本發(fā)明涉及無(wú)人機(jī)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種無(wú)人機(jī)自動(dòng)航跡生成方法。

背景技術(shù)：

當(dāng)前無(wú)人機(jī)噴施物料作業(yè)大多數(shù)采用手動(dòng)作業(yè)，其作業(yè)精度難以保證，由于缺乏噴施無(wú)聊遠(yuǎn)程檢測(cè)以及電池余量遠(yuǎn)程檢測(cè)的手段，飛手在作業(yè)的過(guò)程中往往采用估計(jì)的方法估算物料及電池的余量，這種作業(yè)方式易造成電池的浪費(fèi)以及物料的漏噴。

目前已存在部分具有自主導(dǎo)航功能的農(nóng)用無(wú)人機(jī)，其航線規(guī)劃方法為在衛(wèi)星地圖上標(biāo)定田塊邊界并進(jìn)行等距航線規(guī)劃，考慮到人工打點(diǎn)的精度、衛(wèi)星遙感影像較低的時(shí)域分辨率以及GPS接收機(jī)與國(guó)內(nèi)地圖的投影參考橢球體的差異，這種方法并不能精準(zhǔn)地獲取田塊邊界；與此同時(shí)，該方法并不能準(zhǔn)確地獲取田間的障礙物以及home點(diǎn)坐標(biāo)，市面上常見(jiàn)的無(wú)人機(jī)利用起飛點(diǎn)作為home點(diǎn)，當(dāng)無(wú)人機(jī)出現(xiàn)異常情況，如電池電量過(guò)低、藥箱余量不足的情況下自動(dòng)返航。然而由于農(nóng)村空域環(huán)境復(fù)雜，常有電線桿、高壓線、圍欄等障礙物，在缺乏切實(shí)可靠的自主避障機(jī)制的情況下，不能夠保證無(wú)人機(jī)能夠安全地返航。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提出一種無(wú)人機(jī)自動(dòng)航跡生成方法，能夠精確標(biāo)定田塊、障礙物和安全起降點(diǎn)的坐標(biāo)及面積，并自動(dòng)生成最短作業(yè)路徑，使得無(wú)人機(jī)在按照最短作業(yè)路徑自動(dòng)作業(yè)的情況下自主避障，且能自動(dòng)選擇最近的安全起降點(diǎn)進(jìn)行自主返航。

為達(dá)此目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

作為本發(fā)明的一個(gè)方面，提供的一種無(wú)人機(jī)自動(dòng)航跡生成方法，包括：

對(duì)待標(biāo)定區(qū)域的外輪廓進(jìn)行采樣，獲得待標(biāo)定區(qū)域的外輪廓的采樣點(diǎn)集，所述待標(biāo)定區(qū)域包括田塊、障礙物及安全起降點(diǎn)；

對(duì)所述采樣點(diǎn)集進(jìn)行最小外接凸多邊形的計(jì)算，并通過(guò)經(jīng)緯度坐標(biāo)與平面投影坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換，獲得待標(biāo)定區(qū)域的坐標(biāo)及面積；

根據(jù)田塊和障礙物的坐標(biāo)及面積獲得作業(yè)區(qū)域，對(duì)所述作業(yè)區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格化，并求取所述作業(yè)區(qū)域的最短作業(yè)路徑，所述最短作業(yè)路徑由若干個(gè)航點(diǎn)組成；

當(dāng)無(wú)人機(jī)在所述作業(yè)區(qū)域作業(yè)時(shí)，計(jì)算當(dāng)前航點(diǎn)及下一個(gè)航點(diǎn)到所有安全起降點(diǎn)的距離，判斷無(wú)人機(jī)在下一個(gè)航點(diǎn)是否能安全到達(dá)至少一個(gè)安全起降點(diǎn)，若是，則繼續(xù)作業(yè)，否則，在當(dāng)前航點(diǎn)返航。

可選地，所述對(duì)待標(biāo)定區(qū)域的外輪廓進(jìn)行采樣，獲得待標(biāo)定區(qū)域的外輪廓的采樣點(diǎn)集包括：

在無(wú)人機(jī)上安裝GPS移動(dòng)站，在地面上建立GPS基站；

將無(wú)人機(jī)靜置于一固定點(diǎn)，通過(guò)GPS基站對(duì)待標(biāo)定區(qū)域的外輪廓進(jìn)行采樣，并通過(guò)差分GPS技術(shù)獲得采樣點(diǎn)的經(jīng)緯度坐標(biāo)。

