农用植保无人机避障喷施路径规划方法及无人机技术

本发明专利技术提供一种农用植保无人机避障喷施路径规划方法及无人机，涉及无人机路线规划方法及控制方法领域，为了解决现有技术中的避障算法未能兼顾减少路径长短以及减少重喷漏喷的缺点，而提出一种新的用于植保无人机的避障路径规划方法及无人机，所述方法包括：判断第一条喷施路径的起点和终点构成的直线段与障碍圆是否相交；若相交，则生成Dubins路径并确定所有可选的飞行路径，计算第一条路径的飞行路径长度、转弯路径的长度、重复喷施面积：重复上述步骤，直至计算出所有的飞行路径长度以及重复喷施面积，为了快速找出最佳路径加入了遗传算法，在所述可选的飞行路径中快速选取最佳路径。本发明专利技术适用于植保无人机。

Obstacle avoidance spraying path planning method for agricultural plant protection unmanned aerial vehicle and unmanned aerial vehicle

The invention provides an agricultural plant protection UAV obstacle avoidance and path planning method of spraying UAV, relates to the field of UAV route planning method and control method, in order to solve the obstacle avoidance algorithm to reduce the path length and reduce the leakage of heavy spray spray shortcomings, and put forward a new kind of plant protection for UAV method for obstacle avoidance and path planning of UAV, the method includes: judging line segments and circular obstacles constitute the starting point and end point of the first spraying path of whether the intersection; if the intersection, an Dubins path and make sure all the optional flight flight path, path length, turning path calculation first path length, repeated spraying area: repeat the above steps until the calculated flight path length and repeat all the spraying area, in order to find the best path with genetic algorithm Method to quickly select the best path in the optional flight path. The invention is applicable to plant protection unmanned aerial vehicles.

【技术实现步骤摘要】
农用植保无人机避障喷施路径规划方法及无人机
本专利技术涉及一种农用植保无人机避障喷施路径规划方法及无人机，属于无人机路线规划方法及控制方法领域。
技术介绍
