農用植保無人機避障噴施路徑規劃方法及無人機技術

本發明專利技術提供一種農用植保無人機避障噴施路徑規劃方法及無人機，涉及無人機路線規劃方法及控制方法領域，為了解決現有技術中的避障算法未能兼顧減少路徑長短以及減少重噴漏噴的缺點，而提出一種新的用于植保無人機的避障路徑規劃方法及無人機，所述方法包括：判斷第一條噴施路徑的起點和終點構成的直線段與障礙圓是否相交；若相交，則生成Dubins路徑并確定所有可選的飛行路徑，計算第一條路徑的飛行路徑長度、轉彎路徑的長度、重復噴施面積：重復上述步驟，直至計算出所有的飛行路徑長度以及重復噴施面積，為了快速找出最佳路徑加入了遺傳算法，在所述可選的飛行路徑中快速選取最佳路徑。本發明專利技術適用于植保無人機。

Obstacle avoidance spraying path planning method for agricultural plant protection unmanned aerial vehicle and unmanned aerial vehicle

The invention provides an agricultural plant protection UAV obstacle avoidance and path planning method of spraying UAV, relates to the field of UAV route planning method and control method, in order to solve the obstacle avoidance algorithm to reduce the path length and reduce the leakage of heavy spray spray shortcomings, and put forward a new kind of plant protection for UAV method for obstacle avoidance and path planning of UAV, the method includes: judging line segments and circular obstacles constitute the starting point and end point of the first spraying path of whether the intersection; if the intersection, an Dubins path and make sure all the optional flight flight path, path length, turning path calculation first path length, repeated spraying area: repeat the above steps until the calculated flight path length and repeat all the spraying area, in order to find the best path with genetic algorithm Method to quickly select the best path in the optional flight path. The invention is applicable to plant protection unmanned aerial vehicles.

【技術實現步驟摘要】
農用植保無人機避障噴施路徑規劃方法及無人機
本專利技術涉及一種農用植保無人機避障噴施路徑規劃方法及無人機，屬于無人機路線規劃方法及控制方法領域。
技術介紹
