技术领域
本发明涉及无人机植保作业领域，具体涉及一种无人机喷施规划方法。
背景技术
早期的植保无人机喷施作业方式是基于无人机操控员手持遥控器控制无人机在农田喷施作业，依靠目视手动规划飞行航线，但是这种方式对人为因素依赖过大，无人机作业时经常偏离正常航线，出现漏喷重喷的现象，作业质量低，效果差。对于大块农田喷施作业来说，植保无人机由于载荷少、电量少，需要多次补充载荷和电量而往返于补给点，往返次数越多，往返距离越长，往返过程中需要消耗的电量也就越大，这种无效能耗的损失不仅增加作业经济成本和作业时间，而且降低作业效率。
发明内容
本发明目的在于克服现有技术的不足，提供一种无人机喷施规划方法，这样不仅可以降低植保无人机的无效能耗的损失，而且可以确保无人机喷施作业的安全。
本发明解决上述技术问题的技术方案是：
一种无人机喷施规划方法，包括数据规划、喷施流量规划、飞行航线规划、最佳载荷规划以及起航预警规划，其中，
数据规划：存储或检索数据库中的农田信息及无人机喷施作业参数，通过调用农田信息及无人机喷施作业参数生成无人机喷施作业区域边框；其中，所述农田信息包括农田编号、农田长度m、农田宽度n及农田地理位置信息；所述无人机喷施作业参数包括无人机编号、续航时间、最大载荷量ZM、空载净重、电池容量；
喷施流量规划：通过设置无人机喷施作业参数，在所述无人机喷施作业区域边框内生成无人机的飞行航点，其中，所述无人机喷施作业参数包括喷幅宽度d、飞行航点半径、喷施流量LP、作业时的飞行速度VP及飞行高度；所述无人机喷施作业参数的数据通过协议打包到通信消息包中，并通过通信模块传输给无人机飞控，同时设置的无人机喷施作业参数会作为实参传给航点生成函数；
飞行航线规划，所述飞行航线规划包括以下步骤，
(1)选取无人机起飞点并根据无人机喷施作业区域边框建立直角坐标系，起飞点为平面坐标系的原点，无人机喷施作业区域边框的四个顶点坐标分别为A(0，0)、B(0，n)、C(m，n)、D(m，0)；
(2)根据所述无人机喷施作业参数中的喷幅宽度d及喷施作业的全覆盖航线预设算法生成无人机喷施作业飞行航线预设图；
(3)根据所述无人机喷施作业飞行航线预设图中的无人机喷施作业飞行航线计算无人机喷施作业总航程HZ，根据所述无人机最大载荷ZM、喷施流量LP及喷施作业时的飞行速度VP计算无人机最大载荷ZM下的喷施航程HM；
(4)根据所述无人机喷施作业总航程HZ及最大载荷ZM下的喷施航程HM计算无人机的返航次数j；
(5)根据返航次数j及航线规划算法对无人机喷施作业飞行航线进行规划，得到无人机作业的补给点及返航点；
最佳载荷规划：基于规划后的无人机喷施作业飞行航线，采用有效载荷算法对无人机单作业架次的作业载荷进行规划，得到无人机单作业架次的最佳作业载荷Zd；
起航预警规划：获取无人机的实时剩余电量，并预判无人机下一作业架次所需的电量，通过比较实时剩余电量与下一作业架次所需的电量的大小来对无人机起航做预警。
优选的，在飞行航线规划的步骤(2)中，所述全覆盖航线预设算法包括以下步骤：
(1)根据所述无人机喷施作业区域边框的顶点A(0，0)，B(0，n)、农田长度m，农田宽度n，喷施流量LP，设置第一个航点的坐标为:(d/2，0)，第二个航点的坐标为：(d/2，n)，第三个航点的坐标为：(3d/2，n)，第四个航点的坐标为：(3d/2，0)；
(2)设置第五个航点至第2m/d个航点坐标为：