植保无人机喷施作业的区域一般面积较大，而无人机体积小，反应灵活，所以一般植保无人机喷施的路线被规划成来回往复的形如“Π”的形状，其路线如图3所示，图3(a)是标准的矩形喷施区域，图3(b)是一个不规则的喷施区域，但是他们规划的路线都是来回往复的。这种来回往复的路线在没有障碍的情况下喷施作业的效率和喷洒的均匀度(重喷和漏喷)都特别好。但是在实际应用中这种无任何障碍的无人机喷洒作业几乎不存在。植保无人机在喷施作业中很有可能遇到零散分布的树木，信号塔，电线杆等障碍。这无可避免的会涉及到植保无人机的喷施过程的避障问题。一般植保无人机在喷施作业中遇到的情况如图4所示(其中圆形代表障碍)，在已经离线规划好的路线中分布着若干障碍，这些障碍的特点是比较小，也比较分散，在离线路线规划其中很难将其排除，此时就要求无人机在喷施作业的过程中还要进行障碍的躲避。以无人机在喷施作业中只遇到一个障碍的情况为例，运用传统的避障算法所得到的避障路线如图5所示。由图5看出，无人机在避障的同时进行喷洒作业，因为无人机在躲避障碍的时候不能停止喷施作业，所以就会导致有些区域喷洒不到农药(如上面的漏喷区域)，有些区域会在无人机回飞时喷洒两遍(如上面的重复喷洒区域)。此避障过程会导致大面积的重喷和漏喷，下面就无人机喷施作业中的避障问题展开讨论，并提出一种兼顾路径长短和多喷漏喷的方法。给出一种无人机在喷施作业中的避障策略，这种避障策略可以在路径长度增加不多的情况下，有效的减少多喷和漏喷的面积。图5是以单障碍为例，当遇到多个障碍时，传统的避障算法将会导致更多的重喷和漏喷的面积。文献“《基于Dubins路径的无人机避障规划算法》，关震宇”提供了一种无人机避障规划方法，但其未排除不需要躲避的障碍，并且不能返回原飞行路线上，从而导致其不能在减少重喷漏喷面积的基础上选择最佳路径。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决现有技术中的避障算法未能兼顾减少路径长短以及减少重喷漏喷的缺点，而提出一种新的用于植保无人机的避障路径规划方法及无人机。一种用于植保无人机的避障喷施路径长度确定方法，所述方法用于规划从起始点到终点的飞行路径，所述飞行路径包括M条喷施路径以及N条转弯路径，其特征在于，确定第一条喷施路径的方法包括：步骤1)从第一条直线喷施路径起，将当前飞行路径的起点和终点连接，形成一条用于表示原飞行路线的直线段；步骤2)判断所述直线段是否与障碍圆相交，若不相交，则按原路线直线飞行，若相交，则执行步骤3)；所述障碍圆是用于表示障碍物位置和大小特征的模型；将与所述直线段相交的障碍圆称为目标障碍圆；步骤3)比较无人机的最小转弯半径与所述障碍圆的半径大小；若障碍圆的半径大于等于无人机的最小转弯半径，则执行步骤4)；若障碍圆的半径小于无人机的最小转弯半径，则生成两个所述障碍圆的内切圆，以内切圆代替所述障碍圆，然后执行步骤4)；所述内切圆的圆心位于所述直线段的经过所述障碍圆圆心的垂线上，所述内切圆的半径等于所述最小转弯圆的半径；步骤4)生成复数个与所述直线段与所述障碍圆同时相切的最小转弯圆；所述最小转弯圆的半径为无人机的最小转弯半径；步骤5)根据所述直线段、所述目标障碍圆以及所述最小转弯圆确定复数个可选的飞行路径并计算路径的长度以及与所述的可选飞行路径对应的重喷漏喷面积，并将数据进行归一化处理；步骤6)将所述的复数个可选路径作为初始种群，计算出适应值的大小；步骤7)使用遗传算法的选择、交叉、变异操作，当满足迭代次数或者满足预定的适应值大小条件时，输出最佳的搜索路径。步骤8)计算无人机从当前喷施路径的终点飞行到下一条喷施路径的起点所需经过的转弯路径的长度；步骤9)：重复执行步骤1)至步骤8)，通过每一次执行得到的计算结果计算出总的飞行路径长度以及重喷漏喷面积。本专利技术还包括一种无人机，包括：路径存储装置，用于预先存储已规划完成的预定飞行路径信息；障碍检测装置，用于实时检测周围的障碍物信息，并预测是否会与障碍物碰撞；判断装置，用于在障碍检测模块预测会与障碍物碰撞时，发出避障信号；避障喷施路径确定装置，用于在未接收到避障信号时，从所述路径存储模块中读取所述预定飞行路径信息，并发送至飞行控制装置；还用于在接收到避障信号时，实现如权利要求7或8中任意一项装置所述的功能，并将所述最佳路径信息发送至飞行控制装置；飞行控制装置，用于根据接收到的路径信息控制无人机进行飞行。本专利技术的有益效果为：使用Dubins路径算法生成的避障路径相比较于现有技术的避障算法更符合无人机的飞行特性；使用起点至终点的连线来排除不需要躲避的障碍，在多障碍喷施路径选择时采用启发式的遗传算法搜索路径搜索最优路径时用时更少；在已知障碍的情况下，相比较现有技术可以大大减少重喷漏喷的面积，一般可以减少200％至400％。