本發(fā)明涉及一種農(nóng)業(yè)設(shè)備控制領(lǐng)域，具體涉及一種基于無人機的景觀植物的播種方法。

背景技術(shù)：

大面積景觀植物(如油菜、向日葵、花卉等)的種植，常利用灘涂、坡地等地面機器難以進(jìn)入或工作(無機耕道、地形地貌復(fù)雜)的土地區(qū)域。同時為達(dá)到較好的視覺景觀效果，通過造型設(shè)計以及多種不同品種、類別植物或播期的控制，實現(xiàn)“花式”間作和套種。因此對于具體作物而言，其種植區(qū)域的邊界形狀較為復(fù)雜，利用常規(guī)地面機器根本無法實現(xiàn)種植，而人工操作又費時費力。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對大面積景觀植物的播種，提供一種基于無人機的景觀植物的播種方法。

本發(fā)明解決上述技術(shù)問題的技術(shù)方案如下：

一種基于無人機的景觀植物的播種方法，包括以下步驟：

步驟s1、確定待種植物種植區(qū)域的圖案形狀，得到邊界數(shù)據(jù)p1；

步驟s2、確定待種植物地塊區(qū)域的坐標(biāo)，得到邊界數(shù)據(jù)p2；

步驟s3、對邊界數(shù)據(jù)p1進(jìn)行調(diào)整，使邊界數(shù)據(jù)p1與邊界數(shù)據(jù)p2在地理方位和區(qū)域大小上匹配，得到用于播種的區(qū)域邊界數(shù)據(jù)p3；

步驟s4、輸入無人機的工作參數(shù)及用于播種的區(qū)域邊界數(shù)據(jù)p3，通過飛播路徑規(guī)劃算法，獲得無人機的飛播播種最優(yōu)路徑及最優(yōu)路徑對應(yīng)的無人機各工作單元狀態(tài)信息；

步驟s5、無人機按照飛播播種最優(yōu)路徑及最優(yōu)路徑對應(yīng)的無人機各工作單元狀態(tài)信息，實施自主飛播作業(yè)。

進(jìn)一步的，所述步驟s4包括多邊形填充線求解和處理過程，具體包括以下步驟：

步驟s4.1、輸入無人機出發(fā)點和降落點位置及無人機的工作幅寬w、工作單元數(shù)n、作業(yè)飛行速度v、空行程飛行速度v’和作業(yè)方向θ，輸入用于播種的區(qū)域邊界數(shù)據(jù)p3，依次存儲邊界數(shù)據(jù)p3的各頂點數(shù)據(jù)，并順次連接各頂點，得到多邊形區(qū)域z；

步驟s4.2、設(shè)置一組與作業(yè)方向平行、間距為w的平行線組為行中心線組，且行中心線組覆蓋多邊形區(qū)域z；

步驟s4.3、將每一條行中心線分別向兩側(cè)平移m次，所述m為n/2再取整后的值，包括原始行中心線和平移后的行中心線，得到每一條行中心線對應(yīng)的n條單元中心線，通過直線與多邊形求交算法，求取每一條單元中心線與多邊形區(qū)域z的交點，并沿作業(yè)方向做交點配對檢查，剔除未成功配對的交點，得到交點數(shù)組；

步驟s4.4、利用交點數(shù)組、行中心線、單元中心線、工作幅寬w和工作單元數(shù)n求得無人機的初始路徑信息和工作狀態(tài)信息；

步驟s4.5、對路徑進(jìn)行排序，求得無人機的飛播播種最優(yōu)路徑，將最優(yōu)路徑及最優(yōu)路徑對應(yīng)的無人機各工作單元狀態(tài)信息進(jìn)行存儲。

