一种系留植保无人机系统及空地协同自动作业方法

1.本发明涉及植保无人机及作业方法，具体涉及一种系留植保无人机系统及空地协同自动作业方法。


背景技术：

2.农业植保是保障农业生产和农产品质量的重要手段。植保无人机实现了对农作物的精准作业，提高了农药的有效使用率，但在实际应用中，植保无人机不可避免存在一些缺点和局限性。首先，电池续航能力是植保无人机作业时间的主要制约因素之一。由于目前的电池技术水平限制，植保无人机的单次作业时间有限，往往不能满足大面积农田的作业需求。其次，植保无人机的机体负重能力也是一个重要的限制因素。机体负重能力较低时，植保无人机需要多次起降以更换药液，影响了整个作业流程的连贯性和效率。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于克服上述存在的问题，提供一种系留植保无人机系统，该系留植保无人机系统可以有效解决续航问题，能够长时间执行喷施作业，有利于提高工作效率。
4.本发明的另一个目的在于提供一种系留植保无人机空地协同自动作业方法。
5.本发明的目的通过以下技术方案实现：
6.一种系留植保无人机系统，包括空中作业单元和地面供给单元；
7.所述空中作业单元包括无人机以及设置在无人机上的喷药机构；
8.所述地面供给单元包括行走机构以及设置在行走机构上的药液供给机构、电源供给机构、停靠平台；所述药液供给机构包括用于存放药液的药箱和用于输送药液的药管，所述药管的两端分别连接药箱和喷药机构；所述电源供给机构包括蓄电池和电源线，所述电源线的两端分别连接蓄电池和无人机；
9.在非工作状态下，所述无人机停靠在停靠平台上。
10.上述系留植保无人机系统的工作原理为：
11.工作时，先往药箱注入待喷施的药液，并将蓄电池充满电；通过行走机构搭载无人机移动至待喷施的区域中；通过电源将蓄电池的电能输送至无人机上，无人机携带者电源线和药管从停靠平台上起飞；通过药管将药箱中的药液输送至喷药机构中，由喷药机构将药液喷向农作物，直至完成该区域的喷施工作；无人机降落在停靠平台上；行走机构移动至下一个待喷施的区域，按照上述操作，继续执行喷药工作，直至全部喷施作业。
12.本发明的一个优选方案，其中，所述喷药机构包括输药碳纤管和喷药头。
13.本发明的一个优选方案，其中，所述地面供给单元还包括收放机构，该收放机构包括收放驱动电机和收放盘，所述收放盘与所述收放驱动电机的输出轴连接；
14.所述电源线和药管缠绕在所述收放盘上。通过上述结构，在无人机降落时，可以通过收放驱动电机驱动收放盘对电源线和药管进行有序收卷；在无人机起飞时，可以通过收放驱动电机驱动收放盘将电源线和药管放出来。
15.进一步，所述收放机构还包括收放复合管，该收放复合管两端分别固定连接在收放盘和无人机上；所述电源线和药管的非端部部位均设置在所述收放复合管中。这样，可以防止树枝等异物干涉电源线和药管，也防止电源线和药管之间发生缠绕和打结等现象。
16.进一步，所述收放机构还包括收放保护罩，该收放保护罩设置在收放盘的上方；所述收放保护罩上设有多个出线孔。
17.本发明的一个优选方案，其中，所述空中作业单元设有多个，这样可以同时执行多组喷施工作，加快作业效率。
18.本发明的一个优选方案，其中，所述药箱和蓄电池均设置在供给控制舱内，该供给控制舱的顶部构成所述停靠平台。
19.本发明的一个优选方案，其中，所述停靠平台上设有若干个apriltags组合标签模块，所述apriltags组合标签模块由至少两个具有不同特征信息的子apriltag构成。
20.进一步，所述apriltags组合标签模块的表面覆盖有钢化玻璃，以便对apriltag码进行防护。
21.本发明的一个优选方案，其中，所述地面供给单元还包括地面控制器，所述地面控制器分别与无人机、喷药机构、行走机构连接，用于接收传感器信息以及发布控制信息。
22.进一步，所述地面供给单元还包括地面传感器，该地面传感器与地面控制器连接；
23.所述地面传感器包括里程计、激光雷达和地面深度相机。
