一种用于植保无人机综合作业的挂车及无人机定位回收方法

摘要

本发明公开了一种用于植保无人机综合作业的挂车，包括：底盘系统用于承重及运载无人机；起降平台，其包括设置在挂车侧面的挂车厢和车顶厢板，所述挂车厢板能够向左右展开；集成药箱及吸供水系统，其设置在挂车内部，其用于配比药液和向植保飞机携带药箱内自动填充药液；集成发电及充电系统，其设置在挂车内部；无人机引导回收装置，其设置在挂车车顶厢板位置，具有起降平台、药箱补给系统、充电系统和维修设备，能够完成多种综合作业，节约了运输成本，还提供了一种用于植保无人机的定位回收方法，能够将无人机自动回收至作业挂车。

说明书

技术领域

本发明涉及农业植保无人机领域，尤其涉及一种用于植保无人机综合作业的挂车和一种无人机定位回收方法。

背景技术

植保无人机已广泛应用于农林植物保护作业，小型无人飞机有飞行平台GPS飞控、喷洒机构三部分组成，通过地面遥控或GPS飞控，来实现喷洒作业，可以喷洒药剂、种子、粉剂等，但目前仍存在以下问题：一、运输不便。由于植保作业点零散，植保无人机需要频繁的转场作业。虽然目前植保无人机大多采用折叠方式缩小了运输尺寸，但使用小型车辆仍难以运输，如使用厢式货车运输，增加了运营成本；二、现场作业不便，植保无人机在作业现场需要配制药水、选择起降场地、更换电池等，目前仍处于较为原始的状态，降低了作业效率；三、充电及维护保养不便，植保无人机高度依赖电池供应，由于电池成本较高，不能靠增加电池数量提高植保无人机飞行架次，只能立足于现场发电，快速充电提高作业效率。但另行携带发电机、汽油等，展开不便，耗时较长。另植保无人机在作业过程中，需要检修等工作，也造成了喷洒效率的降低，因此急需一种无人机综合喷洒作业平台，能够解决上述问题。

发明内容

本发明设计开发了一种用于植保无人机综合作业的挂车，具有起降平台、药箱补给系统、充电系统和维修设备，能够完成多种综合作业。

本发明还有一个目的是在箱式挂车上加装设备，厢板展开作为起降平台、即解决了运输问题，又节约了运输成本，同时降低了维护难度。

本发明得另一个目的是提供一种植保无人机定位回收方法，基于最小二乘法的迭代匹配定位算法，减小了无人机位置检测过程中引入的误差，实现了无人机与挂车间的精准定位，同时环境风速和风向调整无人机的降落伞开伞位置，能够将无人机自动回收至作业挂车。