(3)第一个航点与第二个航点连接成竖直航线段，第二个航点与第三个航点连接成横向航线段，第三个航点与第四个航点连接成竖直航线段……第(2m/d)-1个航点与第2m/d个航点连接，依次连接所有航点，构成连续的飞行航线，即得到无人机喷施作业的全覆盖航线，其中，竖直航线段的长度为n，横向航线段的长度为d。
优选的，在飞行航线规划的步骤(3)中,所述无人机喷施作业总航程HZ的计算公式为：
所述无人机的最大载荷ZM下的喷施航程HM的计算公式为：HM＝VP×ZM/LP。
优选的，在飞行航线规划的步骤(4)中，所述的返航次数j包括：
(1)若HZ<HM，则无人机无需返航；
(2)若HZ>HM，则有：j≤HZ/HM<j+1(j＝1,2,3…..j)，其中，j为返航次数。
优选的，在飞行航线规划的步骤(5)中，所述航线规划算法得到的补给点不在无人机的起点处，其坐标为：(m/2,0)，若第一个返航点到补给点的距离HB加上无人机第一作业架次的喷施航程Hd大于无人机的最大飞行航程，则需增加一个补给点，同时，第一个补给点的坐标变为(m/3,0)，第二个补给点的坐标为(2m/3,0)，补给点满足的关系式为：ib＝bm/(b+1)，即i1＝m/2,i2＝2m/3……；b为补给点个数。
优选的，在飞行航线规划的步骤(5)中，所述航线规划算法的步骤为：
(1)设置无人机作业的补给点；
(2)根据所述的2m/d个航点中，将第4k(k＝1,2,3,4……2m/d)个航点设置为待确定返航点；
(3)根据所述无人机在最大载荷ZM下的单作业架次的最大喷施航程HM，根据关系式：
求出k的值；
(4)根据上述k值确定无人机飞行作业的返航点，第一个返航点为第4k个航点，第二个返航点为第2×4k个航点，第j个返航点为第j×4k个航点。
优选的，在喷施流量规划中，所述的无人机作业区域边框将农田地理位置信息转换成导航定位数据并显示在电子导航地图上,所述航点生成函数得到的航点均在无人机作业区域边框上，且竖直航线段之间的间距为一个喷幅宽度d时喷雾恰好覆盖整个农田。
优选的，在最佳载荷规划中，所述有效载荷算法根据无人机各作业架次的喷施航程Hd及喷施流量IP为无人机分配最佳作业载荷Zd，在所述最佳作业载荷Zd下，无人机喷施作业至返航点时，载荷恰好消耗完毕。
优选的，在最佳载荷规划中，所述有效载荷算法的步骤为：
(1)通过航线规划算法，获取无人机单作业架次作业的喷施航程Hd；
(2)获取无人机作业时的飞行速度为VP，单位m/s，喷施流量IP，单位ml/s,根据单作业架次作业的喷施航程Hd，计算单次作业需要时间为单作业架次的最佳作业载荷Zd＝IPtd；
(3)获取无人机的返航次数j，将最佳作业载荷Zd分配给(j-1)作业架次；
(4)计算第j次作业的最佳作业载荷Zd，其计算公式为式中Hz为无人机喷施作业总航程。
优选的，在起航预警规划中，预判无人机下一作业架次所需电量的步骤为：
(1)获取无人机的电池容量Cm、单作业架次的喷施航程Hd、作业速度Vp、返航航程HB、单作业架次作业的最佳作业载荷Zd、无人机及电池的重重；
(2)根据无人机空载悬停时的电压及电流计算无人机空载时的悬停功率Px，根据最大功率及悬停功率Px计算作业安全裕量α，根据α计算无人机最佳作业载荷Zd时电机最大拉力下升到作业高度所消耗的电量Pts；
(3)根据喷施流量IP计算无人机的实时剩余载荷、实时电压、实时电流，计算该载荷下对应单位时间下的耗电量，并随时间累加至无人机空载时的喷施耗电量
