一种基于冠层涡旋稳态运动的旋翼无人机精准作业方法

技术领域

本发明涉及一种植保无人机在田间精准作业的方法，特别是涉及基于冠层涡旋稳态运动的旋翼无人机精准作业方法。

背景技术

农用植保无人机作为一种新兴的农业机械化产品，是反映我国农业现代化水平的重要标志之一，故其作业质量和速度受到了广泛的关注，目前在中国的农业航空应用中，对农用植保无人机的精准作业方法的研究还处于起步甚至是空白阶段，发展潜力巨大。中国农业航空未来的需求集中集中在精准作，超低空喷施作业，大面积农情数据获取和其他特种作业等方面。

结合中国农业发展的特点，我们可以预见，未来中国农业航空的发展，应该是走实事求是，因地制宜，多机种，多作业方式的发展道路。因此，未来为中国农业航空服务的主要机种应该是有人/无人驾驶的固定翼飞机，旋翼直升机，以及动力三角翼等机型组合运用的景象。

与固定翼飞机不同，旋翼无人机由于存在旋翼，所以在作业时会存在一种特殊的参数——旋翼风场，由于农用无人机在田间作业时高度低，所以这种参数会直接作用到作物冠层上，与作物茎叶互相作用，从而产生类似椎体的涡旋，由于该涡旋的形态代表旋翼风场对作用的作用效果，因此也直接影响到无人机的作业效果，然而，现有技术中还没有通过控制旋涡的形态来提高作业效果的相关技术方案。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的不足，提供一种基于冠层涡旋稳态运动的旋翼无人机精准作业方法，该作业方法能够保证冠层涡旋在作业过程中始终处于稳定的最佳状态，从而提高作业效率和准确度，获得最佳的作业效果。

本发明解决上述技术问题的技术方案为：

一种基于冠层涡旋稳态运动的旋翼无人机精准作业方法，包括以下步骤：

步骤一、通过地面站在机载飞行控制单元中预先设定所需的作物冠层涡旋直径K、作物冠层涡旋深度D以及无人机在田间的作业航线；

步骤二、无人机起飞，飞行至作业航线起点，并且按照预先设定的作业航线，开始作业；

步骤三、在作业过程中，机载图像拍摄单元和机载图像处理单元实时拍取和分析无人机下方作物冠层涡旋图像，得到作物冠层涡旋实际直径K′和作物冠层涡旋实际深度D′；

步骤四、机载飞行控制单元根据反馈的作物冠层涡旋实际直径K′和作物冠层涡旋实际深度D′分别与预设的作物冠层涡旋直径K和作物冠层涡旋深度D对比，并根据对比结果输出相应的控制信号，调整无人机的飞行姿态参数，使作物冠层涡旋实际直径K′和作物冠层涡旋实际深度D′分别与预设的作物冠层涡旋直径K和作物冠层涡旋深度D趋于一致；

步骤五、在无人机作业完成前，重复步骤二，步骤三，步骤四。

进一步地，所述步骤三具体包括以下步骤：

(1)在无人机按照预定的作业航线飞行作业时，安装在无人机机体上的图像拍摄单元实时拍摄无人机下方作物冠层涡旋图像；

(2)将实时拍摄到的图像通过机载图像处理单元进行数学处理，经过数学处理后，获得作物冠层涡旋实际直径K′和作物冠层涡旋实际深度D′；

(3)图像处理单元向机载飞行控制单元反馈作物冠层涡旋实际直径K′和作物冠层涡旋实际深度D′。

进一步地，所述步骤四具体包括以下步骤：

(1)机载飞行控制单元接收到图像处理单元反馈的作物冠层实际涡旋直径K′和作物冠层涡旋实际深度D′后，与作业前预先设定的作物冠层涡旋直径K和作物冠层涡旋深度D进行对比，计算出实际涡旋直径与预定涡旋直径的差值Δ_K和实际涡旋深度D′和预定涡旋深度D的差值Δ_D；

(2)机载飞行控制单元将作物冠层涡旋直径差值Δ_K和作物冠层涡旋深度差值Δ_D通过差值转换算法换算成无人机的姿态改变量；

(3)机载飞行控制单元通过姿态控制算法改变无人机的姿态参数，从而改变作物冠层的涡旋大小。

进一步地，步骤四中，无人机的目标姿态参数为T(X，Y，Z，α，β，γ)，其中，X，Y，Z分别为无人机在三维空间位置中的经度，纬度，相对高度，α，β，γ分别为无人机的翻滚角，俯仰角，偏航角。

步骤四的步骤(2)中，机载飞行控制单元根据作物冠层涡旋实际直径K′与作物冠层涡旋直径K的差值Δ_K和作物冠层实际涡旋深度D′与预设涡旋深度D的差值Δ_D，通过差值转换算法融合得到无人机姿态改变量Δ_T(X，Y，Z，α，β，γ)＝M*Δ_K+N*Δ_D，M，N为大于零的常量；

步骤四的步骤(3)中，机载飞行控制单元根据无人机姿态参数改变量Δ_T(X，Y，Z，α，β，γ)，以当前姿态参数T′(X，Y，Z，α，β，γ)为基准，根据姿态控制算法发出相应控制信号，改变无人机姿态参数至目标姿态参数T(X，Y，Z，α，β，γ)＝T′(X，Y，Z，α，β，γ)+Δ_T(X，Y，Z，α，β，γ)，从而控制无人机下方的作物冠层涡旋直径和深度。