24.本发明的一个优选方案，其中，所述空中作业单元还包括空中传感器，该空中传感器包括激光测距仪、俯视深度相机和前视深度相机。
25.一种系留植保无人机空地协同自动作业方法，包括以下步骤：
26.通过行走机构搭载无人机移动至待喷施的区域中；利用地面传感器收集作业区域信息，通过地面控制器将得到的信息进行建图，得到全局作业地图；
27.根据植保目标作物生长情况、电源线和药管的长度以及全局作业地图，设定局部作业点；
28.通过地面控制器控制行走机构移动至全局作业地图中的首个局部作业点；
29.通过电源将蓄电池的电能输送至无人机上，无人机携带者电源线和药管从停靠平台上起飞；通过药管将药箱中的药液输送至喷药机构中，由喷药机构将药液喷向农作物，直至完成该区域的喷施工作，无人机降落在停靠平台上；
30.通过地面控制器控制行走机构移动至下一个局部作业点，按照上述操作，继续执行喷药工作，直至全部喷施作业。
31.本发明的一个优选方案，其中，采用cartographer_ros功能包实现全局作业地图的生成：
32.为行走机构创建一个urdf模型，并描述里程计、激光雷达、地面深度相机的位置和参数；配置cartographer_ros的参数文件；通过人工驾驶行走机构在作业场景进行环境信息采集，通过地面控制器将收到的信息利用cartograper_ros运行cartographer的slam算法，发布位置估计和子图列表，从子图列表生成一个占据栅格地图，得到全局作业地图。
33.本发明的一个优选方案，其中，利用ros机器人操作系统中的move_base导航框架，在此框架上实现行走机构的运动规划，通过全局作业地图和局部作业点规划作业路线；
34.move_base实时获取全局作业地图，通过里程计获取行走机构当前位置和局部作
业点位置，生成行走机构的本地规划器、全局规划器以及一个代价地图定义；
35.当任务开始时，move_base利用全局规划器计算出全局规划的路径点序列，再根据局部作业点将全局规划路径点序列分割成若干子段，再利用激光雷达和地面深度相机采集的信息进行局部路径规划，并在该子段内进行运动控制，实现在局部区域内精准完成轨迹跟踪，通过里程计获取行走机构当前位置判断是否已经到达局部作业点附近，以停止行走机构运动，等待局部作业完成。
36.本发明的一个优选方案，其中，通过安装在无人机底部的俯视深度相机获取到apriltags组合标签模块的位置信息；通过坐标转换将apriltags组合标签模块里的每一个子apriltag的可获取到的位置信息进行融合后，转换为俯视深度相机坐标系下的位置信息；
37.通过加权平均法对每一个子apriltag进行位置信息融合，对识别每个apriltag得到的相机位置按照其置信度赋予不同的权重，将加权平均值作为最终估计值，以俯视深度相机相机位置的估计精度，提高无人机位置的估计精度；将俯视深度相机坐标系下的位置信息转换为无人机坐标系下的位置信息，以此获取无人机的位置信息，实现无人机的局部定位以及控制。
38.进一步，采用apriltag_ros作为apriltag的检测算法，将采集得到的图像信息作为该算法的输入，该算法输出检测信息；采集得到的图像信息提供子apriltag的id信息和俯视深度相机相对于子apriltag的位置信息，包括平移向量t
ct
和旋转矩阵r
ct
；
39.在装配空中作业单元时，获得无人机与俯视深度相机的平移向量平移向量t
dc
和旋转矩阵r
dc
，则无人机到子apriltag的变换关系为：
40.t_uq＝[r
ct
，t
ct
]*[r
dc
，t
dc
]-1
；
[0041]
其中t_uq表示从无人机坐标系到子apriltag坐标系的变换关系矩阵，[r
ct
，t
ct
]表示俯视深度相机坐标系到子apriltag坐标系的变换矩阵，[r
dc
，t
dc
]-1
是俯视深度相机坐标系到无人机坐标系的逆变换矩阵；
[0042]
将子apriltag的真实坐标定义为p_q，通过t_uq将其变换到无人机坐标系中，得到无人机局部坐标p_u：
[0043]
p_u＝t_uq*p_q。
[0044]
