CN106547276A - 自动喷洒回字形路径规划方法及植保机喷洒作业方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种自动喷洒回字形路径规划方法，包括：S101，植保无人机逐个获取农田四个顶点的位置坐标，并确定作业时的高度值；S102，计算各个内角的角平分线，并在各角平分线上分别确定出距离四条边的距离等于预设的喷洒间距的新的四个点的位置坐标；S103，迭代计算，将上述四个点确定为新四边形的四个顶点，并根据S102的规则算出新的四个点，直到获得的新四边形的某一边及其对边的长小于等于两倍的喷洒间距，并得到该边中点位置坐标及其对边的中点位置坐标；S104，按照预设的规则将各个位置坐标顺序连接，形成回字形路径，完成路径规划。通过该路径喷洒药物，可以降低飞手的工作强度，也可以提高植保无人机的喷洒效率。
Description
技术领域
本发明涉及植保无人机技术领域，尤其涉及一种自动喷洒回字形路径规划方法及植保机喷洒作业方法。
背景技术
近年来，无人机的市场蓬勃发展，应用领域也越来越广泛，农业就是其中一个巨大的市场。中国作为农业大国，18亿亩基本农田，每年需要大量的人员从事农业植保作业，然而，农村青壮年劳动力逐渐稀缺，人力成本日益增加，而且由于农药对人体伤害较大，农业需要从新型农机上找出路，而植保无人机就是一个很好的解决方案。四旋翼植保无人机具有作业高度低，可悬停，无需专用起降机场，旋翼产生的向下气流有助于增加雾流对作物的穿透性，防治效果高，远距离遥控操作，喷洒作业人员避免了暴露于农药的危险，提高了喷洒作业安全性等诸多优点。另外，植保无人机的喷洒技术采用喷雾喷洒方式至少可以节约50％的农药使用量，节约90％的用水量，这将很大程度的降低资源成本。
目前植保无人机主要是依靠专业飞手的手动操控来实现喷洒作业，但是由于每天几百亩地的喷洒任务对飞手的要求很高，因此实现植保无人机的自动喷洒功能是很有必要的。
现如今，实现植保无人机自动喷洒的技术不多，有一些需要人为的去采集一块田地的边界点，然后才能计算出喷洒路径。针对不同的农田，需要不停的人为去采集，这样会大大降低喷洒效率；另外，也有一些只是采集两个点，然后让植保无人机根据这两个边界点进行横移作业，这种方法只能适用于方正的农田，而且如果采集的两点有一点偏差，会使得整个喷洒路径偏出农田，造成漏喷和浪费，而且当喷洒结束时需要人为的去判断、停止植保无人机。而且，采用横移的作业方法，会使得植保无人机在作业过程中不停的加速、减速，同事横移时还会使得边界重复喷洒，一方面降低了效率，另一方面也使得农作物被二次喷洒，影响喷洒效果。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术之不足而提供一种自动喷洒回字形路径规划方法，通过回字形的喷洒药物，一方面，可以降低飞手的工作强度，另一方面也可以提高植保无人机的自动喷洒效率。
为实现上述目的，本发明提供一种自动喷洒回字形路径规划方法，包括：
S101，植保无人机逐个获取待作业的四边形农田的四个顶点的位置坐标，并确定植保无人机的作业高度，将该四个顶点作为任务点；
S102，若步骤S101中的四边形中有一边及其对边的边长均小于或等于两倍的喷洒间距，按照预设规则将所有任务点顺序连接，形成回字形路径，完成路径规划；
若否，执行以下步骤；
S103，将步骤S101中的四边形作为参照四边形，计算其四个内角的角平分线，并在各角平分线上分别确定出一个点，该四个点距离对应角两边的距离等于喷洒间距，将该四点作为任务点；
S104，若步骤S103中确定的四个点作为顶点构成的四边形中有一边及其对边的边长均小于或等于两倍的喷洒间距，则将该边的中点及其对边的中点作为任务点，按照预设规则将所有任务点顺序连接，形成回字形路径，完成路径规划；
若否，则将步骤S103中确定的四个点作为顶点形成一四边形，将该四边形作为参照四边形并返回步骤S103。
优选的，S101具体为，由飞手手动模式下控制植保无人机依次飞到农田的四个顶点A、B、C、D，通过遥控器的开关控制，使得植保无人机飞控***获得采集坐标的指令，从而并获得这四个顶点的GPS位置坐标，通过这四个顶点确定农田的四条边界。
