一种无人机喷施规划方法技术

本发明专利技术公开了一种无人机喷施规划方法，包括以下步骤，(1)存储数据库中的农田信息及无人机喷施作业参数，生成无人机喷施作业区域边框；(2)设置无人机喷施作业参数，生成飞行航点；(3)计算返航次数j，通过设置补给点及返航点生成最短的返航航程并计算无人机各作业架次的喷施作业航程；(4)采用有效载荷算法对无人机单作业架次作业载荷进行规划，得到单作业架次的最佳作业载荷；(5)获取无人机的实时剩余电量，并预判无人机下一作业架次所需的电量，通过比较实时剩余电量与下一作业架次所需的电量的大小来对无人机起航做预警。本发明专利技术的无人机喷施规划方法不仅可以降低无人机的无效能耗的损失，而且确保了无人机喷施作业的安全。

【技术实现步骤摘要】
一种无人机喷施规划方法
本专利技术涉及无人机植保作业领域，具体涉及一种无人机喷施规划方法。
技术介绍
早期的植保无人机喷施作业方式是基于无人机操控员手持遥控器控制无人机在农田喷施作业，依靠目视手动规划飞行航线，但是这种方式对人为因素依赖过大，无人机作业时经常偏离正常航线，出现漏喷重喷的现象，作业质量低，效果差。对于大块农田喷施作业来说，植保无人机由于载荷少、电量少，需要多次补充载荷和电量而往返于补给点，往返次数越多，往返距离越长，往返过程中需要消耗的电量也就越大，这种无效能耗的损失不仅增加作业经济成本和作业时间，而且降低作业效率。
技术实现思路
本专利技术目的在于克服现有技术的不足，提供一种无人机喷施规划方法，这样不仅可以降低植保无人机的无效能耗的损失，而且可以确保无人机喷施作业的安全。本专利技术解决上述技术问题的技术方案是：一种无人机喷施规划方法，包括数据规划、喷施流量规划、飞行航线规划、最佳载荷规划以及起航预警规划，其中，数据规划：存储或检索数据库中的农田信息及无人机喷施作业参数，通过调用农田信息及无人机喷施作业参数生成无人机喷施作业区域边框；其中，所述农田信息包括农田编号、农田长度m、农田宽度n及农田地理位置信息；所述无人机喷施作业参数包括无人机编号、续航时间、最大载荷量ZM、空载净重、电池容量；喷施流量规划：通过设置无人机喷施作业参数，在所述无人机喷施作业区域边框内生成无人机的飞行航点，其中，所述无人机喷施作业参数包括喷幅宽度d、飞行航点半径、喷施流量LP、作业时的飞行速度VP及飞行高度；所述无人机喷施作业参数的数据通过协议打包到通信消息包中，并通过通信模块传输给无人机飞控，同时设置的无人机喷施作业参数会作为实参传给航点生成函数；飞行航线规划，所述飞行航线规划包括以下步骤，(1)选取无人机起飞点并根据无人机喷施作业区域边框建立直角坐标系，起飞点为平面坐标系的原点，无人机喷施作业区域边框的四个顶点坐标分别为A(0，0)、B(0，n)、C(m，n)、D(m，0)；(2)根据所述无人机喷施作业参数中的喷幅宽度d及喷施作业的全覆盖航线预设算法生成无人机喷施作业飞行航线预设图；(3)根据所述无人机喷施作业飞行航线预设图中的无人机喷施作业飞行航线计算无人机喷施作业总航程HZ，根据所述无人机最大载荷ZM、喷施流量LP及喷施作业时的飞行速度VP计算无人机最大载荷ZM下的喷施航程HM；(4)根据所述无人机喷施作业总航程HZ及最大载荷ZM下的喷施航程HM计算无人机的返航次数j；(5)根据返航次数j及航线规划算法对无人机喷施作业飞行航线进行规划，得到无人机作业的补给点及返航点；最佳载荷规划：基于规划后的无人机喷施作业飞行航线，采用有效载荷算法对无人机单作业架次的作业载荷进行规划，得到无人机单作业架次的最佳作业载荷Zd；起航预警规划：获取无人机的实时剩余电量，并预判无人机下一作业架次所需的电量，通过比较实时剩余电量与下一作业架次所需的电量的大小来对无人机起航做预警。