一種無人機作業參數自動采集系統及自動感知方法
【專利摘要】本發明公開了一種無人機作業參數自動采集系統及自動感知方法，系統包括作業參數采集模塊陣列、飛行參數采集模塊和地面站。方法包括步驟：采集各個作業參數采集模塊的地理信息；提取作業參數地理信息特征，規劃無人機感知區域，得出適宜自動感知作業時刻的具體區域平面圖形方程；采集飛行軌跡；對無人機飛行軌跡進行軌跡預判，得到軌跡方程；根據軌跡方程和平面圖形方程得到二者在冠層平面的交點軌跡，確定交點軌跡的中點坐標作為采樣目標點；制定采樣策略，確定采樣時刻，在采樣時刻范圍內采集有效作業參數，送到地面站處理。本發明能夠實現采集數據同時段，自動確定采樣時機，避免不同飛行狀態下人工目視判斷帶來的誤差。
【專利說明】
一種無人機作業參數自動采集系統及自動感知方法
技術領域
[0001]本發明涉及飛行器作業參數采集研究領域，特別涉及一種無人機作業參數自動采集系統及自動感知方法。
【背景技術】
[0002]農用無人機田間進行植保噴灑、風力授粉、飛行撒播等應用已經得到全面展開。區別于高空作業無人機，農用無人機田間作業的不同之處在于飛行器始終處于作物冠層上方低空飛行。作業時一方面無人機旋翼產生的風場直接作用在作物冠層附近，直接影響到田間作業效果，旋翼風場寬度與大小成為無人機作業需要采集的一個重要空中參數;另一方面無人機作業效果需要在地面采集參數進行驗證，比如噴灑作業農藥的沉積量、穿透性和霧滴直徑大小等地面參數必須在作業冠層處采集。同時無人機的飛行高度、飛行速度和姿態角度等飛行參數也是衡量田間作業效果的重要參考指標。故及時準確獲取無人機作業時的地面參數(霧滴大小，沉積量，穿透性等)、空中參數(風場寬度、風速大小等)和飛行參數(飛行速度、飛行高度、姿態角等)是完整評價無人機田間作業效果的必備條件。
[0003]各類采集數據依靠無線通訊模塊或者線纜直接傳輸到地面站處理、存儲，其中地面參數的測量依靠在田間冠層位置排列的各類傳感器，獲取空中參數所需要的風速等傳感器或者排列在冠層處，或者放置在無人機機體上。飛行參數則需要將高精度RTK差分GPS綁定在無人機機體上，從而獲取實時飛行速度、飛行參數和飛行軌跡。
[0004]各類采樣數據必須在同時段內采集才具有對比價值。現有采集方式一般是采用人工目視觀測無人機飛行至傳感器陣列附近判斷采樣時刻后開始依次采集各類數據，目視觀測飛機飛離傳感器陣列后則分別停止采集各類數據，或者系統自動確定采集固定時間停止采集數據。該采樣方式存在觀察視覺誤差大，人工判斷采樣時刻模糊，各類傳感器采集開始時刻不一致的問題。從而常常會導致各類數據不在同一時段采集，缺乏參考意義;或者各樣本采集時刻標準不統一，影響后續數據處理;或者采集不到有效數據甚至根本采集不到數據的嚴重后果。那么設計一套無人機作業參數自動采集系統自動感知采樣時機，統一采樣時刻，消除目視采樣誤差具有顯著的科學意義。
【發明內容】
[0005]本發明的目的在于克服現有技術的缺點與不足，提供一種無人機作業參數自動采集系統及自動感知方法，能夠統一各類采樣參數的采集時刻，實現采集數據同時段;還能夠根據傳感器陣列位置自動感知無人機飛行狀態，進而自動確定采樣時機，避免不同飛行狀態下人工目視判斷帶來的誤差。
