一种用于施药导引的无人机机载系统及施药导引系统技术方案

本发明专利技术提供一种用于施药导引的无人机机载系统及施药导引系统，所述无人机机载系统包括：主控系统、激光定点测距传感器和视觉传感器；所述视觉传感器用于在检测到地面信标时，启动所述激光定点测距传感器基于旋转定位频率方式，测量无人机与地面信标间距离；所述主控系统用于根据所述无人机与地面信标间距离，确定并实时更新无人机的坐标位置，并基于所述坐标位置控制无人机按照设定路径进行施药作业。本发明专利技术能够有效弥补传统无人机手动遥控飞行和依靠全球导航卫星定位系统飞行的缺陷，适应农业中无人机施药作业需求，且使得作业精准，续航时间长，无需时刻更新路线，更加节省成本。

【技术实现步骤摘要】
一种用于施药导引的无人机机载系统及施药导引系统
本专利技术涉及农业植保
，更具体地，涉及一种用于施药导引的无人机机载系统及施药导引系统。
技术介绍
植保无人机利用无人机平台搭载施药装置对作物进行定量定点精准施药，具有复杂地形适应性强、作业效率高等优势。无人机可集成智能飞控系统、复合光电吊舱及精准变量喷施设备等多种新型任务载荷，从而为农业植保提供全方位支持。当前，受益于人工智能技术、并行计算技术以及智能硬件等方面取得的突破，无人机植保技术向着智能化、系统化及精准化方向发展。植保无人机主要是按照规划路径对特定农田区域进行农药喷施，以达到防治作物病虫害的目的。喷施过程中，植保无人机的飞行路径的准确性非常重要。如飞行路径有偏差，即造成农药喷施区域的遗漏或者重叠，农药漏喷将影响病虫害的防治效果，农药重喷则会造成农药浪费。为解决此问题，当前采用的解决方案包括无人机施药手动模式控制方式和基于自主巡航作业方式。对于无人机施药手动模式控制，主要是通过人为观察、对无人机喷施区域进行遥控，模拟背负式喷雾器进行田间施药过程。这种方式下，植保无人机没有自主巡航飞行能力，飞行路径依靠人的视觉观察。其中，植保无人机的智能化程度低，作业效率非常有限；特别是当喷施农田较大时，仅依靠人为视觉判断，很难保证无人机施药路径不出现偏差。对于基于遥感地图和全球导航卫星系统(GlobalNavigationSatelliteSystem,GNSS)的施药区域规划和自主巡航作业方式，在开始作业前，首先在地图上定位作业农田区域，将作业边界画出，根据无人机施药有效幅宽自动生成无人机作业航线，然后将无人机作业航线经纬度坐标传送到无人机飞行控制系统，由无人机根据规划航线飞行。但是，自主巡航作业方式需要依赖全球导航卫星系统，如果无人机在作业过程中无法接收到卫星定位信号，则飞机无法实现自身定位，也即不能进行田间施药作业。而农田中，树木、林地较多，这些极容易对卫星定位信号遮挡或干扰，导致卫星定位信号失效，从而影响无人机施药作业。其中，全球导航卫星系统主要包括单点定位系统和差分定位系统，差分定位系统需要建立差分基站，不但系统成本较高，而且系统使用较复杂、无人机飞行区域受限于差分基站的覆盖范围，因此当前无人机定位系统多为单点定位系统。当前主流系统(GPS、北斗等)的民用系统部分，其单点定位精度偏差3米左右，即使配合多种传感器辅助，定位精度偏差也在1-2米。植保无人机的有效作业幅宽一般3-5米。相比较而言，对于植保无人机田间施药作业而言，单点卫星定位系统的偏差相对太大，已经无法满足施药应用。并且，自主巡航作业方式下，路径规划需首先在无人机地面站计算机上规划完成，并生成航线经纬度坐标序列，然后下载到无人机，无人机按照规划航线飞行。航线一旦规划完成，想要改变航线，只能先停止无人机作业，并重新规划生成航线、下载航线到无人机，航线改变灵活性较低。而田间施药作业过程常出现应急情况(如出现作业农机和人等)，需要无人机改变原来既定航线。另外，随着设施农业(温室农业)面积的逐年增加，经常需要无人机在较大的温室大棚内进行施药作业，而温室内受温室顶部覆盖物、金属支架等的影响，常常不能接受卫星定位信号，进而使得无人机无法实现在温室内的作业。
技术实现思路
为了克服上述问题或者至少部分地解决上述问题，本专利技术提供一种用于施药导引的无人机机载系统及施药导引系统，用以弥补传统无人机手动遥控飞行和依靠全球导航卫星定位系统飞行的缺陷，适应农业中无人机施药作业需求。一方面，本专利技术提供一种用于施药导引的无人机机载系统，包括：主控系统、激光定点测距传感器和视觉传感器；所述视觉传感器用于在检测到地面信标时，启动所述激光定点测距传感器基于旋转定位频率方式，测量无人机与地面信标间距离；所述主控系统用于根据所述无人机与地面信标间距离，确定并实时更新无人机的坐标位置，并基于所述坐标位置控制无人机按照设定路径进行施药作业。进一步的，所述无人机机载系统还包括：三维加速度传感器和超声波测高传感器；所述三维加速度传感器用于测量无人机的飞行加速度；所述超声波测高传感器用于发射测高超声波信号并接收作物冠层返回的回波信号；相应的，所述主控系统还用于，基于所述测高超声波信号和所述回波信号，计算无人机与作物冠层的相对距离，并获取无人机相对高度数据，还用于基于无人机的飞行速度、所述飞行加速度和所述无人机相对高度数据，控制无人机按照设定空间路径进行施药作业。其中，所述视觉传感器具体用于捕获地面信标顶部不同颜色的强光指示，对所述强光指示进行识别，并确定对应地面信标的位置坐标；所述激光定点测距传感器具体用于利用旋转伺服驱动系统对准所述地面信标，实现所述无人机与地面信标间距离的测量。其中，所述主控系统具体用于，基于不同作物及该作物的不同生长期，设置不同的回波信号提取关系方程，并利用所述回波信号提取关系方程，计算无人机与作物冠层的相对距离。其中，所述主控系统具体用于，利用所述回波信号提取关系方程，提取所述回波信号中的有效回波信号，并基于所述有效回波信号和所述测高超声波信号，计算无人机与作物冠层的相对距离。其中，所述三维加速度传感器具体用于，在所述激光定点测距传感器定位间隙，根据所述飞行加速度确定无人机偏移后的空间坐标。另一方面，本专利技术提供一种无人机施药导引系统，包括：地面控制站、多个根据地形设置的地面信标以及如上所述的用于施药导引的无人机机载系统；所述地面控制站用于对无人机设定路径的规划及路径坐标序列的生成，并指令所述无人机机载系统进行作业轨迹调整和作业区域调度。其中，所述地面信标的顶部设置不同颜色，且表面涂有强反光系数的反光涂料，所述地面信标到无人机的距离在所述激光定点测距传感器量程的1/3～2/3范围。其中，所述地面信标顶部设置的不同颜色作为无人机的避障提示信标点，以使所述无人机机载系统支持基于地面信标分布的避障模式。其中，所述地面控制站具体用于在该地面控制站的计算机作业规划系统中放置两个地面信标，并以该两个地面信标为参考点输入作业区域边界，进而基于所述作业区域边界生成无人机飞行路径；或者，用于在实际作业边界的顶点处放置地面信标，以利用所述无人机机载系统扫描该地面信标，并以该地面信标为作业区域边界定点生成闭合区域，进而以所述闭合区域作为目标作业区域。本专利技术提供的一种用于施药导引的无人机机载系统及施药导引系统，通过采用激光测距、视觉及多传感器辅助方式来实现无人机田间施药路径引导，能够有效弥补传统无人机手动遥控飞行和依靠全球导航卫星定位系统飞行的缺陷，适应农业中无人机施药作业需求，特别是能有效解决大田作业树木遮挡GNSS卫星信号导致无人机无法完成定位，以及作业、GNSS定位精准度无法满足应用需求的问题，具有精度高、不依赖全球导航卫星系统的特点，且使得作业精准，续航时间长，无需时刻更新路线，更加节省成本。附图说明图1为本专利技术实施例一种无人机施药导引系统的结构示意图；图2为根据本专利技术实施例一种无人机施药导引系统中建立的平面空间坐标系的示意图；图3为根据本专利技术实施例一种无人机施药导引系统中绘制作业区域的示意图；图4为根据本专利技术实施例一种无人机施药导引系统中另一种绘制作业区域的示意图；图5为本专利技术实施例一种用于施药导引的无人机机载系统的结构示本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于施药导引的无人机机载系统，其特征在于，包括：主控系统、激光定点测距传感器和视觉传感器；所述视觉传感器用于在检测到地面信标时，启动所述激光定点测距传感器基于旋转定位频率方式，测量无人机与地面信标间距离；所述主控系统用于根据所述无人机与地面信标间距离，确定并实时更新无人机的坐标位置，并基于所述坐标位置控制无人机按照设定路径进行施药作业。