优选的，在飞行航线规划的步骤(2)中，所述全覆盖航线预设算法包括以下步骤：(1)根据所述无人机喷施作业区域边框的顶点A(0，0)，B(0，n)、农田长度m，农田宽度n，喷施流量LP，设置第一个航点的坐标为:(d/2，0)，第二个航点的坐标为：(d/2，n)，第三个航点的坐标为：(3d/2，n)，第四个航点的坐标为：(3d/2，0)；(2)设置第五个航点至第2m/d个航点坐标为：(3)第一个航点与第二个航点连接成竖直航线段，第二个航点与第三个航点连接成横向航线段，第三个航点与第四个航点连接成竖直航线段……第(2m/d)-1个航点与第2m/d个航点连接，依次连接所有航点，构成连续的飞行航线，即得到无人机喷施作业的全覆盖航线，其中，竖直航线段的长度为n，横向航线段的长度为d。优选的，在飞行航线规划的步骤(3)中,所述无人机喷施作业总航程HZ的计算公式为：所述无人机的最大载荷ZM下的喷施航程HM的计算公式为：HM＝VP×ZM/LP。优选的，在飞行航线规划的步骤(4)中，所述的返航次数j包括：(1)若HZ<HM，则无人机无需返航；(2)若HZ>HM，则有：j≤HZ/HM<j+1(j＝1,2,3…..j)，其中，j为返航次数。优选的，在飞行航线规划的步骤(5)中，所述航线规划算法得到的补给点不在无人机的起点处，其坐标为：(m/2,0)，若第一个返航点到补给点的距离HB加上无人机第一作业架次的喷施航程Hd大于无人机的最大飞行航程，则需增加一个补给点，同时，第一个补给点的坐标变为(m/3,0)，第二个补给点的坐标为(2m/3,0)，补给点满足的关系式为：ib＝bm/(b+1)，即i1＝m/2,i2＝2m/3……；b为补给点个数。优选的，在飞行航线规划的步骤(5)中，所述航线规划算法的步骤为：(1)设置无人机作业的补给点；(2)根据所述的2m/d个航点中，将第4k(k＝1,2,3,4……2m/d)个航点设置为待确定返航点；(3)根据所述无人机在最大载荷ZM下的单作业架次的最大喷施航程HM，根据关系式：求出k的值；(4)根据上述k值确定无人机飞行作业的返航点，第一个返航点为第4k个航点，第二个返航点为第2×4k个航点，第j个返航点为第j×4k个航点。优选的，在喷施流量规划中，所述的无人机作业区域边框将农田地理位置信息转换成导航定位数据并显示在电子导航地图上,所述航点生成函数得到的航点均在无人机作业区域边框上，且竖直航线段之间的间距为一个喷幅宽度d时喷雾恰好覆盖整个农田。优选的，在最佳载荷规划中，所述有效载荷算法根据无人机各作业架次的喷施航程Hd及喷施流量IP为无人机分配最佳作业载荷Zd，在所述最佳作业载荷Zd下，无人机喷施作业至返航点时，载荷恰好消耗完毕。优选的，在最佳载荷规划中，所述有效载荷算法的步骤为：(1)通过航线规划算法，获取无人机单作业架次作业的喷施航程Hd；(2)获取无人机作业时的飞行速度为VP，单位m/s，喷施流量IP，单位ml/s,根据单作业架次作业的喷施航程Hd，计算单次作业需要时间为单作业架次的最佳作业载荷Zd＝IPtd；(3)获取无人机的返航次数j，将最佳作业载荷Zd分配给(j-1)作业架次；(4)计算第j次作业的最佳作业载荷Zd，其计算公式为式中Hz为无人机喷施作业总航程。