[0006]本發明的目的通過以下的技術方案實現:一種無人機作業參數自動采集系統，包括作業參數采集模塊陣列、飛行參數采集模塊、地面站，所述作業參數采集模塊陣列用于采集無人機作業時的地面參數和空中參數，與地面站進行雙向數據通訊;所述飛行參數采集模塊用于采集無人機作業時的飛行參數，采集所述作業參數采集模塊陣列的地理信息，以及采集飛行軌跡，與地面站進行雙向數據通訊;所述地面站用于根據作業參數采集模塊陣列采集的地面參數和空中參數，提取地理信息特征，規劃合適的無人機感知區域，同時根據飛行參數采集模塊采集的飛行軌跡，對無人機軌跡點采用預判軌跡算法計算，制定采樣策略，確定采樣時刻，在采樣時刻發送控制信號到作業參數采集模塊陣列、飛行參數采集模塊采集有效作業參數。
[0007]具體的，所述作業參數采集模塊陣列包括若干個作業參數采集模塊，具體是檢測無人機作業冠層效果的各類傳感器，以及檢測無人機作業空中效果的各類傳感器;所述作業參數采集模塊或者布置在冠層處，或者布置在冠層以下，或者布置在高于冠層處，或者懸掛于無人機機體處。
[0008]具體的，所述地面站同時與作業參數采集模塊陣列和飛行參數采集模塊進行實時雙向通訊，在地面站上設有自動作業操作模塊，該模塊用于顯示采集的數據以及進行人機交互。
[0009]—種基于上述無人機作業參數自動采集系統的自動感知方法，包括步驟:
[0010](I)采集作業參數采集模塊陣列中各個作業參數采集模塊的地理信息；
[0011](2)提取作業參數地理信息特征，規劃無人機感知區域，得出適宜自動感知作業時刻的具體區域平面圖形方程；
[0012](3)無人機搭載飛行參數采集模塊開始沿預定采集路線進行采集飛行，所述飛行參數采集模塊采集無人機在冠層平面實時投影坐標點，得到當前無人機的飛行軌跡；
[0013](4)對無人機飛行軌跡進行軌跡預判，得到一軌跡方程；
[0014](5)由于軌跡方程為一三維立體軌跡方程，進一步計算得到該軌跡在冠層平面處的投影平面方程，與步驟(2)得到的具體區域平面圖形方程聯立，計算二者在冠層平面的交點軌跡，確定所述交點軌跡的中點坐標作為采樣目標點；
[0015](6)根據采集的作業參數類型和采集數量要求，確定出無人機飛行至感知區域前方且距離采樣目標點的飛行時間為Tl的時刻為無人機開始采樣的時刻;相應的，確定出無人機飛行至感知區域后方且距離采樣目標點的飛行時間為T2的時刻為無人機停止采樣的時刻；
[0016](7)在采樣時刻范圍內采集有效作業參數，送到地面站處理。
[0017]優選的，所述步驟(I)中，將所述飛行參數采集模塊放置在作業參數采集模塊陣列中各個作業參數采集模塊處，采集每個模塊的精確地理信息，將該信息傳送到地面站存儲。
[0018]具體的，所述步驟(2)中，根據各個作業參數采集模塊的地理信息，對采集區域最優形狀進行擬合計算，得出適宜自動感知作業時刻的具體區域平面圖形方程。
[0019]優選的，所述步驟(4)中，對無人機飛行軌跡進行軌跡預判的方法是:取出所接收實時飛行軌跡數據的最新η個坐標點(η的數量由實時解算的飛行速度決定)，根據速度不能突變的原理，無人機預期飛行軌跡由所述取出的η個坐標點軌跡特征決定，其中包括如下幾種情況:
[0020](4-1)如果所述η個坐標點分段擬合成η-1條線段后，相鄰兩條線段的斜率一致，則預期飛行軌跡為一條直線，計算出該直線方程作為軌跡方程；
[0021](4-2)如果所述η個坐標點分段擬合后η-1條線段后，相鄰兩條線段的斜率變化值在允許的范圍之內，則預期飛行軌跡為一條直線，其斜率為η-1條線段斜率的均值，計算出該直線方程作為軌跡方程；
