CN109298720A - 一种植保无人机航线规划方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种植保无人机航线规划方法，包括以下步骤：S1、将整个作业区域分解成若干个网格单元集合，每个单元格的宽度为无人机的覆盖幅宽；S2、在每行栅格中，将靠近外侧的两个有效栅格称作边缘栅格，沿边缘栅格所包含的作业区域中最外侧点即横坐标最小与最大点分别做平行于栅格竖边的线段，作为每行栅格的作业边界线，无人机从某行的侧作业边界线飞往另一侧的作业边界线，即可完成此行栅格的覆盖。本发明的有益效果是：在无人机作业之前，可根据指定作业航向，规划出多余覆盖率较低的作业航线，减少了无人机能量和药量消耗，提高了作业的精准性。
Description
技术领域
本发明涉及无人机植保作业技术领域，特别是一种植保无人机航线规划方法。
背景技术
传统的植保无人机作业航线获取方法，是令无人机沿作业区域的某一边界线方向进行往复喷施，以完成整个区域覆盖工作，这种方法较适用于规则的矩形作业区域，但对于不规则形状的多边形作业区域来说，无论沿何种方向进行作业，作业航线无法保证与所有的边界都平行，因此均会出现多余覆盖的现象。航拍时采用的航线规划方法，虽然也属于全覆盖航线规划算法，但为保证拍摄的有效性，要求无人机旁向覆盖应至少超出摄影边界线一定范围，显然不适用于植保作业特点。设作业区域面积为S，喷施幅宽为d，药液消耗量为P，作业距离为L1，非作业飞行距离(转弯飞行距离)为L2，作业过程的总飞行距离L＝L1+L2，本文针对旋翼无人机进行作业航线分析，转弯过程不作业。为便于研究，本文假定无人机的能耗与飞行距离L成正比，即通过距离来反映能耗情况，理论覆盖面积S1＝L1·d，(S1-S)即为无人机的多余覆盖面积，在喷速一定时，作业距离L1与药液消耗量P可近似看做成正比，因此在多余覆盖面积减少时，药液消耗量也相应降低。因此需研究一种作业航线规划算法，针对不规则作业区域，根据任意的某个作业方向，规划出合适的作业航线，尽可能地减小多余覆盖面积和总飞行距离，使药耗和能耗降低，或者在未指定作业方向的情况下，给出某一推荐的作业方向与航线，使整个作业过程的多余覆盖面积与总飞行距离最小，即药耗和能耗最优。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点，针对凸多边形单作业区域，提供一种植保无人机航线规划方法，有效地减少了无人机植保作业的多余覆盖率，在未指定作业航向情况下，可根据该算法给出推荐的作业航向与其对应的航线，使整个作业过程的能耗和药耗最优。
发明人在研究中发现影响无人机覆盖作业优劣的主要因素包括遗漏覆盖、重复覆盖、多余覆盖、作业路程和转弯次数。遗漏覆盖体现的是作业失误，重复与多余覆盖则体现的是药液污染与浪费，较长的作业路程会増加作业时间与能耗，而每次转弯都会执行“减速一转弯一再加速”的操作，均会带来时间与能耗成本，因此需尽可能地减少行走路程与转弯次数。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种植保无人机航线规划方法，包括以下步骤：
S1、将整个作业区域分解成若干个网格单元集合，每个单元格都赋予一个状态值确定其是否包含障碍物(非覆盖区域)或处于自由空间(覆盖区域)，该值可使用二进制或者概率，每个单元格的宽度为无人机的覆盖幅宽。
具体的，网格单元的绘制包括以下步骤：首先由GIS(Geographic InfromationSystem地理信息***)软件提取作业区域的地图信息，提取作业区域边界点经韩度，构建2维平面环境坐标地图，黑色粗线段为作业区域的边界，绘制一个能包裹整个作业区域且长m和宽n分别为无人机喷洒幅宽整数倍的最小矩形，将矩形区域分成栅格化处理，栅格的宽度为幅宽d，其中包含作业区域的栅格称作有效栅格，未包含作业区域的栅格称作无效栅格。