附图说明图1为本专利技术的用于植保无人机的避障路径规划方法的流程图；图2为本专利技术的无人机的方框原理图；图3(a)为无人机在无障碍的矩形区域进行喷施的路线示意图；图3(b)为无人机在无障碍的不规则区域进行喷施的路线示意图；图4(a)为无人机在有障碍的矩形区域进行喷施的路线示意图；图4(b)为无人机在有障碍的不规则区域进行喷施的路线示意图；图5为现有技术的避障算法的避障路线图；图6为本专利技术的障碍圆及障碍圆区域半径的示意图；图7为本专利技术的第一条飞行路径上具有多障碍圆的实施例的示意图；图8为本专利技术的通过遗传算法和Dunbins路径最终确定的避障路径的示意图；图9为当无人机的最小转弯半径小于喷施半径时的飞行路线示意图；图10为使用本专利技术的方法得到的避障路线的一个实施例的示意图；图11为本专利技术的障碍圆与最小转弯圆构成的三角形区域的示意图；图12为本专利技术的无人机的避障流程图；图13为本专利技术的当障碍圆半径小于最小转弯半径时的示意图；图14为图13的局部放大图。具体实施方式具体实施方式一：本实施方式的用于植保无人机的避障路径规划方法，方法用于规划飞行路径，飞行路径包括至少一条直线喷施路径以及至少一条转弯路径，每一条直线喷施路径包括一个起点和一个终点，每一条转弯路径表示从一个直线喷施路径的终点飞行至下一个直线喷施路径的起点的路径，其特征在于，方法包括：步骤1)从第一条直线喷施路径起，将当前飞行路径的起点和终点连接，形成一条用于表示原飞行路线的直线段；步骤2)判断直线段是否与障碍圆相交，若不相交，则按原路线直线飞行，若相交，则执行步骤3)；障碍圆是用于表示障碍物位置和大小特征的模型；将与直线段相交的障碍圆称为目标障碍圆；步骤3)比较无人机的最小转弯半径与障碍圆的半径大小；若障碍圆的半径大于等于无人机的最小转弯半径，则执行步骤4)；若障碍圆的半径小于无人机的最小转弯半径，则生成两个障碍圆的内切圆，以内切圆代替障碍圆，然后执行步骤4)；内切圆的圆心位于直线段的经过障碍圆圆心的垂线上，内切圆的半径等于最小转弯圆的半径；步骤4)生成复数个与直线段与障碍圆同时相切的最小转弯圆；最小转弯圆的半径为无人机的最小转弯半径；步骤5)根据直线段、目标障碍圆以及最小转弯圆确定复数个可选的飞行路径并计算路本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种农用植保无人机避障喷施路径规划方法，所述方法用于规划飞行路径，所述飞行路径包括至少一条直线喷施路径以及至少一条转弯路径，每一条直线喷施路径包括一个起点和一个终点，每一条转弯路径表示从一个直线喷施路径的终点飞行至下一个直线喷施路径的起点的路径，其特征在于，所述方法包括：步骤1)从第一条直线喷施路径起，将当前飞行路径的起点和终点连接，形成一条用于表示原飞行路线的直线段；步骤2)判断所述直线段是否与障碍圆相交，若不相交，则按原路线直线飞行，若相交，则执行步骤3)；所述障碍圆是用于表示障碍物位置和大小特征的模型；将与所述直线段相交的障碍圆称为目标障碍圆；步骤3)比较无人机的最小转弯半径与所述障碍圆的半径大小；若障碍圆的半径大于等于无人机的最小转弯半径，则执行步骤4)；若障碍圆的半径小于无人机的最小转弯半径，则生成两个所述障碍圆的内切圆，以内切圆代替所述障碍圆，然后执行步骤4)；所述内切圆的圆心位于所述直线段的经过所述障碍圆圆心的垂线上，所述内切圆的半径等于所述最小转弯圆的半径；步骤4)生成复数个与所述直线段与所述障碍圆同时相切的最小转弯圆；所述最小转弯圆的半径为无人机的最小转弯半径；步骤5)根据所述直线段、所述目标障碍圆以及所述最小转弯圆确定复数个可选的飞行路径并计算路径的长度以及与所述的可选飞行路径对应的重喷漏喷面积，并将数据进行归一化处理；步骤6)将所述的可选路径作为初始种群，计算出适应值的大小；步骤7)使用遗传算法的选择、交叉、变异操作，当满足迭代次数或者满足预定的适应值大小条件时，输出最佳的搜索路径；步骤8)计算无人机从当前喷施路径的终点飞行到下一条喷施路径的起点所需经过的转弯路径的长度；步骤9)：重复执行步骤1)至步骤8)，通过每一次执行得到的计算结果计算出总的飞行路径长度以及重喷漏喷面积。...