[0022](4-3)如果所述η個坐標點分段擬合成η-1條線段后，相鄰兩條線段的斜率變化值超出允許的范圍，且斜率變化率相同，則預期飛行軌跡為一條曲線，該曲線的曲率由斜率變化率決定，計算出該曲線方程作為軌跡方程；
[0023](4-4)如果所述η個坐標點分段擬合成η-1條線段后，相鄰兩條線段的斜率變化值超出允許的范圍，斜率變化率不同，但斜率變化率在允許的范圍之內，則預期飛行軌跡為一條曲線，該曲線的曲率由斜率變化率均值決定，計算出該曲線方程作為軌跡方程；
[0024](4-5)如果所述η個坐標點分段擬合成η-1條線段后，相鄰兩條線段的斜率變化值超出允許的范圍，斜率變化率不同，且斜率變化率超出允許的范圍，則預期飛行軌跡無效，不計算相應軌跡方程。
[0025]優選的，所述步驟(7)中，在采樣時刻范圍內采集有效作業參數，送到地面站處理，過程是:
[0026]無人機實時投影坐標點距離采樣目標點的剩余飛行時間達到Tl時，地面站對相應作業參數采集模塊發出開始采集指令，作業參數采集模塊從Tl時刻開始采集地面參數信息，隨著無人機飛過采集區域，無人機實時投影坐標點距離采樣目標點的剩余飛行時間達到T2時，地面站對相應作業參數采集模塊發出停止采集指令，作業參數采集模塊在T2時刻停止采集地面參數信息;隨后作業參數采集模塊將在采集到的數據返回給地面站。
[0027]本發明與現有技術相比，具有如下優點和有益效果:
[0028]1、本發明可以保證無人機作業過程中地面參數、空中參數和飛行參數的采集時刻一致，使得地面傳感器數據與飛行參數數據精準對應起來，保證采樣數據的科學意義，方便后期各類無人機參數的數據并行處理。
[0029]2、本發明能夠根據作業參數采集模塊陣列、飛行參數采集模塊自動感知無人機飛行狀態，飛行參數采集模塊采集作業參數采集模塊陣列的地理信息，進而自動確定采樣時機，避免不同飛行狀態下人工目視判斷帶來的誤差，提高數據實時采樣的準確性。
【附圖說明】
[0030]圖1為本實施例無人機作業參數自動采集系統應用效果示意圖。
[0031 ]圖2為本實施例無人機作業參數自動感知方法流程圖。
[0032]圖3為本實施例軌跡預判算法流程圖。
【具體實施方式】
[0033]下面結合實施例及附圖對本發明作進一步詳細的描述，但本發明的實施方式不限于此。
[0034]實施例1
[0035]參見圖1，本實施例所述的無人機作業參數自動采集系統，包括作業參數采集模塊陣列1、飛行參數采集模塊2、地面站3，地面站3上安裝有自動作業操作模塊，用戶可通過該模塊進行參數的設置、顯示等操作。下面對各個模塊分別進行具體描述。
[0036]所述作業參數采集模塊陣列I用于采集無人機作業時的地面參數和空中參數。包括檢測無人機作業冠層效果的各類傳感器，如霧滴檢測類，冠層風場檢測類等。還包括檢測無人機作業空中效果的各類傳感器。所述傳感器在田間布置的位置可以在冠層處或者冠層以下，還可以位于高于冠層處或者懸掛于無人機機體處，以不影響無人機飛行狀態為特征。所述作業參數采集模塊陣列中的模塊需要具備雙向數據通訊功能，既能夠接受地面站發送的指令信息，又能夠向地面站傳遞有效數據。
[0037]所述飛行參數采集模塊2為整個系統提供所需的實時高精度飛行高度、飛行速度、航向角、俯仰角及飛行軌跡等無人機飛行參數。所述飛行參數采集模塊2具有接收衛星信號能力的同時，也具備雙向數據通訊功能，既能夠接受地面站3發送的指令信息，又能夠向地面站3傳遞有效數據。所述飛行參數采集模塊2還能夠采集所述作業參數采集模塊I的地理