进一步，将apriltags组合标签模块中间的子apriltag中心设为局部原点，即真实坐标为(0，0，0)，其余子apriltag的真实坐标系按真实物理距离相应设定；
[0045]
在检测子apriltag时，把得到的位置信息中的距离作为置信度，距离俯视深度相机越远的子apriltag的置信度越低，相应权重w越低；权重w通过以下方式得到：
[0046]
wi＝(第i个子apriltag与俯视深度相机的距离)/(apriltags组合标签模块中所有子apriltag与俯视深度相机的距离之和)；
[0047]
无人机局部坐标p_u：
[0048][0049]
其中，
[0050]
本发明的一个优选方案，其中，通过apriltags组合标签模块实现精准降落的方法为：
[0051]
降落时无人机保持与apriltags组合标签模块同一x，y轴方向；
[0052]
当id为0的apriltag未被遮挡时，将俯视深度相机的图像中心点与识别到的id为0的apriltag的像素中心点做差，将差值反馈作为无人机在x、y轴上的运动；
[0053]
当id为0的apriltag被遮挡时，则采取其它子apriltag作为降落参考点，设定其它子apriltag的id为x；
[0054]
设id为x的apriltag的实际边长为real，像素边长为pix；设id为x的apriltag的中心点到id为0的apriltag的中心点实际距离长度为rdistance，像素距离长度为pdistance；其中，real、rdistance为已知，pix由相机采集的图像获得，则得到：
[0055]
pdistance＝(pix/real)*rdistance；
[0056]
根据三角函数关系：
[0057]
a＝sina.
[0058]
b＝cosθ.pdistance
[0059]
根据勾股定理求出被遮挡的id为0的apriltag的像素中心点，实现定位信息恢复；
[0060]
当检测到此外在无人机降落到较低高度时，俯视深度相机会因焦距问题无法识别apriltag，此时再结合激光测距仪完成降落。
[0061]
本发明的一个优选方案，其中，设无人机的高度为h，设收放复合管的放出的长度为l，那么h与l存在以下关系：
[0062]
h＝kl，k为常数；
[0063]
那么收放驱动电机的转动速度v为：
[0064]
v＝2πr/t*dl/dt；
[0065]
其中，r是收放盘的半径，t是收放驱动电机转一圈需要的时间，dl/dt是收放复合管的放出的长度l随时间t变化的速率。
[0066]
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
[0067]
本发明的系留植保无人机系统通过设置停留在地面的药液供给机构和电源供给机构，无人机可以空载飞行，由地面的药液供给机构和电源供给机构进行送电和送药，可以有效解决续航问题，能够长时间执行喷施作业，有利于提高工作效率。
附图说明
[0068]
图1为本发明的系留植保无人机系统在作业状态下的立体结构示意图。
[0069]
图2-3为本发明的空中作业单元的两个不同视角的立体结构示意图。
[0070]
图4为本发明的地面供给单元的立体结构示意图。
[0071]
图5为本发明的地面供给单元的供给控制舱的内部结构图。
[0072]
图6为本发明的收放机构的立体爆炸示意图。
[0073]
图7为本发明的收放机构的线束的部分立体结构图。
[0074]
图8为本发明的apriltags组合标签模块的示意图。
[0075]
图9为本发明的空中作业单元在降落时当其中一个apriltag被遮挡时的求解示意图。
[0076]
图10为本发明的系留植保无人机系统的作业示意图。
具体实施方式
[0077]
为了使本领域的技术人员很好地理解本发明的技术方案，下面结合实施例和附图对本发明作进一步描述，但本发明的实施方式不仅限于此。
[0078]
参见图1-3，本实施例的系留植保无人机系统，包括空中作业单元和地面供给单元；所述空中作业单元包括无人机1以及设置在无人机1上的喷药机构、空中传感器；所述空中作业单元设有四个，这样可以同时执行四组喷施工作，加快作业效率。