進(jìn)一步的，所述步驟s4.3具體為，

步驟s4.31、對n進(jìn)行判斷，若n為奇數(shù)，將每一條行中心線分別向兩側(cè)平移m次，每次平移距離為w/n，包括原始行中心線和平移后的行中心線，獲得每一條行中心線對應(yīng)的n條單元中心線；若n為偶數(shù)，將行中心分別向兩側(cè)平移m次，首次平移距離為w/(2×n)，以后每次平移距離為w/n，平移后得到行中心線對應(yīng)的n條單元中心線；

步驟s4.32、通過直線與多邊形求交算法，求取每一條單元中心線與多邊形區(qū)域z的交點，并沿作業(yè)方向做交點配對檢查，剔除未成功配對的交點，得到交點數(shù)組。

進(jìn)一步的，所述步驟s4.32中的中交點配對檢查具體為：沿作業(yè)方向分別遍歷每一單元中心線與多邊形區(qū)域z的交點，計算當(dāng)前交點與相鄰交點的中點，判斷中點與多邊形區(qū)域z的包含關(guān)系，若中點在多邊形區(qū)域z內(nèi)部，則視為配對成功；否則視當(dāng)前交點為孤點，將其剔除。

進(jìn)一步的，所述步驟s4.4具體為：

步驟s4.41、將交點數(shù)組內(nèi)所有交點向行中心線投影，得到多個投影點，將投影點作為行分割點；

步驟s4.42、在每一個行分割點作行中心線所在直線的垂線，相鄰垂線之間的區(qū)域為行分割區(qū)，將每一條單元中心線延伸與每一個行分割區(qū)相交，單元中心線在行分割區(qū)內(nèi)的部分為相交段，若相交段處于多邊形區(qū)域外部，則單元中心線對應(yīng)的工作單元在行分割區(qū)內(nèi)的工作狀態(tài)為關(guān)閉，若相交段處于多邊形區(qū)域內(nèi)部，則單元中心線對應(yīng)的工作單元在行分割區(qū)內(nèi)的工作狀態(tài)為開啟；

步驟s4.43、將每一個行分割區(qū)內(nèi)的行中心線段作為一個初始路徑段，按上述步驟，得到無人機各工作單元在所有初始路徑段內(nèi)對應(yīng)的工作狀態(tài)，將所有初始路徑段信息和初始路徑段對應(yīng)的無人機各工作單元狀態(tài)信息進(jìn)行存儲。

進(jìn)一步的，所述步驟s4.5具體為：

對路徑進(jìn)行排序，將位于同一行的初始路徑段順次連接作為一條行路徑，將每一條行路徑作為一個元素，求解從出發(fā)點出發(fā)，遍歷所有行路徑后，再返回降落點的總路徑，以使總遍歷距離之和最小的優(yōu)化路徑順序，按照優(yōu)化路徑順序依次連接出發(fā)點、所有行路徑和起降點，得到一條完整的作業(yè)路徑為初始最優(yōu)路徑，將初始最優(yōu)路徑信息及初始最優(yōu)路徑對應(yīng)的無人機各工作單元狀態(tài)信息進(jìn)行存儲。

進(jìn)一步的，所述步驟s4.5中，得到初始最優(yōu)路徑后，將每一條行路徑向兩端延伸，靠近出發(fā)點一端延伸距離為無人機加速穩(wěn)定飛行距離l0→v，靠近降落點一端延伸距離為無人機減速穩(wěn)定飛行距離lv→0，按照優(yōu)化路徑順序依次連接出發(fā)點、延伸后的所有行路徑和起降點，得到一條完整的作業(yè)路徑為最優(yōu)路徑，將初始最優(yōu)路徑對應(yīng)的無人機各工作單元狀態(tài)信息作為最優(yōu)路徑對應(yīng)的無人機各工作單元狀態(tài)信息，最優(yōu)路徑中除行路徑之外的所有連接線段，對應(yīng)的無人機工作單元狀態(tài)均為關(guān)閉狀態(tài)，將最優(yōu)路徑信息及最優(yōu)路徑對應(yīng)的無人機各工作單元狀態(tài)信息進(jìn)行存儲。