(4)计算无人机空载时刻的剩余电量Ck，计算无人机空载继续飞行至补给点的时间tk&b、到补给点时的剩余电量Ck&b以及记录降落后的剩余电量Cj；
(5)计算表示无人机空载情况下以vP速度飞行每米消耗的电量；
(6)无人机单作业架次喷施作业的喷施耗电量Cp＝Cm-Ck；计算下一个返航点到补给点的返航航程HB，则无人机空载从返航点到补给点消耗的电量
(7)计算下次作业的喷施航程Hd、喷施所需时间tp以及喷施耗电量
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
1、本发明的无人机喷施规划方法通过在无人机喷施作业预设航线上设置补给点和返航点，通过航线规划算法得到规划后的无人机喷施作业飞行航线及返航航线，最大力度减少飞行航程，降低电量损失。
2、本发明的无人机喷施规划方法基于规划后的无人机喷施作业飞行航线，采用有效载荷算法对无人机单作业架次的作业载荷进行规划，得到无人机单作业架次的最佳作业载荷，使得无人机到达返航点时该无人机上的农药刚好用完，这样就可以避免无人机在返航过程中多余的农药消耗无人机的电量。
3、本发明的无人机喷施规划方法使得无人机在安全的情况下自主作业并能大大降低作业时的无效电量损失，减少作业时间，提高作业效率。
4、本发明的无人机喷施规划方法从无人机喷施作业飞行航线及最佳载荷规划着手，改进无人机喷施规划方法，根据减少无人机往返于补给点的返航航程的目的来规划无人机喷施作业飞行航线，降低无效能耗的损失。
5、本发明的无人机喷施规划方法基于规划后的无人机喷施作业飞行航线来规划无人机单作业架次作业的最佳作业载荷来进一步降低无效能耗的损失。
6、本发明的无人机喷施规划方法中的飞行航线规划是对无人机喷施作业飞行航线进行规划，在保证无人机喷施作业飞行航线不变的情况下通过改变无人机的返航点及补给点，以最大力度缩短无人机的返航航程，进而降低无人机的能耗。
7、本发明的无人机喷施规划方法中的最佳载荷规划中的有效载荷算法是在飞行航线规划的基础上，根据无人机喷施作业航程及喷施流量计算出无人机单作业架次作业的最佳作业载荷，以最少载荷起飞作业，当无人机飞行作业至航线规划算法规划的返航点后无人机载荷刚好消耗完毕，然后空载飞回返航点，不仅进一步降低无人机作业能耗，而且减少了药耗。
8、本发明的无人机喷施规划方法中的起航预警规划是基于飞行航线规划及最佳载荷规划得到的作业航程及作业载荷，通过算法实时计算无人机的作业能耗及电池的剩余电量，并预估无人机下一作业架次所需电量，最后判断剩余电量是否满足作业条件而决定无人机是否允许起飞作业，从而确保无人机能够顺利完成喷施工作。
附图说明
图1为本发明无人机喷施规划方法的流程示意图。
图2为无人机喷施作业飞行航线预设图。
图3为无人机飞行航点分布图
图4为规划后的无人机喷施作业飞行航线图。
具体实施方式
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。
参见图1-图4，本发明的无人机喷施规划方法包括数据规划、喷施流量规划、飞行航线规划、最佳载荷规划以及起航预警规划，其中，
所述数据规划是存储或检索数据库中的农田信息及无人机喷施作业参数，其中，所述农田信息包括农田编号、农田长度m、农田宽度n及农田地理位置信息；所述无人机喷施作业参数包括无人机编号、续航时间、最大载荷量ZM、空载净重、电池容量，通过调用农田信息及无人机喷施作业参数生成无人机喷施作业区域边框；