[0079]
参见图2-3，所述无人机1包括主体板1-1、四个起落架1-2、桨叶保护罩1-3和电机桨叶套1-4，由供电口进行供电，飞控模块1-6安装在顶部中心；所述喷药机构固定设置在所述主体板1-1上，所述喷药机构包括输药碳纤管2和喷药头3。
[0080]
参见图2-3，所述空中传感器包括激光测距仪4、俯视深度相机5和前视深度相机6。
[0081]
参见图1和图4-5，所述地面供给单元包括行走机构7以及设置在行走机构7上的药液供给机构、电源供给机构、停靠平台；所述药液供给机构包括用于存放药液的药箱8和用于输送药液的药管9，所述药管9的两端分别连接药箱8和喷药机构；所述电源供给机构包括蓄电池10和电源线11，所述电源线11的两端分别连接蓄电池10和无人机1；其中，所述药箱8和蓄电池10均设置在供给控制舱12内，该供给控制舱12的顶部构成所述停靠平台。
[0082]
参见图4-5，所述地面供给单元还包括地面控制器13和地面传感器，所述地面控制器13分别与地面传感器、无人机1、喷药机构、行走机构7连接，用于接收传感器信息以及发布控制信息；所述地面传感器包括里程计14、激光雷达15和地面深度相机16。
[0083]
具体地，所述地面控制器13其在基于linux内核的ubuntu18.04系统上运行ros机器人操作系统，版本号为melodic，同时运行程序实现空地协同自动作业。
[0084]
参见图4-5，所述供给控制舱12上安装有三个状态灯，分别为药箱状态灯17、作业状态灯18和电源状态灯19；其中，药箱状态灯17为绿灯表示工作正常，药箱状态灯17为红灯表示工作异常，药箱状态灯17为黄灯表示需补充农药，可通过充药口20进行补充；作业状态灯18为绿灯闪烁表示无人机1处于启动状态，作业状态灯18为绿灯常亮表示无人机1处于未启动状态，作业状态灯18为红灯表示工作异常；电源状态灯19为绿灯表示工作正常，电源状态灯19红灯表示工作异常，电源状态灯19黄灯表示需充电，可通过充电口21进行充电。
[0085]
参见图4-6，所述地面供给单元还包括收放机构，该收放机构包括收放驱动电机22和收放盘23，所述收放盘23与所述收放驱动电机22的输出轴连接；所述电源线11和药管9缠绕在所述收放盘23上。通过上述结构，在无人机1降落时，可以通过收放驱动电机22驱动收放盘23对电源线11和药管9进行有序收卷；在无人机1起飞时，可以通过收放驱动电机22驱动收放盘23将电源线11和药管9放出来。
[0086]
进一步，所述收放机构还包括收放复合管24，该收放复合管24两端分别固定连接在收放盘23和无人机1上；所述电源线11和药管9的非端部部位均设置在所述收放复合管24中(实际上，还包括信号线设包在收放复合管24中)。这样，可以防止树枝等异物干涉电源线11和药管9，也防止电源线11和药管9之间发生缠绕和打结等现象。
[0087]
进一步，所述收放机构还包括收放保护罩25，该收放保护罩25设置在收放盘23的上方；所述收放保护罩25上设有多个出线孔。
[0088]
参见图4-5，所述停靠平台上设有四个apriltags组合标签模块26，所述apriltags组合标签模块26由至少两个具有不同特征信息的子apriltag构成；具体地，所述apriltags
组合标签模块26选用25个种类为tag36h11，id由0到24的apriltag，然后每个apriltags组合标签模块26均由五个apriltag呈“x”状组合打印在纸上而成，且在纸表面覆盖了一块钢化玻璃作为保护，可避免单个apriltags信息鲁棒性不够的问题，提高无人机1定位精度与准确度。
[0089]
参见图1-5和图8-10，本实施例的系留植保无人机1空地协同自动作业方法，包括以下步骤：
[0090]
步骤一、通过行走机构7搭载无人机1移动至待喷施的区域中；利用地面传感器收集作业区域信息，通过地面控制器13将得到的信息进行建图，得到全局作业地图。
[0091]