本發(fā)明的有益效果為：本發(fā)明通過機器作業(yè)替代了人工操作，可適用于不同邊界形狀的播種區(qū)域，可以達(dá)到較好的景觀造型視覺效果，通過造型設(shè)計以及多種不同品種、類別植物或播期的控制，實現(xiàn)“花式”間作和套種，而且提高了大面積景觀植物種植過程的效率和作業(yè)質(zhì)量。本發(fā)明還通過算法優(yōu)化了無人機作業(yè)的行調(diào)度次序，減少了非有效作業(yè)時段的飛行距離和時間，而且還從數(shù)據(jù)指令的角度支持了無人機各工作單元的獨立實時按需啟停，特別是對于邊緣形狀不規(guī)則的播種區(qū)域，可以使得無人機在邊界附近區(qū)域內(nèi)能夠更精準(zhǔn)的作業(yè)，進(jìn)一步減少了作業(yè)消耗、提高了作業(yè)質(zhì)量，使得播種區(qū)域的形狀更加精確美觀。通過將每一行的飛行作業(yè)路徑向兩端延伸，可以減少每一行起始和結(jié)束部分飛行器加減速過程對株距的影響。

附圖說明

圖1為本發(fā)明總體流程示意圖；

圖2為邊界p1和邊界p2示意圖；

圖3為邊界p3示意圖；

圖4為多邊形區(qū)域與行中心線組示意圖；

圖5為多邊形區(qū)域與行中心線平移后得到的單元中線示意圖；

圖6為單元中心線與多邊形邊界求交之后的示意圖；

圖7為圖6的局部放大圖；

圖8為路徑優(yōu)化后的最優(yōu)路徑示意圖；

圖9為延伸后的最優(yōu)路徑示意圖。

具體實施方式

以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的原理和特征進(jìn)行描述，所舉實例只用于解釋本發(fā)明，并非用于限定本發(fā)明的范圍。

如圖1所示，一種基于無人機的景觀植物的播種方法，包括以下步驟：

步驟s1、針對待種植的景觀植物特定品種，利用繪圖軟件設(shè)計繪制所需的文字或圖案，獲得邊界數(shù)據(jù)p1，如圖2所示；

步驟s2、利用gis系統(tǒng)或手持式gps，獲得待種植觀賞景觀地塊區(qū)域在地理坐標(biāo)格式下的邊界數(shù)據(jù)p2’，通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成直角坐標(biāo)系下的邊界數(shù)據(jù)p2，如圖2所示，圖2中的陰影區(qū)域為p1；

步驟s3、如圖3所示，利用坐標(biāo)平移、旋轉(zhuǎn)、縮放等方式處理邊界數(shù)據(jù)p1，使邊界數(shù)據(jù)p1與邊界數(shù)據(jù)p2在地理方位和區(qū)域大小上匹配，得到用于播種的區(qū)域邊界數(shù)據(jù)p3；

步驟s4、輸入無人機的工作參數(shù)及用于播種的區(qū)域邊界數(shù)據(jù)p3，通過飛播路徑規(guī)劃算法，計算直角坐標(biāo)系下的飛播播種最優(yōu)路徑t’，再通過坐標(biāo)逆轉(zhuǎn)換，獲得地理坐標(biāo)格式下的最優(yōu)路徑t，以及最優(yōu)路徑對應(yīng)的無人機各工作單元狀態(tài)信息；

所述步驟s1、s2和s3中的邊界數(shù)據(jù)p1、p2、p3均為多邊形數(shù)組，并按照外邊界以逆時針方向、內(nèi)邊界以順時針方向的順序依次存儲各頂點。

