CN105116911B - 无人机喷药方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种无人机喷药方法，包括步骤：获取飞行航线及飞行航线内每一作业对象的待喷药范围；按飞行航线依次飞往每一作业对象处；根据待喷药范围对该作业对象的整体进行喷药。本发明优化了喷药方式，注重了作业对象个体的喷药需求，针对每一作业对象整体均按其待喷药范围进行单独喷药，可保证喷药的范围覆盖每一作业对象需喷药的范围，满足作业对象的喷药需求。本发明的方法特别适用于对离散化种植的大型树苗的喷药作业。

Description

无人机喷药方法

技术领域

本发明涉及无人机作业技术领域，特别涉及一种无人机喷药方法。

背景技术

现有的无人机施药方案都是针对连续无间隔或者间隔较小的农田作物作为喷洒对象，并且所作业的对象往往比较矮小，只需要从作物的顶端向作物喷洒即可完成较高的喷药覆盖率。但对于离散且树木高大的树林，该方法无法对树苗进行完整的喷药作业，其原因在于所要喷洒的树苗非常高大(例如大型果树)，仅从顶部喷洒无法将药物大面积地覆盖树苗，由于大多数的树苗需要离散化种植，树与树间的间隔很大。如果采用现有的技术不仅无法完全的覆盖待喷洒的树苗，而且由于连续的喷洒会浪费药物还会破坏环境。

另外传统的人工作业方法都是从地面用喷头朝树苗喷洒，该方式也不能完整的覆盖树苗而且对人体会造成伤害。

发明内容

本发明的目的在于提供一种无人机喷药方法，可适用于离散化种植的大型树苗的喷药作业，解决现有技术中无法完全覆盖待喷洒树苗的问题。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种无人机喷药方法，包括步骤：

获取飞行航线及飞行航线内每一作业对象的待喷药范围；

按飞行航线依次飞往每一作业对象处；

根据待喷药范围对该作业对象的整体进行喷药。

优选地，所述“获取飞行航线及飞行航线内每一作业对象的待喷药范围”的步骤包括：

获取作业区域内各作业对象的坐标，所述坐标包括各作业对象的边缘点的坐标和中心点的坐标；

利用预设的路径规划算法将各作业对象的中心点连线生成所述飞行航线，将各作业对象的边缘点围合获得该作业对象的待喷药范围。

优选地，所述“获取作业区域内各作业对象的坐标”的步骤包括：

获取完整的作业区域的图像；

确定图像内各作业对象在图像中的边缘点坐标及中心点坐标；

根据各作业对象在图像中的边缘点坐标及中心点坐标确定各作业对象在现实中的边缘点坐标及中心点坐标。

优选地，所述“根据各作业对象在图像中的边缘点坐标及中心点坐标确定各作业对象在现实中的边缘点坐标及中心点坐标”的步骤中，采用成像的投影变换原理对各作业对象在图像中的边缘点坐标及中心点坐标进行坐标变换，从而确定各作业对象在现实中的边缘点坐标及中心点坐标。