所述喷施流量规划是通过设置无人机喷施作业参数，在所述无人机喷施作业区域边框内生成无人机的飞行航点，其中，所述无人机喷施作业参数包括喷幅宽度d、飞行航点半径、喷施流量LP、作业时的飞行速度VP及飞行高度；所述无人机喷施作业参数的数据通过协议打包到通信消息包中，并通过通信模块传输给无人机飞控，同时设置的无人机喷施作业参数会作为实参传给航点生成函数；
所述飞行航线规划包括以下步骤，
(1)选取无人机起飞点并根据无人机喷施作业区域边框建立直角坐标系，起飞点为平面坐标系的原点，无人机喷施作业区域边框的四个顶点坐标分别为A(0，0)、B(0，n)、C(m，n)、D(m，0)，此时的飞行航线为未优化的无人机喷施作业飞行航线；
(2)根据所述无人机喷施作业参数中的喷幅宽度d及喷施作业全覆盖航线预设算法(航线规划算法)对未优化的无人机喷施作业飞行航线进行优化，以此生成基于电量优化后的无人机喷施作业飞行航线，其主要是通过算法逻辑处理模块对未优化的无人机喷施作业飞行航线进行优化并生成无人机喷施作业飞行航线预设图来实现；
(3)根据所述无人机喷施作业飞行航线预设图中的无人机喷施作业飞行航线计算无人机喷施作业总航程HZ，根据所述无人机最大载荷ZM、喷施流量LP及喷施作业时的飞行速度VP计算无人机最大载荷ZM下的喷施航程HM；
(4)根据所述无人机喷施作业总航程HZ及最大载荷ZM下的喷施航程HM计算无人机的返航次数j；
(5)根据返航次数j及航线规划算法对无人机喷施作业飞行航线进行规划，得到无人机作业的补给点及返航点；
所述最佳载荷规划是基于规划后的无人机喷施作业飞行航线，算法逻辑处理模块通过采用有效载荷算法(有效载荷算法)对无人机单作业架次的作业载荷进行规划，得到无人机单作业架次的最佳作业载荷(有效载荷)，从而实现最佳载荷规划；并根据上述基于电量优化后的无人机喷施作业飞行航线以及无人机单作业架次的最佳作业载荷生成无人机的作业任务，并控制无人机起飞作业。
所述起航预警规划是通过获取无人机的实时剩余电量，并预判无人机下一作业架次所需的电量，通过比较实时剩余电量与下一作业架次所需的电量的大小来对无人机起航做预警。
参见图1-图4，在喷施流量规划中，所述的无人机作业区域边框根据农田地理位置信息转换成导航定位数据并显示在电子导航地图上,所述航点生成函数得到的航点均在作业区域边框上，且竖直航线段之间的间距为一个喷幅宽度d时喷雾恰好覆盖整个农田。
参见图1-图4，在飞行航线规划的步骤(2)中，所述全覆盖航线预设算法包括以下步骤：
(1)根据所述无人机喷施作业区域边框的顶点A(0，0)，B(0，n)、农田长度m，农田宽度n，喷施流量LP，设置第一个航点的坐标为:(d/2，0)，第二个航点的坐标为：(d/2，n)，第三个航点的坐标为：(3d/2，n)，第四个航点的坐标为：(3d/2，0)；
(2)设置第五个航点至第2m/d个航点坐标为：
(3)第一个航点与第二个航点连接成竖直航线段，第二个航点与第三个航点连接成横向航线段，第三个航点与第四个航点连接成竖直航线段……第(2m/d)-1个航点与第2m/d个航点连接，依次连接所有航点，构成连续的飞行航线，即得到无人机喷施作业的全覆盖航线，其中，竖直航线段长度为n，横向航线段长度为d。
参见图1-图4，在飞行航线规划的步骤(3)中,所述无人机喷施作业总航程HZ的计算公式为：
所述无人机最大载荷ZM下的喷施航程HM的计算公式为：HM＝VP×ZM/LP。
参见图1-图4，在飞行航线规划的步骤(4)中，所述的返航次数j包括：