植保無人機噴施作業的區域一般面積較大，而無人機體積小，反應靈活，所以一般植保無人機噴施的路線被規劃成來回往復的形如“Π”的形狀，其路線如圖3所示，圖3(a)是標準的矩形噴施區域，圖3(b)是一個不規則的噴施區域，但是他們規劃的路線都是來回往復的。這種來回往復的路線在沒有障礙的情況下噴施作業的效率和噴灑的均勻度(重噴和漏噴)都特別好。但是在實際應用中這種無任何障礙的無人機噴灑作業幾乎不存在。植保無人機在噴施作業中很有可能遇到零散分布的樹木，信號塔，電線桿等障礙。這無可避免的會涉及到植保無人機的噴施過程的避障問題。一般植保無人機在噴施作業中遇到的情況如圖4所示(其中圓形代表障礙)，在已經離線規劃好的路線中分布著若干障礙，這些障礙的特點是比較小，也比較分散，在離線路線規劃其中很難將其排除，此時就要求無人機在噴施作業的過程中還要進行障礙的躲避。以無人機在噴施作業中只遇到一個障礙的情況為例，運用傳統的避障算法所得到的避障路線如圖5所示。由圖5看出，無人機在避障的同時進行噴灑作業，因為無人機在躲避障礙的時候不能停止噴施作業，所以就會導致有些區域噴灑不到農藥(如上面的漏噴區域)，有些區域會在無人機回飛時噴灑兩遍(如上面的重復噴灑區域)。此避障過程會導致大面積的重噴和漏噴，下面就無人機噴施作業中的避障問題展開討論，并提出一種兼顧路徑長短和多噴漏噴的方法。給出一種無人機在噴施作業中的避障策略，這種避障策略可以在路徑長度增加不多的情況下，有效的減少多噴和漏噴的面積。圖5是以單障礙為例，當遇到多個障礙時，傳統的避障算法將會導致更多的重噴和漏噴的面積。文獻“《基于Dubins路徑的無人機避障規劃算法》，關震宇”提供了一種無人機避障規劃方法，但其未排除不需要躲避的障礙，并且不能返回原飛行路線上，從而導致其不能在減少重噴漏噴面積的基礎上選擇最佳路徑。
技術實現思路
本專利技術的目的是為了解決現有技術中的避障算法未能兼顧減少路徑長短以及減少重噴漏噴的缺點，而提出一種新的用于植保無人機的避障路徑規劃方法及無人機。一種用于植保無人機的避障噴施路徑長度確定方法，所述方法用于規劃從起始點到終點的飛行路徑，所述飛行路徑包括M條噴施路徑以及N條轉彎路徑，其特征在于，確定第一條噴施路徑的方法包括：步驟1)從第一條直線噴施路徑起，將當前飛行路徑的起點和終點連接，形成一條用于表示原飛行路線的直線段；步驟2)判斷所述直線段是否與障礙圓相交，若不相交，則按原路線直線飛行，若相交，則執行步驟3)；所述障礙圓是用于表示障礙物位置和大小特征的模型；將與所述直線段相交的障礙圓稱為目標障礙圓；步驟3)比較無人機的最小轉彎半徑與所述障礙圓的半徑大小；若障礙圓的半徑大于等于無人機的最小轉彎半徑，則執行步驟4)；若障礙圓的半徑小于無人機的最小轉彎半徑，則生成兩個所述障礙圓的內切圓，以內切圓代替所述障礙圓，然后執行步驟4)；所述內切圓的圓心位于所述直線段的經過所述障礙圓圓心的垂線上，所述內切圓的半徑等于所述最小轉彎圓的半徑；步驟4)生成復數個與所述直線段與所述障礙圓同時相切的最小轉彎圓；所述最小轉彎圓的半徑為無人機的最小轉彎半徑；步驟5)根據所述直線段、所述目標障礙圓以及所述最小轉彎圓確定復數個可選的飛行路徑并計算路徑的長度以及與所述的可選飛行路徑對應的重噴漏噴面積，并將數據進行歸一化處理；步驟6)將所述的復數個可選路徑作為初始種群，計算出適應值的大小；步驟7)使用遺傳算法的選擇、交叉、變異操作，當滿足迭代次數或者滿足預定的適應值大小條件時，輸出最佳的搜索路徑。步驟8)計算無人機從當前噴施路徑的終點飛行到下一條噴施路徑的起點所需經過的轉彎路徑的長度；步驟9)：重復執行步驟1)至步驟8)，通過每一次執行得到的計算結果計算出總的飛行路徑長度以及重噴漏噴面積。本專利技術還包括一種無人機，包括：路徑存儲裝置，用于預先存儲已規劃完成的預定飛行路徑信息；障礙檢測裝置，用于實時檢測周圍的障礙物信息，并預測是否會與障礙物碰撞；判斷裝置，用于在障礙檢測模塊預測會與障礙物碰撞時，發出避障信號；避障噴施路徑確定裝置，用于在未接收到避障信號時，從所述路徑存儲模塊中讀取所述預定飛行路徑信息，并發送至飛行控制裝置；還用于在接收到避障信號時，實現如權利要求7或8中任意一項裝置所述的功能，并將所述最佳路徑信息發送至飛行控制裝置；飛行控制裝置，用于根據接收到的路徑信息控制無人機進行飛行。本專利技術的有益效果為：使用Dubins路徑算法生成的避障路徑相比較于現有技術的避障算法更符合無人機的飛行特性；使用起點至終點的連線來排除不需要躲避的障礙，在多障礙噴施路徑選擇時采用啟發式的遺傳算法搜索路徑搜索最優路徑時用時更少；在已知障礙的情況下，相比較現有技術可以大大減少重噴漏噴的面積，一般可以減少200％至400％。