优选地，所述“获取完整的作业区域的图像”的步骤包括：

将作业区域分割为多个部分，分别获取各个部分的图像；其中，作业区域分割出的多个部分中相邻的两部分具有重合区域；

对作业区域各部分的图像进行拼接，从而获取完整的作业区域的图像。

优选地，所述“根据待喷药范围对该作业对象的整体进行喷药”的步骤包括：

根据待喷药范围先对该作业对象的顶部进行喷药，再以螺旋下降的方式环绕作业对象飞行对该作业对象的其他待喷药位置进行喷药。

优选地，所述“根据待喷药范围对该作业对象的整体进行喷药”的步骤包括：

根据待喷药范围先对该作业对象的顶部进行喷药，再将作业对象的其他待喷药位置垂直划分为若干面，以沿作业对象升降的方式飞行对该作业对象的每一面进行喷药。

优选地，所述“根据待喷药范围对该作业对象的整体进行喷药”的步骤包括：

根据待喷药范围先对该作业对象的顶部进行喷药，再将作业对象的其他待喷药位置横向划分为若干面，以环绕作业对象飞行的方式飞行对该作业对象的每一面进行喷药。

优选地，所述“以环绕作业对象飞行的方式飞行对该作业对象的每一面进行喷药”的步骤中，每次环绕作业对象飞行的路径与作业对象待喷药范围的轮廓曲线相似。

优选地，所述“根据待喷药范围对该作业对象的整体进行喷药”的步骤包括：

根据所述待喷药范围确定对作业对象的整体进行喷药的作业路径；

根据作业路径依次对作业对象的顶部及其他待喷药位置进行喷药。

优选地，所述“根据所述待喷药范围确定对作业对象的整体进行喷药的作业路径”的步骤包括：

获取作业对象的高度数据，根据该高度数据与待喷药范围确定对作业对象的顶部进行喷药的初始路径；

根据初始路径及待喷药范围确定对作业对象的其他待喷药位置的喷药路径。

优选地，所述“获取作业对象的高度数据，根据该高度数据与待喷药范围确定对作业对象的顶部进行喷药的初始路径”的步骤包括：获取作业对象的至少一个极大高度值及各极大高度值所对应的极大高度值点，并利用预设的拟合公式生成穿过所述极大高度值点和所述待喷药范围的中心点的所述初始路径。

优选地，所述“根据待喷药范围对该作业对象的整体进行喷药”的步骤中，当飞行超出作业对象的待喷药范围时停止喷药。

由上述技术方案可知，本发明的优点和积极效果在于：本发明中，无人机在获取飞行航线时还获取作业区域内每一作业对象的待喷药范围，根据飞行航线飞行至任一作业对象处时，均根据待喷药范围对作业对象的整体进行喷药。相比于现有技术中仅对作业区域整体布洒存在无法兼顾每一作业对象的缺陷，本发明优化了喷药方式，注重了作业对象个体的喷药需求，针对每一作业对象整体均按其待喷药范围进行单独喷药，可保证喷药的范围覆盖每一作业对象需喷药的范围，满足作业对象的喷药需求。本发明的方法特别适用于对离散化种植的大型树苗的喷药作业。

进一步地，本发明的方法还可自动识别作业区域内的作业对象的位置及大小，并自动规划作业路径。

附图说明

图1是本发明无人机喷药方法优选实施例的流程示意图。

图2是本发明无人机喷药方法优选实施例中获取飞行航线及待喷药范围步骤的流程示意图。

图3是本发明无人机喷药方法优选实施例中获取作业区域内各作业对象坐标步骤的流程示意图。

图4是本发明无人机喷药方法优选实施例中对单个作业对象喷药步骤的流程示意图。

图5是本发明无人机喷药方法优选实施例中对单个作业对象喷药作业路径规划的流程示意图。

图6是本发明无人机喷药方法优选实施例中对单个作业对象喷药时采用的较优地的作业路径平面示意图。

图7是本发明无人机喷药方法优选实施例中对单个作业对象喷药时喷药半径与距离的关系示意图。

具体实施方式

体现本发明特征与优点的典型实施方式将在以下的说明中详细叙述。应理解的是本发明能够在不同的实施方式上具有各种的变化，其皆不脱离本发明的范围，且其中的说明及图示在本质上是当作说明之用，而非用以限制本发明。

本发明提供一种无人机喷药方法，尤其适用于离散化种植的大型树苗的喷药作业，下述实施例将以树林为作业区域、以树苗为作业对象进行具体介绍。

图1示意了本发明无人机喷药方法优选实施例的流程图。

该方法主要包括步骤：

S1：获取飞行航线及飞行航线内每一作业对象(即树苗)的待喷药范围。

S2：按飞行航线依次飞往每一作业对象(即树苗)处。

S3：根据待喷药范围对该作业对象的整体进行喷药。

根据上述方法，无人机从起点按飞行航线首先飞往第一棵树苗处，根据该树苗的待喷药范围对该树苗进行全面的喷药作业，完成该树苗的喷药作业后再根据飞行航线飞往下一棵树苗处实施喷药作业，重复该过程直至完成树林内所有树苗的喷药作业。