可選地，對(duì)所述采樣點(diǎn)集進(jìn)行最小外接凸多邊形的計(jì)算，并通過(guò)經(jīng)緯度坐標(biāo)與平面投影坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換，獲得待標(biāo)定區(qū)域的坐標(biāo)及面積包括：

令所述采樣點(diǎn)集為P(lon,lat)，包含的最小面積單連通域?yàn)镃，最小外接凸多邊形的頂點(diǎn)集合為B，其中，lon、lat分別表示W(wǎng)GS84參考橢球體下的經(jīng)度及緯度坐標(biāo)；

通過(guò)Karney快速坐標(biāo)轉(zhuǎn)換算法進(jìn)行經(jīng)緯度坐標(biāo)與平面投影坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換，公式如下：

P′_i(x,y)＝K(P_i(lon,lat))

P_i(lon,lat)＝K^-1(P′_i(x,y))

其中，K表示經(jīng)緯度坐標(biāo)轉(zhuǎn)換至平面坐標(biāo)函數(shù)；K^-1表示平面坐標(biāo)轉(zhuǎn)換至經(jīng)緯度坐標(biāo)函數(shù)；x、y分別表示對(duì)應(yīng)投影條帶的平面坐標(biāo)；i∈Card(P),i∈N⁺；

則待標(biāo)定區(qū)域的面積S為：

其中，Card(B′)表示B′集合中的元素?cái)?shù)目，

可選地，根據(jù)田塊和障礙物的坐標(biāo)及面積獲得作業(yè)區(qū)域具體為：

令田塊的連通域邊界點(diǎn)集為C_F，帶有冗余余量的障礙物連通域?yàn)閯t作業(yè)田塊面積S_total為：

則除去田塊中障礙物的作業(yè)區(qū)域R表示為：

可選地，對(duì)所述作業(yè)區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格化，并求取所述作業(yè)區(qū)域的最短作業(yè)路徑具體為：

令無(wú)人機(jī)作業(yè)時(shí)飛行高度為h時(shí)的噴霧幅寬為w，噴霧縱向?qū)挾葹閘，則將作業(yè)區(qū)域R離散為寬度為w，長(zhǎng)度為l的單連通區(qū)域R_i；

以任意R_i為起始子區(qū)域，并對(duì)其相鄰子區(qū)域R_j進(jìn)行檢測(cè)，若R_i∪R_j單連通域，則有R_i＝R_i∪R_j，持續(xù)迭代當(dāng)R_j＝φ或R_i∪R_j為多連通域時(shí)則停止迭代；

通過(guò)計(jì)算不同組合的下合并后的單連通域的規(guī)劃航跡長(zhǎng)度，取最短的組合作為最短作業(yè)路徑。

可選地，所述計(jì)算當(dāng)前航點(diǎn)及下一個(gè)航點(diǎn)到所有安全起降點(diǎn)的距離具體為：

令當(dāng)前航點(diǎn)為P₀，該航點(diǎn)到所有安全起降點(diǎn)的距離為D_H；

當(dāng)無(wú)人機(jī)與安全起降點(diǎn)不存在障礙物時(shí)，有其中為第i個(gè)安全起降點(diǎn)的中點(diǎn)；

當(dāng)無(wú)人機(jī)與安全起降點(diǎn)存在障礙物時(shí)，根據(jù)凸多邊形的定義，在E″_i一側(cè)存在一點(diǎn)E″_ij，有：

若E″_ijD_H∩E″_i＝E″_ij，則反之則尋找E″_i靠近一側(cè)繼續(xù)迭代，直至則有：

通過(guò)比較該障礙物左右兩側(cè)求取的D_H則可判定兩側(cè)路程差異，從而判定最優(yōu)返航航線。

可選地，所述判斷無(wú)人機(jī)在下一個(gè)航點(diǎn)是否能安全到達(dá)至少一個(gè)安全起降點(diǎn)包括：

自動(dòng)采集無(wú)人機(jī)的剩余電量，根據(jù)所述剩余電量及所述航點(diǎn)到所有安全起降點(diǎn)的距離判斷無(wú)人機(jī)在下一個(gè)航點(diǎn)是否能安全到達(dá)至少一個(gè)安全起降點(diǎn)；或

自動(dòng)采集無(wú)人機(jī)的剩余物料，根據(jù)所述剩余物料及所述所述作業(yè)區(qū)域內(nèi)單連通區(qū)域R_i的面積判斷無(wú)人機(jī)能否持續(xù)作業(yè)到下一個(gè)航點(diǎn)。

