一种植保无人机障碍物探测和预警系统技术方案

本发明专利技术涉及植保无人机，指一种植保无人机障碍物探测和预警系统。其包括数传电台装置、激光雷达探测装置和双目视觉探测装置。激光雷达探测装置安装位于无人机的机腹下方，双目视觉探测装置安装位于无人机的顶部，且正对机身的前进方向，数传电台装置安装于植保无人机顶部的保护罩中，激光雷达探测装置和双目视觉探测装置将采集和探测的数据发送至飞行控制系统，飞行控制系统接收数据并经过数据计算和分析后通过数传电台装置传输至人机交互终端和地面基站，飞手通过人机交互终端获得关于障碍物的信息并及时处理。本发明专利技术采用了视觉与非视觉传感器结合的探测手段对农田环境中的障碍物进行探测，并对飞手进行障碍物预警，保证了植保无人机的作业安全。

【技术实现步骤摘要】
一种植保无人机障碍物探测和预警系统
本专利技术涉及植保无人机，具体涉及一种植保无人机障碍物探测和预警系统。
技术介绍
植保无人机起降操作灵活，作业效率高，防治效果好，经济效益明显，不但有利于资源节约与环境友好，且广泛适用于地面机械难以耕作的农业区域。由于农田作业环境复杂，作业时常会遇到以树枝、电线和长势突出的农作物等为代表的各类障碍物，当飞手距植保无人机较远时，难以判断其周边飞行环境。因此，随着科技的快速发展，实现障碍物的自主识别与有效回避将是农用无人机智能化发展的必然趋势之一。随着精准农业航空技术的进一步发展，多传感器融合的探测系统将成为植保无人机实时探测系统的主流趋势。视觉与非视觉传感器的结合，也将提高植保作业的安全性，为自主喷施、智能导航的实现提供多种可能性，对障碍物进行及时识别和探测，并将障碍物的信息及时对飞手进行预警，保证了植保无人机在田间作业的安全。中国专利CN109976379A公开了一种激光雷达和深度相机融合的自主导航及避障无人机,使用深度相机、单目相机和激光雷达控制无人机完成对障碍物的探测并实现规避。该专利采用2D激光雷达实现障碍物建模、定位和绘图，二维激光扫描只能获取前方固定角度的深度信息，无法获取整个场景三维深度信息，在田间进行植保作业的无人机需要探测障碍物的三维信息，可以作出有效的避障决策，才能有效保证植保作业的安全。中国专利CN109839938A公开了一种基于激光雷达的无人机测距避让系统,采用激光雷达对障碍物进行探测的形式。该专利技术专利只关注无人机飞行方向正前方水平面的90°扇区，且有一定水平夹角的空间区域，该方式存在避障盲区，不能适应复杂的农田作业环境，由于采用单一的信号源的方式，不能全方位对田间障碍物进行有效探测，也不利于多机协同进行植保作业。中国专利CN109032185A公开了一种输电线路巡视无人机避障控制装置,该专利是通过处理器接受障碍感应信号并完成障碍信号的判断计算,进行控制指令的发送,自动控制无人机完成障碍躲避操作，用于植保作业中，由于没有预警系统，不能对障碍物进行预警，使飞手及时作出判断和处理。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是现有对于植保无人机障碍物探测为单一信号源的方式以及不能及时对飞手作障碍物信息的预警。由于农田作业环境复杂，作业时常会遇到以树枝、电线和长势突出的农作物等为代表的各类障碍物。单一传感器只能获得局部的、片面的环境特征信息。且由于传感器还受到其自身品质、性能的影响，采集到的信息往往是不完善的，带有较大的不确定性。采用激光雷达与双目视觉相结合的多传感器障碍物探测手段，从一定的距离上对农田中的树枝、电线、电线杆和长势突出的农作物进行探测，并将障碍物的信息及时对飞手进行预警，让飞手及时作出判断和处理，保证了植保无人机的作业安全。植保无人机障碍物探测和预警系统辅助飞手使用植保无人机进行植保作业。本专利技术通过下述技术方案实现：本专利技术一种植保无人机障碍物探测和预警系统，包括安装在植保无人机上的数传电台装置、激光雷达探测装置和双目视觉探测装置。激光雷达探测装置安装位于植保无人机的机腹下方，双目视觉探测装置安装位于植保无人机的顶部，且正对机身的前进方向，数传电台装置安装于植保无人机顶部的保护罩中，激光雷达探测装置和双目视觉探测装置将采集和探测的数据发送至飞行控制系统，飞行控制系统接收数据并经过数据计算和分析后通过数传电台装置传输至人机交互终端和地面基站，飞手通过人机交互终端获得关于障碍物的信息并及时处理。