本发明的上述喷药方法中，注重了作业对象个体的喷药需求，针对每一作业对象整体均按其待喷药范围进行单独喷药，可保证喷药的范围覆盖每一作业对象需喷药的范围，满足作业对象的喷药需求，有效解决现有技术中仅对作业区域整体布洒无法兼顾每一作业对象的问题。

上述步骤S1中，无人机的飞行航线根据作业区域(即待喷药的树林)内的树苗的分布位置进行规划，飞行航线覆盖树林内的每一棵树苗。对于每一棵树苗，其待喷药范围依据该树苗的大小、形状而定；一般地，对于大型树苗而言，其待喷药范围往往为其树冠范围，必要时，还可能包括树苗的底部。

参阅图2，较优地，步骤S1包括：

S11：获取作业区域(即待喷药树林)内各作业对象(即树苗)的坐标，坐标包括各树苗的边缘点的坐标和中心点的坐标；各坐标可以是GPS坐标或北斗坐标等。中心点的坐标可以是人为标记而获取的，也可以是通过边缘点的坐标经计算而得到的。

S12：利用预设的路径规划算法将各树苗的中心点连线生成飞行航线；将各树苗的边缘点围合获得该树苗的待喷药范围。路径规划算法可采用最小路径规划法或其他可行的方法。

再参阅图3，进一步，上述步骤S11包括：

S111：获取完整的作业区域的图像。

该步骤S111中，可使无人机从树林的某点起飞，将该点记为实际原点，并记录起飞点的坐标为q_g(x_o,y_o)，将无人机上升到一定高度并利用无人机上携带的拍照设备对作业区域拍照，记该高度为原点高度，并记为H。

无人机尽量选择能够覆盖作业区域的点一次拍摄完成，但如果单次拍照无法完全覆盖即一张图片无法完全覆盖作业区域时，也可将作业区域分割成几个部分，分别对各个部分进行拍照，这个过程需要保证相邻的图像间有一定的重合区域，即作业区域分割出的几个部分之间相邻两部分具有重合区域，再将分开拍摄的图像使用图像拼接技术进行拼接，从而获取完整的作业区域的图像。

此处进行图像获取的无人机与后续进行喷药作业的无人机为同一架，但某些情形下也可利用其他的飞行器携带拍照设备进行拍摄。

S112：确定图像内各作业对象在图像中的边缘点坐标及中心点坐标。

该步骤S112中，以像平面坐标系作为图像坐标系，在图像中标记无人机起飞点(即实际原点)的像素位置为q_t(x_t,y_t)，并以该点为图像原点，该图像原点的坐标q_t(x_t,y_t)与实际原点的坐标q_g(x_o,y_o)对应。

使用图像分割的技术将图像中所有的树苗分割出来，记录每一颗树苗的边界像素坐标为q_b1(x₁,y₁),q_b1(x₂,y₂),...,q_b1(x_n,y_n)，根据各边界像素坐标通过求取重心或其他方法确定中心点像素的坐标为q_z1(x₁,y₁)，在某些情况下，中心点像素的坐标也可以直接通过人为标记划分出来。如果使用图像分割的方式无法完全的达到全部将树苗分割出来，可在图像分割之后人工检查是否存在遗漏并采用人工分割的方式补全。图像分割的过程也可以用人工分割替代。

S113：根据各作业对象在图像中的边缘点坐标及中心点坐标，确定各作业对象在现实中的边缘点坐标及中心点坐标。

按步骤S112获得各树苗在图像中的边缘点坐标及中心点坐标后，在本步骤S113中，即需要将图像中树苗的各特征点的坐标转换成实际坐标，坐标的转换可采用成像的投影变换原理进行，以下具体介绍。

首先，利用成像的投影变换原理来推导像素间的距离和实际距离的关系，各树苗的边缘点及中心点距实际原点的实际距离按以下公式计算：

其中，R为待求实际距离，r为图像中的点与图像原点的像素距离，H为原点高度，f为拍照设备的焦距。

以地面的实际起飞点(实际原点)作为地面参考坐标的原点，地面坐标系的X、Y轴与图像坐标系的X、Y轴方向一致，利用上述公式将图像坐标系中的点转换到地面参考坐标系中后，依据图像原点坐标与实际原点坐标的对应关系，即可将各树苗的边缘点、中心点在图像中的坐标转换为现实中的坐标。

