基于工作单元按需独立启停的农用无人机精确控制方法技术

本发明专利技术公布一种基于工作单元按需独立启停的农用无人机精确控制方法，包括以下步骤：1、输入田块数据和作业参数；2、设定θ初始值和步距角，确定作业方向；3、计算行中心线；4、获得单元中心线；5、求得初始路径和对应的单元工作状态；6、求得使总遍历距离之和最小的路径，并存储为该作业方向下的最优路径；7、判断θ是否小于180°，若是，令θ增加一个步距角，返回步骤3,若否，则进入下一步；8、比较θ在不同数值时对应的最优路径，选择最短者为最终作业路径，与单元工作状态进行对应存储，得到无人机飞行控制信息。本发明专利技术实现了农用无人机在田间尤其是田块边界附近区域作业时的精准控制，提高了农药、化肥等消耗品的利用率。

Accurate control method of agricultural unmanned aerial vehicle based on work unit on demand and independent start and stop

The invention discloses a work unit according to the needs of independent based on the start and stop of the UAV accurate control method, which comprises the following steps: 1, input field data and operational parameters; 2, set the initial value and the step angle theta, determine the operation direction; 3, calculation of center line; 4, unit 5, center line; the unit working state and the corresponding initial path; 6, find the total distance and the minimum path traversal, and stored as the optimal path under the direction of the operation; 7, to determine whether theta is less than 180 degrees, if so, add a step angle theta, return to step 3, if not, then enter the next step 8; optimal path, comparison of different values in the corresponding theta, choose the shortest is the final operation path, corresponding storage and work unit, get the UAV flight control information. The invention realizes the UAV in the field especially precise control field near the border area during operation, improve the utilization rate of fertilizer, pesticide and other consumables.

