地面騰空設置的障礙物時，無人機繼續在「航線打藥規劃區域」內保持水平方向打藥作業飛行。
若「航線打藥規劃區域」內出現飛行打藥過程中地面騰空設置的障礙物，且飛行打藥過程中的飛行高度等於地面騰空設置的障礙物時，無人機按照所述「爬升式避障打藥規劃路徑」作業飛行。
飛行打藥過程中，無人機的飛行高度高於地面騰空設置的障礙物h1或低於地面騰空設置的障礙物h2範圍內，無人機統一識別為飛行高度等於地面騰空設置的障礙物。
有益效果：
1、分階段飛行可以使用戶更加清晰的判斷植保無人機當前應該有的行為，起步時可以判斷定高是否準確，進入航線不需要打藥，巡航作業需要打藥，返航不需要打藥，降落前可以判斷當前降落點是否準確，地面情況是否適合降落，可以降低飛行事故的風險。
2、無人機轉彎調頭沿邊界線飛行的過程中，打藥速率低於正常作業打藥時的速率，打藥速率下降後的速率最小值為0。轉彎調頭過程中減少打藥速率，第一層面上可以杜絕農藥的浪費，第二層面上可以避免噴藥過多引起「燒苗」現象。
3、充分利用第一避障邊界線和第二避障邊界線之間的階段化分解爬升避障和分解打藥速率步驟，節約農藥，降低農藥對障礙物的腐蝕破壞，同時也提升了障礙物和無人機各自的安全係數。
附圖說明
附圖1為本發明無人機階段化飛行作業的流程圖；
附圖2為障礙物邊界線二維示意圖；
附圖3為「航線打藥規劃區域」內無人機作業路徑實施例一；
附圖4為「航線打藥規劃區域」內無人機作業路徑實施例二。
具體實施方式
下面結合附圖對本發明作更進一步的說明。
如附圖1，為本發明無人機分階段飛行作業的流程圖。
植保無人機階段化飛行作業的打藥方法，包括以下步驟：
步驟一：連接無人機；建立地面站與無人機通信關係；
步驟二：無人機解鎖；通過地面站給無人機發送解鎖命令，使無人機進入解鎖狀態；
步驟三：起步；地面站給無人機發送起飛命令，無人機收到命令後給地面站發送確認信號命令，並飛行到「航線打藥規劃區域」中設置的HOME點，隨後懸停等待指令；
步驟四：進入航線規劃；地面站給無人機發送進入「航線打藥規劃區域」命令，無人機收到命令後向地面站發送確認信號命令，豎直升高到「航線打藥規劃區域」中設置正常打藥作業高度，隨後懸停等待指令；所述正常打藥作業高度高於HOME點所處位置的高度；
步驟五：巡航作業；地面站給無人機發送開始作業的命令，無人機收到命令後地面站發送確認信號命令，並按照規劃好的「航線打藥規劃區域」開始作業，直至到達最後一個航點後懸停等待指令；如附圖3和4所示。
步驟六：返航；地面站給無人機發送返航的命令，無人機收到命令後給地面站發送確認命令，並返航到HOME點，等待懸停等待指令；
步驟七：降落；地面站給無人機發送降落的命令，無人機收到命令後給地面站發送確認信號命令並降落。
上述作業過程中，根據「航線打藥規劃區域」，實時改變打藥速率，噴藥速率最小可降低為0；無人機飛行作業至「航線打藥規劃區域」的邊界線時，需要轉彎調頭飛行；無人機轉彎調頭沿邊界線飛行的過程中，打藥速率低於正常作業打藥時的速率，打藥速率下降後的速率最小值為0。若在此時依然按照正常流量噴灑，則會造成農藥的浪費，還會因為噴藥過多引起「燒苗」。
步驟三至步驟七中的任一步驟，還包括從屬的緊急迫降步驟；地面站發送緊急迫降命令至無人機，無人機收到命令後向地面站發送確認信號命令後，無人機直線下降至地面；該緊急迫降步驟根據需要人為觸發。
若「航線打藥規劃區域」內出現飛行打藥過程中地面直接設置的障礙物，且飛行打藥過程中的飛行高度低於或等於地面直接設置的障礙物時，步驟五中的巡航作業在「航線打藥規劃區域」內通過「爬升式避障打藥規劃路徑」進行避障作業。本發明所稱謂的地面直接設置的障礙物，包括房屋、高塔、草堆等與地面直接堆砌而成的障礙物，具體的避障打藥作業如下：
無人機飛行狀態下，通過無人機自帶的傳感器獲取「航線打藥規劃區域」內地面直接設置障礙物的地理位置，以地面直接設置障礙物地理位置和高度邊界建立虛擬的障礙物多邊形柱體，定義障礙物多邊形柱體的內部區域為無人機禁止飛行區域，障礙物多邊形柱體的外部為無人機允許飛行區域；將障礙物多邊形柱體的內、外部定義數據傳輸至地面站，無人機通過內置的衛星定位模塊和高度傳感器實時採集無人機當前的經度、緯度和高度，並將無人機的當前經度、維度和高度發送至地面站，地面站結合障礙物多邊形柱體的內、外部定義數據以及無人機當前空間位置得出無人機與障礙物多邊形柱體的立體空間關係，並計算出「爬升式避障打藥規劃路徑」，地面站將計算出的「爬升式避障打藥規劃路徑」傳輸至無人機，實現無人機的自動避障打藥作業過程。