优选的，在采集任一顶点的时候，将植保无人机飞到指定高度，并采集这个高度值，将这个高度作为自动喷洒时的作业高度值。
优选的，S101还包括以下步骤：
步骤1，以植保无人机解锁时的GPS位置坐标作为原点，并以所述原点作为坐标系原点O，以朝向正南为x轴正方向，以朝向正西为y轴正方向，将四个顶点的位置坐标转换成以米为单位的x/y坐标；
步骤2，利用欧拉坐标系转换矩阵，定义四边形农田的四个顶点分别为A、B、C、D，并将所述A点设为坐标原点，将向量方向设为该X/Y坐标系的X轴正方向，垂直于向量且朝向C点和D点侧的方向为Y轴正方向，将x/y坐标系转换为X/Y坐标系。
优选的，所述欧拉矩阵为：α为向量与x轴的夹角；X/Y坐标系下的坐标由以下公式计算：四个点在X/Y坐标系下的坐标：(XA，YA)，(XB，YB)，(XC，YC)，(XD，YD)；(XA，YA)＝(0，0)。
优选的，路径规划完成后，将所有的所述任务点的位置坐标通过坐标系逆变换，从X/Y坐标系转换为x/y坐标系，然后再转换成经纬度坐标。
优选的，喷洒间距与作业高度值存在正相关关系，在一定范围内，所述作业高度越高，所述喷洒间距越大。
优选的，喷洒间距为2至4米。
优选的，各任务点的位置坐标存储在植保无人机的飞控***中。
优选的，预定规则为，将所有任务点由外至内按顺时针螺旋或者逆时针螺旋依次连接。
本发明还提供一种植保机喷洒作业方法，包括如下步骤：
S1，采用上述任一项所述的一种自动喷洒回字形路径规划方法进行路径规划；
S2，植保机按照S1中规划出的路径进行喷洒作业。
本发明还提供一种植保机，采用一种自动喷洒回字形路径规划方法进行喷洒作业。也就是说，一种自动喷洒回字形路径规划方法应用在植保机上。植保机是植保无人机的简称。
本发明的有益效果是：
本设计可以通过植保无人机本身的采点来代替人为走到边界的采点方式，从而可以减少人为的工作量和减少喷洒作业的准备时间；同时，本设计可以实现不规则地形的四边形田地的喷洒路径规划，覆盖性强，更加精确，可以满足更多不同田地的需求；另外，相比于横移的喷洒作业方法，本“回”字形的路径规划方法的总体路径长度更短，转弯次数更少，转弯角度也更小，减少了减速、加速的时间，而且也解决了横移法易偏斜导致漏喷和横移时边界重复喷洒等问题，进一步提高了喷洒效率。
本发明可以针对不规则的四边形田地进行自动路径的规划。通过植保无人机飞到边界端点对位置坐标及高度的采集，计算、规划出合理的“回”字形路径。
附图说明
图1是本发明第一实施例中通过采集农田四个端点而获得的农田的四条边界的示意图。
图2是图1在x/y坐标系下的示意图。
图3是求图2角平分线的几何示意图。
图4是图3的绘图结果，通过绘制角平分线求得新的四个端点。
图5是反复执行图3、图4得到的路径规划。
图6是本发明一实施例的流程框图。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
实施例一
参考图6，本实施例提供一种自动喷洒回字形路径规划方法，使得无人机喷洒不规则四边形农田时效率高，避免重复喷洒和漏喷，特别适用于最短边和最短边的对边长度相差不是特别大的四边形农田，包括：
S101，植保无人机逐个获取待作业的四边形农田的四个顶点的位置坐标，并确定植保无人机的作业高度，将该四个顶点作为任务点。
具体请参阅图1，首先，由飞手手动模式下控制植保无人机依次飞到待作业农田的四个顶点A、B、C、D，通过遥控器的开关控制，使得飞控***获得采集坐标的指令，从而获得这四个点的GPS位置坐标，GPS位置坐标也可以称为经纬度坐标。通过这四个点可以确定农田的四条边界。并且在采集第四个端点D的时候，要将植保无人机飞到指定高度，并采集这个高度值，这样之后规划出来的路径，就以这个高度作为自动喷洒时的作业高度H。
在其他实施例中，也可以在采集顶点A、顶点B或者顶点C的时候，要将植保无人机飞到指定高度，并采集这个高度值，将其作为作业高度H。
S101还包括以下步骤：
