基于計(jì)算機(jī)的凸多邊形農(nóng)田無(wú)人機(jī)噴灑作業(yè)航跡規(guī)劃方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種基于計(jì)算機(jī)的凸多邊形農(nóng)田無(wú)人機(jī)噴灑作業(yè)航跡規(guī)劃方法，包括：第一步，求解出多邊形每條邊的直線方程；找出多邊形的最長(zhǎng)邊；分別求出農(nóng)田邊界的各端點(diǎn)到最長(zhǎng)邊的距離，并找出距離最長(zhǎng)邊最遠(yuǎn)的點(diǎn)；在最長(zhǎng)邊和該最遠(yuǎn)點(diǎn)之間選取一組與最長(zhǎng)邊平行且等間隔的平行線；對(duì)于每一條平行線求解出它與農(nóng)田邊界的兩個(gè)交點(diǎn)并把結(jié)果集存入相應(yīng)數(shù)組里；將每條平行線與多邊形兩個(gè)交點(diǎn)連成一條線段，這樣可將這組平行線位于農(nóng)田作業(yè)區(qū)域以外的部分截掉，得到一組位于農(nóng)田作業(yè)區(qū)域以?xún)?nèi)的平行線段。然后規(guī)劃出航跡線。本發(fā)明算法簡(jiǎn)潔，通用性好，可以提高無(wú)人直升機(jī)針對(duì)不規(guī)則農(nóng)田執(zhí)行噴灑作業(yè)的效率，降低飛行能耗。
【專(zhuān)利說(shuō)明】基于計(jì)算機(jī)的凸多邊形農(nóng)田無(wú)人機(jī)噴灑作業(yè)航跡規(guī)劃方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種基于計(jì)算機(jī)的凸多邊形農(nóng)田無(wú)人機(jī)噴灑作業(yè)航跡規(guī)劃方法，其中 噴灑作業(yè)可W包括；農(nóng)藥噴灑、液體化服噴灑、航空播種等。

【背景技術(shù)】
[0002] 隨著科技的不斷發(fā)展，采用現(xiàn)代化機(jī)械來(lái)替換人工勞動(dòng)已經(jīng)成為各行各業(yè)的趨 勢(shì)。我國(guó)作為一個(gè)傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)大國(guó)，耕地面積十分廣闊，然而，目前國(guó)內(nèi)農(nóng)田作業(yè)大部分還 是采用傳統(tǒng)的人工作業(yè)方式。其中農(nóng)藥噴灑采取的是人工噴灑方式，該種方式不僅效率低， 而且對(duì)作業(yè)人員的身也有極大的傷害，因此，急需先進(jìn)的技術(shù)來(lái)改變?cè)撘滑F(xiàn)象。農(nóng)業(yè)植保無(wú) 人機(jī)應(yīng)運(yùn)而生。
[0003] 在目前我國(guó)農(nóng)村條件下，運(yùn)用小型無(wú)人機(jī)噴灑農(nóng)藥是我國(guó)、特別是南方地區(qū)比較 可行的一種方法。無(wú)人駕駛農(nóng)藥噴灑飛機(jī)不僅速度快，且使用超低容量農(nóng)藥噴灑，節(jié)省農(nóng)藥 和水資源，減少農(nóng)作物的農(nóng)藥殘留和環(huán)境污染，遠(yuǎn)程操作還能減少對(duì)施藥人員的傷害。適應(yīng) 于各種地形，符合我市農(nóng)村道路現(xiàn)狀。但是由于無(wú)人機(jī)的可操控距離遠(yuǎn)，人的肉眼無(wú)法準(zhǔn)確 判斷具體的飛行狀態(tài)，如飛行方向、飛行距離等。缺乏對(duì)無(wú)人機(jī)在農(nóng)田作業(yè)區(qū)域的飛行航跡 進(jìn)行合理有效的規(guī)劃方法，導(dǎo)致無(wú)人機(jī)在農(nóng)田作業(yè)的時(shí)候會(huì)出現(xiàn)漏噴、重噴、出界的問(wèn)題。 該會(huì)使無(wú)人機(jī)的噴灑效率降低，作業(yè)成本提高。