所述「爬升式避障打藥規劃路徑」的計算方法如下：
1)根據直接地面設置障礙物的佔地投影最大面積的二維地理邊界，用直線段相切繪製形成閉合多邊形障礙物邊界輪廓線，所用直線段的數量為N，N≥3；
2)如附圖2，以障礙物邊界輪廓線的每條邊向障礙物外側平移安全距離S1，形成閉合的第一避障邊界線，以第一避障邊界線的每條邊向外繼續平移S2，作為爬升飛行打藥過渡的水平距離，形成閉合的第二避障邊界線；S2≥S1，有效保障與障礙物打藥的安全距離的基礎之上，充分的第一避障邊界線與第二避障邊界線之間的間距，保障無人機的爬升過程的打藥效果，儘量減少由於障礙物的存在，打藥作業效果差的不良後果；
3)無人機向上爬升飛行的高度位置為H，H＝虛擬的障礙物多邊形柱體的高度+與直接地面設置障礙物頂部豎直方向安全飛行通過間距；所述的安全風險通過間距根據障礙物本身的具體形態和屬性而定。
4)無人機飛行過程中，無人機內置衛星定位模塊檢測到無人機所處的經緯度位置進入第二避障邊界線內，無人機由水平方向飛行，改為坡度方向爬升飛行，坡度方向爬升飛行的路徑為無人機初次進入第一避障邊界線至爬升至H高度後正好進入第二避障邊界線之間的垂直方向連線；上升坡度方向爬升飛行過程中，無人機打藥速率有水平方向正常打藥速率勻減速至0；
5)無人機停止打藥進入第一避障邊界線內，水平飛越直接地面設置障礙物頂部，直至無人機內置衛星定位模塊檢測到無人機所處的經緯度位置離開第一避障邊界線，無人機由水平飛行，改為坡度方向下降飛行，坡度方向下降飛行的路徑為無人機初次離開第一避障邊界線至下降至正常飛行高度後正好進入第二避障邊界線之間的垂直方向的連線；下降坡度方向飛行過程中，無人機打藥速率由0勻增速至正常打藥速率；
6)無人機進入正常打藥飛行高度後，按照正常打藥速率打藥，並繼續水平方向作業飛行。
若「航線打藥規劃區域」內出現飛行打藥過程中地面直接設置的障礙物，且飛行打藥過程中的飛行高度高於地面直接設置的障礙物時；無人機飛行過程中，當無人機的正常作業打藥高度高於地面直接設置的障礙物頂部時，無人機內置衛星定位模塊檢測到無人機所處的經緯度位置初次進入第二避障邊界線內直至初次進入第一避障邊界線內的飛行過程中，無人機的打藥速率由正常打藥速率勻減速至0；直至飛越地面直接設置的障礙物頂部，無人機內置衛星定位模塊再次檢測到無人機所處的經緯度位置初次離開第一避障邊界線內直至初次離開第二避障邊界線內的飛行過程中，無人機的打藥速率由0勻增速向正常打藥速度增加，然後繼續水平方向作業飛行。
若「航線打藥規劃區域」內出現飛行打藥過程中地面騰空設置的障礙物，本發明所稱謂的地面騰空設置的障礙物包括電纜、橋體等，電纜、橋體的下方可供無人機直接飛行。飛行打藥過程中的飛行高度高於地面騰空設置的障礙物頂部時，具體如下：無人機飛行過程中，當無人機的正常作業打藥高度檢測到高於地面騰空設置的障礙物頂部時，無人機內置衛星定位模塊檢測到無人機所處的經緯度位置初次進入第二避障邊界線內直至初次進入第一避障邊界線內的飛行過程中，無人機的打藥速率由正常打藥速率勻減速至0；直至飛越地面騰空設置的障礙物頂部，無人機內置衛星定位模塊再次檢測到無人機所處的經緯度位置初次離開第一避障邊界線內直至初次離開第二避障邊界線內的飛行過程中，無人機的打藥速率由0勻增速向正常打藥速度增加，然後繼續水平方向作業飛行。
若「航線規劃」區域內出現飛行打藥過程中地面騰空設置的障礙物，且飛行打藥過程中的飛行高度低於地面騰空設置的障礙物時，無人機繼續在「航線打藥規劃區域」內保持水平方向打藥作業飛行。
若「航線打藥規劃區域」內出現飛行打藥過程中地面騰空設置的障礙物，且飛行打藥過程中的飛行高度等於地面騰空設置的障礙物時，無人機按照所述「爬升式避障打藥規劃路徑」作業飛行。
飛行打藥過程中，無人機的飛行高度高於地面騰空設置的障礙物h1或低於地面騰空設置的障礙物h2範圍內，無人機統一識別為飛行高度等於地面騰空設置的障礙物，這種情況的設定，為了防止無人機的撞擊或者影響地面騰空障礙物上的情況，比如地面騰空障礙物為高架橋(高架橋具備一定的載體厚度及高架橋載體上部的車輛通行)。
以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出：對於本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護範圍。