可選地，所述田塊內(nèi)部設(shè)置有若干個(gè)噴頭，所述若干個(gè)噴頭平均分配到作業(yè)區(qū)域R的單連通區(qū)域R_i中；當(dāng)所述單連通區(qū)域R_i位于作業(yè)區(qū)域R的邊界時(shí)，打開(kāi)所述單連通區(qū)域R_i內(nèi)的噴頭。

本發(fā)明的有益效果為：一種無(wú)人機(jī)自動(dòng)航跡生成方法，包括：對(duì)待標(biāo)定區(qū)域的外輪廓進(jìn)行采樣，獲得待標(biāo)定區(qū)域的外輪廓的采樣點(diǎn)集，所述待標(biāo)定區(qū)域包括田塊、障礙物及安全起降點(diǎn)；對(duì)所述采樣點(diǎn)集進(jìn)行最小外接凸多邊形的計(jì)算，并通過(guò)經(jīng)緯度坐標(biāo)與平面投影坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換，獲得待標(biāo)定區(qū)域的坐標(biāo)及面積；根據(jù)田塊和障礙物的坐標(biāo)及面積獲得作業(yè)區(qū)域，對(duì)所述作業(yè)區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格化，并求取所述作業(yè)區(qū)域的最短作業(yè)路徑，所述最短作業(yè)路徑由若干個(gè)航點(diǎn)組成；當(dāng)無(wú)人機(jī)在所述作業(yè)區(qū)域作業(yè)時(shí)，計(jì)算當(dāng)前航點(diǎn)及下一個(gè)航點(diǎn)到所有安全起降點(diǎn)的距離，判斷無(wú)人機(jī)在下一個(gè)航點(diǎn)是否能安全到達(dá)至少一個(gè)安全起降點(diǎn)，若是，則繼續(xù)作業(yè)，否則，在當(dāng)前航點(diǎn)返航，能夠精確標(biāo)定田塊、障礙物和安全起降點(diǎn)的坐標(biāo)及面積，并自動(dòng)生成最短作業(yè)路徑，使得無(wú)人機(jī)在按照最短作業(yè)路徑自動(dòng)作業(yè)的情況下自主避障，且能自動(dòng)選擇最近的安全起降點(diǎn)進(jìn)行自主返航。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明實(shí)施例提供的一種無(wú)人機(jī)自動(dòng)航跡生成方法流程圖；

圖2是本發(fā)明實(shí)施例提供的一種無(wú)人機(jī)最優(yōu)返航路線計(jì)算示意圖；

圖3是本發(fā)明實(shí)施例提供的一種無(wú)人機(jī)自動(dòng)航跡規(guī)劃示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合圖1-圖3并通過(guò)具體實(shí)施方式來(lái)進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案。

圖1是本實(shí)施例提供的一種無(wú)人機(jī)自動(dòng)航跡生成方法流程圖。

一種無(wú)人機(jī)自動(dòng)航跡生成方法，包括：

S10、對(duì)待標(biāo)定區(qū)域的外輪廓進(jìn)行采樣，獲得待標(biāo)定區(qū)域的外輪廓的采樣點(diǎn)集，所述待標(biāo)定區(qū)域包括田塊、障礙物及安全起降點(diǎn)；

S20、對(duì)所述采樣點(diǎn)集進(jìn)行最小外接凸多邊形的計(jì)算，并通過(guò)經(jīng)緯度坐標(biāo)與平面投影坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換，獲得待標(biāo)定區(qū)域的坐標(biāo)及面積；

S30、根據(jù)田塊和障礙物的坐標(biāo)及面積獲得作業(yè)區(qū)域；

S40、對(duì)所述作業(yè)區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格化，并求取所述作業(yè)區(qū)域的最短作業(yè)路徑，所述最短作業(yè)路徑由若干個(gè)航點(diǎn)組成；

S50、當(dāng)無(wú)人機(jī)在所述作業(yè)區(qū)域作業(yè)時(shí)，計(jì)算當(dāng)前航點(diǎn)及下一個(gè)航點(diǎn)到所有安全起降點(diǎn)的距離；

S60、判斷無(wú)人機(jī)在下一個(gè)航點(diǎn)是否能安全到達(dá)至少一個(gè)安全起降點(diǎn)，若是，進(jìn)入步驟S70、繼續(xù)作業(yè)，否則，進(jìn)入步驟S80、在當(dāng)前航點(diǎn)返航。

在本實(shí)施例中，能夠精確標(biāo)定田塊、障礙物和安全起降點(diǎn)的坐標(biāo)及面積，并自動(dòng)生成最短作業(yè)路徑，使得無(wú)人機(jī)在按照最短作業(yè)路徑自動(dòng)作業(yè)的情況下自主避障，且能自動(dòng)選擇最近的安全起降點(diǎn)進(jìn)行自主返航。