S2、在每行栅格中，将靠近外侧的两个有效栅格称作边缘栅格，沿边缘栅格所包含的作业区域中最外侧点即横坐标最小与最大点分别做平行于栅格竖边的绿色线段，作为每行栅格的作业边界线，无人机从某行的侧作业边界线飞往另一侧的作业边界线，即可完成此行栅格的覆盖，同行的2条作业边界线中点分别为此行的作业起始点与终止点，当完成此行覆盖后，搜索与此行作业终止点距离最近的未覆盖相邻行作业边界线中点，令无人机飞往此点，重复以上操作，即可完成下一行有效栅格的覆盖。
此方法相对于普通的栅格覆盖航线规划方法，减少了多余覆盖，使无人机有效覆盖率和农药利用率得到了很大的提高，且缩短了作业航线距离，减少了能量的消耗。由于每行栅格的覆盖航线是此行两条作业边界线中点的连线，对应的覆盖区域是作业边界线为宽的矩形区域，因此只需获取每行的作业边界线，即可完成此行作业航线的规划，进而可将栅格覆盖航线规划方法进行简化。简化后的划分方法可看作是利用多条等距离平行线对作业区域进行划分，相邻的平行线间距为无人机作业幅宽d，每两条相邻平行线之间的作业区域称作整个作业区域的一块子区域，相邻平行线称作此子区域的分隔线。通过获取子区域横坐标值的最小点与最大点，分别做两条宽度为d的线段作为子区域的作业边界线，两条边界线的中点连线即为子区域的作业线路，对应的矩形区域即为子区域的覆盖区域。
本发明具有以下优点：
本发明针对凸多边形作业区域，提出一种基于改进栅格法的航线规划方法，在无人机作业之前，可根据指定作业航向，规划出多余覆盖率较低的作业航线，减少了无人机能量和药量消耗，提高了作业的精准性，同时在未给定作业航线情况下，该方法可给出推荐的作业航向与航线，使无人机的能耗和药耗最优。仿真结果表明，在一块面积为17510m2的凸五边形不规则作业区域内，利用算法按照航向角α＝0°，45°，90°，135°F所规划出的四种作业航线进行作业，多余覆盖率ε分别为3.65％、4.94％、3.5％、5.75％，算法给出的推荐作业航向角为α＝90°，此时的多余覆盖率ε为2.85％，对应的能耗和药耗最优。
附图说明
图1为普通栅格法航线规划方法示意图。
图2为改进的栅格覆盖法示意图。
图3为改进栅格覆盖法的简化。
图4为凸多边形作业区域环境坐标图。
图5为无人机作业航线规划示意图。
图6为指定四种作业航向的仿真航线规划结果。
图7为各航向角下多余覆盖率对比图。
图8为航线规划仿真结果。
其中图5中1-作业飞行航线2-作业飞行航点3-子区域分割线
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的描述：
一种植保无人机航线规划方法，包括以下步骤：
S1、将整个作业区域分解成若干个网格单元集合，每个单元格都赋予一个状态值确定其是否包含障碍物(非覆盖区域)或处于自由空间(覆盖区域)，该值可使用二进制或者概率，每个单元格的宽度为无人机的覆盖幅宽。
栅格法是一种对环境的近似描述方法，栅格划分的大小会影响航线规划的质量。栅格划分过大，虽然捜索时间较短，但对环境的描述相对粗略，航线规划效果并不理想，例如在＂在线式＂航线规划中，覆盖机械是利用传感器对周边环境进行感知，栅格划分过大会将一些非障碍区域标记成障碍区域，而对于“离线式”，则会将非覆盖区域标记成覆盖区域，本发明属于＂离线式＂航线规划方法，因此这种情况会造成多余覆盖；当栅格划分过小时，虽然分辨率很高，且对环境的描述也很精细，航线规划效果也较好，但对于在线式规划方法，会造成地图存储量过大，搜索时间过长，计算量过大，而离线式规划方法属于环境已知情况，计算主要集中在覆盖区域栅格的遍历排序规划，根据计算机的负荷能力，并不会増加过多的计算时间，因此本研究将栅格设置为理论最小值，即无人机的覆盖幅宽，以提高覆盖航线规划的精确性。