附圖說明圖1為本專利技術的用于植保無人機的避障路徑規劃方法的流程圖；圖2為本專利技術的無人機的方框原理圖；圖3(a)為無人機在無障礙的矩形區域進行噴施的路線示意圖；圖3(b)為無人機在無障礙的不規則區域進行噴施的路線示意圖；圖4(a)為無人機在有障礙的矩形區域進行噴施的路線示意圖；圖4(b)為無人機在有障礙的不規則區域進行噴施的路線示意圖；圖5為現有技術的避障算法的避障路線圖；圖6為本專利技術的障礙圓及障礙圓區域半徑的示意圖；圖7為本專利技術的第一條飛行路徑上具有多障礙圓的實施例的示意圖；圖8為本專利技術的通過遺傳算法和Dunbins路徑最終確定的避障路徑的示意圖；圖9為當無人機的最小轉彎半徑小于噴施半徑時的飛行路線示意圖；圖10為使用本專利技術的方法得到的避障路線的一個實施例的示意圖；圖11為本專利技術的障礙圓與最小轉彎圓構成的三角形區域的示意圖；圖12為本專利技術的無人機的避障流程圖；圖13為本專利技術的當障礙圓半徑小于最小轉彎半徑時的示意圖；圖14為圖13的局部放大圖。具體實施方式具體實施方式一：本實施方式的用于植保無人機的避障路徑規劃方法，方法用于規劃飛行路徑，飛行路徑包括至少一條直線噴施路徑以及至少一條轉彎路徑，每一條直線噴施路徑包括一個起點和一個終點，每一條轉彎路徑表示從一個直線噴施路徑的終點飛行至下一個直線噴施路徑的起點的路徑，其特征在于，方法包括：步驟1)從第一條直線噴施路徑起，將當前飛行路徑的起點和終點連接，形成一條用于表示原飛行路線的直線段；步驟2)判斷直線段是否與障礙圓相交，若不相交，則按原路線直線飛行，若相交，則執行步驟3)；障礙圓是用于表示障礙物位置和大小特征的模型；將與直線段相交的障礙圓稱為目標障礙圓；步驟3)比較無人機的最小轉彎半徑與障礙圓的半徑大小；若障礙圓的半徑大于等于無人機的最小轉彎半徑，則執行步驟4)；若障礙圓的半徑小于無人機的最小轉彎半徑，則生成兩個障礙圓的內切圓，以內切圓代替障礙圓，然后執行步驟4)；內切圓的圓心位于直線段的經過障礙圓圓心的垂線上，內切圓的半徑等于最小轉彎圓的半徑；步驟4)生成復數個與直線段與障礙圓同時相切的最小轉彎圓；最小轉彎圓的半徑為無人機的最小轉彎半徑；步驟5)根據直線段、目標障礙圓以及最小轉彎圓確定復數個可選的飛行路徑并計算路本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種農用植保無人機避障噴施路徑規劃方法，所述方法用于規劃飛行路徑，所述飛行路徑包括至少一條直線噴施路徑以及至少一條轉彎路徑，每一條直線噴施路徑包括一個起點和一個終點，每一條轉彎路徑表示從一個直線噴施路徑的終點飛行至下一個直線噴施路徑的起點的路徑，其特征在于，所述方法包括：步驟1)從第一條直線噴施路徑起，將當前飛行路徑的起點和終點連接，形成一條用于表示原飛行路線的直線段；步驟2)判斷所述直線段是否與障礙圓相交，若不相交，則按原路線直線飛行，若相交，則執行步驟3)；所述障礙圓是用于表示障礙物位置和大小特征的模型；將與所述直線段相交的障礙圓稱為目標障礙圓；步驟3)比較無人機的最小轉彎半徑與所述障礙圓的半徑大小；若障礙圓的半徑大于等于無人機的最小轉彎半徑，則執行步驟4)；若障礙圓的半徑小于無人機的最小轉彎半徑，則生成兩個所述障礙圓的內切圓，以內切圓代替所述障礙圓，然后執行步驟4)；所述內切圓的圓心位于所述直線段的經過所述障礙圓圓心的垂線上，所述內切圓的半徑等于所述最小轉彎圓的半徑；步驟4)生成復數個與所述直線段與所述障礙圓同時相切的最小轉彎圓；所述最小轉彎圓的半徑為無人機的最小轉彎半徑；步驟5)根據所述直線段、所述目標障礙圓以及所述最小轉彎圓確定復數個可選的飛行路徑并計算路徑的長度以及與所述的可選飛行路徑對應的重噴漏噴面積，并將數據進行歸一化處理；步驟6)將所述的可選路徑作為初始種群，計算出適應值的大小；步驟7)使用遺傳算法的選擇、交叉、變異操作，當滿足迭代次數或者滿足預定的適應值大小條件時，輸出最佳的搜索路徑；步驟8)計算無人機從當前噴施路徑的終點飛行到下一條噴施路徑的起點所需經過的轉彎路徑的長度；步驟9)：重復執行步驟1)至步驟8)，通過每一次執行得到的計算結果計算出總的飛行路徑長度以及重噴漏噴面積。...