在本實(shí)施例中，所述步驟S10包括：

在無(wú)人機(jī)上安裝GPS移動(dòng)站，在地面上建立GPS基站；

將無(wú)人機(jī)靜置于一固定點(diǎn)，通過(guò)GPS基站對(duì)待標(biāo)定區(qū)域的外輪廓進(jìn)行采樣，并通過(guò)差分GPS技術(shù)獲得采樣點(diǎn)的經(jīng)緯度坐標(biāo)。

在本實(shí)施例中，在作業(yè)前標(biāo)定階段，通過(guò)差分式GPS將GPS基站與移動(dòng)站功能互換的方法快速簡(jiǎn)單第標(biāo)定田塊、障礙物及安全起降點(diǎn)的位置，并利用坐標(biāo)集進(jìn)行自動(dòng)規(guī)劃航跡、測(cè)算面積以及自動(dòng)尋找最優(yōu)返航點(diǎn)。

在本實(shí)施例中，所述步驟S20包括：

令所述采樣點(diǎn)集為P(lon,lat)，包含的最小面積單連通域?yàn)镃，最小外接凸多邊形的頂點(diǎn)集合為B，其中，lon、lat分別表示W(wǎng)GS84參考橢球體下的經(jīng)度及緯度坐標(biāo)；

通過(guò)Karney快速坐標(biāo)轉(zhuǎn)換算法進(jìn)行經(jīng)緯度坐標(biāo)與平面投影坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換，公式如下：

P′_i(x,y)＝K(P_i(lon,lat))

P_i(lon,lat)＝K^-1(P′_i(x,y))

其中，K表示經(jīng)緯度坐標(biāo)轉(zhuǎn)換至平面坐標(biāo)函數(shù)；K^-1表示平面坐標(biāo)轉(zhuǎn)換至經(jīng)緯度坐標(biāo)函數(shù)；x、y分別表示對(duì)應(yīng)投影條帶的平面坐標(biāo)；i∈Card(P),i∈N⁺；

則待標(biāo)定區(qū)域的面積S為：

其中，Card(B′)表示B′集合中的元素?cái)?shù)目，

在本實(shí)施例中，還包括通過(guò)迭代的方法求取最小外接凸多邊形的頂點(diǎn)集合為B：

令的ε鄰域?yàn)镼,其中ε→0；

則其最小外接凸多邊形的頂點(diǎn)集合可被定義為取P中縱坐標(biāo)最小時(shí)橫坐標(biāo)最小一點(diǎn)為B₀，當(dāng)Card(B)＝1時(shí)，令當(dāng)Card(B)>1時(shí)，令則：

當(dāng)上述D_j不存在時(shí)迭代結(jié)束，其中，Card(B)表示B集合中的元素?cái)?shù)目，i∈Card(B),i∈N⁺,j∈i。

在本實(shí)施例中，所述步驟S30包括：

令田塊的連通域邊界點(diǎn)集為C_F，帶有冗余余量的障礙物連通域?yàn)閯t作業(yè)田塊面積S_total為：

則除去田塊中障礙物的作業(yè)區(qū)域R表示為：

在本實(shí)施例中，所述冗余余量是為了防止環(huán)境風(fēng)場(chǎng)干擾以及飛手操作失誤而添加的，設(shè)冗余長(zhǎng)度為l_C。令點(diǎn)O為B′中各點(diǎn)中點(diǎn)，即：

令過(guò)B各相鄰元素的直線為L(zhǎng)，則：

LI＝{LI|LI_i⊥L_i,O∈LI_i}

令LI_i∩L_i＝PI_i，則：

L′_i＝{L′_i||LI_i,L′_i∈PI′_i}

B″＝{P|P＝L′_i∩L′_i+1}

則B″即為所求的帶有冗余余量的障礙物邊界頂點(diǎn)，其中i∈Card(B′),i∈N⁺，

利用該方法生成的禁飛區(qū)面積S_P為：

在本實(shí)施例中，所述步驟S40包括：

令無(wú)人機(jī)作業(yè)時(shí)飛行高度為h時(shí)的噴霧幅寬為w，噴霧縱向?qū)挾葹閘，則將作業(yè)區(qū)域R離散為寬度為w，長(zhǎng)度為l的單連通區(qū)域R_i；