具体地，采用cartographer_ros功能包实现全局作业地图的生成，cartographer_ros是一个提供cartographer与ros机器人操作系统集成的项目；cartographer是一个开源的slam系统，可以在2d和3d中提供实时的同时定位和建图。
[0092]
为行走机构7创建一个urdf模型，并描述里程计14、激光雷达15、地面深度相机16的位置和参数；配置cartographer_ros的参数文件；通过人工驾驶行走机构7在作业场景进行环境信息采集，通过地面控制器13将收到的信息利用cartograper_ros运行cartographer的slam算法，发布位置估计和子图列表，从子图列表生成一个占据栅格地图，得到全局作业地图。
[0093]
步骤二、根据植保目标作物生长情况、电源线11和药管9的长度以及全局作业地图，设定局部作业点；利用三维可视化平台rviz软件打开全局作业地图实现局部作业点的设定，在rviz中使用publishpoint工具选择几个点作为局部作业点，并记录和设定它们在地图坐标系下的位置(x,y,z)。
[0094]
步骤三、通过地面控制器13控制行走机构7移动至全局作业地图中的首个局部作业点。
[0095]
具体地，利用ros机器人操作系统中的move_base导航框架，在此框架上实现行走机构7的运动规划，通过全局作业地图和局部作业点规划作业路线。
[0096]
通过move_base实时获取全局作业地图，通过里程计14获取行走机构7当前位置和局部作业点位置，生成行走机构7的本地规划器、全局规划器以及一个代价地图定义。
[0097]
当任务开始时，move_base利用全局规划器计算出全局规划的路径点序列，再根据局部作业点将全局规划路径点序列分割成若干子段，再利用激光雷达15和地面深度相机16采集的信息进行局部路径规划，并在该子段内进行运动控制，实现在局部区域内精准完成轨迹跟踪，通过里程计14获取行走机构7当前位置判断是否已经到达局部作业点附近，以停止行走机构7运动，等待局部作业完成。
[0098]
步骤四、通过电源将蓄电池10的电能输送至无人机1上，无人机1携带者电源线11和药管9从停靠平台上起飞；通过药管9将药箱8中的药液输送至喷药机构中，由喷药机构将药液喷向农作物，直至完成该区域的喷施工作，无人机1降落在停靠平台上。
[0099]
具体地，通过安装在无人机1底部的俯视深度相机5获取到apriltags组合标签模块26的位置信息；通过坐标转换将apriltags组合标签模块26里的每一个子apriltag的可获取到的位置信息进行融合后，转换为俯视深度相机5坐标系下的位置信息；
[0100]
通过加权平均法对每一个子apriltag进行位置信息融合，对识别每个apriltag得到的相机位置按照其置信度赋予不同的权重，将加权平均值作为最终估计值，以俯视深度
相机5相机位置的估计精度，提高无人机1位置的估计精度；将俯视深度相机5坐标系下的位置信息转换为无人机1坐标系下的位置信息，以此获取无人机1的位置信息，实现无人机1的局部定位以及控制。
[0101]
进一步，采用apriltag_ros作为apriltag的检测算法，将采集得到的图像信息作为该算法的输入，该算法输出检测信息；采集得到的图像信息提供子apriltag的id信息和俯视深度相机5相对于子apriltag的位置信息，包括平移向量t
ct
和旋转矩阵r
ct
。
[0102]
在装配空中作业单元时，获得无人机1与俯视深度相机5的平移向量平移向量t
dc
和旋转矩阵r
dc
，则无人机1到子apriltag的变换关系为：
[0103]
t_uq＝[r
ct
，t
ct
]*[r
dc
，t
dc
]-1
；
[0104]
其中t_uq表示从无人机1坐标系到子apriltag坐标系的变换关系矩阵，[r
ct
，t
ct
]表示俯视深度相机5坐标系到子apriltag坐标系的变换矩阵，[r
dc
，t
dc
]-1
是俯视深度相机5坐标系到无人机1坐标系的逆变换矩阵。
[0105]
将子apriltag的真实坐标定义为p_q，通过t_uq将其变换到无人机1坐标系中，得到无人机1局部坐标p_u：
