一种无人机作业参数自动采集系统及自动感知方法
【专利摘要】本发明公开了一种无人机作业参数自动采集系统及自动感知方法，系统包括作业参数采集模块阵列、飞行参数采集模块和地面站。方法包括步骤：采集各个作业参数采集模块的地理信息；提取作业参数地理信息特征，规划无人机感知区域，得出适宜自动感知作业时刻的具体区域平面图形方程；采集飞行轨迹；对无人机飞行轨迹进行轨迹预判，得到轨迹方程；根据轨迹方程和平面图形方程得到二者在冠层平面的交点轨迹，确定交点轨迹的中点坐标作为采样目标点；制定采样策略，确定采样时刻，在采样时刻范围内采集有效作业参数，送到地面站处理。本发明能够实现采集数据同时段，自动确定采样时机，避免不同飞行状态下人工目视判断带来的误差。
【专利说明】
一种无人机作业参数自动采集系统及自动感知方法
技术领域
[0001]本发明涉及飞行器作业参数采集研究领域，特别涉及一种无人机作业参数自动采集系统及自动感知方法。
【背景技术】
[0002]农用无人机田间进行植保喷洒、风力授粉、飞行撒播等应用已经得到全面展开。区别于高空作业无人机，农用无人机田间作业的不同之处在于飞行器始终处于作物冠层上方低空飞行。作业时一方面无人机旋翼产生的风场直接作用在作物冠层附近，直接影响到田间作业效果，旋翼风场宽度与大小成为无人机作业需要采集的一个重要空中参数;另一方面无人机作业效果需要在地面采集参数进行验证，比如喷洒作业农药的沉积量、穿透性和雾滴直径大小等地面参数必须在作业冠层处采集。同时无人机的飞行高度、飞行速度和姿态角度等飞行参数也是衡量田间作业效果的重要参考指标。故及时准确获取无人机作业时的地面参数(雾滴大小，沉积量，穿透性等)、空中参数(风场宽度、风速大小等)和飞行参数(飞行速度、飞行高度、姿态角等)是完整评价无人机田间作业效果的必备条件。
[0003]各类采集数据依靠无线通讯模块或者线缆直接传输到地面站处理、存储，其中地面参数的测量依靠在田间冠层位置排列的各类传感器，获取空中参数所需要的风速等传感器或者排列在冠层处，或者放置在无人机机体上。飞行参数则需要将高精度RTK差分GPS绑定在无人机机体上，从而获取实时飞行速度、飞行参数和飞行轨迹。
[0004]各类采样数据必须在同时段内采集才具有对比价值。现有采集方式一般是采用人工目视观测无人机飞行至传感器阵列附近判断采样时刻后开始依次采集各类数据，目视观测飞机飞离传感器阵列后则分别停止采集各类数据，或者系统自动确定采集固定时间停止采集数据。该采样方式存在观察视觉误差大，人工判断采样时刻模糊，各类传感器采集开始时刻不一致的问题。从而常常会导致各类数据不在同一时段采集，缺乏参考意义;或者各样本采集时刻标准不统一，影响后续数据处理;或者采集不到有效数据甚至根本采集不到数据的严重后果。那么设计一套无人机作业参数自动采集系统自动感知采样时机，统一采样时刻，消除目视采样误差具有显著的科学意义。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种无人机作业参数自动采集系统及自动感知方法，能够统一各类采样参数的采集时刻，实现采集数据同时段;还能够根据传感器阵列位置自动感知无人机飞行状态，进而自动确定采样时机，避免不同飞行状态下人工目视判断带来的误差。
[0006]本发明的目的通过以下的技术方案实现:一种无人机作业参数自动采集系统，包括作业参数采集模块阵列、飞行参数采集模块、地面站，所述作业参数采集模块阵列用于采集无人机作业时的地面参数和空中参数，与地面站进行双向数据通讯;所述飞行参数采集模块用于采集无人机作业时的飞行参数，采集所述作业参数采集模块阵列的地理信息，以及采集飞行轨迹，与地面站进行双向数据通讯;所述地面站用于根据作业参数采集模块阵列采集的地面参数和空中参数，提取地理信息特征，规划合适的无人机感知区域，同时根据飞行参数采集模块采集的飞行轨迹，对无人机轨迹点采用预判轨迹算法计算，制定采样策略，确定采样时刻，在采样时刻发送控制信号到作业参数采集模块阵列、飞行参数采集模块采集有效作业参数。