本发明提供的技术方案为：

一种用于植保无人机综合作业的挂车，包括：

底盘系统，用于承重及运载无人机；

起降平台，其包括设置在挂车侧面的挂车厢板和车顶厢板，所述挂车厢板能够向左右展开；

集成药箱及吸供水系统，其设置在挂车内部，其用于配比药液和向植保飞机携带药箱内自动填充药液；

集成发电及充电系统，其设置在挂车内部，用于对挂车内全车供电及植保飞机内置电池充电；

无人机引导回收装置，其设置在挂车车顶厢板位置，用于植保无人机回收的定位和引导。

优选的是，所述底盘系统，包括：

主轴，其选用普通小型汽车车轴，通用性好；

纵向主承重梁，其为方形钢管，数量为两个，设置在所述主轴之间，用于承载车身重量；

牵引销，其设置在挂车前端，能够选择性连接球头牵引钩或普通环状牵引钩。

优选的是，还包括灯光及信号系统，包括：

车尾灯，其设置在挂车尾部，便于光照条件不良时的作业

反光条，其设置在挂车四周，用于夜间作业时，标记挂车轮廓。

优选的是，所述集成发电及充电系统，包括：

发电机，其设置在挂车体前端，采用汽油发电机组，并具有电启动功能；

供电系统，其连接所述发电机，用于启动发电机以及全车供电；

配电箱，其用于放置所述发电机及供电系统，用来分配电力能源。

优选的是，所述集成药箱及吸供水系统，包括：

药箱，其设置在挂车车体前部，容量为100L-200L；

双向水泵，其设置在所述药箱内部，用于将外部药水吸入药箱内，并能够将药箱内药液泵入植保无人机药箱中；

过滤系统，其设置在所述药箱底部，用于过滤药液中杂质，防止堵塞植保无人机喷洒系统。

优选的是，所述无人机回收定位装置，包括：

引降信号灯，其数量为三个以上，设置在所述车厢板的顶部，能够发射光信号，用于标记所述无人机回收降落位置。

优选的是，还包括光学追踪系统，其设置在所述无人机底部，用于检测无人机的位姿信息，包括：

扫描追踪装置，其包括多组透镜，能够绕安装轴旋转，并捕获所述引降信号灯发出的光信号，进而测量所述引降信号灯与所述扫描追踪装置之间的距离，获得无人机的位置信息；

角度传感器，其设置在所述无人机底部，能够检测所述引降信号灯与无所述人机前进方向上的夹角。

本发明的目的还可以进一步由一种植保无人机定位回收方法实现，包括以下步骤：

步骤一、通过所述光学追踪系统检测无人机与预定停靠地点的位置信息和方位角、并通过风力传感器检测环境风速及风向；

步骤二、采用基于最小二乘法的迭代匹配定位算法，修正所述步骤一中光学追踪系统引入的误差，进而获得无人机位姿信息的优化值；

步骤三、根据环境风速和风向和预设的无人机降落航迹，调整无人机降落伞开伞位置。

优选的是，所述的基于最小二乘法的迭代定位算法，包括：

步骤A.根据检测到的位置信息和方位角列出矩阵方程，并采用最小二乘法进行求解，求解后矩阵方程为：

X＝(A^T·A)^-1·A^T·B

其中，A，B为关于无人机与引降信号灯之间距离的可测常数矩阵，δx_rt为对t时刻无人机横坐标校正因数，δy_rt为t时刻无人机纵坐标校正因数，

步骤B.将无人机初始悬停位置横坐标无人机初始悬停位置纵坐标带入步骤A中矩阵方程，产生迭代，当||(δx_rt,δy_rt)||＜ε时停止迭代，即可得出无人机的位置坐标(x_rt,y_rt)；

其中，ε为常数；

步骤C.计算无人机与预定停靠地点的方位角，即无人机的姿态

${\theta }_{rt}=\frac{1}{m}\underset{i=1}{\overset{m}{\Sigma }}({\gamma }_{rt},-{\phi }_i)$

其中，γ_rt为坐标系中第i个引降信号灯位置坐标与无人机位置坐标之差(y_i-y_rt,x_i-x_rt)同x轴所成夹角，φ_i为无人机与第i个引降信号灯的方位角。

优选的是，所述步骤三中，所述无人机的开伞位置为：

当时开伞；

其中，L_th为无人机回收的预设高度，m为无人机质量，g为重力加速度，c为空气阻力系数，ρ为空气密度，s为降落伞迎风面积，v为风与无人机的相对速度，ω为风向，为常数。

本发明所述的有益效果

1.本发明设计开发了一种用于植保无人机综合作业的挂车，具有起降平台、药箱补给系统、充电系统和维修设备，能够完成多种综合作业，植保无人机在作业现场能够配制药水、以挂车作为起降场地、充电等，提高了作业效率。

2、本发明是在箱式挂车上加装设备，厢板展开作为起降平台、满足了植保无人机需要频繁的转场作业的需求，同时在运输过程中无需折叠无人机，使用挂车运输，解决了运输问题，又节约了运输成本，同时降低了维护难度。

3、本发明得提供的一种植保无人机定位回收方法，基于最小二乘法的迭代匹配定位算法，减小了无人机位置检测过程中引入的误差，实现了无人机与挂车间的精准定位，同时环境风速和风向调整无人机的降落伞开伞位置，实现了无人机和作业挂车之间的自动回收。

附图说明

图1为本发明所述的用于植保无人机综合作业的挂车的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

如图1所示，本发明提供的一种用于植保无人机综合作业的挂车，包括：底盘系统100、起降平台200、集成药箱及吸供水系统300、集成发电及充电系统400和无人机引导回收装置。