步骤1，由于飞控***在植保无人机解锁的时候，会存储植保无人机当时的GPS位置坐标作为植保无人机的原点，以这个原点作为坐标系原点O，以朝向正南为x轴正方向，以朝向正西为y轴正方向。可以将上述采集到的四个点的GPS经纬度坐标转换成以米为单位的x/y坐标系。如图1所示。
步骤2，为简化后续的算法，利用欧拉坐标系转换矩阵，将x/y坐标系转换为新的X/Y坐标系，X/Y坐标系以A点为坐标原点，并将向量方向设为该X/Y坐标系的X轴正方向，垂直于向量且朝向C点和D点侧的方向为Y轴正方向，C点和D点置于Y轴正方向上，即分布在第一或第二象限。如图2所示。
欧拉矩阵为：α为向量与x轴的夹角；
X/Y坐标系下的坐标由以下公式计算：
其中，xA，yA是A点在x/y坐标系下的坐标，(x,y)为x/y坐标系下的任意一点的坐标，(X，Y)为X/Y坐标系下的任意一点坐标。
通过这个公式，我们可以得到在X/Y坐标系下，A点、B点、C点和D点的坐标：
(XA，YA)，(XB，YB)，(XC，YC)，(XD，YD)；(XA，YA)＝(0，0)；
其中，在X/Y坐标系下，A点坐标为(XA，YA)，B点坐标为(XB，YB)，C点坐标为(XC，YC)，D点坐标为(XD，YD)，由于X/Y坐标系下的原点为A点，所以，A点的坐标为(0，0)。
S102，若步骤S101中的四边形中有一边及其对边的边长均小于或等于两倍的喷洒间距，按照预设规则将所有任务点顺序连接，形成回字形路径，完成路径规划；
若否，执行步骤S103。
在本实施例中，由于采集的时候，无人机最后是悬停在第D点，所以我们按照D→C→B→A的顺序储存任务点，任务点的个数统计为4。
S103，将步骤S101中的四边形作为参照四边形，计算其四个内角的角平分线，并在各角平分线上分别确定出一个点，该四个点距离对应角两边的距离等于喷洒间距，将该四点作为任务点。
步骤S103-1，将四边形农田作为参照四边形，计算以A,B,C,D四点为端点的四边形各个内角的大小。首先，计算各边向量与轴的夹角:然后计算出四边形的四个内角:αABC，αBCD，αCDA，αDAB。
步骤S103-2，取四个内角的角平分线，通过步骤S102-1的角度计算，可以计算出各个内角角平分线相对于X轴的夹角βA，βB，βC，βD；
步骤S103-3，根据角平分线的特性，可以计算出在角平分线的四点，使得它们到相对应的角的两边的距离正好等于我们规定喷洒间距。喷洒间距是在一定高度下具体测量得出。由于无人机喷洒出的药液下落时路径形成圆锥体，因此在一定范围内，作业高度越高，喷洒间距越大，但是由于多种因素的影响，没有具体的计算关系。作业的高度值和喷洒间距需根据具体情况而设定。在本实施例中，最优的喷洒间距为2-4米。
步骤S103-4，把新的D′、C′、B′、A′四点按顺序存储起来，并排列在之前存储的任务点之后，然后任务点的个数统计加4。
参考图3和图4，分别得出四边形各个内角的角平分线。由于角平分线上的点距离两角边的距离是相等的，所以根据角平分线的特点，可以在四边形内部计算出4个计算的任务点A′、B′、C′、D′，使得它们距离其对应的角边的距离等于植保机预设的喷洒间距。
一般植保无人机喷洒时有两个或者四个喷头，喷洒间距是指植保无人机喷洒作业时，所有喷头的药物覆盖区域边长。
S104，若步骤S103中确定的四个点作为顶点构成的四边形中有一边及其对边的边长均小于或等于两倍的喷洒间距，则将该边的中点及其对边的中点作为任务点，按照预设规则将所有任务点顺序连接，形成回字形路径，完成路径规划；
若否，则将步骤S103中确定的四个点作为任务点，将该四个点作为顶点形成一四边形，将该四边形作为参照四边形并返回步骤S103。
步骤S104-1，以步骤S103中确定的任务点A′、B′、C′、D′作为顶点构成四边形，先检查新的四边形的四条边长，判断是否出现一条边及其对边的边长均小于或等于两倍的喷洒间距。
如果四条边长均大于的喷洒间距，则按照S103的方法获取新的任务点。每添加一个新的四边形，任务点个数都在原有基础上增加4个，并按顺序存储。
如果新的四边形中出现一条边及其对边的长度均小于或等于两倍的喷洒间距，则终止迭代，取该四边形的该边中点的位置坐标及其对边的中点的位置坐标，作为植保无人机的任务点。