(1)若HZ<HM，则无人机无需返航；
(2)若HZ>HM，则有：j≤HZ/HM<j+1(j＝1,2,3…..j)，其中，j为返航次数。
参见图1-图4，在飞行航线规划的步骤(5)中，所述航线规划算法得到的补给点不在无人机的起点处，其坐标为：(m/2,0)，若第一个返航点到补给点的距离HB加上无人机第一作业架次喷施航程Hd大于无人机最大飞行航程，则需增加一个补给点，同时，第一个补给点的坐标变为(m/3,0)，第二个补给点的坐标为(2m/3,0)，补给点满足关系式为：ib＝bm/(b+1)，即i1＝m/2,i2＝2m/3……；b为补给点个数。
参见图1-图4，在飞行航线规划的步骤(5)中，所述航线规划算法的步骤为：
(1)设置无人机作业的补给点；
(2)根据所述的2m/d个航点中，将第4k(k＝1,2,3,4……2m/d)个航点设置为待确定返航点；
参见图3，在实际作业的飞行航线规划中，从起点开始的四个连续的航点构成的航线是一次无人机飞行作业往返。在图3中，航点1、航点2、航点3、航点4构成的航线为无人机一次飞行作业往返，航点4k、航点4k+1、航点4k+2、航点4k+3构成的航线为无人机一次飞行作业往返，航点4k与4k+1分布在Y＝0的横向航线段上，航点4k+1与4k+2分布在Y＝n的横向航线段上，将返航点设置在Y＝0的横向航线段的左侧或右侧航点上能够保证返航点距补给点最近，以左侧航点为例，待确定返航点为第4k(k＝1，2，3……n)个航点。
(3)根据所述无人机满载单次最大喷施航程HM，根据关系式：
求出k的值；
(4)根据上述k值确定无人机飞行作业返航点，第一个返航点为第4k个航点，第二个返航点为第2×4k个航点，第j个返航点为第j×4k个航点，其中，j为返航次数。例如当k＝2时满足条件，4k＝8，即第8个航点为第一个返航点，第二个返航点为第2×4k＝16个航点，依次类推，第j个返航点为8J。当①条件成立时无需返航，当①成立时，只需继续判断②，③。
如图2所示，航点1与航点2之间的航程为竖直航线段的长度n，航点2与航点3之间的航程为喷幅宽度d，航点3与航点4之间的航程为竖直航线段的长度n，而航点4为待确定返航点，无人机飞到航点4时已经飞过的航程为n+d+n即2(n+d/2)，而航点8也为待确定返航点，无人机飞到航点8时已经飞过的航程为n+d+n+d+n+d+n即4(n+3d/4)；则无人机飞到第k+1个待确定返航点时已经飞过的航程为2(k+1)(n+3d/4)；当2k(n+3d/4)≤HM时说明无人机满载荷起飞到达第k个待确定返航点时药液还有剩余，当2(k+1)(n+3d/4)≥HM时说明无人机无法到达第(k+1)个待确定航点，则第k个待确定航点为返航点；综上所述，当同时满足②③条件的k为第一个返航点；依次类推，2k为第二个“返航点”，第j个“返航点”为jk。
通过以下案例对航线规划算法做进一步解释，
高科新农HY-B-15L电动无人机在5m/s的速度下以1250毫升/分钟的流量喷施，最长连续喷雾时间为750秒，则无人机的最大喷施航程为Hp＝3750米，假设竖直航线长n＝600米，喷幅d＝5米，先将Hp，n，d代入①；
取k＝1，2(600+5)≤3750很明显成立，说明不需要返航；
取k＝2,代入②③，②中，2×2(600+3×5/2)≤3750，成立。③中，3750≤2(2+1)(600+3×5/2)＝3645，不成立；
