CN107808550B - 一种植保无人机管理系统 - Google Patents

Abstract

一种植保无人机管理系统，包括主控制器、地面站设备以及云网，其特征在于：地面站设备与云网通过互联网连接,云网包括资源管理模块、作业模块以及订单任务模块，资源管理模块包括用户管理、飞机管理以及地块管理；作业模块包括：作业地图、作业列表、作业筛选以及作业详情，管理员、植保队和飞手用户都可通过作业模块查看作业地理分布、查看作业列表、查看作业详情；订单任务模块用于生成并管理订单。

Description

一种植保无人机管理系统

技术领域

本发明涉及管理系统，尤其是一种植保无人机管理系统。

背景技术

中国作为农业大国，18亿亩基本农田，每年需要大量的农业植保作业，而小型旋翼无人机具有高度低，飘移少，可空中悬停，无需专用起降机场，旋翼产生的向下气流有助于增加雾流对作物的穿透性，防治效果高，喷洒作业人员避免了暴露于农药的危险，提高了喷洒作业安全性等诸多优点。而无人机飞控系统的功能和性能对无人机作业能力起决定性作用。

目前缺少对无人机远程监控管理系统，缺少实时监管，并且存在作业配套功能不完善等问题

发明内容

本发明为了克服现有技术方案的不足，提供了一种植保无人机管理系统的技术方案。

为了实现上述目的，本发明的技术方案为：一种植保无人机管理系统，包括主控制器、地面站设备以及云网，其特征在于：地面站设备与云网通过互联网连接,云网包括资源管理模块、作业模块以及订单任务模块，资源管理模块包括用户管理、飞机管理以及地块管理；作业模块包括：作业地图、作业列表、作业筛选以及作业详情，管理员、植保队和飞手用户都可通过作业模块查看作业地理分布、查看作业列表、查看作业详情(已完成作业/进行中作业)；订单任务模块用于生成并管理订单，其包括植保队订单和飞手任务。

本发明与现有技术的有益效果体现在：

1、本发明可以有效的实现了无人机领域的物联网功能；

2、本发明实现了用户远程飞行任务定制；

3、本发明实现了无人机、无人机任务、作业地块以及人员的统筹管理，为植保用户提供详尽实时的数据支撑。

附图说明

图1为本发明的植保无人机系统示意图；

图2为本发明的植保无人机系统与云网的连接示意图；

图3为本发明的云网构成示意图；

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步的说明。

如图1-3所示，

一种植保无人机管理系统，包括主控制器、执行机构、通讯设备、地面站设备以及云网，

主控制器包括数据采集模块、数据处理模块、通信模块,通过修改主控制器的内部程序和外围电路实现不同型号无人机的飞行控制和飞行管理功能要求，

数据采集模块采集各传感器的测量信号，测量信号其包括陀螺信号、航向信号、舵偏角信号、液位信号以及定高雷达信号，并上传至数据处理模块；

通信模块接收通讯设备传输的由地面站设备上行信道送来的控制命令，同时将无人机的姿态数据及执行机构的工作状态参数通过通讯设备实时传送给地面站设备；

数据处理模块，根据测量信号生成无人机的飞行状态、姿态参数以及飞行参数，结合控制命令，经计算处理，输出开关量信号、模拟信号和PWM脉冲信号给执行机构，实现对无人机中各种飞行模态的控制和对执行机构的管理与控制；

执行机构包括电机电调装置和喷洒装置；

通讯设备包括接收机模块、数传机载端、数传地面端、卫星导航模块、数传蓝牙中继盒；

地面站设备包括遥控器、PC地面站、手机地面站，通过无线数据信道进行飞行监控；

其特征在于：地面站设备与云网通过互联网连接,云网包括资源管理模块、作业模块以及订单任务模块，

资源管理模块包括用户管理、飞机管理以及地块管理；作业模块包括作业地图、作业列表、作业筛选以及作业详情，管理员、植保队和飞手用户都可通过作业模块查看作业地理分布、查看作业列表、查看作业详情(已完成作业/进行中作业)；订单任务模块用于生成并管理订单，其包括植保队订单和飞手任务。

