基于多旋翼飛行器的復(fù)雜地形邊界與面積估計系統(tǒng)與方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及控制工程技術(shù)領(lǐng)域、信息工程技術(shù)和精準農(nóng)業(yè)交叉領(lǐng)域，具體涉及一種基于多旋翼飛行器的復(fù)雜地形邊界與面積估計系統(tǒng)與方法。
【背景技術(shù)】
[0002]由于我國當前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)大環(huán)境的制約以及土地不集中且零散管理，導(dǎo)致我國的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)還處于粗放模式，例如:農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中水資源使用效率低，農(nóng)藥、肥料過度使用，人力、物力勞動強度大等現(xiàn)狀。據(jù)2012年相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，我國農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)遠低于世界先進水平；單位用水的糧食產(chǎn)量不足2.4斤/立方米；生產(chǎn)I公斤糧食耗水量高達800公斤。農(nóng)藥、肥料的過度使用，導(dǎo)致土地養(yǎng)分極度缺失，環(huán)境惡化，生態(tài)環(huán)境失衡，農(nóng)作物產(chǎn)品不達標的惡果。針對以上問題，在我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中實現(xiàn)精確農(nóng)業(yè)用水灌溉、土壤施肥與農(nóng)藥噴灑是勢在必行的。精準農(nóng)業(yè)是信息技術(shù)、工程技術(shù)等多學(xué)科交叉應(yīng)用的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式。其在最大程度上優(yōu)化了灌溉用水、土壤施肥與農(nóng)藥噴灑等諸多農(nóng)業(yè)生產(chǎn)因素，獲取最大的經(jīng)濟效益并實現(xiàn)良性生態(tài)農(nóng)業(yè)。而實現(xiàn)精確農(nóng)業(yè)用水灌溉、土壤施肥與農(nóng)藥噴灑的前提是受用土地地形邊界與面積的精確測量。此外，復(fù)雜地形邊界與面積測量也可用于林地測量、土地勘測等重要環(huán)節(jié)。
[0003]目前，常用的獲取地形邊界與面積的方法有:I)采用衛(wèi)星或飛機遠程航拍，獲取地形圖像。其具有覆蓋面廣、空間分辨率高等優(yōu)點。但該方法存在著運維成本高、實時性差等缺陷；2)使用Google Earth或Google Map等軟件。但該方法需要手動確認地形邊界點、地形面積估計精度低；3)使用Pix4UAV與Agisoft商用航拍軟件。其需要利用飛行器或者飛機航拍獲取地形的2維或3維圖像，利用獲取的圖像生成DOM或DEM格式文件；然后利用航拍時預(yù)先獲取地形邊界點的定位數(shù)據(jù)或手動輸入地形邊界點位置信息，并最終獲取地形的邊界與面積估計。該方法需預(yù)先知道待估計地形邊界點的確定位置信息，完成估計過程繁瑣，無法實現(xiàn)在線估計；4)使用設(shè)備實地測量。該方法容易受地形、地理環(huán)境、天氣條件等諸多因素影響，設(shè)備成本高。如果待估計地形復(fù)雜，根本無法實現(xiàn)人工實地作業(yè)，且隨著地形復(fù)雜條件的增加，估計精度急劇降低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提供一種基于多旋翼飛行器的復(fù)雜地形邊界與面積估計系統(tǒng)與方法。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)方案是:
一種基于多旋翼飛行器的復(fù)雜地形邊界與面積估計系統(tǒng)，包括:
多旋翼飛行器:根據(jù)PC端地面控制系統(tǒng)的控制指令工作，實時獲取的前視圖像與下視圖像，將獲取的前視圖像與下視圖像、解算得到的多旋翼飛行器的實時定位信息、偽距與偽距率回傳輸至PC端地面控制系統(tǒng)；
捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng):用于獲取多旋翼飛行器的瞬時慣性導(dǎo)航數(shù)據(jù)，并通過SPI接口將數(shù)據(jù)傳輸至多旋翼飛行器的主飛行控制系統(tǒng)；
GPS天線:用于接收多旋翼飛行器的瞬時GPS導(dǎo)航數(shù)據(jù)并傳輸至GPS導(dǎo)航數(shù)據(jù)接收板卡;
GPS導(dǎo)航數(shù)據(jù)接收板卡:用于解算瞬時GPS導(dǎo)航數(shù)據(jù)并通過COM接口傳輸至多旋翼飛行器的主飛行控制系統(tǒng)；