本发明与现有技术相比具有以下的有益效果：

1、本发明利用旋翼无人机低空作业时在作物冠层产生的涡旋现象，并探索出旋涡在特定的形态下具有最佳的作业效果的规律，进而在作业过程中让旋涡处于稳定的最佳状态，从而获得最佳的作业效果，提高了无人机低空作业时的效率和精确度，是一种精准、可靠、创新的农用无人机精准作业方式。

2、本发明通过图像识别技术实时获取当前作业位置的作物冠层旋涡形态，以旋涡的直径K和深度D作为旋涡形态的目标控制参数，并通过修正无人机的姿态参数来稳定目标控制参数，从而精确地确保旋涡始终处于最佳的形态。

3、通过对旋涡在最佳形态的无人机飞行参数的汇总和分析，丰富了无人机低空作业时的基准参数的选取方式。

附图说明

图1是本发明的基于作物冠层涡旋稳态运动的无人机作业方法的实施流程示意图。

具体实施方式

以下对本发明的实施例作进一步详细描述，但本实例并不用于限制本发明，凡是采用本发明的相似方法及其相似变化，均应列入本发明的保护范围。

本实例的基于作物冠层涡旋稳态运动的无人机作业方法以对水稻进行喷施作业为例，具体步骤如下：

步骤一、作业前，通过地面站在机载飞行控制单元中预先设定所需的农用无人机田间作业所需的各项参数：包括作物冠层涡旋直径K、作物冠层涡旋深度D、无人机在田间的作业航线S(包括航线起点P、飞行路径、无人机返航点P′)以及基本作业高度H；其中，作物冠层涡旋直径K和作物冠层涡旋深度D可以根据实际实验结果或者经验值或者理论计算获得；

步骤二、无人机起飞，上升至基本作业高度H并以此高度飞行至预定的作业航线S的起点P，开始作业；

步骤三、在作业过程中，机载图像拍摄单元和机载图像处理单元分别实时拍摄和分析无人机下方的作物冠层涡旋图像，分析后得出无人机下方作物冠层涡旋实际直径K′和作物冠层涡旋实际深度D′，具体包括以下步骤：

(1)在无人机按照预定的作业航线S飞行作业时，安装在无人机机体上的图像拍摄单元实时拍摄无人机下方作物冠层的涡旋图像；

(2)将实时拍摄到的涡旋图像通过机载图像处理单元，机载图像处理单元接收到由机载图像拍摄单元拍摄的作物冠层涡旋图像后，通过数学处理和分析，获得作物冠层涡旋实际直径K′和作物冠层涡旋实际深度D′；

(3)图像处理单元向机载飞行控制单元反馈作物冠层涡旋实际直径K′和作物冠层涡旋实际深度D′。

步骤四、机载飞行控制单元根据反馈的作物冠层涡旋实际直径K′和作物冠层涡旋实际深度D′分别与预设的作物冠层涡旋直径K和作物冠层涡旋深度D对比，并根据对比结果输出相应的控制信号，控制无人机达到目标姿态参数T(X，Y，Z，α，β，γ)(X，Y，Z分别为无人机在三维空间位置中的经度，纬度，相对高度，α，β，γ分别为无人机的翻滚角，俯仰角，偏航角)，使作物冠层涡旋实际直径K′和作物冠层涡旋实际深度D′分别与预设的作物冠层涡旋直径K和作物冠层涡旋深度D趋于一致；具体包括以下步骤：

(1)机载飞行控制单元接收到图像处理单元反馈的作物冠层实际涡旋直径K′和作物冠层涡旋实际深度D′后，与作业前预先设定的作物冠层涡旋直径K和作物冠层涡旋深度D进行对比，计算出实际涡旋直径与预定涡旋直径的差值Δ_K和实际涡旋深度D′和预定涡旋深度D的差值Δ_D；

(2)机载飞行控制单元根据作物冠层涡旋实际直径K′与作物冠层涡旋直径K的差值Δ_K和作物冠层实际涡旋深度D′与预设涡旋深度D的差值Δ_D，通过差值转换算法融合得到无人机姿态改变量Δ_T(X，Y，Z，α，β，γ)＝M*Δ_K+N*Δ_D，M，N为大于零的常量，是确保飞行器稳定飞行的参数，与作物的高度、茎干硬度以及飞行器的参数有关，通常通过实验获得的经验值来确定；

(3)机载飞行控制单元根据无人机姿态参数改变量Δ_T(X，Y，Z，α，β，γ)，以当前姿态参数T′(X，Y，Z，α，β，γ)为基准，根据姿态控制算法发出相应控制信号，改变无人机姿态参数至目标姿态参数T(X，Y，Z，α，β，γ)＝T′(X，Y，Z，α，β，γ)+Δ_T(X，Y，Z，α，β，γ)，从而控制无人机下方的作物冠层涡旋直径和深度。

步骤五、从作业开始到作业结束，重复步骤三至四，作业结束后，以基本作业高度H飞行至返航点P′降落。

本发明中，解决问题的技术构思是，针对一次具体的作业过程(如喷施、授粉等)，涡旋的形状变化会直接影响到作业效果，在作业过程中所述旋涡必然具有一种与最佳的作业效果对应的特定形态，因此无人机在作业过程中如果能够保证所述旋涡始终处于最佳的形态，那么整个作业过程就会具有最佳的效果。基于该构思，发明通过图像识别技术实时获取当前作业位置的作物冠层旋涡形态，以旋涡的直径K和深度D作为旋涡形态的目标控制参数，并通过修正无人机的姿态参数来稳定目标控制参数，从而精确地确保旋涡始终处于最佳的形态。

上述为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述内容的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。