其中，底盘系统100，用于承重及运载无人机，包括：主轴110，其选用普通小型汽车车轴，通用性好；

纵向主承重梁，其为方形钢管，数量为两个，设置在两个主轴110之间，能够承载车身上500公斤以内的重量；

牵引系统130，其包括球头牵引钩和普通环状牵引钩，并能够实现二者之间的快速更换。

起降平台200，其包括设置在挂车侧面的挂车厢板和车顶厢板，挂车厢板能够向左右展开，挂车厢板和车顶厢板22均采用铝合金轻质板材；

集成药箱及吸供水系统300，其设置在挂车内部，其用于配比药液和向植保飞机携带药箱内自动填充药液；包括：

药箱，其设置在挂车车体前部，容量为100L-200L；

双向水泵，其设置在所述药箱内部，用于将外部药水吸入药箱内，并能够将药箱内药液泵入植保无人机药箱中；

过滤系统，其设置在所述药箱底部，用于过滤药液中杂质，防止堵塞植保无人机喷洒系统。

集成发电及充电系统400，其设置在挂车内部，用于对挂车内全车供电及植保飞机内置电池充电；包括：

发电机，其设置在挂车体前端，采用汽油发电机组，并具有电启动功能；

供电系统，其连接所述发动机，用于气动发动机以及全车供电；

配电箱，其用于放置所述发电机及供电系统，用来分配电力能源。

无人机引导回收装置，其设置在挂车车顶厢板位置，用于植保无人机回收的定位和引导，包括：

引降信号灯，其数量为三个以上，设置在车厢板的顶部，能够发射光信号，用于标记无人机回收降落位置。

光学追踪系统，其设置在所述无人机底部，用于检测无人机的位姿信息，包括：

扫描追踪装置，其包括多组透镜，能够绕安装轴旋转，并捕获所述引降信号灯发出的光信号，进而测量所述引降信号灯与所述扫描追踪装置之间的距离，获得无人机的位置信息；

角度传感器，其设置在所述无人机底部，能够检测所述引降信号灯与无所述人机前进方向上的夹角。

灯光及信号系统，包括：

车尾灯，其设置在挂车尾部，便于光照条件不良时的作业

反光条，其设置在挂车四周，用于夜间作业时，标记挂车轮廓。

维保系统600，包括：

工具架，其设置在挂车底部，根据维护作业中可能使用到的工具，设置工具架，所有工具均固定于工具架的海棉内，保证运输方便。

检修台，使用车厢尾板向下打开形成，供检修使用。

植保无人机运输系统，包括：

飞机固定座，根据飞机尺寸，底部使用海棉作为飞机固定和减震座。

飞机固定带，使用安全带固定处于折叠状态的植保无人机。

实施以植保无人机综合作业的挂车的工作过程为例，做进一步的说明，

首先，将植保无人机综合作业的挂车通过小型车辆或拖拉机牵引到工作地点，其中用小型车辆进行远距离牵引时，采用球头牵引钩，用拖拉机进行田间牵引时采用普通环状牵引钩；

然后将挂车侧面的挂车厢板和车顶厢板，展开形成无人机停降的起降平台，无人机的药箱连接挂车内的药箱，药液通过过滤系统由双向水泵泵入药箱内，或将药液从无人机的药箱吸入挂车内的药箱；

无人机作业完成或需要药液补给时，首先将无人机悬停在挂车附近，通过光学追踪系统对无人机进行定位和回收，由引降信号灯发出光信号，扫描追踪装置捕获所述引降信号灯发出的光信号，进而测量所述引降信号灯与所述扫描追踪装置之间的距离，获得无人机的位置信息，角度传感器，其设置在所述无人机底部，能够检测所述引降信号灯与无所述人机前进方向上的夹角，由此确定无人机的位姿信息，环境风速和风向，修正无人机的位置和方位角，使无人机按照预设的无人机降落航迹飞行。

一种植保无人机定位回收方法，包括：

步骤一：令无人机在世界坐标系中的位姿(x_rt,y_rt,θ_rt)，采用阈值匹配算法，确定所述角度传感器观测到的多个方位角中的一个做为预定停靠地点与无人机前进方向上的夹角；根据前一时刻位姿(x_rt-1,y_rt-1,θ_rt-1)计算无人机与n个参考坐标l_i(x_i,y_i)(1≤i≤n)在无人机前进方向上的夹角即方位角β_j，并记录此时角度传感器观测到的方位角α_i