其中，

通过用户管理实现对所有用户的操作，包括：登录、退出、修改用户信息、修改密码，按照权限用户包括分为飞手用户、管理员用户以及植保队用户，管理员用户可以对管理员用户和植保队用户进行操作，包括：新建、查看、修改、启用以及禁用，植保队用户可以对飞手用户进行操作，包括：新建、查看、修改、启用以及禁用；用户信息包括用户名、账户类型、联系人姓名、手机号、更新人。

通过飞机管理植保队用户可以管理队内的飞机，包括：注册飞机、查看飞机列表，查看飞机详情，编辑飞机，禁用/启用飞机，注册飞机是在地面站设备操作完成的，植保队用户可查看已注册的飞机。

飞机列表中每行代表一个飞机，页面列出了飞机的简略信息，包括：名称，飞控编号，作业状态，累计作业面积，启用/禁用状态。

植保队用户可以编辑飞机信息并禁用/启用飞机，禁用后，飞机不能上传作业数据。

通过地块管理实现对作业区域的操作，包括地块类信息和地块管理，地块类信息用于显示地块的基本信息，包括地块名称、地块编号、地址、边界和障碍区域构成的工作区域、测绘面积、测绘方式、启用/禁用状态、上传时间上传人以及参考信息，其中，测绘方式采用RTK、普通测绘或者屏幕取点测绘；飞手用户通过地块管理实现地块信息的上传和下载，植保队用户通过地块管理查看地块列表、地块分布、地块详情并对地块进行删除或启用/禁用操作。

其中，

作业地图，将作业按照地理位置展示在地图中，根据地图缩放精度，自动聚合临近的作业，提供条件筛选，以快速查找作业，还可以卫星模式或地图模式之间切换。以地图的形式展示全部植保队当天的作业信息、全部飞手当天的作业信息、当前飞手当天的作业信息，通过点击地图中的飞机标识展示该作业的包括作业名称、植保队、施药量、已作业面积、作业距离、飞行时长的信息。

作业列表，其以地图的形式展示全部植保队当天的作业信息、全部飞手当天的作业信息、当前飞手当天的作业信息，列表中的作业信息能够导出。

作业筛选，在作业地图和作业列表两个模块均支持对作业信息进行筛选，不同角色(管理员/植保队/飞手)的筛选条件有所不同。筛选条件如下：

1)管理员可筛选：植保队、作业类型、作业状态、时间；

2)植保队可筛选：飞手、飞机、作业类型、作业状态、时间；

3)飞手可筛选：作业类型、作业状态、时间。

作业详情，用户可查看作业基本信息、作业实时数据以及飞机飞行轨迹。作业分为：实时作业和已完成作业。实时作业只能查看当前作业和飞行轨迹；已完成作业可查看整个作业及飞行轨迹，支持播放、暂停、停止操作；通过实时作业，用户可查看作业基本信息、作业实时数据以及飞机飞行轨迹；用户通过回放已完成作业，可查看已完成的作业信息，包括：作业基本信息、作业实时数据以及飞机飞行轨迹视频，支持对播放、暂停、停止操作。

作业信息包括作业名称、地址、作业编号、飞机名称、飞手名称、作业状态(实时或者已完成)、所属任务、GPS开始时间、GPS结束时间、所属植保队、飞行记录以及作业累计信息，

其中，飞行记录包括飞行、飞行模式(由姿态保持、GNSS、位置保持、自主作业、高度保持、悬停等待构成)、姿态信息航迹(包括俯仰、翻滚、偏航)、空间信息(包括带有作业信息坐标点的航迹、飞行速度、雷达高度、气压高度)、飞行时刻、传感器信息(包括喷幅、水泵阀门、流量计、油门量、电池电压、药液液位、陀螺仪、遥控器、加速度计、磁罗盘、振动、GNSS的数据)；

