一种空地一体化植保作业系统与方法技术方案

本发明专利技术公开了一种空地一体化植保作业系统与方法。该系统包括无人机、地面控制站和无人驾驶车，无人机在作业前对指定的作业区域进行巡航测绘，以记录每一树木的作业点的三维坐标和树冠大小，并将每一树木的作业点的三维坐标和树冠大小发送至地面控制站，地面控制站引入了权重变量，从而得出最优作业航迹，无人机按照地面控制站最终规划出的航迹和每个作业点药液用量进行作业。本发明专利技术在规划作业航迹时，通过增加高度权重、树冠权重和距离属性，使得规划出的作业航迹更加合理，同时根据最终规划出的作业航迹计算出补药点，让无人驾驶车提前形式至补药点等待，从而解决了返航加药的问题，使得无人机可随用随停随补，降低能源消耗，提高作业效率。提高作业效率。提高作业效率。

【技术实现步骤摘要】
一种空地一体化植保作业系统与方法


[0001]本专利技术涉及植保作业
，具体涉及一种空地一体化植保作业系统与方法。

技术介绍

[0002]电动多旋翼植保无人机作为一种新型的农药喷洒设备，近年来发展迅猛。在树木喷药应用上，无人机需要逐棵进行喷洒。传统施药路径为几字形的地毯式遍历，对锂电池的电源是一个极大的浪费。同时由于载药量的限制，在大地块作业时，单架飞机无法满足整个地块的作业药液量，需要无人机返回补给站进行加药。
[0003]市面上现有的路径规划大多是基于二维平面作业点之间的最短路径。这种规划方法仅适用于理想地块，即：地块规整齐平且作物分布均匀。现实地块往往难以达到理想状态，故原有方法只能规划出次优解而非最优解。因此需要按照点对点的方式进行路径规划，尤其在杂乱的种植场景下，需要考虑地块高度差、植株高度、植株树冠大小、施药过程飞机重量减轻等多种因素。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是针对现有技术存在的不足，提供一种空地一体化植保作业系统与方法。
[0005]为实现上述目的，在第一方面，本专利技术提供了一种空地一体化植保作业系统，其特征在于，包括无人机、地面控制站和无人驾驶车，所述无人机用以在作业前对指定的作业区域进行巡航测绘，以记录每一树木的作业点的三维坐标和树冠大小，并将每一树木的作业点的三维坐标和树冠大小发送至地面控制站；所述地面控制站根据每一作业点的三维坐标，计算添加高度权重后的任意两个作业点之间的路径长度，其中，、、为第i个作业点的三维坐标，、、为第j个作业点的三维坐标，所述作业点的总数为n，i和j均属于（1，2，3，
……
，n）；所述地面控制站根据所述树冠大小设置树冠权重，并根据路径长度计算添加树冠权重后的两个作业点之间的路径长度，所述地面控制站对每一作业点进行编号，并根据所述编号及任意两个作业点之间的路径长度构建一个n*n位置矩阵，根据所有作业点生成以多个作业航迹分别为个体的父代群体，每一作业航迹的起止作业点相同，其余作业点随机打乱；所述地面控制站根据每一作业航迹中的每段路径长度计算每一作业航迹的总长度，并取作业航迹中总长度最小的作为最终规划出的作业航迹，根据最终规划出的作业航
迹中的作业点顺序及其对应的树冠大小计算每个作业点药液用量M，当前作业点作业完成后剩余药液量不足以完成下一个作业点作业时，将当前作业点标注为补药作业点，并根据补药作业点的位置计算补药点在最终规划出的作业航迹当中的位置，并根据补药点的位置为无人驾驶车规划行驶轨迹；所述无人机按照地面控制站最终规划出的航迹和每个作业点药液用量进行作业；所述无人驾驶车按照地面控制站规划出的行驶轨迹到达第一个补药点后停车等待，并在补药完成后前往下一个补药点。