步骤二：当|β_j-α_i|＜η时，认为第i个传感器路标与第j个地图路标匹配成功，从而得到一组有效的路标P_i(x_i,y_i)并且方位角为φ_i；其中η为匹配阈值，其数值为0.16°

步骤三：设相邻两路标夹角为λ_i,1≤i≤m。令x_m+1＝x₁,y_m+1＝y₁，φ_m+1＝φ₁+2π，则有：

${\lambda }_i={\phi }_{i+1}-{\phi }_i=arctan\frac{y_{i+1}-y_{rt}}{x_{i+1}-x_{rt}}-arctan\frac{y_i-y_{rt}}{x_i-x_{rt}}$

令

则

$\left(\begin{array}{c}{\lambda }_i={\phi }_{i+1}-{\phi }_i=\arctan \frac{y_{i+1}-y_{rt}^0}{x_{i+1}-x_{rt}^0}-\arctan \frac{y_i-y_{rt}^0}{x_i-x_{rt}^0}+[\frac{y_{i+1}-y_{rt}^0}{{(x_{i+1}-x_{rt}^0)}^2+{(y_{i+1}-y_{rt}^0)}^2}-\frac{y_i-y_{rt}^0}{{(x_i-x_{rt}^0)}^2+{(y_i-y_{rt}^0)}^2}]{\mathrm{\delta x}}_{rt}\\ +[\frac{-(x_{i+1}-x_{rt}^0)}{{(x_{i+1}-x_{rt}^0)}^2+{(y_{i+1}-y_{rt}^0)}^2}-\frac{-(x_i-x_{rt}^0)}{{(x_i-x_{rt}^0)}^2+{(y_i-y_{rt}^0)}^2}]{\mathrm{\delta y}}_{rt}\\ +\end{array}\right)$

令

$a_{i1}=\frac{y_{i+1}-y_{rt}^0}{{(x_{i+1}-x_{rt}^0)}^2+{(y_{i+1}-y_{rt}^0)}^2}-\frac{y_i-y_{rt}^0}{{(x_i-x_{rt}^0)}^2+{(y_i-y_{rt}^0)}^2}$

$a_{i2}=\frac{-(x_{i+1}-x_{rt}^0)}{{(x_{i+1}-x_{rt}^0)}^2+{(y_{i+1}-y_{rt}^0)}^2}-\frac{-(x_i-x_{rt}^0)}{{(x_i-x_{rt}^0)}^2+{(y_i-y_{rt}^0)}^2}$

故可记为：λ_i＝μ_i+a_i1·δx_rt+a_i2·δy_rt

步骤四、于是，可列出m个方程，写成矩阵形式：

AX＝B

其中，

式中A、B为可测常数阵，因此，可用最小二乘法求解X，得

X＝(A^T·A)^-1·A^T·B

从而：

无人机初始悬停位置横坐标无人机初始悬停位置纵坐标带入步骤A中矩阵方程，产生迭代。

步骤五、当||(δx_rt,δy_rt)||＜ε时停止迭代，即可得出无人机的位置坐标(x_rt,y_rt)；

其中，ε为常数，根据光学追踪系统灵敏度进行设定，其数值在0.01-0.12之间。

步骤六、计算无人机与预定停靠地点的方位角，即无人机的姿态

${\theta }_{rt}=\frac{1}{m}\underset{i=1}{\overset{m}{\Sigma }}({\gamma }_{rt},-{\phi }_i)$

其中，γ_rt为坐标系中第i个引降信号灯位置坐标与无人机位置坐标之差(y_i-y_rt,x_i-x_rt)同x轴所成夹角，φ_i为无人机与第i个引降信号灯的方位角。

步骤七、确定无人机的开伞位置为：

当时开伞；

其中，L_th为无人机回收的预设高度，其单位为米；m为无人机质量，其单位为千克；g为重力加速度，其单位为m/s²；c为空气阻力系数，ρ为空气密度，其单位为Kg/m³；s为降落伞迎风面积，其单位为m²v为风与无人机的相对速度，其单位为m/s，ω为风向，为常数，其数值为3.24。

有益效果

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。