根据上述步骤S111至S113得到各树苗的边缘点的坐标和中心点的坐标后，即可通过步骤12进行飞行航线的规划，同时获取树苗的待喷药范围。在一具体实施例中，可以无人机起飞点的坐标为起点，用最短路径规划法对每一个树苗的中心点的坐标连线即可得到规划的飞行航线。而对树苗的边缘点的坐标依次连线所形成的闭合曲线即为树苗的边缘形状，该闭合曲线包含的大小即为树苗的大小，树苗的待喷药范围则为该闭合曲线所围合的范围。

依照上述步骤S1，本发明可利用计算机视觉技术定位树苗的位置和大小，一则可对无人机的飞行航线进行自动规划，提高效率，二则确定了每一棵树苗的待喷药范围，为无人机喷药提供依据。

无人机在实施喷药作业时，从原点起飞，依据飞行航线并以略高于所有树苗的高度值作为初始高度开始飞行作业。

无人机到达待喷药的树苗处后，按照本发明喷药方法的步骤S3，对树苗的整体进行喷药。较优地，参阅图4，该步骤S3包括：

S31、根据树苗的待喷药范围确定对树苗的整体进行喷药的作业路径；

S32、根据作业路径依次对树苗的顶部及其他待喷药位置进行喷药。

根据该方法，针对单棵树苗，无人机首先获取能够满足单棵树苗喷药需求的作业路径，而后依据作业路径飞行并完成对单棵树苗的喷药作业。

参阅图5，作业路径的确定具体可采用以下步骤进行：

S311：获取作业对象的高度数据，根据该高度数据与待喷药范围确定对树苗的顶部进行喷药的初始路径。

S312：根据初始路径及待喷药范围确定对树苗的其他待喷药位置的喷药路径。

对于步骤S311，为了测量树苗的高度信息，可在无人机上安装测距装置，测距装置与喷头安装在一起，测距装置可采用如RGBD相机、TOF(Time offlight，飞行时间测距法)测距装置等。

在一优选实施例中，步骤S311具体为：获取树苗的至少一个极大高度值及各极大高度值所对应的极大高度值点，并利用预设的拟合公式生成穿过极大高度值点和待喷药范围的中心点的所述初始路径。

具体地，在树苗的待喷药范围内求取通过中心点的最长线段，并以此作为无人机测量高度的路径。无人机沿着上述路径飞向树苗，在无人机接近树苗时，测距装置以一定频率测量距离并记录每一次测量时的坐标，记录前M个极大值点。以这M个距离作为初始化极大距离，并记录当前每一个极大值点的坐标为G_M1，G_M2，…，G_MM,无人机朝中心点继续前进并穿越中心点直至飞出当前作业树苗的边界。在这个过程中，不断迭代求解M个极大值并将最终的M个极大值作为该树苗的M个极大高度，同时记录M个极大高度所对应的极大高度值点的坐标。其中，M的大小可通过求取二维高度的偏导数极值点个数来确定，也可以通过人工观测目标树苗有几个顶点来确定。根据树苗的形态，树苗的极大高度值可以为一个，也可以为多个，M≧1。无人机飞越当前待喷药树苗的区域后，即可获得树苗的M个极大高度值及对应的极大高度值点，根据这些极大高度值点及中心点进行拟合即得到一条通过中心点的曲线，无人机以该曲线作为初始路径以对树苗的顶部进行喷药作业。

对于步骤S312，对树苗除顶部的其他待喷药位置的喷药路径可规划为多种方式，能覆盖树苗的待喷药范围即可。

以下先介绍几种较优的作业路径。

在一实施例中，作业路径包括掠过树苗顶部的初始路径和环绕树苗螺旋下降的喷药路径。按照该作业路径，无人机先根据初始路径飞行对树苗的顶部进行喷药，再根据喷药路径以螺旋下降的方式环绕树苗飞行而对该树苗的其他待喷药位置进行喷药。

