CN108803665B - 全自动无人机集群作业装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种全自动无人机集群作业装置及方法，其中装置作用于地块，包括控制单元和执行单元，所述执行单元包括密封式外箱，所述外箱内设置有至少一台侦察机和至少两台作业机，所述外箱内设置有与所述作业机自动对接的电池模块和药箱模块。本发明至少具有以下优点：其能够实现将无人机作业的指令、作业、补给工作分工，进而实现自行更换电池及药液、多机轮流连续不间断作业。
Description
技术领域
本发明涉及无人机作业技术领域，尤其涉及一种全自动无人机集群作业装置及方法。
背景技术
现有的植保无人机的作业方式，需要依赖飞手和工作人员进行现场环境勘察、航线规划、起降控制、电池、药液/液肥的更换等。无法真正减少人员的工作时间，作业效率低(在当前的植保作业过程中，无人机实际有效作业时间只占日常作业时间的30％左右，其他时间浪费在了人工路线规划、起降控制、电池及药液人工更换、作业区域转移等事项上)。并且在某些有危害的作业任务下(如：药液为有毒农药时)，人员存在安全风险。以上的原因导致目前的植保无人机无法真正实现高效、安全的无人化作业。此外，现有的全自主飞行***，由于没有将无人机的侦查和作业(植保)工作职能分离，且缺少地块和地况数据的采集(如安全边界、障碍物信息等)，因此作业只适用于“标准大地块”，无法实现任意形状和地况的地块作业。并且，目前的植保无人机的起降采用的是开放式平台，环境适应性差，不能实现全天候的作业。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种全自动无人机集群作业装置及方法，其能够实现将无人机作业的指令、作业、补给工作分工，进而实现自行更换电池及药液、多机轮流连续不间断作业。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种全自动无人机集群作业装置，作用于地块，包括控制单元和执行单元，所述执行单元包括密封式外箱，所述外箱内设置有至少一台侦察机和至少两台作业机，所述外箱内设置有与所述作业机自动对接的电池模块和药箱模块。
进一步地，所述外箱内设置有至少一个用于承载所述侦察机的第一蜂巢、至少两个用于承载所述作业机的第二蜂巢，所述第一蜂巢可拆卸连接所述第二蜂巢。
进一步地，所述第一蜂巢和第二蜂巢内均设置有电源接口，所述第二蜂巢内设置有与所述药箱模块对接的药剂接口。
进一步地，所述第一蜂巢内设置有用于承接侦察机的第一起降平台、密封所述第一蜂巢顶部的第一天窗、推动所述第一起降平台运动至所述第一天窗外部的第一升降机构。
进一步地，所述第一蜂巢内设置有第一摄像头、用于切换所述侦察机电池的第一切换机构。
进一步地，所述第二蜂巢内设置有用于承接作业机的第二起降平台、密封所述第二蜂巢顶部的第二天窗、推动所述第二起降平台运动至所述第二天窗外部的第二升降机构。
进一步地，所述第二蜂巢内设置有第二摄像头、用于切换所述作业机电池的第二切换机构、用于向所述作业机注入药液的注液嘴。
本发明还提供了一种全自动无人机集群作业方法，包括以下步骤：
步骤1：通过所述侦察机对地况进行侦查，具体包括：步骤11：分别进行地块面积拾取、边界确认和飞行障碍物识别；步骤12：规划飞行路径，逐一检查障碍物；步骤13：评估飞行地块和障碍物安全边界；步骤14：规划作业飞行路径，形成路径数据；
步骤2：所述侦察机将地况信息通过无线网络上传至控制单元，判断所述作业飞行路径是否有效，若有效，则将所述作业飞行路径通过无线网络上传至作业机；若无效，则重复步骤1；
步骤3：所述作业机进行连续植保作业；具体包括：步骤31：第一台作业机起飞，按照所述作业飞行路径进行植保作业，直至药液和/或电池耗尽前返航，停落至相应的第二蜂巢内进行补充药液和/或更换电池；步骤32：第二台作业机根据作业进展，在第一台作业机返航前到达作业位置继续作业，直至药液和/或电池耗尽前返航，停落至相应的第二蜂巢内进行补充药液和/或更换电池；步骤33：第一台作业机重复第二台作业机动作，直至以上作业机轮流更换完成植保作业。