【技术特征摘要】
1.一种农用植保无人机避障喷施路径规划方法，所述方法用于规划飞行路径，所述飞行路径包括至少一条直线喷施路径以及至少一条转弯路径，每一条直线喷施路径包括一个起点和一个终点，每一条转弯路径表示从一个直线喷施路径的终点飞行至下一个直线喷施路径的起点的路径，其特征在于，所述方法包括：步骤1)从第一条直线喷施路径起，将当前飞行路径的起点和终点连接，形成一条用于表示原飞行路线的直线段；步骤2)判断所述直线段是否与障碍圆相交，若不相交，则按原路线直线飞行，若相交，则执行步骤3)；所述障碍圆是用于表示障碍物位置和大小特征的模型；将与所述直线段相交的障碍圆称为目标障碍圆；步骤3)比较无人机的最小转弯半径与所述障碍圆的半径大小；若障碍圆的半径大于等于无人机的最小转弯半径，则执行步骤4)；若障碍圆的半径小于无人机的最小转弯半径，则生成两个所述障碍圆的内切圆，以内切圆代替所述障碍圆，然后执行步骤4)；所述内切圆的圆心位于所述直线段的经过所述障碍圆圆心的垂线上，所述内切圆的半径等于所述最小转弯圆的半径；步骤4)生成复数个与所述直线段与所述障碍圆同时相切的最小转弯圆；所述最小转弯圆的半径为无人机的最小转弯半径；步骤5)根据所述直线段、所述目标障碍圆以及所述最小转弯圆确定复数个可选的飞行路径并计算路径的长度以及与所述的可选飞行路径对应的重喷漏喷面积，并将数据进行归一化处理；步骤6)将所述的可选路径作为初始种群，计算出适应值的大小；步骤7)使用遗传算法的选择、交叉、变异操作，当满足迭代次数或者满足预定的适应值大小条件时，输出最佳的搜索路径；步骤8)计算无人机从当前喷施路径的终点飞行到下一条喷施路径的起点所需经过的转弯路径的长度；步骤9)：重复执行步骤1)至步骤8)，通过每一次执行得到的计算结果计算出总的飞行路径长度以及重喷漏喷面积。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤5)中每条所述可选路径的飞行路径的长度通过如下公式计算：其中N为单条路径下必须躲避的障碍总数，N1是障碍圆与最小转弯圆异侧的障碍圆个数，N2是障碍圆与最小转弯圆同侧的障碍圆个数，且满足N1+N2＝N；其中b为所述直线段的长度；Rz为无人机的最小转弯半径；当障碍圆的半径大于等于无人机的最小转弯半径时，Ld为所述障碍圆的圆心到所述直线段的距离，Ri为第i个障碍圆的半径；当障碍圆的半径小于无人机的最小转弯半径时，Ld为所述内切圆的圆心到所述直线段的距离，Ri代表最小转弯半径的大小；所述障碍圆半径Ri满足公式Ri＝Rd+Rl，其中Rd为障碍圆的中心到最边缘的距离，Rl为无人机需要与障碍物保持的安全距离。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤5)中每条所述可选路径的重喷漏喷面积通过如下公式计算：

【专利技术属性】
技术研发人员：张喜海，范成国，房俊龙，孟繁锋，许绥佳，乔岳，
申请(专利权)人：东北农业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23