【技术特征摘要】
1.一种用于施药导引的无人机机载系统，其特征在于，包括：主控系统、激光定点测距传感器和视觉传感器；所述视觉传感器用于在检测到地面信标时，启动所述激光定点测距传感器基于旋转定位频率方式，测量无人机与地面信标间距离；所述主控系统用于根据所述无人机与地面信标间距离，确定并实时更新无人机的坐标位置，并基于所述坐标位置控制无人机按照设定路径进行施药作业。2.根据权利要求1所述的无人机机载系统，其特征在于，还包括：三维加速度传感器和超声波测高传感器；所述三维加速度传感器用于测量无人机的飞行加速度；所述超声波测高传感器用于发射测高超声波信号并接收作物冠层返回的回波信号；相应的，所述主控系统还用于，基于所述测高超声波信号和所述回波信号，计算无人机与作物冠层的相对距离，并获取无人机相对高度数据，还用于基于无人机的飞行速度、所述飞行加速度和所述无人机相对高度数据，控制无人机按照设定空间路径进行施药作业。3.根据权利要求1所述的无人机机载系统，其特征在于，所述视觉传感器具体用于捕获地面信标顶部不同颜色的强光指示，对所述强光指示进行识别，并确定对应地面信标的位置坐标；所述激光定点测距传感器具体用于利用旋转伺服驱动系统对准所述地面信标，实现所述无人机与地面信标间距离的测量。4.根据权利要求2所述的无人机机载系统，其特征在于，所述主控系统具体用于，基于不同作物及该作物的不同生长期，设置不同的回波信号提取关系方程，并利用所述回波信号提取关系方程，计算无人机与作物冠层的相对距离。5.根据权利要求4所述的无人机机载系统，其特征在于，所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：张瑞瑞，陈立平，唐青，张明佳，宋佳星，
申请(专利权)人：北京农业智能装备技术研究中心，
类型：发明
国别省市：北京,11