【技术实现步骤摘要】
基于工作单元按需独立启停的农用无人机精确控制方法
本专利技术涉及一种农业设备控制领域，具体涉及一种基于工作单元按需独立启停的农用无人机精确控制方法。
技术介绍
随着技术的不断进步，多旋翼无人机在农业中的应用越来越广泛。在利用无人机对某一田块实施植保、施肥、播种等全覆盖作业时，人工遥控操作难度大，作业重复率及遗漏率大。当作业机具工作幅宽较大、带有多个工作单元时，由于不能做到按需独立启停实时启停，在田块边界附近区域的作业误差量大，不仅造成农药、化肥、种子等消耗品的浪费，而且还造成局部区域的作业遗漏。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种基于工作单元按需独立启停的农用无人机精确控制方法。本专利技术解决上述技术问题的技术方案如下：基于工作单元按需独立启停的农用无人机精确控制方法，包括以下步骤：步骤S1、输入无人机出发点和降落点位置及待作业田块边界数据，依次存储各顶点数据，并顺次连接各顶点，得到多边形边界数据；输入无人机飞行作业参数，包括工作幅宽W和工作单元数N；步骤S2、设定θ初始值和步距角,所述θ为作业方向与竖直方向或水平方向的夹角，θ的初始值为0，步距角为定值α°；步骤S3、根据θ值确定作业方向，利用与作业方向平行的多条间距为W/2平行线与多边形边界求交，得到多边形填充线，并对多边形填充线进行筛选和处理，得到行中心线；步骤S4、对行中心线进行延伸处理后，将行中心线分别向两侧平移M次，所述M为N/2再取整后的值，得到每一条行中心线对应的N条初始单元中心线，将初始单元中心线与多边形边界求交，保留初始单元中心线在多边形区域内的部分，为单元中心线；步骤S5、利用行中心线、单元中心线、工作幅宽W和工作单元数N求得无人机的初始路径信息和工作状态信息。步骤S6、对路径进行优化，求得最优路径，将最优路径信息及最优路径对应的无人机各工作单元状态信息进行存储；步骤S7、判断θ的大小，若θ＜180°，则令θ增加α°，返回步骤步骤S3,若θ≥180°，则进入下一步骤；步骤S8、比较θ在不同的数值时对应的最优路径的总长度，取总长度最短的最优路径为最终作业路径，将最终作业路径和无人机经过最终作业路径时各工作单元对应的工作状态进行对应存储，得到无人机飞行控制信息。进一步的，所述步骤S1具体为，输入待作业田块边界数据，通过坐标格式转换，将原始经纬度数据转换成直角坐标系数据，并按照外边界以逆时针方向、内边界以顺时针方向的顺序依次存储各顶点。进一步的，所述步骤S3中的对多边形填充线进行筛选和处理具体包括以下步骤：从多边形区域的一侧开始，取第奇数条多边形填充线作为行中心线，取第偶数行多边形填充线作为行分界线，若多边形区域另一侧最边缘是行分界线，则在最边缘的行分界线外添加一条与行分界线距离为W/2的平行线为行中心线；进一步的，所述步骤S4具体为：对位于同一直线上的但不相连的行中心线进行延伸和合并处理之后，将行中心线分别向两侧平移M次，得到每一条行中心线对应的N条初始单元中心线，将初始单元中心线延伸并与多边形边界求交，保留初始单元中心线在多边形区域内的部分，为单元中心线。进一步的，所述步骤S4包括以下步骤：步骤S4.1、对位于同一直线上的但不相连的行中心线进行延伸和合并处理；步骤S4.2、对行中心线两端点与行中心线两侧的行边界线端点取极值，使行中心线两端进行延伸，若行中心线一侧没有行边界线，则对行中心线两端点与行中心线一侧的行边界线端点和另一侧的多边形顶点取极值，使行中心线向两端进行延伸；步骤S4.3、将行中心线分别向两侧平移M次，得到每一条行中心线对应的N条初始单元中心线，将初始单元中心线延伸并与多边形边界求交，保留单元中心线在多边形区域内的部分，为单元中心线。进一步的，所述步骤S4.3具体包括以下步骤：步骤S4.31、对N进行判断，若N为奇数，将每一条行中心线分别向两侧平移M次，每次平移距离为W/N，包括原始行中心线和平移后的行中心线，获得每一条行中心线对应的N条初始单元中心线；若N为偶数，将行中心分别向两侧平移M次，首次平移距离为W/(2×N)，以后每次平移距离为W/N，平移后得到行中心线对应的N条初始单元中心线；步骤S4.32、将初始单元中心线与多边形边界求交，得到单元中心线；进一步的，所述步骤S5具体包括以下步骤：步骤S5.1、将每一条单元中心线端点分别向对应的行中心线所在直线进行投影，得到多个投影点作为行分割点；步骤S5.2、在每一个投影点作行中心线所在直线的垂线，相邻垂线之间的区域为行分割区，将每一条单元中心线延伸与每一个行分割区相交，单元中心线在行分割区内的部分为相交段，若相交段处于多边形区域外部，则单元中心线对应的工作单元在行分割区内的工作状态为关闭，若相交段处于多边形区域内部，则单元中心线对应的工作单元在行分割区内的工作状态为开启；步骤S5.3、将每一个行分割区内的行中心线段作为一个初始路径段，按上述步骤，得到无人机各工作单元在所有初始路径段内对应的工作状态，将所有初始路径段信息和初始路径段对应的无人机各工作单元状态信息进行存储。进一步的，所述步骤S6具体为：对路径进行优化，将每一个初始路径段作为一个元素，求解从出发点出发，遍历所有初始路径段后，再返回降落点的路径，以使总遍历距离之和最小的优化路径顺序，按照优化路径顺序依次连接出发点、所有初始路径段和起降点，得到一条完整的作业路径为最优路径，最优路径中除初始路径段之外的所有连接线段，对应的无人机工作单元状态均为关闭状态，将最优路径信息及最优路径对应的无人机各工作单元状态信息进行存储。进一步的，所述步骤S8中，获得最终作业路径后，还需要将最终路径数据经过坐标逆变换，将直角坐标系数据转换成经纬度数据，再将转换后的最终作业路径和无人机经过最终作业路径时各工作单元对应的工作状态进行对应存储，得到无人机飞行控制信息。进一步的，所述无人机包括多个工作单元，且各个工作单元分别连接一个启停控制装置，所述启停控制装置用于按照控制器的指令控制相应工作单元的启停。本专利技术的有益效果为：本专利技术提供一种基于工作单元按需独立启停的农用无人机精确控制方法，该方法不仅通过算法优化了无人机作业的方向及行调度次序，减少了非有效作业时段的飞行时间，而且还从数据指令的角度支持了各工作单元的独立实时启停，特别是对于边缘形状不规则的田块，可以使得无人机在田块边界附近区域内能够更精准的作业，进一步减少了作业消耗、提高了作业质量。附图说明图1为本专利技术总体流程示意图；图2为田块边界、行中心线及行边界示意图；图3为行中心线延伸之后的示意图；图4为行中心线平移得到初始单元中心线后的示意图；图5为初始单元中心线与多边形边界求交之后得到的单元中心线后示意图；图6为图5中C区域中单元中心线向行中心线投影之后的局部放大图；图7为图5中C区域划分行分割区后的局部放大图；图8为路径优化前的初始路径示意图；图9为路径优化后的最优路径示意图；图10为作业方向优化后，对应的行中心线和最优路径结果示意图；图11为无人机作业实际覆盖区域示意图；图12为N为6时对应的无人机最终作业路径；图13为N为6时无人机作业实际覆盖区域示意图。具体实施方式以下结合附图对本专利技术的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本专利技术，并非用于限定本专利技术的范围。如图1本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于工作单元按需独立启停的农用无人机精确控制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤S1、输入无人机出发点和降落点位置及待作业田块边界数据，依次存储各顶点数据，并顺次连接各顶点，得到多边形边界数据；输入无人机飞行作业参数，包括工作幅宽W和工作单元数N；步骤S2、设定θ初始值和步距角,所述θ为作业方向与竖直方向或水平方向的夹角，θ的初始值为0，步距角为定值α°；步骤S3、根据θ值确定作业方向，利用与作业方向平行的多条间距为W/2平行线与多边形边界求交，得到多边形填充线，并对多边形填充线进行筛选和处理，得到行中心线；步骤S4、对行中心线进行延伸处理后，将行中心线分别向两侧平移M次，所述M为N/2再取整后的值，得到每一条行中心线对应的N条初始单元中心线，将初始单元中心线与多边形边界求交，保留初始单元中心线在多边形区域内的部分，为单元中心线；步骤S5、利用行中心线、单元中心线、工作幅宽W和工作单元数N求得无人机的初始路径信息和工作状态信息；步骤S6、对路径进行优化，求得最优路径，将最优路径信息及最优路径对应的无人机各工作单元状态信息进行存储；步骤S7、判断θ的大小，若θ＜180°，则令θ增加α°，返回步骤步骤S3,若θ≥180°，则进入下一步骤；步骤S8、比较θ在不同数值时对应的最优路径的总长度，取总长度最短的最优路径为最终作业路径，将最终作业路径和无人机经过最终作业路径时各工作单元对应的工作状态进行对应存储，得到无人机飞行控制信息。...