[0006]进一步的，所述地面控制站在计算每一作业航迹的总长度前，还根据每一作业航迹中的作业点的顺序对每段路径长度添加距离权重，添加距离权重后的每段路径长度为：其中，m为所述作业航迹中路段的序号，为作业航迹中第m段路径的长度，a为设定的临界阈值作业点的序号；根据添加距离权重后的每段路径长度计算每一作业航迹添加距离权重后的总长度，并取作业航迹中添加距离权重后的总长度最小的作为最终规划出的作业航迹。
[0007]进一步的，所述地面控制站计算出每一作业航迹的总长度后，基于2
‑
opt算法得到总长度最小的作业航迹。
[0008]进一步的，每完成一个作业点的喷洒作业后，所述无人机将剩余药液量发送至地面控制站，所述地面控制站根据当前剩余药液量判断预设补药点是否符合预期，若不符合预期，则生成新的补药点，并将新的补药点的位置和补药点更改指令发送至无人机和无人驾驶车，以使所述无人机和无人驾驶车前往新的补药点进行补药。
[0009]进一步的，所述根据补药作业点的位置计算补药点具体包括：以所述补药作业点为圆心，并以所述补药作业点的树冠半径+b为半径作圆，判断所述圆上是否满足落入补药点，若满足，则随机取其中一点作为补药点，否则，扩大半径作圆，直至圆上满足落入补药点，b为设定的距离阈值。
[0010]在第二方面，本专利技术提供了一种空地一体化植保作业方法，包括：在作业前对指定的作业区域进行巡航测绘，以记录每一树木的作业点的三维坐标和树冠大小；根据每一作业点的三维坐标，计算添加高度权重后的任意两个作业点之间的路径长度，其中，、、为第i个作业点的三维坐标，、、为第j个作业点的三维坐标，所述作业点的总数为n，i和j均属于（1，2，3，
……
，n）；根据所述树冠大小设置树冠权重，并根据路径长度计算添加树冠权重后的两个作业点之间的路径长度，
对每一作业点进行编号，并根据所述编号及任意两个作业点之间的路径长度构建一个n*n位置矩阵，根据所有作业点生成以多个作业航迹分别为个体的父代群体，每一作业航迹的起止作业点相同，其余作业点随机打乱；根据每一作业航迹中的每段路径长度计算每一作业航迹的总长度，并取作业航迹中总长度最小的作为最终规划出的作业航迹，根据最终规划出的作业航迹中的作业点顺序及其对应的树冠大小计算每个作业点药液用量M，当前作业点作业完成后剩余药液量不足以完成下一个作业点作业时，将当前作业点标注为补药作业点，并根据补药作业点的位置计算补药点在最终规划出的作业航迹当中的位置，并根据补药点的位置为无人驾驶车规划行驶轨迹；控制无人机按照最终规划出的航迹和每个作业点药液用量进行作业；控制无人驾驶车按照规划出的行驶轨迹到达第一个补药点后停车等待，并在补药完成后前往下一个补药点。
[0011]进一步的，在计算每一作业航迹的总长度前，还根据每一作业航迹中的作业点的顺序对每段路径长度添加距离权重，添加距离权重后的每段路径长度为：其中，m为所述作业航迹中路段的序号，为作业航迹中第m段路径的长度，a为设定的临界阈值作业点的序号；根据添加距离权重后的每段路径长度计算每一作业航迹添加距离权重后的总长度，并取作业航迹中添加距离权重后的总长度最小的作为最终规划出的作业航迹。
[0012]进一步的，还包括：计算出每一作业航迹的总长度后，基于2
‑
opt算法得到总长度最小的作业航迹。
[0013]进一步的，每完成一个作业点的喷洒作业后，所述无人机将剩余药液量发送至地面控制站，所述地面控制站根据当前剩余药液量判断预设补药点是否符合预期，若不符合预期，则生成新的补药点，并将新的补药点的位置和补药点更改指令发送至无人机和无人驾驶车，以使所述无人机和无人驾驶车前往新的补药点进行补药。