其中，作业累计信息包括总施药量、单位施药量、飞行时长、飞行距离、作业距离、作业面积，总施药量＝流量计测量的流速*作业时长、单位施药量＝总施药量/作业面积。

地面站设备根据云网提供的数据对多无人机进行航迹规划、编队并异构多无人机协同规划，主控制器实现无人机仿地飞行控制、高可靠容错控制以及自主避障的控制，具体步骤如下：

步骤1，建立作业处方图、三维微地形；

步骤2，基于作业处方图、三维微地形进行航迹规划；

具体为：地面站设备根据作业处方图和三维微地形进行自主航迹规划，采用Delaunay图法、Warshall-Floyd算法和多种群混合粒子群遗传算法的规划无人机植保作业最优路径；

步骤3，多无人机编队，地面站设备控制多架无人机，根据并行作业进程，实时生成每架无人机的飞行航迹，并上传至无人机实施作业；

具体为：地面站设备依据步骤1的三维微地形和作业处方图，基于稀疏A-Star算法以及主从模型的多机协调航迹规划，建立能量最省、距离最短目标约束下的农田作业自动规划方案与一站多机协同控制方案，控制多架无人机由相同的地点起飞同时到达不规则农田边缘集结区域位置，然后以期望的编队队形植保作业。

通过该方法，实现农田作业能源载荷匹配的自动规划与一站多机协同控制功能，提高农田作业工作效率及遍历覆盖率，实现了各无人机间的同时到达和避免互碰的要求。

步骤4，异构多无人机协同规划；

具体为：地面站设备异构多无人机协同规划，其包括码分多址体制、动态随机接入和动态重构技术的通信控制，地面站设备与无人机群共用一个mesh通信网络，无人机能够动态随机登录加入及退出该通信网络，具备链路功能动态重构功能，实现不同地址码的无人机互联互通；多无人机间协同信息传输使任一单机探测到的障碍信息都能通过mesh通信网络传递给其他无人机和地面站设备；

从而大大提高了整个无人机群的安全性。

步骤5，控制无人机仿地飞行；

主控制器通过定高雷达信号确定无人机与地面的距离，并通过与飞行航线的设计顶高度进行比较得出初始高度，通过加速度的计测量垂向加速度修正初始高度，并使用气压测量当前海拔高度作为备用高度。

本方案采用了多种传感器进行拟合应用，既保证了贴地飞行的准确性，又确保在某些复杂情况(例如地中有大坑、深陇等)下飞机可以实现快升缓降(加速度计修正)，还可以确保在雷达高度失效时用气压数据进行安全飞行保护。

步骤6，基于自适应容错对无人机高可靠容错控制；

主控制器采用基于神经网络的模型参考自适应逆控制算法实现无人机高可靠容错控制，神经网络模型参考自适应逆系统其控制器部分由神经网络构成，利用误差来调整神经网络控制器参数，同时加入逆模型实现线性化和解耦，逆模型由神经网络进行补偿，使得系统达到满意的动态特性。

通过采用基于神经网络的模型参考自适应逆控制算法实现无人机高可靠容错控制，模型参考自适应控制的目标是使跟踪误差收敛于零，将系统实际输出与参考模型输出之间的偏差信号输入到自适应机构，以此对控制律中的参数进行调整。

步骤7，控制无人机避障；

具体为：自主飞行时，临时通过手动飞行绕过障碍点，同时无人机记住下一目标点位置，绕过障碍点后无人机继续执行喷洒动作；

该方法可以有效避开农业地块中经常出现的树木、电线杆等障碍物，保证植保作业过程安全进行。

其中，植保队订单包括基本信息、金额、联系人、作业时间、系统记录、作业地块信息(包括地块地址、作物名称、作物高度)、药剂类型、现场协助、结算依据。

以上所述实施方式仅表达了本发明的一种实施方式，但并不能因此而理解为对本发明范围的限制。应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种植保无人机管理系统，包括主控制器、执行机构、通讯设备、地面站设备以及云网，