【技术特征摘要】
1.基于工作单元按需独立启停的农用无人机精确控制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤S1、输入无人机出发点和降落点位置及待作业田块边界数据，依次存储各顶点数据，并顺次连接各顶点，得到多边形边界数据；输入无人机飞行作业参数，包括工作幅宽W和工作单元数N；步骤S2、设定θ初始值和步距角,所述θ为作业方向与竖直方向或水平方向的夹角，θ的初始值为0，步距角为定值α°；步骤S3、根据θ值确定作业方向，利用与作业方向平行的多条间距为W/2平行线与多边形边界求交，得到多边形填充线，并对多边形填充线进行筛选和处理，得到行中心线；步骤S4、对行中心线进行延伸处理后，将行中心线分别向两侧平移M次，所述M为N/2再取整后的值，得到每一条行中心线对应的N条初始单元中心线，将初始单元中心线与多边形边界求交，保留初始单元中心线在多边形区域内的部分，为单元中心线；步骤S5、利用行中心线、单元中心线、工作幅宽W和工作单元数N求得无人机的初始路径信息和工作状态信息；步骤S6、对路径进行优化，求得最优路径，将最优路径信息及最优路径对应的无人机各工作单元状态信息进行存储；步骤S7、判断θ的大小，若θ＜180°，则令θ增加α°，返回步骤步骤S3,若θ≥180°，则进入下一步骤；步骤S8、比较θ在不同数值时对应的最优路径的总长度，取总长度最短的最优路径为最终作业路径，将最终作业路径和无人机经过最终作业路径时各工作单元对应的工作状态进行对应存储，得到无人机飞行控制信息。2.根据权利要求1所述的基于工作单元按需独立启停的农用无人机精确控制方法，其特征在于，所述步骤S3中的对多边形填充线进行筛选和处理具体包括以下步骤：从多边形区域的一侧开始，取第奇数条多边形填充线作为行中心线，取第偶数行多边形填充线作为行分界线，若多边形区域另一侧最边缘是行分界线，则在最边缘的行分界线外添加一条与行分界线距离为W/2的平行线为行中心线。3.根据权利要求1所述的基于工作单元按需独立启停的农用无人机精确控制方法，其特征在于，所述步骤S4具体为：对位于同一直线上的但不相连的行中心线进行延伸和合并处理之后，将行中心线分别向两侧平移M次，得到每一条行中心线对应的N条初始单元中心线，将初始单元中心线延伸并与多边形边界求交，保留初始单元中心线在多边形区域内的部分，为单元中心线。4.根据权利要求1所述的基于工作单元按需独立启停的农用无人机精确控制方法，其特征在于，所述步骤S4包括以下步骤：步骤S4.1、对位于同一直线上的但不相连的行中心线进行延伸和合并处理；步骤S4.2、对行中心线两端点与行中心线两侧的行边界线端点取极值，使行中心线两端进行延伸，若行中心线一侧没有行边界线，则...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄小毛，龙长江，李小霞，黎煊，马丽娜，
申请(专利权)人：华中农业大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42