以任意R_i為起始子區(qū)域，并對(duì)其相鄰子區(qū)域R_j進(jìn)行檢測(cè)，若R_i∪R_j單連通域，則有R_i＝R_i∪R_j，持續(xù)迭代當(dāng)R_j＝φ或R_i∪R_j為多連通域時(shí)則停止迭代；

通過(guò)計(jì)算不同組合的下合并后的單連通域的規(guī)劃航跡長(zhǎng)度，取最短的組合作為最短作業(yè)路徑。

在本實(shí)施例中，所述步驟S50包括：

令當(dāng)前航點(diǎn)為P₀，該航點(diǎn)到所有安全起降點(diǎn)的距離為D_H；

當(dāng)無(wú)人機(jī)與安全起降點(diǎn)不存在障礙物時(shí)，有其中為第i個(gè)安全起降點(diǎn)的中點(diǎn)；

當(dāng)無(wú)人機(jī)與安全起降點(diǎn)存在障礙物時(shí)，根據(jù)凸多邊形的定義，在E″_i一側(cè)存在一點(diǎn)E″_ij，有：

若E″_ijD_H∩E″_i＝E″_ij，則反之則尋找E″_i靠近一側(cè)繼續(xù)迭代，直至則有：

通過(guò)比較該障礙物左右兩側(cè)求取的D_H則可判定兩側(cè)路程差異，從而判定最優(yōu)返航航線。

在本實(shí)施例中，所述步驟S60包括：

自動(dòng)采集無(wú)人機(jī)的剩余電量，根據(jù)所述剩余電量及所述航點(diǎn)到所有安全起降點(diǎn)的距離判斷無(wú)人機(jī)在下一個(gè)航點(diǎn)是否能安全到達(dá)至少一個(gè)安全起降點(diǎn)；或

自動(dòng)采集無(wú)人機(jī)的剩余物料，根據(jù)所述剩余物料及所述所述作業(yè)區(qū)域內(nèi)單連通區(qū)域R_i的面積判斷無(wú)人機(jī)能否持續(xù)作業(yè)到下一個(gè)航點(diǎn)。

在本實(shí)施例中，無(wú)人機(jī)不僅考慮剩余電量的因素而自主返回，減少了電量浪費(fèi)，延長(zhǎng)無(wú)人機(jī)及電池的壽命，還能夠精準(zhǔn)地估算農(nóng)藥用量以及作業(yè)面積，減少在噴灑作業(yè)中由于作業(yè)面積引發(fā)的爭(zhēng)執(zhí)。

如圖2所示，為無(wú)人機(jī)最優(yōu)返航路線計(jì)算示意圖，假設(shè)無(wú)人機(jī)處于P₀點(diǎn)。作業(yè)場(chǎng)地F存在home點(diǎn)H₁、H₂以及障礙物冗余邊界E₁、E₂。此時(shí)無(wú)人機(jī)與H₁中間不存在障礙物，則由于無(wú)人機(jī)與H₂中間存在障礙物E₂，則無(wú)人機(jī)則分別計(jì)算從左、右兩側(cè)繞過(guò)E₂的路徑長(zhǎng)度。由上文敘述可知，若：

則無(wú)人機(jī)返航至H₁，反之則返航至H₂。若：

則無(wú)人機(jī)繞過(guò)E₂₁返航至H₂，反之則繞過(guò)E₂₃返航至H₂。

如圖3所示為本實(shí)施例的一種無(wú)人機(jī)自動(dòng)航跡規(guī)劃示意圖，在本實(shí)施例中，所述最短作業(yè)路徑與最優(yōu)返航路線共同組成無(wú)人機(jī)的自動(dòng)航跡，使得無(wú)人機(jī)在按照最短作業(yè)路徑自動(dòng)作業(yè)的情況下自主避障，且能自動(dòng)選擇最近的安全起降點(diǎn)按照最優(yōu)返航路線進(jìn)行自主返航。

在本實(shí)施例中，所述田塊內(nèi)部設(shè)置有若干個(gè)噴頭，所述若干個(gè)噴頭平均分配到作業(yè)區(qū)域R的單連通區(qū)域R_i中；當(dāng)所述單連通區(qū)域R_i位于作業(yè)區(qū)域R的邊界時(shí)，打開(kāi)所述單連通區(qū)域R_i內(nèi)的噴頭，從而減少霧滴漂移帶來(lái)的污染。

以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施方式，這些描述只是為了解釋本發(fā)明的原理，而不能以任何方式解釋為對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限制。基于此處的解釋，本領(lǐng)域的技術(shù)人員不需要付出創(chuàng)造性的勞動(dòng)即可聯(lián)想到本發(fā)明的其它具體實(shí)施方法，這些方式都將落入本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。