[0106]
p_u＝t_uq*p_q。
[0107]
进一步，将apriltags组合标签模块26中间的子apriltag中心设为局部原点，即真实坐标为(0，0，0)，其余子apriltag的真实坐标系按真实物理距离相应设定。
[0108]
在检测子apriltag时，把得到的位置信息中的距离作为置信度，距离俯视深度相机5越远的子apriltag的置信度越低，相应权重w越低；权重w通过以下方式得到：
[0109]
wi＝(第i个子apriltag与俯视深度相机5的距离)/(apriltags组合标签模块中所有子apriltag与俯视深度相机5的距离之和)。
[0110]
无人机1局部坐标p_u：
[0111][0112]
其中，
[0113]
进一步，通过apriltags组合标签模块26实现精准降落的方法为：
[0114]
降落时无人机1保持与apriltags组合标签模块26同一x，y轴方向。
[0115]
当id为0的apriltag未被遮挡时，将俯视深度相机5的图像中心点与识别到的id为0的apriltag的像素中心点做差，将差值反馈作为无人机1在x、y轴上的运动。
[0116]
当id为0的apriltag被遮挡时，则采取其它子apriltag作为降落参考点，设定其它子apriltag的id为x。
[0117]
设id为x的apriltag的实际边长为real，像素边长为pix；设id为x的apriltag的中心点到id为0的apriltag的中心点实际距离长度为rdistance，像素距离长度为pdistance；其中，real、rdistance为已知，pix由相机采集的图像获得，则得到：
[0118]
pdistance＝(pix/real)*rdistance；
[0119]
根据三角函数关系：
[0120]
a＝sinθ
·
pdistance；
[0121]
b＝cosθ
·
pdistance；
[0122]
根据勾股定理求出被遮挡的id为0的apriltag的像素中心点，实现定位信息恢复。
[0123]
当检测到此外在无人机1降落到较低高度时，俯视深度相机5会因焦距问题无法识别apriltag，此时再结合激光测距仪4完成降落。
[0124]
进一步，设无人机1的高度为h，设收放复合管24的放出的长度为l，那么h与l存在以下关系：
[0125]
h＝kl，k为常数。
[0126]
那么收放驱动电机22的转动速度v为：
[0127]
v＝2πr/t*dl/dt。
[0128]
其中，r是收放盘23的半径，t是收放驱动电机22转一圈需要的时间，dl/dt是收放复合管24的放出的长度l随时间t变化的速率。
[0129]
步骤五、按照上述操作，通过地面控制器13控制行走机构7移动至下一个局部作业点，继续执行喷药工作，直至全部喷施作业。
[0130]
参见图1-5和图8-10，本实施例的系留植保无人机系统的作业方式为：
[0131]
在实际作业场景中，有三列树，每列共有八棵树，首先由人工驾驶行走机构7从start沿着全局作业路径驾驶到end，同时利用地面供给单元所搭载的里程计14、激光雷达15和地面深度相机16对作业环境数据进行采集，同时地面控制器13利用采集到的数据生成全局作业图，然后根据作业需求设定局部作业点a至h，至此，地面供给单元预备工作准备完成。
[0132]
地面供给单元从start点开始自动作业，地面控制器13根据已知的全局作业图以及局部作业点，控制行走机构7移动到第一个局部作业点a，然后地面控制器13发布作业指令，无人机1开始工作，地面控制器13通过空中传感器反馈的信息控制无人机1和喷药机构进行作业，作业完成后再控制其降落回地面供给单元，在所有无人机1降落返回后，行走机构7将移动到局部作业点b进行作业，直至完成局部作业点g的作业任务。
[0133]
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做的改变、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。