[0004] 農(nóng)用無(wú)人機(jī)的航跡規(guī)劃是指在特定的約束條件下，尋找滿足無(wú)人機(jī)機(jī)動(dòng)性能及農(nóng) 田區(qū)域環(huán)境信息限制的從起點(diǎn)到目標(biāo)點(diǎn)的最優(yōu)飛行軌跡，它是無(wú)人機(jī)任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)的關(guān)鍵 技術(shù)，是確保無(wú)人機(jī)提高飛行器的噴灑效率，圓滿完成農(nóng)藥噴灑任務(wù)的有效手段，也是無(wú)人 機(jī)實(shí)現(xiàn)自主控制，智能飛行的技術(shù)保障。因此，農(nóng)用無(wú)人機(jī)的迅猛發(fā)展和廣泛使用給航跡規(guī) 劃技術(shù)提出了更高的要求，也使無(wú)人機(jī)航跡規(guī)劃技術(shù)成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)之一。
[0005] 目前無(wú)人機(jī)航跡規(guī)劃有多種算法，如柵格法、切線圖法、Voronoi圖法、PRM法、動(dòng) 態(tài)規(guī)劃算法、最速下降法、A*算法、遺傳算法、蟻群算法、粒子群算法等。柵格法將無(wú)人機(jī)的 飛行區(qū)域劃分為不同大小的0/1單元格，0為不可飛單元格，1為可飛。柵格大小直接影響信 息的存儲(chǔ)量的大小和規(guī)劃時(shí)間長(zhǎng)短。柵格大，信息存儲(chǔ)量減少，規(guī)劃時(shí)間短，但是航跡質(zhì)量 下降。柵格小，信息存儲(chǔ)量大，規(guī)劃時(shí)間長(zhǎng)，航跡質(zhì)量高。因此，對(duì)密度大的區(qū)域進(jìn)行單元格 細(xì)分，而對(duì)密度小的區(qū)域適當(dāng)放大單元格。此外，當(dāng)區(qū)域更新時(shí)快速進(jìn)行更新局部柵格信息 W滿足實(shí)時(shí)規(guī)劃要求。切線圖法將各種障礙簡(jiǎn)化建模為具有一定作用半徑的圓柱體或圓錐 體及其組合。由于無(wú)人機(jī)在巡航飛行時(shí)只考慮橫向移動(dòng)，因此根據(jù)無(wú)人機(jī)預(yù)定的巡航高度 可簡(jiǎn)化為平面幾何來(lái)處理。障礙的切線表示可飛航跡，構(gòu)造出來(lái)的航跡幾乎接近障礙，其缺 點(diǎn)是在無(wú)人機(jī)飛行過(guò)程中出現(xiàn)位置偏差就很容易飛入障礙區(qū)域。Voronoi圖是計(jì)算機(jī)幾何 中重要的幾何圖形被廣泛應(yīng)用到地形處理等多種區(qū)域劃分的場(chǎng)合。Voronoi多邊形的每條 邊上的點(diǎn)到相對(duì)應(yīng)的兩個(gè)點(diǎn)等距離，Voronoi邊上的點(diǎn)是到障礙點(diǎn)的最遠(yuǎn)點(diǎn)，因此，無(wú)人機(jī) 沿Voronoi邊飛行可W獲得較高的安全系數(shù)。PRM法是由Overmars于1992年針對(duì)高維位 形空間的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)規(guī)劃提出的。該方法是一種隨機(jī)路徑搜索方法，具有概率完全性，隨機(jī) 采樣生成航跡圖，然后根據(jù)飛行代價(jià)函數(shù)，搜索"最優(yōu)"航跡。但缺陷是當(dāng)飛行環(huán)境變化時(shí)， PM方法需要重新對(duì)環(huán)境進(jìn)行采樣分析，實(shí)時(shí)性不強(qiáng)，一般不用于實(shí)時(shí)局部航跡規(guī)劃。動(dòng)態(tài) 規(guī)劃算法是解決多級(jí)決策最優(yōu)化問(wèn)題的常見(jiàn)算法。該算法應(yīng)用于無(wú)人機(jī)航跡規(guī)劃中要求模 型相對(duì)簡(jiǎn)單，可W獲得全局最優(yōu)解，但缺陷是隨著規(guī)劃區(qū)域的擴(kuò)大，受狀態(tài)空間的限制，會(huì) 出現(xiàn)組合爆炸，只能應(yīng)用于小范圍內(nèi)的搜索。最速下降法是S. J. Asseo于1982年提出的， 它應(yīng)用最速下降法求解地形跟蹤及地形規(guī)避問(wèn)題。