进一步地，所述地块面积拾取，具体包括：步骤a1：建立俯视平面直角坐标系：以所述侦察机第一次起飞时的几何中心点为原点，侦察机的航向方向为Y轴，垂直与Y轴的方向为X轴，建立俯视平面直角坐标系；步骤a2：获取地块边界曲线函数：所述侦察机沿地块边界飞行一周后所围成的轨迹通过数值拟合以获得地块边界曲线函数步骤a3：确定地块面积：通过以下积分公式计算出地块面积，
其中：a、b为地块沿X轴方向上最大距离，y1、y2分别为两地块边界曲线函数上的任意一纵坐标数值。
进一步地，所述边界确认，具体包括：步骤b1：确定作业机的最大喷幅：所述作业机的最大喷幅大于作业机的机身宽度；步骤b2：通过飞行定位误差和环境因素确定安全距离：预设作业机定位误差为S1，由环境风速引起的喷洒区域偏离距离为S2，当飞行方向与风向垂直时，所述作业机的最大安全距离为：rmax＝S1+S2；最小安全距离为：rmin＝S1-S2，则作业机在地块上方的飞行安全距离为相对地块边界向内/外偏移rmin-rmax；作业机在障碍物周边飞行的安全距离相对障碍物边界向外偏移rmin-rmax，同时作业机的飞行轨迹与障碍物的边界之间最小距离大于作业机宽度的一半距离；
所述飞行障碍物识别，具体包括：预设所述作业机的飞行路径垂直或平行于地块平面，不做倾斜飞行，作业机的高度为h1，地块区域内的物体高度为h2，作业机正常作业的飞行高度为H1，作业机起飞/返航的高度为H2，则满足：H1≤h2≤H2+h1的任何物体即视为障碍物。
借由上述技术方案，本发明的至少具有以下优点：本发明通过改变现有通过人员进行作业环境勘察，作业规划和人工更换电池、药液的作业模式，实现了无人机植保作业的全自动化；且通过合理的分配，将侦察机和作业机的职能进行分工，与传统边感知边作业的模式相比，大大降低了作业机的作业风险，可适用于任何形式的地况；同时本发明通过采用集群化多机轮流作业模式，消除了传统作业下更换药液、电池的切换时间，实现了作业过程连续化不间断，大大提升作业效率。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图；
图2是本发明的第一蜂巢结构示意图；
图3是本发明的第二蜂巢结构示意图；
图4是本发明的侦察机飞行轨迹示意图；
图5是本发明的标准作业边界示意图；
图6是本发明的作业机位置误差示意图；
图7是本发明的实际作业边界示意图；
图8是本发明的障碍物识别示意图。
以上附图中：1、控制单元；2、外箱；3、侦察机；4、作业机；5、药箱模块；6、第一蜂巢；7、第二蜂巢；8、电源接口；9、药剂接口；10、第一起降平台；11、第一天窗；12、第一升降机构；13、第一切换机构；14、第二起降平台；15、第二天窗；16、第二升降机构；17、第二切换机构；18、注液嘴。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
结合图1至图3所示，本发明公开了一种全自动无人机集群作业装置，作用于地块，包括控制单元1和执行单元，所述执行单元包括密封式外箱2，所述外箱2内设置有至少一台侦察机3和至少两台作业机4，所述外箱2内设置有与所述作业机4自动对接的电池模块和药箱模块5。本装置可搭载与现有的交通运输车辆上，也可以作为作业场所周边的固定设施。
本发明中，所述外箱2内设置有至少一个用于承载所述侦察机3的第一蜂巢6、至少两个用于承载所述作业机4的第二蜂巢7，所述第一蜂巢6可拆卸连接所述第二蜂巢7。所述第一蜂巢6和所述第二蜂巢7的四周侧壁上设置有连接板和与所述连接板对接的卡槽，实现所述第一蜂巢6和第二蜂巢7的可拆卸连接。所述第一蜂巢6和所述第二蜂巢7的侧壁上还设置有缓冲垫，通过设置有缓冲垫，能够避免第一蜂巢6和第二蜂巢7直接接触，以减小表面损坏。所述第一蜂巢6和所述第二蜂巢7的底部均设置有可调支脚，用于完成第一蜂巢6和第二蜂巢7的微调找平。
所述第一蜂巢6和第二蜂巢7内均设置有电源接口8，所述第二蜂巢7内设置有与所述药箱模块5对接的药剂接口9。所述第一蜂巢6内设置有用于承接侦察机的第一起降平台10、密封所述第一蜂巢6顶部的第一天窗11、推动所述第一起降平台10运动至所述第一天窗11外部的第一升降机构12。所述第一蜂巢6内设置有第一摄像头、用于切换所述侦察机3电池的第一切换机构13。