具体的，网格单元的绘制包括以下步骤：首先由GIS(Geographic InfromationSystem地理信息***)软件提取作业区域的地图信息，提取作业区域边界点经韩度，构建2维平面环境坐标地图，黑色粗线段为作业区域的边界，绘制一个能包裹整个作业区域且长m和宽n分别为无人机喷洒幅宽整数倍的最小矩形，将矩形区域分成栅格化处理，栅格的宽度为幅宽d，其中包含作业区域的栅格称作有效栅格，未包含作业区域的栅格称作无效栅格。
普通栅格航线规划方法是寻求覆盖所有有效栅格的合理航线，如图1所示，无人机运用牛耕往复式全覆盖方法，以左上角第一个栅格的左边中点为起始点沿横向对第一行有效栅格进行覆盖，当覆盖完一行中最后一个有效栅格后，行进至距离最近的下一排有效栅格边缘，按与上一行相反的覆盖方向进行覆盖，反复进行此操作，最终完成所有有效栅格的覆盖。虽然牛耕往复式作业航程较长，但由于无人机植保作业中，转弯时并不喷药，因此采用内螺旋法会造成重复覆盖和遗漏覆盖现象。综合比较，在规则的方形作业区域内，采用牛耕往复方式进行无人机植保作业更为合适。
此种方式虽然保证了整个作业区域的完全覆盖，但有些栅格中也包含着非覆盖区域，造成了一定范围的多余覆盖，这样既浪费了能量又浪费了农药。因此本研究提出了一种改进方法：
S2、在每行栅格中，将靠近外侧的两个有效栅格称作边缘栅格，如图2所示，沿边缘栅格所包含的作业区域中最外侧点即横坐标最小与最大点分别做平行于栅格竖边的绿色线段，作为每行栅格的作业边界线，无人机从某行的侧作业边界线飞往另一侧的作业边界线，即可完成此行栅格的覆盖，同行的2条作业边界线中点分别为此行的作业起始点与终止点，当完成此行覆盖后，搜索与此行作业终止点距离最近的未覆盖相邻行作业边界线中点，令无人机飞往此点，重复以上操作，即可完成下一行有效栅格的覆盖；
此方法相对于普通的栅格覆盖航线规划方法，减少了多余覆盖，使无人机有效覆盖率和农药利用率得到了很大的提高，且缩短了作业航线距离，减少了能量的消耗。由于每行栅格的覆盖航线是此行两条作业边界线中点的连线，对应的覆盖区域是作业边界线为宽的矩形区域，因此只需获取每行的作业边界线，即可完成此行作业航线的规划，进而可将栅格覆盖航线规划方法进行简化。如图3所示，简化后的划分方法可看作是利用多条等距离平行线对作业区域进行划分，相邻的平行线间距为无人机作业幅宽d，每两条相邻平行线之间的作业区域称作整个作业区域的一块子区域，相邻平行线称作此子区域的分隔线。通过获取子区域横坐标值的最小点与最大点，分别做两条宽度为d的线段作为子区域的作业边界线，两条边界线的中点连线即为子区域的作业线路，对应的矩形区域即为子区域的覆盖区域。
下面结合作业航线规划算法分析和作业航线规划仿真，对本方法做进一步说明。
作业航线规划算法分析
植保无人机作业航线进行规划采用改进栅格法，设某一凸多边形作业区域D1D2D3…Dm，区域总共有m个顶点及(m-1)条边界线，构建2维坐标图，如图4中(a)所示，当无人机以航向角α对此区域进行作业时，进行相应的坐标系转换，转换后的坐标系如图4中(b)所示，其中边界线Lj(DjDj+1)的表达式为
(y′-y′Dj+1)(x′Dj-x′Dj+1)＝(x′-x′Dj+1)(y′Dj-y′Dj+1)，x′∈[min(x′Dj， x′Dj+1)，max(x′Dj+1)]，j＝1，2，3…m-1
图5为无人机作业航线规划示意图。如图5所示，在作业区域D1D2D3…Dm的一块子作业区域中，为保证完全覆盖且作业距离最短，子作业区域起始作业航点和终止作业航点的横坐标应为子作业区域横坐标的2个极限值，即子作业区域边界线的横坐标极限值。
通过以上步骤，可将无人机在作业区域的所有飞行航点求解出来，而无人机需要按照一定的顺序去遍历这些航点，才能完成作业工作。如图5所示，无人机从第一个子作业区域开始作业时，每4个航点可作为1个循环(如图中a、b、c、d点)，完成一个往复覆盖动作，根据递推原理，可以得到航点P的顺序与坐标，如下式所示。
其中，当子作业区域个数n-1为奇数时，最后一个航点为P4i-2，t＝n/2；当n-1为偶数时，最后一个航点为P4i，t＝(n-1)/2。