該方法相對(duì)較簡(jiǎn)單，收斂速度較快，需要 地形一階偏導(dǎo)連續(xù)。但由于算法是建立在目標(biāo)函數(shù)梯度基礎(chǔ)上，要求導(dǎo)函數(shù)連續(xù)、迭代運(yùn)算 量大，且易陷入局部最優(yōu)解。A*算法是一種靜態(tài)路網(wǎng)中求解最短路徑最有效的方法，一般 用于基于柵格的數(shù)字地圖中。公式表示為：f(n) = g(n)+h(n)，其中f(n)是從初始點(diǎn)經(jīng)由 節(jié)點(diǎn)n到目標(biāo)點(diǎn)的估價(jià)函數(shù)，g(n)是在狀態(tài)空間中從初始節(jié)點(diǎn)到n節(jié)點(diǎn)的實(shí)際代價(jià)，h(n) 是從n到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)最佳路徑的估計(jì)代價(jià)。保證找到最短路徑條件，關(guān)鍵在于估價(jià)函數(shù)h (n) 的選??；估價(jià)值h (n) < = n到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的距離實(shí)際值，該種情況下，搜索的點(diǎn)數(shù)多，搜索范圍 大，效率低。但能得到最優(yōu)解。當(dāng)估價(jià)值〉實(shí)際值時(shí)，搜索的點(diǎn)數(shù)少，搜索范圍小，效率高， 但不能保證得到最優(yōu)解。
[0006] 遺傳算法（GA)是模擬達(dá)爾文生物進(jìn)化論的自然選擇和遺傳學(xué)機(jī)理的生物進(jìn)化過(guò) 程的計(jì)算模型，是一種通過(guò)模擬自然進(jìn)化過(guò)程搜索最優(yōu)解的方法。其主要特點(diǎn)是直接對(duì)結(jié) 構(gòu)對(duì)象進(jìn)行操作，不要求目標(biāo)函數(shù)具有分析性質(zhì)（可導(dǎo)、連續(xù)等）；具有內(nèi)在的隱并行性和 更好的全局尋優(yōu)能力；采用概率化的尋優(yōu)方法，能自動(dòng)獲取和指導(dǎo)優(yōu)化的搜索空間，自適應(yīng) 地調(diào)整搜索方向，不需要確定的規(guī)則。無(wú)人機(jī)的航跡規(guī)劃可W描述為下列數(shù)學(xué)規(guī)劃模型：
[0007]

【權(quán)利要求】
1. 一種基于計(jì)算機(jī)的凸多邊形農(nóng)田無(wú)人機(jī)噴灑作業(yè)航跡規(guī)劃方法，其特征在于，該方 法包括以下步驟： 1) 從凸多邊形農(nóng)田的某一端點(diǎn)開(kāi)始，獲取凸多邊形農(nóng)田n個(gè)邊界點(diǎn)，并按照順序設(shè)各 個(gè)邊界點(diǎn)坐標(biāo)依次為P1U1,Y1)，P2(x2,y2)，P3(x3,y3)，…，Pn(xn,yn)，依次連接相鄰的邊界 點(diǎn)，形成凸多邊形農(nóng)田邊界； 2) 找出凸多邊形農(nóng)田邊界的最長(zhǎng)邊； 3) 找出距離上述最長(zhǎng)邊距離最遠(yuǎn)的邊界點(diǎn)； 4) 在上述最長(zhǎng)邊和距離最長(zhǎng)邊最遠(yuǎn)的邊界點(diǎn)之間作一組與最長(zhǎng)邊平行且等間隔的平 行線； 5) 從距離所述最長(zhǎng)邊最近的平行線開(kāi)始，向距離最長(zhǎng)邊最遠(yuǎn)的邊界點(diǎn)方向依次遍歷所 有平行線，確定各平行線與凸多邊形農(nóng)田邊界的邊之間的交點(diǎn)的坐標(biāo)，并按照平行線與凸 多邊形農(nóng)田邊界的邊相交的順序，將經(jīng)過(guò)距離最長(zhǎng)邊最遠(yuǎn)的邊界點(diǎn)、且與所述最長(zhǎng)邊垂直 的直線L兩側(cè)的交點(diǎn)坐標(biāo)分別存入結(jié)果集L[i]，R[i];其中i為直線L某一側(cè)的交點(diǎn)的數(shù) 量； 6) 連接結(jié)果集L[i]，R[i]中對(duì)應(yīng)的兩點(diǎn)，形成多條平行于最長(zhǎng)邊且交于凸多邊形農(nóng)田 邊界的平行線段，以某一平行線段的一個(gè)端點(diǎn)為起點(diǎn)，依次連接相鄰線段同一端的端點(diǎn)，形 成多段側(cè)飛線段，則所述平行線段和側(cè)飛線段形成S形的航跡線，即目標(biāo)航跡線； 7) 利用下式求出由平行線段向側(cè)飛線段的轉(zhuǎn)角余弦數(shù)組cosa□，以及由側(cè)飛線段向 平行線段的轉(zhuǎn)角余弦數(shù)組cosP[]:
直線L右側(cè)側(cè)飛線段向量組；當(dāng)i為偶數(shù)時(shí)，求得的余弦值為直線L右側(cè)平行線段與對(duì)應(yīng)的 側(cè)飛線段的轉(zhuǎn)角或者直線L右側(cè)的側(cè)飛線段與對(duì)應(yīng)的平行線段的轉(zhuǎn)角；當(dāng)i為奇數(shù)時(shí)，求得 的余弦值為直線L左側(cè)平行線段與對(duì)應(yīng)的側(cè)飛線段的轉(zhuǎn)角或者直線L左側(cè)的側(cè)飛線段與對(duì) 應(yīng)的平行線段的轉(zhuǎn)角； 8) 根據(jù)反余弦公式求得各條平行線段與對(duì)應(yīng)的側(cè)飛線段的轉(zhuǎn)角數(shù)組，以及各條側(cè)飛線 段與對(duì)應(yīng)的平行線段的轉(zhuǎn)角數(shù)組：
當(dāng)i為偶數(shù)時(shí)，上述轉(zhuǎn)角數(shù)組為直線L右側(cè)的轉(zhuǎn)角數(shù)組；當(dāng)i為奇數(shù)時(shí)，上述轉(zhuǎn)角數(shù)組 為直線L左側(cè)的轉(zhuǎn)角數(shù)組； 9) 設(shè)無(wú)人直升機(jī)初始狀態(tài)是沿平行線段從直線L左側(cè)開(kāi)始向直線L右側(cè)飛行，則第i 次由平行線段飛到各平行線與凸多邊形農(nóng)田邊界的邊之間的交點(diǎn)時(shí)，根據(jù)a[i]由平行線 段向側(cè)飛線段轉(zhuǎn)向，然后沿側(cè)飛線段飛行一段距離后，根據(jù)角度P[i]由側(cè)飛線段向平行 線段轉(zhuǎn)向，然后繼續(xù)沿下一條平行線段飛行，形成一條S形的飛行航跡，依此類(lèi)推，最終形 成完整的航跡規(guī)劃。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于計(jì)算機(jī)的凸多邊形農(nóng)田無(wú)人機(jī)噴灑作業(yè)航跡規(guī)劃方法， 其特征在于，所述步驟4)中，平行線的數(shù)量LineNum=Distance[k]/H;其中，H為無(wú)人直升 機(jī)的飛行行距；Distance[k]為最長(zhǎng)邊和距離最長(zhǎng)邊最遠(yuǎn)的邊界點(diǎn)之間的距離，單位為米。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于計(jì)算機(jī)的凸多邊形農(nóng)田無(wú)人機(jī)噴灑作業(yè)航跡規(guī)劃方法， 其特征在于，所述步驟4)中，設(shè)函數(shù)s=Distance[k] %H，若0〈s〈H，則增加一條與距離最 長(zhǎng)邊最遠(yuǎn)的邊界點(diǎn)的距離為H/2、且平行于所述最長(zhǎng)邊的平行線。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于計(jì)算機(jī)的凸多邊形農(nóng)田無(wú)人機(jī)噴灑作業(yè)航跡規(guī)劃方法， 其特征在于，所述步驟4)中，距離最長(zhǎng)邊最近的平行線與該最長(zhǎng)邊的距離為無(wú)人機(jī)飛行行 距H的一半。
【文檔編號(hào)】G05D1/10GK104503464SQ201410844456
【公開(kāi)日】2015年4月8日 申請(qǐng)日期:2014年12月30日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月30日
【發(fā)明者】譚冠政, 宋戈, 汪飆, 譚冠軍, 譚淦 申請(qǐng)人:中南大學(xué)