在另一实施例中，作业路径包括掠过树苗顶部的初始路径和逐次沿树苗升降的喷药路径。该作业路径中，将作业对象除顶部外的其他待喷药位置垂直划分成为若干面，在沿树苗升降的方向上掠过每一面的曲线即构成所述的喷药路径。按照该作业对象，无人机先根据初始路径飞行对树苗的顶部进行喷药，再按照喷药路径以沿树苗升降的方式飞行对树苗垂直划分出来的每一面进行喷药。

在又一实施例中，作业路径包括掠过树苗顶部的初始路径和环绕树苗并逐圈向外扩张的喷药路径。该作业路径中，将作业对象除顶部外的其他待喷药位置横向划分成为若干面，环绕树苗掠过每一面的曲线即构成所述的喷药路径。按照该作业路径，无人机先根据初始路径飞行对树苗的顶部进行喷药，再根据喷药路径以环绕树苗飞行的方式飞行对该树苗横向划分出来的每一面进行喷药。本实施例的作业路径的示意图如图6所示。

继续参阅图6，PT0表示初始路径，其通过树苗的中心点Z。根据该初始路径和树苗的待喷药范围规划喷药路径可按下述方式进行：由待喷药范围的轮廓曲线SP以喷药半径D_p为步长逐次缩小并向初始路径PT0逼近，当缩小后的曲线形状与初始路径PT0之间距离的最大值不大于喷药半径D_p时，即得到第一次环绕树苗飞行的喷药路径PT1。以喷药路径PT1为参考，以喷药半径D_p为步长，逐次向外扩张生成喷药路径PT2、……、PTN，直至能够覆盖树苗的待喷药范围。

本实施例中，每次环绕树苗飞行的喷药路径PT1、PT2、……、PTN与树苗的待喷药范围的轮廓曲线SP相似。按照这种作业路径对树苗进行喷药，可以获得较高的作业效率，并能保证满足对树苗整体进行喷药的需求。

较优地，在步骤S3中，当飞行超出树苗的待喷药范围时停止喷药。按照该方法，无人机在对某一棵树苗进行喷药作业时，如无人机飞行时喷药范围超出了该树苗的待喷药范围时，无人机的喷药喷头转换为关闭状态，例如图6所示的作业路径中，无人机沿喷药路径PTN飞行时，将有一部分路径(见中心线所示意的部分)落在树苗的待喷药范围轮廓曲线SP之外，此时，无人机会关闭喷头，避免在不必要的范围喷药。另外，无人机完成一棵树苗的喷药作业后飞往下一棵树苗开始喷药前的飞行途中，无人机的喷药喷头亦为关闭状态。这样可避免多余的喷药作业，节省农药的同时也避免对环境的破坏。

无人机对树苗喷药的过程中，根据实际需要调整喷头的角度。一般地，在对树苗顶部进行喷药时，可使喷头与测距装置均保持为竖直向下。在对树苗其他位置进行喷药时，可将喷头与测距装置调整至对地一定角度，该角度例如可为45°。

无人机沿喷药路径飞行并对树苗进行喷药时，通过测距装置保证无人机喷头与作业对象之间的安全距离。具体地，无人机通过测距装置实时测量与树苗的距离，根据该距离调整沿作业路径飞行的飞行高度，从而保证无人机喷头到作业对象之间的距离为设定的安全距离。

参阅图7，喷药半径D_p与无人机喷头到树苗之间的距离D_ps有以下关系：

D_p＝2D_pstanθ，其中，θ为喷头的喷药夹角。

其中这个距离是以无人机在每一个高度最初的距离来决定且这个距离必须大于工作的安全距离，最佳距离的确定原则是在保证喷药密度的条件下将该距离最大化，喷药密度需通过实验和经验来确定。

虽然已参照几个典型实施方式描述了本发明，但应当理解，所用的术语是说明和示例性、而非限制性的术语。由于本发明能够以多种形式具体实施而不脱离发明的精神或实质，所以应当理解，上述实施方式不限于任何前述的细节，而应在随附权利要求所限定的精神和范围内广泛地解释，因此落入权利要求或其等效范围内的全部变化和改型都应为随附权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种无人机喷药方法，其特征在于，包括步骤：