所述步驟s4包括多邊形填充線求解和處理過程，具體包括以下步驟：

步驟s4.1、輸入無人機出發(fā)點和降落點位置及無人機的工作幅寬w、工作單元數(shù)n、作業(yè)飛行速度v、空行程飛行速度v’和作業(yè)方向θ，輸入用于播種的區(qū)域邊界數(shù)據(jù)p3，依次存儲邊界數(shù)據(jù)p3的各頂點數(shù)據(jù)，并順次連接各頂點，得到多邊形區(qū)域z；本實施例中無人機出發(fā)點為a，降落點為b，n為4；

步驟s4.2、如圖4所示，設(shè)置一組與作業(yè)方向平行、間距為w的平行線組為行中心線組，且行中心線組覆蓋多邊形區(qū)域z，圖4中，陰影區(qū)域為多邊形區(qū)域z，粗實線為行中心線；

步驟s4.3、如圖5和圖6所示，將每一條行中心線分別向兩側(cè)平移m次，所述m為n/2再取整后的值，包括原始行中心線和平移后的行中心線，得到每一條行中心線對應(yīng)的n條單元中心線，通過直線與多邊形求交算法，求取每一條單元中心線與多邊形區(qū)域z的交點，并沿作業(yè)方向做交點配對檢查，剔除未成功配對的交點，得到交點數(shù)組，圖5和圖6中，陰影區(qū)域為多邊形區(qū)域z，粗實線為行中心線，虛線為單元中心線，細(xì)實線平行線為單元邊界線；

所述步驟s4.3具體為，

步驟s4.31、對n進(jìn)行判斷，若n為奇數(shù)，將每一條行中心線分別向兩側(cè)平移m次，每次平移距離為w/n，包括原始行中心線和平移后的行中心線，獲得每一條行中心線對應(yīng)的n條單元中心線；若n為偶數(shù)，將行中心分別向兩側(cè)平移m次，首次平移距離為w/(2×n)，以后每次平移距離為w/n，平移后得到行中心線對應(yīng)的n條單元中心線；如圖6所示，本實施例中n為4，為偶數(shù)，因此m為2，將行中心線分別向兩側(cè)平移2次，首次平移距離為w/8，第二次平移距離為w/4，平移后得到行中心線對應(yīng)的4條單元中心線；

步驟s4.32、如圖6所示，通過直線與多邊形求交算法，求取每一條單元中心線與多邊形區(qū)域z的交點，并沿作業(yè)方向做交點配對檢查，剔除未成功配對的交點，得到交點數(shù)組。

所述步驟s4.32中的中交點配對檢查具體為：沿作業(yè)方向分別遍歷每一單元中心線與多邊形區(qū)域z的交點，計算當(dāng)前交點與相鄰交點的中點，判斷中點與多邊形區(qū)域z的包含關(guān)系，若中點在多邊形區(qū)域z內(nèi)部，則視為配對成功；否則視當(dāng)前交點為孤點，將其剔除。

步驟s4.4、利用交點數(shù)組、行中心線、單元中心線、工作幅寬w和工作單元數(shù)n求得無人機的初始路徑信息和工作狀態(tài)信息；

所述步驟s4.4具體為：

步驟s4.41、交點數(shù)組內(nèi)所有交點向行中心線投影，得到多個投影點，將投影點作為行分割點；如圖7所示，其中pq為行中心線，ab、cd、ef和gh為單元中心線，本實施例中工作單元數(shù)n為4，ab、cd、ef和gh分別對應(yīng)無人機上的一個工作單元的中心線，ab和cd與多邊形區(qū)域z沒有交點，ef與多邊形區(qū)域z的交點為m和n，gh與多邊形區(qū)域z的交點為g和h，g'為g的投影點，m'為m的投影點，n'為n的投影點，h'為h的投影點；