【技術特征摘要】
1.一種農用植保無人機避障噴施路徑規劃方法，所述方法用于規劃飛行路徑，所述飛行路徑包括至少一條直線噴施路徑以及至少一條轉彎路徑，每一條直線噴施路徑包括一個起點和一個終點，每一條轉彎路徑表示從一個直線噴施路徑的終點飛行至下一個直線噴施路徑的起點的路徑，其特征在于，所述方法包括：步驟1)從第一條直線噴施路徑起，將當前飛行路徑的起點和終點連接，形成一條用于表示原飛行路線的直線段；步驟2)判斷所述直線段是否與障礙圓相交，若不相交，則按原路線直線飛行，若相交，則執行步驟3)；所述障礙圓是用于表示障礙物位置和大小特征的模型；將與所述直線段相交的障礙圓稱為目標障礙圓；步驟3)比較無人機的最小轉彎半徑與所述障礙圓的半徑大小；若障礙圓的半徑大于等于無人機的最小轉彎半徑，則執行步驟4)；若障礙圓的半徑小于無人機的最小轉彎半徑，則生成兩個所述障礙圓的內切圓，以內切圓代替所述障礙圓，然后執行步驟4)；所述內切圓的圓心位于所述直線段的經過所述障礙圓圓心的垂線上，所述內切圓的半徑等于所述最小轉彎圓的半徑；步驟4)生成復數個與所述直線段與所述障礙圓同時相切的最小轉彎圓；所述最小轉彎圓的半徑為無人機的最小轉彎半徑；步驟5)根據所述直線段、所述目標障礙圓以及所述最小轉彎圓確定復數個可選的飛行路徑并計算路徑的長度以及與所述的可選飛行路徑對應的重噴漏噴面積，并將數據進行歸一化處理；步驟6)將所述的可選路徑作為初始種群，計算出適應值的大小；步驟7)使用遺傳算法的選擇、交叉、變異操作，當滿足迭代次數或者滿足預定的適應值大小條件時，輸出最佳的搜索路徑；步驟8)計算無人機從當前噴施路徑的終點飛行到下一條噴施路徑的起點所需經過的轉彎路徑的長度；步驟9)：重復執行步驟1)至步驟8)，通過每一次執行得到的計算結果計算出總的飛行路徑長度以及重噴漏噴面積。2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟5)中每條所述可選路徑的飛行路徑的長度通過如下公式計算：其中N為單條路徑下必須躲避的障礙總數，N1是障礙圓與最小轉彎圓異側的障礙圓個數，N2是障礙圓與最小轉彎圓同側的障礙圓個數，且滿足N1+N2＝N；其中b為所述直線段的長度；Rz為無人機的最小轉彎半徑；當障礙圓的半徑大于等于無人機的最小轉彎半徑時，Ld為所述障礙圓的圓心到所述直線段的距離，Ri為第i個障礙圓的半徑；當障礙圓的半徑小于無人機的最小轉彎半徑時，Ld為所述內切圓的圓心到所述直線段的距離，Ri代表最小轉彎半徑的大小；所述障礙圓半徑Ri滿足公式Ri＝Rd+Rl，其中Rd為障礙圓的中心到最邊緣的距離，Rl為無人機需要與障礙物保持的安全距離。3.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟5)中每條所述可選路徑的重噴漏噴面積通過如下公式計算：

【專利技術屬性】
技術研發人員：張喜海，范成國，房俊龍，孟繁鋒，許綏佳，喬岳，
申請(專利權)人：東北農業大學，
類型：發明
國別省市：黑龍江,23