[0007]具体的，所述作业参数采集模块阵列包括若干个作业参数采集模块，具体是检测无人机作业冠层效果的各类传感器，以及检测无人机作业空中效果的各类传感器;所述作业参数采集模块或者布置在冠层处，或者布置在冠层以下，或者布置在高于冠层处，或者悬挂于无人机机体处。
[0008]具体的，所述地面站同时与作业参数采集模块阵列和飞行参数采集模块进行实时双向通讯，在地面站上设有自动作业操作模块，该模块用于显示采集的数据以及进行人机交互。
[0009]—种基于上述无人机作业参数自动采集系统的自动感知方法，包括步骤:
[0010](I)采集作业参数采集模块阵列中各个作业参数采集模块的地理信息；
[0011](2)提取作业参数地理信息特征，规划无人机感知区域，得出适宜自动感知作业时刻的具体区域平面图形方程；
[0012](3)无人机搭载飞行参数采集模块开始沿预定采集路线进行采集飞行，所述飞行参数采集模块采集无人机在冠层平面实时投影坐标点，得到当前无人机的飞行轨迹；
[0013](4)对无人机飞行轨迹进行轨迹预判，得到一轨迹方程；
[0014](5)由于轨迹方程为一三维立体轨迹方程，进一步计算得到该轨迹在冠层平面处的投影平面方程，与步骤(2)得到的具体区域平面图形方程联立，计算二者在冠层平面的交点轨迹，确定所述交点轨迹的中点坐标作为采样目标点；
[0015](6)根据采集的作业参数类型和采集数量要求，确定出无人机飞行至感知区域前方且距离采样目标点的飞行时间为Tl的时刻为无人机开始采样的时刻;相应的，确定出无人机飞行至感知区域后方且距离采样目标点的飞行时间为T2的时刻为无人机停止采样的时刻；
[0016](7)在采样时刻范围内采集有效作业参数，送到地面站处理。
[0017]优选的，所述步骤(I)中，将所述飞行参数采集模块放置在作业参数采集模块阵列中各个作业参数采集模块处，采集每个模块的精确地理信息，将该信息传送到地面站存储。
[0018]具体的，所述步骤(2)中，根据各个作业参数采集模块的地理信息，对采集区域最优形状进行拟合计算，得出适宜自动感知作业时刻的具体区域平面图形方程。
[0019]优选的，所述步骤(4)中，对无人机飞行轨迹进行轨迹预判的方法是:取出所接收实时飞行轨迹数据的最新η个坐标点(η的数量由实时解算的飞行速度决定)，根据速度不能突变的原理，无人机预期飞行轨迹由所述取出的η个坐标点轨迹特征决定，其中包括如下几种情况:
[0020](4-1)如果所述η个坐标点分段拟合成η-1条线段后，相邻两条线段的斜率一致，则预期飞行轨迹为一条直线，计算出该直线方程作为轨迹方程；
[0021](4-2)如果所述η个坐标点分段拟合后η-1条线段后，相邻两条线段的斜率变化值在允许的范围之内，则预期飞行轨迹为一条直线，其斜率为η-1条线段斜率的均值，计算出该直线方程作为轨迹方程；
[0022](4-3)如果所述η个坐标点分段拟合成η-1条线段后，相邻两条线段的斜率变化值超出允许的范围，且斜率变化率相同，则预期飞行轨迹为一条曲线，该曲线的曲率由斜率变化率决定，计算出该曲线方程作为轨迹方程；
[0023](4-4)如果所述η个坐标点分段拟合成η-1条线段后，相邻两条线段的斜率变化值超出允许的范围，斜率变化率不同，但斜率变化率在允许的范围之内，则预期飞行轨迹为一条曲线，该曲线的曲率由斜率变化率均值决定，计算出该曲线方程作为轨迹方程；
[0024](4-5)如果所述η个坐标点分段拟合成η-1条线段后，相邻两条线段的斜率变化值超出允许的范围，斜率变化率不同，且斜率变化率超出允许的范围，则预期飞行轨迹无效，不计算相应轨迹方程。
[0025]优选的，所述步骤(7)中，在采样时刻范围内采集有效作业参数，送到地面站处理，过程是:
[0026]无人机实时投影坐标点距离采样目标点的剩余飞行时间达到Tl时，地面站对相应作业参数采集模块发出开始采集指令，作业参数采集模块从Tl时刻开始采集地面参数信息，随着无人机飞过采集区域，无人机实时投影坐标点距离采样目标点的剩余飞行时间达到T2时，地面站对相应作业参数采集模块发出停止采集指令，作业参数采集模块在T2时刻停止采集地面参数信息;随后作业参数采集模块将在采集到的数据返回给地面站。