步驟s4.42、如圖7所示，在每一個投影點作行中心線所在直線的垂線，相鄰垂線之間的區(qū)域為行分割區(qū)，其中標(biāo)號1-3分別為三個行分割區(qū)，將每一條單元中心線延伸與每一個行分割區(qū)相交，單元中心線在行分割區(qū)內(nèi)的部分為相交段，若相交段處于多邊形區(qū)域外部，則單元中心線對應(yīng)的工作單元在行分割區(qū)內(nèi)的工作狀態(tài)為關(guān)閉，若相交段處于多邊形區(qū)域內(nèi)部，則單元中心線對應(yīng)的工作單元在行分割區(qū)內(nèi)的工作狀態(tài)為開啟；

以圖7示例，第一行分割區(qū)1內(nèi)，單元中心線ab和單元中心線cd均位于多邊形區(qū)域z外部，因此，單元中心線ab和單元中心線cd對應(yīng)的工作單元在行分割區(qū)1-3內(nèi)均為關(guān)閉狀態(tài)，

單元中心線ef與第一行分割區(qū)1的相交段em位于多邊形區(qū)域z外部，則ef對應(yīng)的工作單元在第一行分割區(qū)1內(nèi)的工作狀態(tài)為關(guān)閉；單元中心線gh與第一行分割區(qū)1的相交段位于多邊形區(qū)域z內(nèi)部，則gh對應(yīng)的工作單元在第一行分割區(qū)1內(nèi)的工作狀態(tài)為開啟；

單元中心線ef與第二行分割區(qū)2的相交段mn位于多邊形區(qū)域z內(nèi)部，則ef對應(yīng)的工作單元在第二行分割區(qū)2內(nèi)的工作狀態(tài)為開啟；單元中心線gh與第二行分割區(qū)2的相交段位于多邊形區(qū)域z內(nèi)部，則gh對應(yīng)的工作單元在第二行分割區(qū)2內(nèi)的工作狀態(tài)為開啟；

單元中心線ef與第三行分割區(qū)3的相交段nf位于多邊形區(qū)域z外部，則ef對應(yīng)的工作單元在第三行分割區(qū)3內(nèi)的工作狀態(tài)為關(guān)閉；單元中心線gh與第三行分割區(qū)3的相交段位于多邊形區(qū)域z內(nèi)部，則gh對應(yīng)的工作單元在第三行分割區(qū)3內(nèi)的工作狀態(tài)為開啟；

步驟s4.43、將每一個行分割區(qū)內(nèi)的行中心線段作為一個初始路徑段，以圖7示例，初始路徑段g'm'內(nèi)，ab對應(yīng)的工作單元狀態(tài)為關(guān)閉，cd對應(yīng)的工作單元狀態(tài)為關(guān)閉，ef對應(yīng)的工作單元狀態(tài)為關(guān)閉，gh對應(yīng)的工作單元狀態(tài)為開啟；初始路徑段m'n'內(nèi)，ab對應(yīng)的工作單元狀態(tài)為關(guān)閉，cd對應(yīng)的工作單元狀態(tài)為關(guān)閉，ef對應(yīng)的工作單元狀態(tài)為開啟，gh對應(yīng)的工作單元狀態(tài)為開啟。

按上述步驟，得到無人機各工作單元在所有初始路徑段內(nèi)對應(yīng)的工作狀態(tài)，將所有初始路徑段信息和初始路徑段對應(yīng)的無人機各工作單元狀態(tài)信息進(jìn)行存儲。

步驟s4.5、對路徑進(jìn)行排序，求得無人機的飛播播種最優(yōu)路徑，將最優(yōu)路徑及最優(yōu)路徑對應(yīng)的無人機各工作單元狀態(tài)信息進(jìn)行存儲。