式中S′为无人机按算法规划航线作业所覆盖的面积，单位m2。
根据航点坐标和喷施幅宽计算出S′的值，当子作业区域个数n-1为奇数时，a＝n/2， b＝n/2-1；当n-1为偶数时，a＝b＝(n-1)/2。当对作业航向无特殊要求时，可改变航向角α的取值，得到不同航向角下对应的多余覆盖率ε，ε的计算方法如下式所示。
其中S为作业区域的面积，单位为m2。当得出ε值最小的航向角与作业航点时，此时的作业航线即为无指定作业方向的航线规划较优解。
作业航线规划仿真
设无人机作业区域为不规则的凸五边形，5个顶点的坐标分别为(20，150)m，(130，160)m，(170，20)m，(30，20)m和(20，120)m，根据上一节的算法，按照指定航向角α＝0°，45°，90°，135°的顺序依次进行无人机作业航线规划仿真计算，图6(a)、(b)、(c)、 (d)分别为由种航向角下所规划的作业航线。
仿真结果如图8所示，四种航向情况下无人机的总飞行距离为3790.5、3855.8、3757.9 和3882.8m，作业覆盖面积分别为17775、17996、17750和18136m2，由于作业区域的面积 S＝17150m2，因此根据上节公式可得作业多余覆盖率ε分别为3.65％、4.94％、3.5％、5.75％。四种作业情况下，α＝90°时对应的飞行总距离和覆盖面积均较小，即能量消耗与药液消耗也较小。
从航向角α＝0°到180°，每间隔0.1°进行输入，继续航线规划仿真，得到各航向角下多余覆盖率的对比图，如图7所示，当作业航向角α＝90°时，对应的多余覆盖率最小，即α＝90°为此凸五边形作业区域的最优作业航向。
本发明具有以下优点：
本发明针对凸多边形作业区域，提出一种基于改进栅格法的航线规划方法，在无人机作业之前，可根据指定作业航向，规划出多余覆盖率较低的作业航线，减少了无人机能量和药量消耗，提高了作业的精准性，同时在未给定作业航线情况下，该方法可给出推荐的作业航向与航线，使无人机的能耗和药耗最优。仿真结果表明，在一块面积为17510m2的凸五边形不规则作业区域内，利用算法按照航向角α＝0°，45°，90°，135°所规划出的四种作业航线进行作业，多余覆盖率ε分别为3.65％、4.94％、3.5％、5.75％，算法给出的推荐作业航向角为α＝90°，此时的多余覆盖率ε为2.85％，对应的能耗和药耗最优。
Claims (2)
1.一种植保无人机航线规划方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1、将整个作业区域分解成若干个网格单元集合，每个单元格都赋予一个状态值确定其是否包含障碍物或处于自由空间，该值可使用二进制或者概率，每个单元格的宽度为无人机的覆盖幅宽；
S2、在每行栅格中，将靠近外侧的两个有效栅格称作边缘栅格，沿边缘栅格所包含的作业区域中最外侧点即横坐标最小与最大点分别做平行于栅格竖边的线段，作为每行栅格的作业边界线，无人机从某行的侧作业边界线飞往另一侧的作业边界线，即可完成此行栅格的覆盖，同行的2条作业边界线中点分别为此行的作业起始点与终止点，当完成此行覆盖后，搜索与此行作业终止点距离最近的未覆盖相邻行作业边界线中点，令无人机飞往此点，重复以上操作，即可完成下一行有效栅格的覆盖。
2.根据权利要求1所述的一种植保无人机航线规划方法，其特征在于：所述的将整个作业区域分解成若干个网格单元集合，包括以下步骤：首先由GIS软件提取作业区域的地图信息，提取作业区域边界点经韩度，构建2维平面环境坐标地图，黑色粗线段为作业区域的边界，绘制一个能包裹整个作业区域且长m和宽n分别为无人机喷洒幅宽整数倍的最小矩形，将矩形区域分成栅格化处理，栅格的宽度为幅宽d，其中包含作业区域的栅格称作有效栅格，未包含作业区域的栅格称作无效栅格。
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