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[0038]所述地面站3具有2個通道同時與作業參數采集模塊陣列I和飛行參數采集模塊2進行實時雙向通訊。所述地面站3能夠安裝自動作業操作模塊4。所述自動作業操作模塊4包括作業參數配置、采集、顯示界面，飛行參數配置、采集、顯示界面，數據繪圖功能，數據保存功能和無人機作業參數自動感知算法運算等。
[0039]下面結合圖2，對本實施例無人機作業參數自動感知方法的過程進行具體說明:
[0040]I)采集作業參數采集模塊陣列中各個作業參數采集模塊的地理信息:
[0041]將所述飛行參數采集模塊放置在各個作業參數采集模塊處，采集每個模塊的精確地理信息，將該信息傳送到地面站存儲。
[0042]2)提取作業參數地理信息特征，規劃合適的無人機感知區域:
[0043]針對作業參數采集模塊的不同排列方式，將各個作業參數采集模塊坐標帶入圖形計算算法，對采集區域最優形狀進行擬合計算，得出適宜自動感知作業時刻的具體區域平面圖形方程。這里是否適宜，可以由用戶根據經驗和實際情況進行自主確定。
[0044]3)無人機搭載飛行參數采集模塊飛行，采集飛行軌跡:
[0045]無人機搭載飛行參數采集模塊開始沿預定采集路線進行采集飛行，所述飛行參數采集模塊同時將無人機在冠層平面實時投影坐標點(x，y)傳輸到地面站中進行預處理和存儲，得到當前無人機的飛行軌跡。
[0046]4)對無人機飛行軌跡進行軌跡預判，得到一軌跡方程:
[0047]對無人機的軌跡進行軌跡預判，取出所接收實時軌跡數據的最新10個坐標點(坐標點的數量由實時解算的飛行速度2m/s決定)。根據速度不能突變的原理，無人機預期飛行軌跡可由所述取出的10個坐標點軌跡特征決定，其軌跡預判算法流程參見圖3，包括如下幾種情況:
[0048](a)如果所述10個坐標點分段擬合成9條線段后，相鄰兩條線段的斜率一致，則預期飛行軌跡為同一條直線，計算出該直線方程作為軌跡方程；
[0049](b)如果所述10個坐標點分段擬合成9條線段后，相鄰兩條線段的斜率變化值在5%之內，則預期飛行軌跡為一條直線，其斜率為9條線段斜率的均值，計算出該直線方程作為軌跡方程；
[0050](c)如果所述10個坐標點分段擬合成9條線段后，相鄰兩條線段的斜率變化值超出5%，且斜率變化率相同，則預期飛行軌跡為一條曲線，該曲線的曲率由斜率變化率決定，計算出該曲線方程作為軌跡方程；
[0051](d)如果所述10個坐標點分段擬合成9條線段后，相鄰兩條線段的斜率變化值超出5%，斜率變化率不同，但斜率變化率在30 %之內，則預期飛行軌跡為一條曲線，該曲線的曲率由斜率變化率均值決定，計算出該曲線方程作為軌跡方程；
[0052](e)如果所述10個坐標點分段擬合成9條線段后，相鄰兩條線段的斜率變化值超出5%，斜率變化率不同，且斜率變化率超出30%，則預期飛行軌跡無效，不計算相應軌跡方程。
[0053]5)聯立軌跡方程在冠層平面的投影方程與平面圖形方程求解:
[0054]軌跡方程是三維立體軌跡方程，計算出該軌跡在冠層平面處的投影平面方程，該平面投影與步驟2)得到的平面圖形方程聯立，計算二者在冠層平面的交點軌跡。同時確定出所述交點軌跡的中點坐標(x0，yO)作為采樣目標點。