本专利技术一种植保无人机障碍物探测和预警系统，采用了视觉与非视觉传感器结合的探测手段，从一定的距离上对农田环境中的障碍物进行探测，并对飞手进行障碍物预警，飞手在收到预警信息时及时作出判断和处理，保证了植保无人机的作业安全。激光雷达探测装置具有探测距离远，探测精度高，不受天气状况影响等优点，但是激光雷达探测装置不具备视觉识别的功能，只能根据激光雷达探测装置探测到的物体的外形等特征粗略的判断出探测的目标。双目视觉探测装置弥补了激光雷达探测装置在识别物体方面的劣势，双目视觉探测装置可以捕获物体的细节，如亮度，纹理等特征。基于激光雷达探测装置和双目视觉探测装置的障碍物探测和预警系统整合了两种探测装置的优点，既能达到探测距离远，精度高和可靠性强的优点，同时又能准确识别田间的障碍物目标，二者的结合可以有效应对田间复杂的作业环境。将本专利技术一种植保无人机障碍物探测和预警系统用于植保无人机作业，在视觉探测装置的有效范围内出现障碍物时，双目视觉系统通过镜头采集图像，将图像传输至飞行控制系统，飞行控制系统对图像进行数据智能分析，从而可判断出该障碍物是否会影响植保无人机的作业安全，若该障碍物影响到植保无人机的作业安全，系统将通过人机交互终端告知飞手。当激光雷达探测装置在探测范围内识别到障碍物时，激光雷达探测装置将障碍物的信息(例如障碍物的距离、方位、高度、速度、姿态、形状等参数)传输至飞行控制系统，飞行控制系统接收数据并经过数据智能分析判断出该障碍物是否影响到植保无人机的作业安全，激光雷达探测装置探测出该障碍物与植保无人机的当前距离，然后飞行控制系统智能地发出相应的控制指令并做出相应的处理(例如智能地控制植保无人机的速度、规划好避障路径、作出相应的避障姿态)，地面的飞手通过人机交互系统接收到障碍物信息并及时作出判断和处理，确保无人机的作业安全。本专利技术一种植保无人机障碍物探测和预警系统，采用了视觉与非视觉传感器结合的探测手段，其难点在于激光雷达探测装置和双目视觉探测装置二者结合的信息融合。信息融合按照融合的层次不同，从低层到高层可以分为像素层融合、特征层融合以及决策层融合。像素层融合是根据采集得到的各种传感器原始信息，并在原始信息上进行融合，原始数据层信息在未作处理之前进行信息综合分析，由于原始数据未作处理，所以数据计算量比较大，实时性差，而且原始数据中包含一定的噪音，抗干扰能力不高，但是像素级融合反映的是物体的本质信息，保持尽可能多的现场数据信息。由于像素级融合是在原始信息上进行融合的，所以其属于最低层次的融合。特征层融合是对采集到的传感器原始信息进行优化加工，提取出有用易于识别的特征信息，并将来自多个传感器经过加工改进后的特征信息上进行处理，如加权处理操作，是中间层次的融合，相比于像素级融合，由于其对原始信息进行了提炼，从而计算量大大减小。目标状态融合和目标特性融合都属于特征级融合方式。其中目标状态融合主要用于目标跟踪方面，目标特性融合本质是将特征信息进行级联加以识别目标，在多传感器进行特征融合前，选择特征尤为重要，因为特征是进行识别的原材料，特征提取的好坏直接影响探测结果，因此，在进行特性融合前对特征信息进行分析处理，过滤掉无用特征信息，保留有意义的特征，优点是实现了特征信息压缩，保留了主要特征，方便实时处理。决策层融合不同于像素级融合和特征级融合，它是多种传感器各自进行判决，然后对各个传感器的判决结果加以融合，给出最终的综合决策方案。决策级融合属于高层次融合，决策级融合结果直接影响决策水平高低，预处理代价高，但相比于像素级融合和特征级融合，计算量最小本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种植保无人机障碍物探测和预警系统，其特征在于，所述系统包括安装在植保无人机上的数传电台装置、激光雷达探测装置和双目视觉探测装置；激光雷达探测装置安装位于植保无人机的机腹下方，双目视觉探测装置安装位于植保无人机的顶部，且正对机身的前进方向，数传电台装置安装于植保无人机顶部的保护罩中，数传电台装置、激光雷达探测装置、双目视觉探测装置分别与植保无人机自带的飞行控制系统信号连接；激光雷达探测装置和双目视觉探测装置将采集和探测的数据发送至飞行控制系统，飞行控制系统接收数据并经过数据计算和分析后通过数传电台装置传输至人机交互终端和地面基站，飞手通过人机交互终端获得关于障碍物的信息并及时处理。/n