优选的，在起航预警规划中，预判无人机下一作业架次所需电量的步骤为：(1)获取无人机的电池容量Cm、单作业架次的喷施航程Hd、作业速度Vp、返航航程HB、单作业架次作业的最佳作业载荷Zd、无人机及电池的重重；(2)根据无人机空载悬停时的电压及电流计算无人机空载时的悬停功率Px，根据最大功率及悬停功率Px计算作业安全裕量α，根据α计算无人机最佳作业载荷Zd时电机最大拉力下升到作业高度所消耗的电量Pts；(3)根据喷施流量IP计算无人机的实时剩余载荷、实时电压、实时电流，计算该载荷下对应单位时间下的耗电量，并随时间累加至无人机空载时的喷施耗电量(4)计算无人机空载时刻的剩余电量Ck，计算无人机空载继续飞行至补给点的时间tk&b、到补给点时的剩余电量Ck&b以及记录降落后的剩余电量Cj；(5)计算表示无人机空载情况下以vP速度飞行每米消本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种无人机喷施规划方法，其特征在于，包括数据规划、喷施流量规划、飞行航线规划、最佳载荷规划以及起航预警规划，其中，数据规划：存储或检索数据库中的农田信息及无人机喷施作业参数，通过调用农田信息及无人机喷施作业参数生成无人机喷施作业区域边框；其中，所述农田信息包括农田编号、农田长度m、农田宽度n及农田地理位置信息；所述无人机喷施作业参数包括无人机编号、续航时间、最大载荷量ZM、空载净重、电池容量；喷施流量规划：通过设置无人机喷施作业参数，在所述无人机喷施作业区域边框内生成无人机的飞行航点，其中，所述无人机喷施作业参数包括喷幅宽度d、飞行航点半径、喷施流量LP、作业时的飞行速度VP及飞行高度；所述无人机喷施作业参数的数据通过协议打包到通信消息包中，并通过通信模块传输给无人机飞控，同时设置的无人机喷施作业参数会作为实参传给航点生成函数；飞行航线规划，所述飞行航线规划包括以下步骤，(1)选取无人机起飞点并根据无人机喷施作业区域边框建立直角坐标系，起飞点为平面坐标系的原点，无人机喷施作业区域边框的四个顶点坐标分别为A(0，0)、B(0，n)、C(m，n)、D(m，0)；(2)根据所述无人机喷施作业参数中的喷幅宽度d及喷施作业的全覆盖航线预设算法生成无人机喷施作业飞行航线预设图；(3)根据所述无人机喷施作业飞行航线预设图中的无人机喷施作业飞行航线计算无人机喷施作业总航程HZ，根据所述无人机最大载荷ZM、喷施流量LP及喷施作业时的飞行速度VP计算无人机最大载荷ZM下的喷施航程HM；(4)根据所述无人机喷施作业总航程HZ及最大载荷ZM下的喷施航程HM计算无人机的返航次数j；(5)根据返航次数j及航线规划算法对无人机喷施作业飞行航线进行规划，得到无人机作业的补给点及返航点；最佳载荷规划：基于规划后的无人机喷施作业飞行航线，采用有效载荷算法对无人机单作业架次的作业载荷进行规划，得到无人机单作业架次的最佳作业载荷Zd；起航预警规划：获取无人机的实时剩余电量，并预判无人机下一作业架次所需的电量，通过比较实时剩余电量与下一作业架次所需的电量的大小来对无人机起航做预警。...