所述步驟s4.5具體為：

進(jìn)一步的，所述步驟s4.5具體為：

對路徑進(jìn)行排序，將位于同一行的初始路徑段順次連接作為一條行路徑，將每一條行路徑作為一個元素，求解從出發(fā)點出發(fā)，遍歷所有行路徑后，再返回降落點的總路徑，以使總遍歷距離之和最小的優(yōu)化路徑順序，按照優(yōu)化路徑順序依次連接出發(fā)點、所有行路徑和起降點，如圖8所示，得到一條完整的作業(yè)路徑為初始最優(yōu)路徑，將初始最優(yōu)路徑信息及初始最優(yōu)路徑對應(yīng)的無人機各工作單元狀態(tài)信息進(jìn)行存儲。

進(jìn)一步的，所述步驟s4.5中，得到初始最優(yōu)路徑后，將每一條行路徑向兩端延伸，靠近出發(fā)點一端延伸距離為無人機加速穩(wěn)定飛行距離l0→v，靠近降落點一端延伸距離為無人機減速穩(wěn)定飛行距離lv→0，按照優(yōu)化路徑順序依次連接出發(fā)點、延伸后的所有行路徑和起降點，得到一條完整的作業(yè)路徑為最優(yōu)路徑t’，將初始最優(yōu)路徑對應(yīng)的無人機各工作單元狀態(tài)信息作為最優(yōu)路徑t’對應(yīng)的無人機各工作單元狀態(tài)信息，最優(yōu)路徑t’中除行路徑之外的所有連接線段，對應(yīng)的無人機工作單元狀態(tài)均為關(guān)閉狀態(tài)，對最終路徑t’數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)逆變換，將直角坐標(biāo)系數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成經(jīng)緯度數(shù)據(jù),獲得地理坐標(biāo)格式下的最優(yōu)路徑t，最優(yōu)路徑t’對應(yīng)的無人機工作單元狀態(tài)與最優(yōu)路徑t保持一致，即得到了最優(yōu)路徑t及最優(yōu)路徑t對應(yīng)的無人機各工作單元狀態(tài)信息。

如圖9所示為延伸后的最優(yōu)路徑示意圖，圖8和圖9中，粗虛線為延伸的距離，虛線為單元中心線，細(xì)實線平行線為單元邊界線，粗實線平行線為行路徑，帶箭頭指向的連接線為路徑線。

本發(fā)明的方法所配套使用的無人機上設(shè)置有排種器工作單元，可采用電力驅(qū)動形式，工作單元的數(shù)量為多個，且均設(shè)置有電磁閥或其他開關(guān)，每個工作單元均可獨立實時按需啟?？刂?，各工作單元的開關(guān)均連接至協(xié)調(diào)控制器，協(xié)調(diào)控制器從無人機主控制器接受工作單元工作狀態(tài)指令控制字，并根據(jù)控制字的位狀態(tài)統(tǒng)一協(xié)調(diào)管理各工作單元的按需啟停。

本發(fā)明提供一種基于無人機的景觀植物的播種方法，本發(fā)明通過機器作業(yè)替代了人工操作，可適用于不同形狀的播種區(qū)域，可以達(dá)到較好的視覺景觀效果，通過造型設(shè)計以及多種不同品種、類別植物或播期的控制，實現(xiàn)“花式”間作和套種，而且提高了大面積景觀植物種植過程的效率，而且還提高了作業(yè)質(zhì)量。本發(fā)明還通過算法優(yōu)化了無人機作業(yè)的行調(diào)度次序，減少了非有效作業(yè)時段的飛行時間，而且還從數(shù)據(jù)指令的角度支持了無人機各工作單元的獨立實時按需啟停，特別是對于邊緣形狀不規(guī)則的用于播種的區(qū)域邊界，可以使得無人機在區(qū)域邊界附近區(qū)域內(nèi)能夠更精準(zhǔn)的作業(yè)，進(jìn)一步減少了作業(yè)消耗、提高了作業(yè)質(zhì)量，使得播種區(qū)域的形狀更加精確美觀。通過將每一行的飛行作業(yè)路徑向兩端延伸，可以減少每一行起始和結(jié)束部分飛行器加減速過程對株距的影響。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。