本发明中，所述第二蜂巢7内设置有用于承接作业机4的第二起降平台14、密封所述第二蜂巢7顶部的第二天窗15、推动所述第二起降平台14运动至所述第二天窗15外部的第二升降机构16。所述第二蜂巢7内设置有第二摄像头、用于切换所述作业机4电池的第二切换机构17、用于向所述作业机4注入药液的注液嘴18。
本发明中，所述第一蜂巢6、第二蜂巢7、第一天窗11和第二天窗15的材质由金属、复合材料、有机材料和/或玻璃组成。
结合图4至图8所示，本发明还公开了一种自动无人机集群作业方法，
包括以下步骤：
步骤1：通过所述侦察机3对地况进行侦查，具体包括：步骤11：分别进行地块面积拾取、边界确认和飞行障碍物识别；步骤12：规划飞行路径，逐一检查障碍物；步骤13：评估飞行地块和障碍物安全边界；步骤14：规划作业飞行路径，形成路径数据。
其中所述地块面积拾取，具体包括：步骤a1：建立俯视平面直角坐标系：以所述侦察机3第一次起飞时的几何中心点为原点，侦察机3的航向方向为Y轴，垂直与Y轴的方向为X轴，建立俯视平面直角坐标系；步骤a2：获取地块边界曲线函数：所述侦察机3沿地块边界飞行一周后所围成的轨迹通过数值拟合以获得地块边界曲线函数步骤a3：确定地块面积：通过以下积分公式计算出地块面积，
其中：a、b为地块沿X轴方向上最大距离，y1、y2分别为两地块边界曲线函数上的任意一纵坐标数值。
所述边界确认，具体包括：步骤b1：确定作业机4的最大喷幅：所述作业机4的最大喷幅大于作业机4的机身宽度；其中：R表示作业机的最大喷幅，如果地块中间存在障碍物，作业机4环绕障碍物的飞行路径相似，如图5所示。步骤b2：通过飞行定位误差和环境因素确定安全距离，r表示安全距离：预设作业机4定位误差为S1，由环境风速引起的喷洒区域偏离距离为S2，当飞行方向与风向垂直时，所述作业机4的最大安全距离为：rmax＝S1+S2；最小安全距离为：rmin＝S1-S2，则作业机4在地块上方的飞行安全距离为相对地块边界向内/外偏移rmin-rmax；作业机4在障碍物周边飞行的安全距离相对障碍物边界向外偏移rmin-rmax，同时作业机4的飞行轨迹与障碍物的边界之间最小距离大于作业机4宽度的一半距离；
所述飞行障碍物识别，具体包括：预设所述作业机4的飞行路径垂直或平行于地块平面，不做倾斜飞行，作业机4的高度为h1，地块区域内的物体高度为h2，作业机4正常作业的飞行高度为H1(地面之作业机4底部的垂直距离)，作业机4起飞/返航的高度为H2，则满足：H1≤h2≤H2+h1的任何物体即视为障碍物(即图8中P1P2P3P4区域)。侦察机3利用作业机4设定好的飞行高度数据，在地块边界内，高度在H1-H2+h1范围内飞行，利用雷达、光流、红外等传感器识别障碍物，并记录障碍物的具***置坐标及大小，实现了障碍物的识别。
完成侦查飞行后，所述侦察机3返航降落至第一蜂巢6内，第一天窗11关闭；若所述侦察机3一次无法完成地况所有侦查，则返回第一蜂巢6进行电池更换后再次起飞进行侦查。
步骤2：所述侦察机3将地况信息通过无线网络上传至控制单元，判断所述作业飞行路径是否有效，若有效，则将所述作业飞行路径通过无线网络上传至作业机4；若无效，则重复步骤1；
步骤3：所述作业机4进行连续植保作业；具体包括：步骤31：第一台作业机4起飞，按照所述作业飞行路径进行植保作业，直至药液和/或电池耗尽前返航，停落至相应的第二蜂巢7内进行补充药液和/或更换电池；步骤32：第二台作业机4根据作业进展，在第一台作业机4返航前到达作业位置继续作业，直至药液和/或电池耗尽前返航，停落至相应的第二蜂巢7内进行补充药液和/或更换电池；步骤33：第一台作业机4重复第二台作业机4动作，直至以上作业机轮流更换完成植保作业。
借由上述技术方案，本发明的至少具有以下优点：本发明通过改变现有通过人员进行作业环境勘察，作业规划和人工更换电池、药液的作业模式，实现了无人机植保作业的全自动化；且通过合理的分配，将侦察机3和作业机4的职能进行分工，与传统边感知边作业的模式相比，大大降低了作业机4的作业风险，可适用于任何形式的地况；同时本发明通过采用集群化多机轮流作业模式，消除了传统作业下更换药液、电池的切换时间，实现了作业过程连续化不间断，大大提升作业效率。