【技术特征摘要】
1.一种植保无人机障碍物探测和预警系统，其特征在于，所述系统包括安装在植保无人机上的数传电台装置、激光雷达探测装置和双目视觉探测装置；激光雷达探测装置安装位于植保无人机的机腹下方，双目视觉探测装置安装位于植保无人机的顶部，且正对机身的前进方向，数传电台装置安装于植保无人机顶部的保护罩中，数传电台装置、激光雷达探测装置、双目视觉探测装置分别与植保无人机自带的飞行控制系统信号连接；激光雷达探测装置和双目视觉探测装置将采集和探测的数据发送至飞行控制系统，飞行控制系统接收数据并经过数据计算和分析后通过数传电台装置传输至人机交互终端和地面基站，飞手通过人机交互终端获得关于障碍物的信息并及时处理。


2.如权利要求1所述的一种植保无人机障碍物探测和预警系统，其特征在于，所述植保无人机的机载其他系统也与飞行控制系统信号连接；所述的机载其他系统为植保无人机的惯性测量单元、加速度计、陀螺仪、磁罗盘、GPS装置。


3.如权利要求1所述的一种植保无人机障碍物探测和预警系统，其特征在于，激光雷达探测装置具有激光雷达立体成像和3D智能分析的功能，能够获得障碍物的距离、方位、高度、速度、姿态、形状参数，实现对近距离障碍物的立体识别，能智能地判断前方障碍物是否影响到植保无人机的作业安全从而让植保无人机的飞手及时地做出判断和处理；双目视觉探测装置能实时得到场景的深度信息和三维模型，具备图像获取、摄像机标定、特征提取、图像匹配和三维重建的功能，能实现远距离的障碍物识别。


4.如权利要求1所述的一种植保无人机障碍物探测和预警系统，其特征在于，飞行控制系统具有处理激光雷达探测装置和双目视觉探测装置收集的关于障碍物数据的功能，并且能够向激光雷达探测装置、双目视觉探测装置和无机人自带的无人机动力系统，姿态控制系统，通讯系统发送各种指令，接收来自地面基站或人机交互终端的指令。


5.如权利要求1所述的一种植保无人机障碍物探测和预警系统，其特征在于，数传电台装置具有与人机交互终端和地面基站通讯的功能，数传电台装置能够将障碍物数据传送给人机交互终端，并且能够从人机交互终端接收无人机的控制指令；数传电台装置能够将障碍物数据传送给地面基站并且能够从地面基站接收调度数据。


6.如权利要求1所述的一种植保无人机障碍物探测和预警系统，其特征在于，地面基站能够规划植保无人机的飞行线路，并设定飞行高度、飞行速度、飞行地点、飞行任务，通过数传电台装置将任务数据编译传送至飞行控制系统。


7.如权利要求1所述的一种植保无人机障碍物探测和预警系统，其特征在于，数据计算和分析...

【专利技术属性】
技术研发人员：邱白晶，曹智，吴仪，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32