步骤S104-2，按照预设的规则将所有的任务点顺序连接，形成回字形路径，完成路径规划。
步骤S104-3，把起飞原点存储，相当于，最后让植保无人机回到起飞点待定悬停。
预定规则为：将所有任务点由外至内按顺时针螺旋或者逆时针螺旋依次连接。即形成参照四边形的四个任务点顺时针或者逆时针不封闭连接，起点为在同一内角平分线上的任务点，终点为同在另一内角平分线上的任务点，外层的四边形的终点与相邻的内层四边形的起点相连接，最后一个四边形的终点与最后一个四边形的一边的中点(任务点)连接，最后一个四边形的一边的中点与最后一个四边形该边的对边的中点(任务点)连接，各任务点之间的连线不相互重叠。
例如：顺时针螺旋连接时，最外层的四个的任务点顺时针不封闭连接，即D连接C，C连接B，B连接A。每一个四边形的四个任务点均顺时针连接，并以在角D的角平分线上的任务点为起点，在角A的角平分线上的任务点为终点，外层的四边形的在角A的角平分线上的任务点与相邻的内层的四边形的在角D的角平分线上的任务点连接，以ABCD四边形和A’B’C’D’四边形为例，ABCD四边形D的任务点A连接A’B’C’D’四边形的任务点D’，如此规律的连接，形成一个顺时针向内螺旋的形状。如图5所示。
逆时针螺旋连接时，最外层的四个的任务点逆时针不封闭连接，D连接A，A连接B，B连接C，每一个四边形的四个任务点均逆时针连接，并以在角D的角平分线上的任务点为起点，在角C的角平分线上的任务点为终点，外层的四边形的在角C的角平分线上的任务点与相邻的内层的四边形的在角D的角平分线上的任务点连接，以ABCD四边形和A’B’C’D’四边形为例，ABCD四边形D任务点C连接A’B’C’D’四边形的任务点D’，如此规律的连接，形成一个逆时针向内螺旋的形状。
采用本发明的喷洒路径，基本上可以消除重复喷洒和漏喷的现象，虽然，无人机从倒数第二个任务点飞到最后一个任务点时，在最后的的四边形内部存在有重复喷洒的区域，但是，这种重复喷洒的地方只有在最短边和最短边的对边的长度相差比较大时，即四边形农田类似三角形，才会有较大的重复喷洒的区域，实际中，一般的农田不会出现这种情况，并且当四边形农田的最短边与最短边的对边长度相差不太大时，无人机按照规划的路径喷洒到最后两点时，重复喷洒到的农田基本可以忽略不计。
因此，本发明的方法适用于无人机喷洒不规则四边形农田，特别是最短边与最短边的对边长度相差不太大的四边形农田。
当然，本发明中所述的各个任务点，可以拓展为以该任务点的邻域或者说以该任务点为中心的一个小区域，如包含该任务点的圆形区域，这主要考虑到植保无人机的精度问题。
拓展而言，本发明的路径算法还可具有一定的容错性，在不显著影响喷洒精度的前提下，将各个任务点拓展为该点在二维平面空间上的邻域，植保无人机在作业时，只需要依次穿过各个点的邻域即可。在这个拓展后的路径选择算法中，将各个任务点考虑为数学意义上的点为其一实施例，且为最佳实施例，通过控制包含任务点的圆形区域的面积，可以控制精度又可以不损失精度，该圆形区域的半径是一预设值。如此，该拓展的实施例也属于本发明的保护范围之内。
根据以上回字形路径设计获得的完整的任务点，这些任务点坐标是在X/Y坐标系下的。然后通过坐标系逆变换，将所有的航点坐标转换到原始的x/y坐标系下，即X/Y坐标系转换为x/y坐标系。最后，把这些任务点坐标再重新转换成经纬度坐标，然后就可以把这些任务点以及任务点个数保存在植保无人机的飞控***中。当用遥控器切换植保无人机任务模式时，植保无人机就可以按照这些保存的任务点飞行，实现植保无人机的回字形路径自动喷洒。
结合上述提及的容错性，得到各任务点的各个GPS位置坐标后，还可以生成各任务点所对应的小区域的坐标范围，当采用植保无人机任务模式时，植保无人机根据这些各个任务点所对应的坐标范围进行作业即可。
本发明考虑的是农田的基本形状为四边形的情况，具体而言是平面形四边形的情况。该四边形农田可以呈现整体的倾斜。如该农田所在的平面呈一定角度的倾斜。这种倾斜的四边形农田以及水平的四边形农田都可以采用本发明的回字形算法。本发明的回字形算法可以用来植保无人机喷洒农药，当然也可以用来喷洒其他物品。