[0055]6)制定采樣策略，確定采樣時刻:
[0056]根據采集的風速類型和采集100個采樣點的要求，在所述地面站3中確定出無人機飛行至感知區域前方距離采樣目標點的飛行時間Tl為2.5s，即無人機開始采樣的時刻；相應的確定出無人機飛行至感知區域后方距離采樣目標點的飛行時間，即無人機停止采樣的時刻T2等于2.5s。
[0057]7)在采樣時刻范圍內采集有效作業參數，送到地面站處理:
[0058]無人機實時投影坐標點(x，y)距離采樣目標點(X0，y0)的剩余飛行時間達到Tl時系統產生中斷，地面站3對相應作業參數采集模塊I發出開始采集指令，作業參數采集模塊I從Tl時刻開始采集地面參數信息。隨著無人機飛過采集區域，無人機實時投影坐標點(x，y)距離采樣目標點(x0，y0)的剩余飛行時間達到T2時系統再次產生中斷，地面站3對相應作業參數采集模塊I發出停止采集指令，作業參數采集模塊I在T2時刻停止采集地面參數信息。隨后作業參數采集模塊I將在采集到的數據返回給地面站3。
[0059]上述實施例為本發明較佳的實施方式，但本發明的實施方式并不受上述實施例的限制，其他的任何未背離本發明的精神實質與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應為等效的置換方式，都包含在本發明的保護范圍之內。
【主權項】
1.一種無人機作業參數自動采集系統，其特征在于，包括作業參數采集模塊陣列、飛行參數采集模塊、地面站，所述作業參數采集模塊陣列用于采集無人機作業時的地面參數和空中參數，與地面站進行雙向數據通訊;所述飛行參數采集模塊用于采集無人機作業時的飛行參數，采集所述作業參數采集模塊陣列的地理信息，以及采集飛行軌跡，與地面站進行雙向數據通訊;所述地面站用于根據作業參數采集模塊陣列采集的地面參數和空中參數，提取地理信息特征，規劃合適的無人機感知區域，同時根據飛行參數采集模塊采集的飛行軌跡，對無人機軌跡點采用預判軌跡算法計算，制定采樣策略，確定采樣時刻，在采樣時刻發送控制信號到作業參數采集模塊陣列、飛行參數采集模塊采集有效作業參數。2.根據權利要求1所述的無人機作業參數自動采集系統，其特征在于，所述作業參數采集模塊陣列包括若干個作業參數采集模塊，具體是檢測無人機作業冠層效果的各類傳感器，以及檢測無人機作業空中效果的各類傳感器;所述作業參數采集模塊或者布置在冠層處，或者布置在冠層以下，或者布置在高于冠層處，或者懸掛于無人機機體處。3.根據權利要求1所述的無人機作業參數自動采集系統，其特征在于，所述地面站同時與作業參數采集模塊陣列和飛行參數采集模塊進行實時雙向通訊，在地面站上設有自動作業操作模塊，該模塊用于顯示采集的數據以及進行人機交互。4.一種基于權利要求1-3任一項所述無人機作業參數自動采集系統的自動感知方法，其特征在于，包括步驟: (1)采集作業參數采集模塊陣列中各個作業參數采集模塊的地理信息； (2)提取作業參數地理信息特征，規劃無人機感知區域，得出適宜自動感知作業時刻的具體區域平面圖形方程； (3)無人機搭載飛行參數采集模塊開始沿預定采集路線進行采集飛行，所述飛行參數采集模塊采集無人機在冠層平面實時投影坐標點，得到當前無人機的飛行軌跡； (4)對無人機飛行軌跡進行軌跡預判，得到一軌跡方程； (5)由于軌跡方程為一三維立體軌跡方程，進一步計算得到該軌跡在冠層平面處的投影平面方程，與步驟(2)得到的具體區域平面圖形方程聯立，計算二者在冠層平面的交點軌跡，確定所述交點軌跡的中點坐標作為采樣目標點； (6)根據采集的作業參數類型和采集數量要求，確定出無人機飛行至感知區域前方且距離采樣目標點的飛行時間為Tl的時刻為無人機開始采樣的時刻;相應的，確定出無人機飛行至感知區域后方且距離采樣目標點的飛行時間為T2的時刻為無人機停止采樣的時刻； (7)在采樣時刻范圍內采集有效作業參數，送到地面站處理。5.根據權利要求4所述的自動感知方法，其特征在于，所述步驟(I)中，將所述飛行參數采集模塊放置在作業參數采集模塊陣列中各個作業參數采集模塊處，采集每個模塊的精確地理信息，將該信息傳送到地面站存儲。6.根據權利要求4所述的自動感知方法，其特征在于，所述步驟(2)中，根據各個作業參數采集模塊的地理信息，對采集區域最優形狀進行擬合計算，得出適宜自動感知作業時刻的具體區域平面圖形方程。7.根據權利要求4所述的自動感知方法，其特征在于，所述步驟(4)中，對無人機飛行軌跡進行軌跡預判的方法是:取出所接收實時飛行軌跡數據的最新η個坐標點，根據速度不能突變的原理，無人機預期飛行軌跡由所述取出的η個坐標點軌跡特征決定，其中包括如下幾種情況: (4-1)如果所述η個坐標點分段擬合成n-1條線段后，相鄰兩條線段的斜率一致，則預期飛行軌跡為一條直線，計算出該直線方程作為軌跡方程； (4-2)如果所述η個坐標點分段擬合后η-1條線段后，相鄰兩條線段的斜率變化值在允許的范圍之內，則預期飛行軌跡為一條直線，其斜率為η-1條線段斜率的均值，計算出該直線方程作為軌跡方程； (4-3)如果所述η個坐標點分段擬合成η-1條線段后，相鄰兩條線段的斜率變化值超出允許的范圍，且斜率變化率相同，則預期飛行軌跡為一條曲線，該曲線的曲率由斜率變化率決定，計算出該曲線方程作為軌跡方程； (4-4)如果所述η個坐標點分段擬合成η-1條線段后，相鄰兩條線段的斜率變化值超出允許的范圍，斜率變化率不同，但斜率變化率在允許的范圍之內，則預期飛行軌跡為一條曲線，該曲線的曲率由斜率變化率均值決定，計算出該曲線方程作為軌跡方程； (4-5)如果所述η個坐標點分段擬合成η-1條線段后，相鄰兩條線段的斜率變化值超出允許的范圍，斜率變化率不同，且斜率變化率超出允許的范圍，則預期飛行軌跡無效，不計算相應軌跡方程。8.根據權利要求4所述的自動感知方法，其特征在于，所述步驟(7)中，在采樣時刻范圍內采集有效作業參數，送到地面站處理，過程是: 無人機實時投影坐標點距離采樣目標點的剩余飛行時間達到Tl時，地面站對相應作業參數采集模塊發出開始采集指令，作業參數采集模塊從Tl時刻開始采集地面參數信息，隨著無人機飛過采集區域，無人機實時投影坐標點距離采樣目標點的剩余飛行時間達到T2時，地面站對相應作業參數采集模塊發出停止采集指令，作業參數采集模塊在T2時刻停止采集地面參數信息;隨后作業參數采集模塊將在采集到的數據返回給地面站。
【文檔編號】G01C23/00GK105890623SQ201610247537
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年4月19日
【發明人】李繼宇, 蘭玉彬, 周志艷, 羅錫文, 呂建秋, 邢航, 姚偉祥, 陳盛德, 王建偉
【申請人】華南農業大學