[0027]本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果:
[0028]1、本发明可以保证无人机作业过程中地面参数、空中参数和飞行参数的采集时刻一致，使得地面传感器数据与飞行参数数据精准对应起来，保证采样数据的科学意义，方便后期各类无人机参数的数据并行处理。
[0029]2、本发明能够根据作业参数采集模块阵列、飞行参数采集模块自动感知无人机飞行状态，飞行参数采集模块采集作业参数采集模块阵列的地理信息，进而自动确定采样时机，避免不同飞行状态下人工目视判断带来的误差，提高数据实时采样的准确性。
【附图说明】
[0030]图1为本实施例无人机作业参数自动采集系统应用效果示意图。
[0031 ]图2为本实施例无人机作业参数自动感知方法流程图。
[0032]图3为本实施例轨迹预判算法流程图。
【具体实施方式】
[0033]下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
[0034]实施例1
[0035]参见图1，本实施例所述的无人机作业参数自动采集系统，包括作业参数采集模块阵列1、飞行参数采集模块2、地面站3，地面站3上安装有自动作业操作模块，用户可通过该模块进行参数的设置、显示等操作。下面对各个模块分别进行具体描述。
[0036]所述作业参数采集模块阵列I用于采集无人机作业时的地面参数和空中参数。包括检测无人机作业冠层效果的各类传感器，如雾滴检测类，冠层风场检测类等。还包括检测无人机作业空中效果的各类传感器。所述传感器在田间布置的位置可以在冠层处或者冠层以下，还可以位于高于冠层处或者悬挂于无人机机体处，以不影响无人机飞行状态为特征。所述作业参数采集模块阵列中的模块需要具备双向数据通讯功能，既能够接受地面站发送的指令信息，又能够向地面站传递有效数据。
[0037]所述飞行参数采集模块2为整个系统提供所需的实时高精度飞行高度、飞行速度、航向角、俯仰角及飞行轨迹等无人机飞行参数。所述飞行参数采集模块2具有接收卫星信号能力的同时，也具备双向数据通讯功能，既能够接受地面站3发送的指令信息，又能够向地面站3传递有效数据。所述飞行参数采集模块2还能够采集所述作业参数采集模块I的地理
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[0038]所述地面站3具有2个通道同时与作业参数采集模块阵列I和飞行参数采集模块2进行实时双向通讯。所述地面站3能够安装自动作业操作模块4。所述自动作业操作模块4包括作业参数配置、采集、显示界面，飞行参数配置、采集、显示界面，数据绘图功能，数据保存功能和无人机作业参数自动感知算法运算等。
[0039]下面结合图2，对本实施例无人机作业参数自动感知方法的过程进行具体说明:
[0040]I)采集作业参数采集模块阵列中各个作业参数采集模块的地理信息:
[0041]将所述飞行参数采集模块放置在各个作业参数采集模块处，采集每个模块的精确地理信息，将该信息传送到地面站存储。
[0042]2)提取作业参数地理信息特征，规划合适的无人机感知区域:
[0043]针对作业参数采集模块的不同排列方式，将各个作业参数采集模块坐标带入图形计算算法，对采集区域最优形状进行拟合计算，得出适宜自动感知作业时刻的具体区域平面图形方程。这里是否适宜，可以由用户根据经验和实际情况进行自主确定。
[0044]3)无人机搭载飞行参数采集模块飞行，采集飞行轨迹:
[0045]无人机搭载飞行参数采集模块开始沿预定采集路线进行采集飞行，所述飞行参数采集模块同时将无人机在冠层平面实时投影坐标点(x，y)传输到地面站中进行预处理和存储，得到当前无人机的飞行轨迹。
[0046]4)对无人机飞行轨迹进行轨迹预判，得到一轨迹方程:
[0047]对无人机的轨迹进行轨迹预判，取出所接收实时轨迹数据的最新10个坐标点(坐标点的数量由实时解算的飞行速度2m/s决定)。根据速度不能突变的原理，无人机预期飞行轨迹可由所述取出的10个坐标点轨迹特征决定，其轨迹预判算法流程参见图3，包括如下几种情况:
[0048](a)如果所述10个坐标点分段拟合成9条线段后，相邻两条线段的斜率一致，则预期飞行轨迹为同一条直线，计算出该直线方程作为轨迹方程；
[0049](b)如果所述10个坐标点分段拟合成9条线段后，相邻两条线段的斜率变化值在5%之内，则预期飞行轨迹为一条直线，其斜率为9条线段斜率的均值，计算出该直线方程作为轨迹方程；
[0050](c)如果所述10个坐标点分段拟合成9条线段后，相邻两条线段的斜率变化值超出5%，且斜率变化率相同，则预期飞行轨迹为一条曲线，该曲线的曲率由斜率变化率决定，计算出该曲线方程作为轨迹方程；
[0051](d)如果所述10个坐标点分段拟合成9条线段后，相邻两条线段的斜率变化值超出5%，斜率变化率不同，但斜率变化率在30 %之内，则预期飞行轨迹为一条曲线，该曲线的曲率由斜率变化率均值决定，计算出该曲线方程作为轨迹方程；
[0052](e)如果所述10个坐标点分段拟合成9条线段后，相邻两条线段的斜率变化值超出5%，斜率变化率不同，且斜率变化率超出30%，则预期飞行轨迹无效，不计算相应轨迹方程。
[0053]5)联立轨迹方程在冠层平面的投影方程与平面图形方程求解:
[0054]轨迹方程是三维立体轨迹方程，计算出该轨迹在冠层平面处的投影平面方程，该平面投影与步骤2)得到的平面图形方程联立，计算二者在冠层平面的交点轨迹。同时确定出所述交点轨迹的中点坐标(x0，yO)作为采样目标点。
[0055]6)制定采样策略，确定采样时刻:
[0056]根据采集的风速类型和采集100个采样点的要求，在所述地面站3中确定出无人机飞行至感知区域前方距离采样目标点的飞行时间Tl为2.5s，即无人机开始采样的时刻；相应的确定出无人机飞行至感知区域后方距离采样目标点的飞行时间，即无人机停止采样的时刻T2等于2.5s。
[0057]7)在采样时刻范围内采集有效作业参数，送到地面站处理:
[0058]无人机实时投影坐标点(x，y)距离采样目标点(X0，y0)的剩余飞行时间达到Tl时系统产生中断，地面站3对相应作业参数采集模块I发出开始采集指令，作业参数采集模块I从Tl时刻开始采集地面参数信息。随着无人机飞过采集区域，无人机实时投影坐标点(x，y)距离采样目标点(x0，y0)的剩余飞行时间达到T2时系统再次产生中断，地面站3对相应作业参数采集模块I发出停止采集指令，作业参数采集模块I在T2时刻停止采集地面参数信息。随后作业参数采集模块I将在采集到的数据返回给地面站3。
[0059]上述实施例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实施例的限制，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。
【主权项】
1.一种无人机作业参数自动采集系统，其特征在于，包括作业参数采集模块阵列、飞行参数采集模块、地面站，所述作业参数采集模块阵列用于采集无人机作业时的地面参数和空中参数，与地面站进行双向数据通讯;所述飞行参数采集模块用于采集无人机作业时的飞行参数，采集所述作业参数采集模块阵列的地理信息，以及采集飞行轨迹，与地面站进行双向数据通讯;所述地面站用于根据作业参数采集模块阵列采集的地面参数和空中参数，提取地理信息特征，规划合适的无人机感知区域，同时根据飞行参数采集模块采集的飞行轨迹，对无人机轨迹点采用预判轨迹算法计算，制定采样策略，确定采样时刻，在采样时刻发送控制信号到作业参数采集模块阵列、飞行参数采集模块采集有效作业参数。2.根据权利要求1所述的无人机作业参数自动采集系统，其特征在于，所述作业参数采集模块阵列包括若干个作业参数采集模块，具体是检测无人机作业冠层效果的各类传感器，以及检测无人机作业空中效果的各类传感器;所述作业参数采集模块或者布置在冠层处，或者布置在冠层以下，或者布置在高于冠层处，或者悬挂于无人机机体处。3.根据权利要求1所述的无人机作业参数自动采集系统，其特征在于，所述地面站同时与作业参数采集模块阵列和飞行参数采集模块进行实时双向通讯，在地面站上设有自动作业操作模块，该模块用于显示采集的数据以及进行人机交互。