取k＝3,代入②③，②中:2(2+1)(600+3×5/2)＝3645≤3750,成立；代入③，3750≤2(3+1)(600+3×5/2)＝4860成立；
此时②③同时成立，则此时的k＝3是我们需要的，由于待确定返航点为第4k个航点，则第12个航点为第一个返航点，依次类推，第24个航点为第2个返航点，第12j个航点为第j个返航点。
参见图1-图4，所述待确定返航点及返航点均为无人机作业的飞行航点，无人机喷施作业到返航点后，立即返回补给点，返航点与返航点之前的所有预设航点之间的连线构成无人机喷施作业飞行航线，所述返航点为无人机最少飞行作业架次下得到的最优返航点集。
参见图1-图4，所述返航点与补给点之间的航线为无人机的返航航线，且为最优返航航线，无人机各作业架次的返航航线组成的总返航航程最短。
参见图1-图4，所述有效载荷算法根据无人机各作业架次的喷施航程Hd及喷施流量IP为无人机分配最佳作业载荷Zd，在所述最佳作业载荷Zd下，无人机喷施作业至返航点时，载荷恰好消耗完毕。
参见图1-图4，在最佳载荷规划中，所述有效载荷算法步骤为：
(1)通过航线规划算法，获取无人机单作业架次作业的喷施航程Hd；
(2)获取无人机作业时的飞行速度为VP，单位m/s，喷施流量IP，单位ml/s,根据单作业架次作业的喷施航程Hd，计算单次作业需要时间为单作业架次的最佳作业载荷Zd＝IPtd；
(3)获取无人机返航次数j，将最佳作业载荷Zd分配给(j-1)作业架次；
(4)计算第j次作业的最佳作业载荷Zd，其计算公式为式中Hz为无人机喷施作业总航程。
参见图1-图4，在起航预警规划中，预判无人机下一作业架次所需电量的步骤为：
(1)获取无人机的电池容量Cm、单作业架次的喷施航程Hd、作业速度Vp、返航航程HB、单作业架次作业的最佳作业载荷Zd、无人机及电池的重重；
(2)根据无人机空载悬停时的电压及电流计算无人机空载时的悬停功率Px，根据最大功率及悬停功率Px计算作业安全裕量α，根据α计算无人机最佳作业载荷Zd时电机最大拉力下升到作业高度所消耗的电量Pts；
(3)根据喷施流量IP计算无人机的实时剩余载荷、实时电压、实时电流，计算该载荷下对应单位时间下的耗电量，并随时间累加至无人机空载时的喷施耗电量
(4)计算无人机空载时刻的剩余电量Ck，计算无人机空载继续飞行至补给点的时间tk&b、到补给点时的剩余电量Ck&b以及记录降落后的剩余电量Cj；
(5)计算表示无人机空载情况下以vP速度飞行每米消耗的电量；
(6)无人机单作业架次喷施作业的喷施耗电量Cp＝Cm-Ck；计算下一个返航点到补给点的返航航程HB，则无人机空载从返航点到补给点消耗的电量
(7)计算下次作业的喷施航程Hd、喷施所需时间tp以及喷施耗电量
实施例2
本实施例与实施例1的不同之处在于，在飞行航线规划中，所述补给点能够补充无人机载荷及电量，其位置及个数与作业区域的宽度m及无人机续航时间有关，补给点的具体设置方式为：首先设置一个补给点，其坐标为：(m/2,0)，其次，若无人机在从第一个返航点时的剩余电量小于飞到补给点所需电量，则需增加一个补给点，继续判断无人机第一个返航点时的剩余电量是否小于飞到第一个补给点的所需电量，若仍然小于，则继续添加一个补给点，最后，依次类推，假设需要b个补给点，则补给点坐标关系式为：ib＝bm/(b+1)，即i1＝m/2,i2＝2m/3……。
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。