主控制器包括数据采集模块、数据处理模块、通信模块,通过修改主控制器的内部程序和外围电路实现不同型号无人机的飞行控制和飞行管理功能要求，

数据采集模块采集各传感器的测量信号，测量信号其包括陀螺信号、航向信号、舵偏角信号、液位信号以及定高雷达信号，并上传至数据处理模块；

通信模块接收通讯设备传输的由地面站设备上行信道送来的控制命令，同时将无人机的姿态数据及执行机构的工作状态参数通过通讯设备实时传送给地面站设备；

数据处理模块，根据测量信号生成无人机的飞行状态、姿态参数以及飞行参数，结合控制命令，经计算处理，输出开关量信号、模拟信号和PWM脉冲信号给执行机构，实现对无人机中各种飞行模态的控制和对执行机构的管理与控制；

执行机构包括电机电调装置和喷洒装置；

通讯设备包括接收机模块、数传机载端、数传地面端、卫星导航模块、数传蓝牙中继盒；

地面站设备包括遥控器、PC地面站、手机地面站，通过无线数据信道进行飞行监控；

地面站设备与云网通过互联网连接,云网包括资源管理模块、作业模块以及订单任务模块，

资源管理模块包括用户管理、飞机管理以及地块管理；作业模块包括作业地图、作业列表、作业筛选以及作业详情，管理员、植保队和飞手用户都可通过作业模块查看作业地理分布、查看作业列表、查看已完成作业/进行中作业的作业详情；订单任务模块用于生成并管理订单，其包括植保队订单和飞手任务；

其中，通过用户管理实现对所有用户的操作，包括：登录、退出、修改用户信息、修改密码，按照权限用户包括分为飞手用户、管理员用户以及植保队用户，管理员用户对管理员用户和植保队用户进行操作，包括：新建、查看、修改、启用以及禁用，植保队用户对飞手用户进行操作，包括：新建、查看、修改、启用以及禁用；用户信息包括用户名、账户类型、联系人姓名、手机号、更新人；

通过飞机管理植保队用户管理队内的飞机，包括：注册飞机、查看飞机列表，查看飞机详情，编辑飞机，禁用/启用飞机，注册飞机是在地面站设备操作完成的，植保队用户可查看已注册的飞机；

飞机列表中每行代表一个飞机，页面列出了飞机的简略信息，包括：名称，飞控编号，作业状态，累计作业面积，启用/禁用状态；

植保队用户编辑飞机信息并禁用/启用飞机，禁用后，飞机不能上传作业数据；

通过地块管理实现对作业区域的操作，包括地块类信息和地块管理，地块类信息用于显示地块的基本信息，包括地块名称、地块编号、地址、边界和障碍区域构成的工作区域、测绘面积、测绘方式、启用/禁用状态、上传时间上传人以及参考信息，其中，测绘方式采用RTK、普通测绘或者屏幕取点测绘；飞手用户通过地块管理实现地块信息的上传和下载，植保队用户通过地块管理查看地块列表、地块分布、地块详情并对地块进行删除或启用/禁用操作；

其中，

作业地图，将作业按照地理位置展示在地图中，根据地图缩放精度，自动聚合临近的作业，提供条件筛选，以快速查找作业，在卫星模式和地图模式之间切换；以地图的形式展示全部植保队当天的作业信息、全部飞手当天的作业信息、当前飞手当天的作业信息，通过点击地图中的飞机标识展示该作业的作业名称、植保队、施药量、已作业面积、作业距离、飞行时长；

作业列表，其以地图的形式展示全部植保队当天的作业信息、全部飞手当天的作业信息、当前飞手当天的作业信息，列表中的作业信息能够导出；

作业筛选，作业地图和作业列表两个模块均支持对作业信息进行筛选，不同角色的筛选条件有所不同；筛选条件如下：

1)管理员可筛选：植保队、作业类型、作业状态、时间；

2)植保队可筛选：飞手、飞机、作业类型、作业状态、时间；

3)飞手可筛选：作业类型、作业状态、时间；

作业详情，用户可查看作业基本信息、作业实时数据以及飞机飞行轨迹；作业分为：实时作业和已完成作业；实时作业只能查看当前作业和飞行轨迹；已完成作业可查看整个作业及飞行轨迹，支持播放、暂停、停止操作；通过实时作业，用户可查看作业基本信息、作业实时数据以及飞机飞行轨迹；用户通过回放已完成作业，可查看已完成的作业信息，包括：作业基本信息、作业实时数据以及飞机飞行轨迹视频，支持对播放、暂停、停止操作；