获取飞行航线及飞行航线内每一作业对象的待喷药范围，其中，作业对象离散化种植；

按飞行航线依次飞往每一作业对象处；

根据待喷药范围对该作业对象的整体进行喷药，所述“根据待喷药范围对该作业对象的整体进行喷药”的步骤包括：根据所述待喷药范围确定对作业对象的整体进行喷药的作业路径；根据作业路径依次对作业对象的顶部及其他待喷药位置进行喷药；

其中，所述“根据所述待喷药范围确定对作业对象的整体进行喷药的作业路径”的步骤包括：获取作业对象的高度数据，根据该高度数据与待喷药范围确定对作业对象的顶部进行喷药的初始路径；根据初始路径及待喷药范围确定对作业对象的其他待喷药位置的喷药路径；

并且，所述“获取作业对象的高度数据，根据该高度数据与待喷药范围确定对作业对象的顶部进行喷药的初始路径”的步骤包括：获取作业对象的至少一个极大高度值及各极大高度值所对应的极大高度值点，并利用预设的拟合公式生成穿过所述极大高度值点和所述待喷药范围的中心点的所述初始路径。

2.根据权利要求1所述的无人机喷药方法，其特征在于，所述“获取飞行航线及飞行航线内每一作业对象的待喷药范围”的步骤包括：

获取作业区域内各作业对象的坐标，所述坐标包括各作业对象的边缘点的坐标和中心点的坐标；

利用预设的路径规划算法将各作业对象的中心点连线生成所述飞行航线，将各作业对象的边缘点围合获得该作业对象的待喷药范围。

3.根据权利要求2所述的无人机喷药方法，其特征在于，所述“获取作业区域内各作业对象的坐标”的步骤包括：

获取完整的作业区域的图像；

确定图像内各作业对象在图像中的边缘点坐标及中心点坐标；

根据各作业对象在图像中的边缘点坐标及中心点坐标确定各作业对象在现实中的边缘点坐标及中心点坐标。

4.根据权利要求3所述的无人机喷药方法，其特征在于，

所述“根据各作业对象在图像中的边缘点坐标及中心点坐标确定各作业对象在现实中的边缘点坐标及中心点坐标”的步骤中，采用成像的投影变换原理对各作业对象在图像中的边缘点坐标及中心点坐标进行坐标变换，从而确定各作业对象在现实中的边缘点坐标及中心点坐标。

5.根据权利要求3所述的无人机喷药方法，其特征在于，所述“获取完整的作业区域的图像”的步骤包括：

将作业区域分割为多个部分，分别获取各个部分的图像；其中，作业区域分割出的多个部分中相邻的两部分具有重合区域；

对作业区域各部分的图像进行拼接，从而获取完整的作业区域的图像。

6.根据权利要求1所述的无人机喷药方法，其特征在于，所述“根据作业路径依次对作业对象的顶部及其他待喷药位置进行喷药”的步骤包括：

根据作业路径先对该作业对象的顶部进行喷药，再以螺旋下降的方式环绕作业对象飞行对该作业对象的其他待喷药位置进行喷药。

7.根据权利要求1所述的无人机喷药方法，其特征在于，所述“根据作业路径依次对作业对象的顶部及其他待喷药位置进行喷药”的步骤包括：

根据作业路径先对该作业对象的顶部进行喷药，再将作业对象的其他待喷药位置垂直划分为若干面，以沿作业对象升降的方式飞行对该作业对象的每一面进行喷药。

8.根据权利要求1所述的无人机喷药方法，其特征在于，所述“根据作业路径依次对作业对象的顶部及其他待喷药位置进行喷药”的步骤包括：

根据作业路径先对该作业对象的顶部进行喷药，再将作业对象的其他待喷药位置横向划分为若干面，以环绕作业对象飞行的方式飞行对该作业对象的每一面进行喷药。

9.根据权利要求8所述的无人机喷药方法，其特征在于，所述“以环绕作业对象飞行的方式飞行对该作业对象的每一面进行喷药”的步骤中，每次环绕作业对象飞行的路径与作业对象待喷药范围的轮廓曲线相似。

10.根据权利要求1-9任一项所述的无人机喷药方法，其特征在于，所述“根据待喷药范围对该作业对象的整体进行喷药”的步骤中，当飞行超出作业对象的待喷药范围时停止喷药。