[發(fā)明專利]無人直升機農藥噴灑農田作業(yè)區(qū)域的航跡自動規(guī)劃方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410001929.6
• 申請日: 2014-01-03
• 公開（公告）號: CN103699135A
• 公開（公告）日: 2014-04-02
• 發(fā)明（設計）人: 譚冠政;劉振燾;胡建中;黃宇;蔡拯正;胡建軍;李生琦;饒源欽
• 申請（專利權）人: 中南大學
• 主分類號: G05D1/10
• 分類號: G05D1/10
• 代理公司: 長沙正奇專利事務所有限責任公司 43113
• 代理人: 馬強

技術領域

本發(fā)明涉及無人直升機航跡規(guī)劃領域,特別是一種無人直升機農藥噴灑農田作業(yè)區(qū)域的航跡自動規(guī)劃方法。

背景技術

在農業(yè)部的大力推進下，近年來我國在耕、播、收等方面的機械化水平有了顯著提高，但農藥噴灑（特別是水稻農藥噴灑），基本上還是傳統(tǒng)的人工操作。我國是一個農業(yè)大國，如何有效預防農業(yè)有害生物已成為我國農業(yè)生產的重要目標之一，特別是在國家大力提倡推廣綠色農業(yè)、精準農業(yè)的過程中，適合我國農村現(xiàn)狀的低成本、精確、高環(huán)保的農藥噴灑機械化和自動化成為一個必不可少的技術，而利用小型無人直升機進行農藥噴灑是農藥噴灑機械化最佳選擇。

在目前我國農村條件下，運用小型無人駕駛直升飛機噴灑農藥是我國，特別是南方地區(qū)比較現(xiàn)實可行的一種方法。2012年長沙農業(yè)部門就簽購了50架無人植保飛機用于農藥噴灑作業(yè)。

無人駕駛農藥噴灑直升機不僅速度快，且使用超低容量農藥噴灑，節(jié)省農藥和水資源，減少農作物的農藥殘留和環(huán)境污染，遠程操作還能減少對施藥人員的傷害。適應于各種地形，符合我市農村道路現(xiàn)狀，配一臺面包車便可實現(xiàn)跨區(qū)域作業(yè)。

目前，我國民用無人直升機正處在快速發(fā)展階段，民用無人直升機的使用率越來越高，尤其是在農業(yè)領域，使用直升機可以極大地提高作業(yè)效率。但是由于無人直升機的可操控距離遠，導致用人眼無法判斷具體的飛行狀態(tài)，如飛行方向、飛行距離等。缺乏對無人直升機在農田作業(yè)區(qū)域的飛行航跡進行合理有效的規(guī)劃的方法，導致操作人員所選飛行路徑并非最優(yōu)；以及由于視覺誤差所引起的漏噴、誤噴、重噴，使噴灑效率降低，作業(yè)成本升高。

無人飛行器在完成任務過程中，需要對如何有效、安全地完成自己的任務過程進行規(guī)劃，這就是所謂的任務規(guī)劃。在任務規(guī)劃過程中，最重要、也是最復雜的就是為無人飛行器規(guī)劃出一條完成飛行任務所需要的飛行航跡，即無人飛行器航跡規(guī)劃。

無人機航跡規(guī)劃就是綜合考慮各種因素，如：到達時間、飛行距離、燃料消耗、威脅以及飛行區(qū)域等，為無人機規(guī)劃出一條最優(yōu)，或者是最滿意的飛行航跡，以保證圓滿完成飛行任務。

無人直升機航跡規(guī)劃有多種方法，如A*搜索法、Voronoi圖算法、遺傳算法、蟻群算法、粒子群優(yōu)化算法和啟發(fā)式搜索等。A*算法是一種經典的最優(yōu)啟發(fā)式搜索算法，一般多用于解決靜態(tài)規(guī)劃問題，在路徑規(guī)劃和圖搜索中有著廣泛的應用。該算法通過啟發(fā)信息引導搜索，達到減小搜索范圍、提高計算速度的目的。利用傳統(tǒng)A*算法進行航跡搜索時，通常將規(guī)劃環(huán)境表示為網格的形式，然后按照預先確定的代價函數(shù)尋找最小代價航跡。該方法對當前位置的每一個可能到達的網格單元計算代價，然后選擇最低代價的網格單元加入搜索空間來探索。加入搜索空間的這一新網格單元又被用來產生更多的可能路徑。Voronoi圖是計算機幾何學中一種重要的幾何結構。McLain和Beard等提出了一種基于Voronoi圖的多飛行器協(xié)同航跡規(guī)劃方法。首先通過已知的地方雷達或威脅構造Voronoi圖，Voronoi圖的邊界就是所有可飛的航跡，然后給出這些邊界的權值，最后搜索最優(yōu)航跡。遺傳算法是模擬達爾文生物進化論的自然選擇和遺傳學機理的生物進化過程的計算模型，是一種通過模擬自然進化過程搜索最優(yōu)解的方法。用遺傳算法進行航跡規(guī)劃的一般步驟有：a）對航跡編碼；b)構造合適的航跡評價函數(shù)；c)選擇適合于航跡規(guī)劃的遺傳算子；d)計算并微調算子來獲取最終解。蟻群算法是通過螞蟻的信息交流和相互協(xié)作來實現(xiàn)路徑搜索，該算法具有很好的通用性和魯棒性。蟻群算法搜索路徑的過程為：a)初始化飛行區(qū)域圖上所有節(jié)點處的信息素，形成初始信息素矩陣；b)M只螞蟻位于起始點A等待出發(fā)；c)每只螞蟻根據(jù)狀態(tài)轉移規(guī)則選擇網格圖上的下一點，最終到達目標點，形成一條可行航路；d)計算各螞蟻的可行航路的目標函數(shù)，保存最優(yōu)航路解；e)根據(jù)目標函數(shù)，依據(jù)信息素調整準則對各點的信息素進行調整；f)查看最優(yōu)解，判斷是否要進行信息蒸發(fā)素因子P的調整，如果需要按一定規(guī)則進行相應調整；g)判斷是否滿足迭代條件（即是否達到設定的迭代次數(shù)或最小目標函數(shù)），若滿足，則完成搜索；若不滿足，則返回步驟b），重復執(zhí)行，直到滿足迭代條件。啟發(fā)式搜索就是在狀態(tài)空間中的搜索對每一個搜索的位置進行評估，得到最好的位置，再從這個位置進行搜索直到目標。這樣可以省略大量無謂的搜索路徑，提高了效率。在啟發(fā)式搜索中，對位置的估價是十分重要的。采用了不同的估價可以有不同的效果。

傳統(tǒng)的啟發(fā)式搜索以及其他路徑搜索方法，在處理最短可達路徑、最佳飛行航跡（時間短、油耗低、安全性高）、避開障礙物等方面擁有各自的優(yōu)勢，但是卻都不適用于在農田作業(yè)的航跡規(guī)劃。這是由于農田作業(yè)的特殊性決定的。主要表現(xiàn)在：