作业信息包括作业名称、地址、作业编号、飞机名称、飞手名称、实时或者已完成的作业状态、所属任务、GPS开始时间、GPS结束时间、所属植保队、飞行记录以及作业累计信息，

其中，飞行记录包括飞行模式、姿态信息、空间信息、飞行时刻以及传感器信息；其中，飞行模式包括飞行姿态保持、GNSS、位置保持、自主作业、高度保持以及悬停，姿态信息包括俯仰、翻滚以及偏航，空间信息包括带有作业信息坐标点的航迹、飞行速度、雷达高度以及气压高度，传感器信息包括喷幅、水泵阀门、流量计、油门量、电池电压、药液液位、陀螺仪、遥控器、加速度计、磁罗盘、振动以及GNSS数据；

其中，作业累计信息包括总施药量、单位施药量、飞行时长、飞行距离、作业距离以及作业面积，总施药量＝流量计测量的流速*作业时长，单位施药量＝总施药量/作业面积；

其中，植保队订单包括基本信息、金额、联系人、作业时间、系统记录、作业地块信息、药剂类型、现场协助以及结算依据；其中，作业地块信息包括地块地址、作物名称以及作物高度；

地面站设备根据云网提供的数据对多无人机进行航迹规划、编队并异构多无人机协同规划，主控制器实现无人机仿地飞行控制、高可靠容错控制以及自主避障的控制，具体步骤如下：

步骤1，建立作业处方图、三维微地形；

步骤2，基于作业处方图、三维微地形进行航迹规划；

具体为：地面站设备根据作业处方图和三维微地形进行自主航迹规划，采用Delaunay图法、Warshall-Floyd算法和多种群混合粒子群遗传算法规划无人机植保作业最优路径；

步骤3，多无人机编队，地面站设备控制多架无人机，根据并行作业进程，实时生成每架无人机的飞行航迹，并上传至无人机实施作业；

具体为：地面站设备依据步骤1的三维微地形和作业处方图，基于稀疏A-Star算法以及主从模型的多机协调航迹规划，建立能量最省、距离最短目标约束下的农田作业自动规划方案与一站多机协同控制方案，控制多架无人机由相同的地点起飞同时到达不规则农田边缘集结区域位置，然后以期望的编队队形植保作业；

步骤4，异构多无人机协同规划；

具体为：地面站设备异构多无人机协同规划，其包括码分多址体制、动态随机接入和动态重构技术的通信控制，地面站设备与无人机群共用一个mesh通信网络，无人机能够动态随机登录加入及退出该通信网络，具备链路功能动态重构功能，实现不同地址码的无人机互联互通；多无人机间协同信息传输使任一单机探测到的障碍信息都能通过mesh通信网络传递给其他无人机和地面站设备；

步骤5，控制无人机仿地飞行；

主控制器通过定高雷达信号确定无人机与地面的距离，并通过与飞行航线的设计顶高度进行比较得出初始高度，通过加速度计测量的垂向加速度修正初始高度，并使用气压测量的当前海拔高度作为备用高度；

步骤6，基于自适应容错对无人机高可靠容错控制；

主控制器采用基于神经网络的模型参考自适应逆控制算法实现无人机高可靠容错控制，神经网络模型参考自适应逆系统其控制器部分由神经网络构成，利用误差来调整神经网络控制器参数，同时加入逆模型实现线性化和解耦，逆模型由神经网络进行补偿，使得系统达到满意的动态特性；

通过采用基于神经网络的模型参考自适应逆控制算法实现无人机高可靠容错控制，模型参考自适应逆控制的目标是使跟踪误差收敛于零，将系统实际输出与参考模型输出之间的偏差信号输入到自适应机构，以此对控制律中的参数进行调整；

步骤7，控制无人机避障；

具体为：自主飞行时，临时通过手动飞行绕过障碍点，同时无人机记住下一目标点位置，绕过障碍点后无人机继续执行喷洒动作。

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