以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。
Claims (7)
1.一种全自动无人机集群作业装置，作用于地块，其特征在于，包括控制单元和执行单元，所述执行单元包括密封式外箱，所述外箱内设置有至少一台侦察机和至少两台作业机，所述外箱内设置有与所述作业机自动对接的电池模块和药箱模块；
所述全自动无人机集群作业装置的作业方法包括以下步骤：
步骤1：通过所述侦察机对地况进行侦查，具体包括：步骤11：分别进行地块面积拾取、边界确认和飞行障碍物识别；步骤12：规划飞行路径，逐一检查障碍物；步骤13：评估飞行地块和障碍物安全边界；步骤14：规划作业飞行路径，形成路径数据；
步骤2：所述侦察机将地况信息通过无线网络上传至控制单元，判断所述作业飞行路径是否有效，若有效，则将所述作业飞行路径通过无线网络上传至作业机；若无效，则重复步骤1；
步骤3：所述作业机进行连续植保作业；具体包括：步骤31：第一台作业机起飞，按照所述作业飞行路径进行植保作业，直至药液和/或电池耗尽前返航，停落至相应的第二蜂巢内进行补充药液和/或更换电池；步骤32：第二台作业机根据作业进展，在第一台作业机返航前到达作业位置继续作业，直至药液和/或电池耗尽前返航，停落至相应的第二蜂巢内进行补充药液和/或更换电池；步骤33：第一台作业机重复第二台作业机动作，直至以上作业机轮流更换完成植保作业；
所述地块面积拾取，具体包括：步骤a1：建立俯视平面直角坐标系：以所述侦察机第一次起飞时的几何中心点为原点，侦察机的航向方向为Y轴，垂直与Y轴的方向为X轴，建立俯视平面直角坐标系；步骤a2：获取地块边界曲线函数：所述侦察机沿地块边界飞行一周后所围成的轨迹通过数值拟合以获得地块边界曲线函数步骤a3：确定地块面积：通过以下积分公式计算出地块面积，
其中：a、b为地块沿X轴方向上最大距离，y1、y2分别为两地块边界曲线函数上的任意一纵坐标数值；
所述边界确认，具体包括：步骤b1：确定作业机的最大喷幅：所述作业机的最大喷幅大于作业机的机身宽度；步骤b2：通过飞行定位误差和环境因素确定安全距离：预设作业机定位误差为S1，由环境风速引起的喷洒区域偏离距离为S2，当飞行方向与风向垂直时，所述作业机的最大安全距离为：rmax＝S1+S2；最小安全距离为：rmin＝|S1-S2|，则作业机在地块上方的飞行安全距离为相对地块边界向内/外偏移rmin-rmax；作业机在障碍物周边飞行的安全距离相对障碍物边界向外偏移rmin-rmax，同时作业机的飞行轨迹与障碍物的边界之间最小距离大于作业机宽度的一半距离；
所述飞行障碍物识别，具体包括：预设所述作业机的飞行路径垂直或平行于地块平面，不做倾斜飞行，作业机的高度为h1，地块区域内的物体高度为h2，作业机正常作业的飞行高度为H1，作业机起飞/返航的高度为H2，则满足：H1≤h2≤H2+h1的任何物体即视为障碍物。
2.如权利要求1所述的全自动无人机集群作业装置，其特征在于，所述外箱内设置有至少一个用于承载所述侦察机的第一蜂巢、至少两个用于承载所述作业机的第二蜂巢，所述第一蜂巢可拆卸连接所述第二蜂巢。
3.如权利要求2所述的全自动无人机集群作业装置，其特征在于，所述第一蜂巢和第二蜂巢内均设置有电源接口，所述第二蜂巢内设置有与所述药箱模块对接的药剂接口。
4.如权利要求2所述的全自动无人机集群作业装置，其特征在于，所述第一蜂巢内设置有用于承接侦察机的第一起降平台、密封所述第一蜂巢顶部的第一天窗、推动所述第一起降平台运动至所述第一天窗外部的第一升降机构。
5.如权利要求2所述的全自动无人机集群作业装置，其特征在于，所述第一蜂巢内设置有第一摄像头、用于切换所述侦察机电池的第一切换机构。
6.如权利要求2所述的全自动无人机集群作业装置，其特征在于，所述第二蜂巢内设置有用于承接作业机的第二起降平台、密封所述第二蜂巢顶部的第二天窗、推动所述第二起降平台运动至所述第二天窗外部的第二升降机构。
7.如权利要求2所述的全自动无人机集群作业装置，其特征在于，所述第二蜂巢内设置有第二摄像头、用于切换所述作业机电池的第二切换机构、用于向所述作业机注入药液的注液嘴。
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