举例而言，如无人机在四边形状的鱼塘喷洒鱼苗，无人机扫描四边形区域内的金属物、炸弹等，以及无人机在四边形的云彩上方喷洒干冰等操作。此外，本算法也可以用来无人机拍摄四边形区域内的景象。通过本发明的算法进行拍摄等操作，如制作地貌地图等，其效率更高。
实施例二
本发明的一种植保机喷洒作业方法，包括如下步骤：
S1，采用第一实施例中所述的方法进行路径规划；
S2，植保机按照S1中规划出的路径进行喷洒作业。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (10)
1.一种自动喷洒回字形路径规划方法，其特征在于，包括：
S101，植保无人机逐个获取待作业的四边形农田的四个顶点的位置坐标，并确定植保无人机的作业高度，将该四个顶点作为任务点；
S102，若步骤S101中的四边形中有一边及其对边的边长均小于或等于两倍的喷洒间距，则将该边的中点及其对边的中点作为任务点，按照预设规则将所有任务点顺序连接，形成回字形路径，完成路径规划；
若否，执行以下步骤；
S103，将步骤S101中的四边形作为参照四边形，计算其四个内角的角平分线，并在各角平分线上分别确定一个点，该点距离对应角两边的距离等于喷洒间距，将该四点作为任务点；
S104，若步骤S103中确定的四个点作为顶点构成的四边形中有一边及其对边的边长均小于或等于两倍的喷洒间距，则将该边的中点及其对边的中点作为任务点，按照预设规则将所有任务点顺序连接，形成回字形路径，完成路径规划；
若否，则将步骤S103中确定的四个点作为顶点形成一四边形，将该四边形作为参照四边形并返回步骤S103。
2.根据权利要求1所述自动喷洒回字形路径规划方法，其特征在于：
S101具体为，由飞手手动模式下控制植保无人机依次飞到农田的四个顶点，通过遥控器的开关控制，使得植保无人机飞控***获得采集坐标的指令，从而并获得这四个顶点的GPS位置坐标，通过这四个顶点确定农田的四条边界。
3.根据权利要求2所述自动喷洒回字形路径规划方法，其特征在于：在采集任一顶点的时候，将植保无人机飞到指定高度，并采集这个高度值，将这个高度作为自动喷洒时的所述作业高度。
4.根据权利要求2所述自动喷洒回字形路径规划方法，其特征在于：
S101还包括以下步骤：
步骤1，以植保无人机解锁时的GPS位置坐标作为原点，并以所述原点作为坐标系原点O，以朝向正南为x轴正方向，以朝向正西为y轴正方向，将四个顶点的位置坐标转换成以米为单位的x/y坐标；
步骤2，利用欧拉坐标系转换矩阵，定义四边形农田的四个顶点分别为A、B、C、D，并将所述A点设为坐标原点，将向量方向设为该X/Y坐标系的X轴正方向，垂直于向量且朝向C点和D点侧的方向为Y轴正方向，将x/y坐标系转换为X/Y坐标系。
5.根据权利要求4所述自动喷洒回字形路径规划方法，其特征在于：
所述欧拉矩阵为：X/Y坐标系下的坐标由以下公式计算：四个点在X/Y坐标系下的坐标：(XA，YA)，(XB，YB)，(XC，YC)，(XD，YD)；(XA，YA)＝(0，0)。
6.根据权利要求5所述自动喷洒回字形路径规划方法，其特征在于：
路径规划完成后，将所有的所述任务点的位置坐标通过坐标系逆变换，从X/Y坐标系转换为x/y坐标系，然后再转换成经纬度坐标。
7.根据权利要求1所述自动喷洒回字形路径规划方法，其特征在于：所述喷洒间距为2～4米。
8.根据权利要求1所述自动喷洒回字形路径规划方法，其特征在于：各任务点的位置坐标存储在植保无人机的飞控***中。
9.根据权利要求1所述自动喷洒回字形路径规划方法，其特征在于，所述预定规则为：
将所有任务点由外至内按顺时针螺旋或者逆时针螺旋依次连接。
10.一种植保机喷洒作业方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1，采用权利要求1至9任一项所述的自动喷洒回字形路径规划方法进行路径规划；
S2，植保机按照S1中规划出的路径进行喷洒作业。
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