4.一种基于权利要求1-3任一项所述无人机作业参数自动采集系统的自动感知方法，其特征在于，包括步骤: (1)采集作业参数采集模块阵列中各个作业参数采集模块的地理信息； (2)提取作业参数地理信息特征，规划无人机感知区域，得出适宜自动感知作业时刻的具体区域平面图形方程； (3)无人机搭载飞行参数采集模块开始沿预定采集路线进行采集飞行，所述飞行参数采集模块采集无人机在冠层平面实时投影坐标点，得到当前无人机的飞行轨迹； (4)对无人机飞行轨迹进行轨迹预判，得到一轨迹方程； (5)由于轨迹方程为一三维立体轨迹方程，进一步计算得到该轨迹在冠层平面处的投影平面方程，与步骤(2)得到的具体区域平面图形方程联立，计算二者在冠层平面的交点轨迹，确定所述交点轨迹的中点坐标作为采样目标点； (6)根据采集的作业参数类型和采集数量要求，确定出无人机飞行至感知区域前方且距离采样目标点的飞行时间为Tl的时刻为无人机开始采样的时刻;相应的，确定出无人机飞行至感知区域后方且距离采样目标点的飞行时间为T2的时刻为无人机停止采样的时刻； (7)在采样时刻范围内采集有效作业参数，送到地面站处理。5.根据权利要求4所述的自动感知方法，其特征在于，所述步骤(I)中，将所述飞行参数采集模块放置在作业参数采集模块阵列中各个作业参数采集模块处，采集每个模块的精确地理信息，将该信息传送到地面站存储。6.根据权利要求4所述的自动感知方法，其特征在于，所述步骤(2)中，根据各个作业参数采集模块的地理信息，对采集区域最优形状进行拟合计算，得出适宜自动感知作业时刻的具体区域平面图形方程。7.根据权利要求4所述的自动感知方法，其特征在于，所述步骤(4)中，对无人机飞行轨迹进行轨迹预判的方法是:取出所接收实时飞行轨迹数据的最新η个坐标点，根据速度不能突变的原理，无人机预期飞行轨迹由所述取出的η个坐标点轨迹特征决定，其中包括如下几种情况: (4-1)如果所述η个坐标点分段拟合成n-1条线段后，相邻两条线段的斜率一致，则预期飞行轨迹为一条直线，计算出该直线方程作为轨迹方程； (4-2)如果所述η个坐标点分段拟合后η-1条线段后，相邻两条线段的斜率变化值在允许的范围之内，则预期飞行轨迹为一条直线，其斜率为η-1条线段斜率的均值，计算出该直线方程作为轨迹方程； (4-3)如果所述η个坐标点分段拟合成η-1条线段后，相邻两条线段的斜率变化值超出允许的范围，且斜率变化率相同，则预期飞行轨迹为一条曲线，该曲线的曲率由斜率变化率决定，计算出该曲线方程作为轨迹方程； (4-4)如果所述η个坐标点分段拟合成η-1条线段后，相邻两条线段的斜率变化值超出允许的范围，斜率变化率不同，但斜率变化率在允许的范围之内，则预期飞行轨迹为一条曲线，该曲线的曲率由斜率变化率均值决定，计算出该曲线方程作为轨迹方程； (4-5)如果所述η个坐标点分段拟合成η-1条线段后，相邻两条线段的斜率变化值超出允许的范围，斜率变化率不同，且斜率变化率超出允许的范围，则预期飞行轨迹无效，不计算相应轨迹方程。8.根据权利要求4所述的自动感知方法，其特征在于，所述步骤(7)中，在采样时刻范围内采集有效作业参数，送到地面站处理，过程是: 无人机实时投影坐标点距离采样目标点的剩余飞行时间达到Tl时，地面站对相应作业参数采集模块发出开始采集指令，作业参数采集模块从Tl时刻开始采集地面参数信息，随着无人机飞过采集区域，无人机实时投影坐标点距离采样目标点的剩余飞行时间达到T2时，地面站对相应作业参数采集模块发出停止采集指令，作业参数采集模块在T2时刻停止采集地面参数信息;随后作业参数采集模块将在采集到的数据返回给地面站。
【文档编号】G01C23/00GK105890623SQ201610247537
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年4月19日
【发明人】李继宇, 兰玉彬, 周志艳, 罗锡文, 吕建秋, 邢航, 姚伟祥, 陈盛德, 王建伟
【申请人】华南农业大学