技术特征：
1.一种系留植保无人机系统，其特征在于，包括空中作业单元和地面供给单元；所述空中作业单元包括无人机以及设置在无人机上的喷药机构；所述地面供给单元包括行走机构以及设置在行走机构上的药液供给机构、电源供给机构、停靠平台；所述药液供给机构包括用于存放药液的药箱和用于输送药液的药管，所述药管的两端分别连接药箱和喷药机构；所述电源供给机构包括蓄电池和电源线，所述电源线的两端分别连接蓄电池和无人机；在非工作状态下，所述无人机停靠在停靠平台上。2.根据权利要求1所述的系留植保无人机系统，其特征在于，所述地面供给单元还包括收放机构，该收放机构包括收放驱动电机和收放盘，所述收放盘与所述收放驱动电机的输出轴连接；所述收放机构还包括收放复合管，该收放复合管两端分别固定连接在收放盘和无人机上；所述电源线和药管的非端部部位均设置在所述收放复合管中；所述收放机构还包括收放保护罩，该收放保护罩设置在收放盘的上方；所述收放保护罩上设有多个出线孔。3.根据权利要求1所述的系留植保无人机系统，其特征在于，所述药箱和蓄电池均设置在供给控制舱内，该供给控制舱的顶部构成所述停靠平台；所述停靠平台上设有若干个apriltags组合标签模块，所述apriltags组合标签模块由至少两个具有不同特征信息的子apriltag构成；所述apriltags组合标签模块的表面覆盖有对apriltag码进行防护的钢化玻璃。4.根据权利要求1所述的系留植保无人机系统，其特征在于，所述地面供给单元还包括地面控制器，所述地面控制器分别与无人机、喷药机构、行走机构连接，用于接收传感器信息以及发布控制信息；所述地面供给单元还包括地面传感器，该地面传感器与地面控制器连接；所述地面传感器包括里程计、激光雷达和地面深度相机；所述空中作业单元还包括空中传感器，该空中传感器包括激光测距仪、俯视深度相机和前视深度相机。5.一种应用于权利要求1-4任一项的系留植保无人机系统的空地协同自动作业方法，其特征在于，包括以下步骤：通过行走机构搭载无人机移动至待喷施的区域中；利用地面传感器收集作业区域信息，通过地面控制器将得到的信息进行建图，得到全局作业地图；根据植保目标作物生长情况、电源线和药管的长度以及全局作业地图，设定局部作业点；通过地面控制器控制行走机构移动至全局作业地图中的首个局部作业点；通过电源将蓄电池的电能输送至无人机上，无人机携带者电源线和药管从停靠平台上起飞；通过药管将药箱中的药液输送至喷药机构中，由喷药机构将药液喷向农作物，直至完成该区域的喷施工作，无人机降落在停靠平台上；通过地面控制器控制行走机构移动至下一个局部作业点，按照上述操作，继续执行喷药工作，直至全部喷施作业。6.根据权利要求5所述的空地协同自动作业方法，其特征在于，利用ros机器人操作系
统中的move_base导航框架，在此框架上实现行走机构的运动规划，通过全局作业地图和局部作业点规划作业路线；move_base实时获取全局作业地图，通过里程计获取行走机构当前位置和局部作业点位置，生成行走机构的本地规划器、全局规划器以及一个代价地图定义；当任务开始时，move_base利用全局规划器计算出全局规划的路径点序列，再根据局部作业点将全局规划路径点序列分割成若干子段，再利用激光雷达和地面深度相机采集的信息进行局部路径规划，并在该子段内进行运动控制，实现在局部区域内精准完成轨迹跟踪，通过里程计获取行走机构当前位置判断是否已经到达局部作业点附近，以停止行走机构运动，等待局部作业完成。7.根据权利要求5所述的空地协同自动作业方法，其特征在于，通过安装在无人机底部的俯视深度相机获取到apriltags组合标签模块的位置信息；通过坐标转换将apriltags组合标签模块里的每一个子apriltag的可获取到的位置信息进行融合后，转换为俯视深度相机坐标系下的位置信息；通过加权平均法对每一个子apriltag进行位置信息融合，对识别每个apriltag得到的相机位置按照其置信度赋予不同的权重，将加权平均值作为最终估计值，以俯视深度相机相机位置的估计精度，提高无人机位置的估计精度；将俯视深度相机坐标系下的位置信息转换为无人机坐标系下的位置信息，以此获取无人机的位置信息，实现无人机的局部定位以及控制。8.根据权利要求7所述的空地协同自动作业方法，其特征在于，采用apriltag_ros作为apriltag的检测算法，将采集得到的图像信息作为该算法的输入，该算法输出检测信息；采集得到的图像信息提供子apriltag的id信息和俯视深度相机相对于子apriltag的位置信息，包括平移向量t