[0014]进一步的，所述根据补药作业点的位置计算补药点具体包括：以所述补药作业点为圆心，并以所述补药作业点的树冠半径+b为半径作圆，判断所述圆上是否满足落入补药点，若满足，则随机取其中一点作为补药点，否则，扩大半径作圆，直至圆上满足落入补药点，b为设定的距离阈值。
[0015]有益效果：本专利技术在规划作业航迹时，通过增加高度权重、树冠权重和距离属性，使得规划出的作业航迹更加合理，同时根据最终规划出的作业航迹计算出补药点，让无人驾驶车本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种空地一体化植保作业系统，其特征在于，包括无人机、地面控制站和无人驾驶车，所述无人机用以在作业前对指定的作业区域进行巡航测绘，以记录每一树木的作业点的三维坐标和树冠大小，并将每一树木的作业点的三维坐标和树冠大小发送至地面控制站；所述地面控制站根据每一作业点的三维坐标，计算添加高度权重后的任意两个作业点之间的路径长度，其中，、、为第i个作业点的三维坐标，、、为第j个作业点的三维坐标，所述作业点的总数为n，i和j均属于（1，2，3，
……
，n）；所述地面控制站根据所述树冠大小设置树冠权重，并根据路径长度计算添加树冠权重后的两个作业点之间的路径长度，所述地面控制站对每一作业点进行编号，并根据所述编号及任意两个作业点之间的路径长度构建一个n*n位置矩阵，根据所有作业点生成以多个作业航迹分别为个体的父代群体，每一作业航迹的起止作业点相同，其余作业点随机打乱；所述地面控制站根据每一作业航迹中的每段路径长度计算每一作业航迹的总长度，并取作业航迹中总长度最小的作为最终规划出的作业航迹，根据最终规划出的作业航迹中的作业点顺序及其对应的树冠大小计算每个作业点药液用量M，当前作业点作业完成后剩余药液量不足以完成下一个作业点作业时，将当前作业点标注为补药作业点，并根据补药作业点的位置计算补药点在最终规划出的作业航迹当中的位置，并根据补药点的位置为无人驾驶车规划行驶轨迹；所述无人机按照地面控制站最终规划出的航迹和每个作业点药液用量进行作业；所述无人驾驶车按照地面控制站规划出的行驶轨迹到达第一个补药点后停车等待，并在补药完成后前往下一个补药点。2.根据权利要求1所述的空地一体化植保作业系统，其特征在于，所述地面控制站在计算每一作业航迹的总长度前，还根据每一作业航迹中的作业点的顺序对每段路径长度添加距离权重，添加距离权重后的每段路径长度为：其中，m为所述作业航迹中路段的序号，为作业航迹中第m段路径的长度，a为设定的临界阈值作业点的序号；根据添加距离权重后的每段路径长度计算每一作业航迹添加距离权重后的总长度，并取作业航迹中添加距离权重后的总长度最小的作为最终规划出的作业航迹。3.根据权利要求1所述的空地一体化植保作业系统，其特征在于，所述地面控制站计算出每一作业航迹的总长度后，基于2
‑
opt算法得到总长度最小的作业航迹。4.根据权利要求1所述的空地一体化植保作业系统，其特征在于，每完成一个作业点的喷洒作业后，所述无人机将剩余药液量发送至地面控制站，所述地面控制站根据当前剩余
药液量判断预设补药点是否符合预期，若不符合预期，则生成新的补药点，并将新的补药点的位置和补药点更改指令发送至无人机和无人驾驶车，以使所述无人机和无人驾驶车前往新的补药点进行补药。5.根据权利要求1所述的空地一体化植保作业系统，其特征在于，所述根据补药作业点的位置计算补药点具体包括：以所述补药作业点为圆心，并以所述补药作业点的树冠半径+b为半径作圆，判断所述圆上是否满足落入补药点，若满足，...

【专利技术属性】
技术研发人员：张毅，于航，林昱辰，
申请(专利权)人：南京嘉谷初成通信科技有限公司，
类型：发明
国别省市：