【技术特征摘要】
1.一种无人机喷施规划方法，其特征在于，包括数据规划、喷施流量规划、飞行航线规划、最佳载荷规划以及起航预警规划，其中，数据规划：存储或检索数据库中的农田信息及无人机喷施作业参数，通过调用农田信息及无人机喷施作业参数生成无人机喷施作业区域边框；其中，所述农田信息包括农田编号、农田长度m、农田宽度n及农田地理位置信息；所述无人机喷施作业参数包括无人机编号、续航时间、最大载荷量ZM、空载净重、电池容量；喷施流量规划：通过设置无人机喷施作业参数，在所述无人机喷施作业区域边框内生成无人机的飞行航点，其中，所述无人机喷施作业参数包括喷幅宽度d、飞行航点半径、喷施流量LP、作业时的飞行速度VP及飞行高度；所述无人机喷施作业参数的数据通过协议打包到通信消息包中，并通过通信模块传输给无人机飞控，同时设置的无人机喷施作业参数会作为实参传给航点生成函数；飞行航线规划，所述飞行航线规划包括以下步骤，(1)选取无人机起飞点并根据无人机喷施作业区域边框建立直角坐标系，起飞点为平面坐标系的原点，无人机喷施作业区域边框的四个顶点坐标分别为A(0，0)、B(0，n)、C(m，n)、D(m，0)；(2)根据所述无人机喷施作业参数中的喷幅宽度d及喷施作业的全覆盖航线预设算法生成无人机喷施作业飞行航线预设图；(3)根据所述无人机喷施作业飞行航线预设图中的无人机喷施作业飞行航线计算无人机喷施作业总航程HZ，根据所述无人机最大载荷ZM、喷施流量LP及喷施作业时的飞行速度VP计算无人机最大载荷ZM下的喷施航程HM；(4)根据所述无人机喷施作业总航程HZ及最大载荷ZM下的喷施航程HM计算无人机的返航次数j；(5)根据返航次数j及航线规划算法对无人机喷施作业飞行航线进行规划，得到无人机作业的补给点及返航点；最佳载荷规划：基于规划后的无人机喷施作业飞行航线，采用有效载荷算法对无人机单作业架次的作业载荷进行规划，得到无人机单作业架次的最佳作业载荷Zd；起航预警规划：获取无人机的实时剩余电量，并预判无人机下一作业架次所需的电量，通过比较实时剩余电量与下一作业架次所需的电量的大小来对无人机起航做预警。2.根据权利要求1所述的无人机喷施规划方法，其特征在于，在飞行航线规划的步骤(2)中，所述全覆盖航线预设算法包括以下步骤：(1)根据所述无人机喷施作业区域边框的顶点A(0，0)，B(0，n)、农田长度m，农田宽度n，喷施流量LP，设置第一个航点的坐标为:(d/2，0)，第二个航点的坐标为：(d/2，n)，第三个航点的坐标为：(3d/2，n)，第四个航点的坐标为：(3d/2，0)；(2)设置第五个航点至第2m/d个航点坐标为：(3)第一个航点与第二个航点连接成竖直航线段，第二个航点与第三个航点连接成横向航线段，第三个航点与第四个航点连接成竖直航线段……第(2m/d)-1个航点与第2m/d个航点连接，依次连接所有航点，构成连续的飞行航线，即得到无人机喷施作业的全覆盖航线，其中，竖直航线段的长度为n，横向航线段的长度为d。3.根据权利要求2所述的无人机喷施规划方法，其特征在于，在飞行航线规划的步骤(3)中,所述无人机喷施作业总航程HZ的计算公式为：所述无人机的最大载荷ZM下的喷施航程HM的计算公式为：HM＝VP×ZM/LP。4.根据权利要求3所述的无人机喷施规划方法，其特征在于，在飞行航线规划的步骤(4)中，所述的返航次数j包括：(1)若HZ<HM，则无人机无需返航；(2)若HZ>HM，则有：j≤HZ/HM<j+1(j＝1,2,3…..j)，...

【专利技术属性】
技术研发人员：李继宇，朱长威，兰玉彬，李一凡，展义龙，
申请(专利权)人：华南农业大学，
类型：发明
国别省市：广东,44