ct
和旋转矩阵r
ct
；在装配空中作业单元时，获得无人机与俯视深度相机的平移向量平移向量t
dc
和旋转矩阵r
dc
，则无人机到子apriltag的变换关系为：t_uq＝[r
ct
，t
ct
]*[r
dc
，t
dc
]-1
；其中t_uq表示从无人机坐标系到子apriltag坐标系的变换关系矩阵，[r
ct
，t
ct
]表示俯视深度相机坐标系到子apriltag坐标系的变换矩阵，[r
dc
，t
dc
]-1
是俯视深度相机坐标系到无人机坐标系的逆变换矩阵；将子apriltag的真实坐标定义为p_q，通过t_uq将其变换到无人机坐标系中，得到无人机局部坐标p_u：p_u＝t_uq*p_q。9.根据权利要求8所述的空地协同自动作业方法，其特征在于，将apriltags组合标签模块中间的子apriltag中心设为局部原点，即真实坐标为(0，0，0)，其余子apriltag的真实坐标系按真实物理距离相应设定；在检测子apriltag时，把得到的位置信息中的距离作为置信度，距离俯视深度相机越远的子apriltag的置信度越低，相应权重w越低；权重w通过以下方式得到：w
i
＝(第i个子apriltag与俯视深度相机的距离)/(apriltags组合标签模块中所有子apriltag与俯视深度相机的距离之和)；无人机局部坐标p_u：
其中，10.根据权利要求9所述的空地协同自动作业方法，其特征在于，通过apriltags组合标签模块实现精准降落的方法为：降落时无人机保持与apriltags组合标签模块同一x，y轴方向；当id为0的apriltag未被遮挡时，将俯视深度相机的图像中心点与识别到的id为0的apriltag的像素中心点做差，将差值反馈作为无人机在x、y轴上的运动；当id为0的apriltag被遮挡时，则采取其它子apriltag作为降落参考点，设定其它子apriltag的id为x；设id为x的apriltag的实际边长为real，像素边长为pix；设id为x的apriltag的中心点到id为0的apriltag的中心点实际距离长度为rdistance，像素距离长度为pdistance；其中，real、rdistance为已知，pix由相机采集的图像获得，则得到：pdistance＝(pix/real)*rdistance；根据三角函数关系：a＝sinθ
·
pdistance；b＝cosθ
·
pdistance；根据勾股定理求出被遮挡的id为0的apriltag的像素中心点，实现定位信息恢复；当检测到此外在无人机降落到较低高度时，俯视深度相机会因焦距问题无法识别apriltag，此时再结合激光测距仪完成降落。

技术总结
本发明公开一种系留植保无人机系统及空地协同自动作业方法，该方法包括以下步骤：通过行走机构搭载无人机移动至待喷施的区域中；利用地面传感器收集作业区域信息，得到全局作业地图；根据植保目标作物生长情况、电源线和药管的长度以及全局作业地图，设定局部作业点；通过地面控制器控制行走机构移动至全局作业地图中的首个局部作业点；无人机携带者电源线和药管从停靠平台上起飞；通过药管将药箱中的药液输送至喷药机构中，由喷药机构将药液喷向农作物，直至完成该区域的喷施工作，无人机降落；移动至下一个局部作业点，按照上述操作，直至全部喷施作业。本发明可以有效解决续航短的问题，能够长时间执行喷施作业，有利于提高工作效率。工作效率。工作效率。


技术研发人员：兰玉彬 廖家鹏 王敬 吴家佩 马光超 常坤
受保护的技术使用者：华南农业大学
技术研发日：2023.05.29
技术公布日：2023/7/22