PC端地面控制系統(tǒng):用于對多旋翼飛行器遠程控制，根據(jù)多旋翼飛行器飛行姿態(tài)、實時獲取的前視圖像與下視圖像、回傳的實時定位信息、偽距與偽距率對待估計地形進行邊界繪制與面積估計；所述PC端地面控制系統(tǒng)根據(jù)實時獲取的前視圖像與下視圖像確定待估計地形的邊界點，根據(jù)實時定位信息、偽距與偽距率實現(xiàn)多旋翼飛行器定位；利用確定的待估計地形的邊界點和多旋翼飛行器飛行姿態(tài)進行待估計地形的邊界繪制與面積估計；多旋翼飛行器的主飛行控制系統(tǒng)、捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)與GPS導(dǎo)航數(shù)據(jù)接收板卡重疊放置在多旋翼飛行器的旋翼支架交匯處，即多旋翼飛行器的理論質(zhì)心位置；捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)通過SPI接口與多旋翼飛行器的主飛行控制系統(tǒng)連接，GPS導(dǎo)航數(shù)據(jù)接收板卡通過COM接口與多旋翼飛行器的主飛行控制系統(tǒng)連接，GPS天線的輸出端連接GPS導(dǎo)航數(shù)據(jù)接收板卡的輸入端，多旋翼飛行器與PC端地面控制系統(tǒng)建立無線連接。
[0006]采用所述的復(fù)雜地形邊界與面積估計系統(tǒng)進行復(fù)雜地形邊界與面積估計的方法，包括以下步驟:
步驟1、PC端地面控制系統(tǒng)向多旋翼飛行器發(fā)送起飛控制指令；
步驟2、多旋翼飛行器實時獲取飛行姿態(tài)、前視圖像與下視圖像并無線傳輸至PC端地面控制系統(tǒng)；
步驟3、GPS天線實時接收多旋翼飛行器的瞬時GPS導(dǎo)航數(shù)據(jù)并傳輸至GPS導(dǎo)航數(shù)據(jù)接收板卡；
步驟4、捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)實時獲取多旋翼飛行器的瞬時慣性導(dǎo)航數(shù)據(jù)，并通過SPI接口將數(shù)據(jù)傳輸至多旋翼飛行器的主飛行控制系統(tǒng)；
步驟5、GPS導(dǎo)航數(shù)據(jù)接收板卡解算瞬時GPS導(dǎo)航數(shù)據(jù)并通過COM接口傳輸至多旋翼飛行器的主飛行控制系統(tǒng)；
步驟6、多旋翼飛行器的主飛行控制系統(tǒng)對瞬時慣性導(dǎo)航數(shù)據(jù)和瞬時GPS導(dǎo)航數(shù)據(jù)進行解算，得到多旋翼飛行器的實時定位信息、偽距與偽距率并傳輸至PC端地面控制系統(tǒng)；步驟7、PC端地面控制系統(tǒng)根據(jù)多旋翼飛行器飛行姿態(tài)、實時獲取的前視圖像與下視圖像、實時定位信息、偽距與偽距率，對待估計地形進行邊界繪制與面積估計:根據(jù)實時獲取的前視圖像與下視圖像確定待估計地形的邊界點；根據(jù)實時定位信息、偽距與偽距率實現(xiàn)多旋翼飛行器定位；利用確定的待估計地形的邊界點和多旋翼飛行器飛行姿態(tài)進行待估計地形的邊界繪制與面積估計。
[0007]所述步驟7包括如下步驟:
步驟7-1、依據(jù)實時獲取的前視圖像與下視圖像，選擇待估計地形的邊界點；
步驟7-2、PC端地面控制系統(tǒng)遠程控制多旋翼飛行器在當前邊界點獲取定位信息，并回傳至PC端地面控制系統(tǒng)；
步驟7_3、PC端地面控制系統(tǒng)對獲取的當前邊界點定位信息進行處理:采用Pauta準則剔除異常定位?目息并米用EKPF方法提尚定位彳目息精度； 步驟7-4、判斷當前邊界點是否處于弧段:是，則執(zhí)行步驟7-5 ;否則執(zhí)行步驟7-8 ;
步驟7-5、多旋翼飛行器沿弧段飛行，每間隔固定時間段，多旋翼飛行器自動懸停以獲取邊界點的定位信息，并回傳至PC端地面控制系統(tǒng)進行處理:采用Pauta準則剔除異常定位?目息并米用EKPF方法提尚定位彳目息精度；
步驟7-6、若當前邊界點為弧段終止點，執(zhí)行步驟7-7，否則返回步驟7-5 ;
步驟7-7、將獲取的弧段起始點、弧段終止點與弧段上所有邊界點每3個分為一組，若弧段上存在剩余邊界點，則將所述剩余邊界點與之前邊界點組合，完成分組；采用分段二次內(nèi)插方法計算弧段面積；相鄰兩邊界點間內(nèi)插5個插值點；設(shè)由弧段起始點至弧段終止點構(gòu)成直線的傾角α ;由弧段起始點至弧段終止點構(gòu)成直線的中間點位置為與Λ弧段的中間點(若弧段邊界點為偶數(shù)，則取中間兩個邊界點的均值作為弧段中間點)
位置為義弧段中間點與.％段中間點；右O < a < 9O ，段中間點^ 7直線中間點，則弧段為凸弧段，反之為凹弧段；若90〈α彡180°，，則弧段為凸弧段，反之為凹弧段；若180〈α彡270°，_%段巾間點彡7直線巾間點，則弧段為凸弧段，反之為凹弧段；若270〈 α〈360°
弧奪》##，則弧段為凸弧段，反之為凹弧段；定義圖凸弧段面積為“正”，凹弧段面積為“負”；
步驟7-8、判斷當前邊界點是否為待估計地形的前兩個邊界點:是，則執(zhí)行步驟7-9，否則執(zhí)行步驟7-10 ;
步驟7-9、若當前邊界點為待估計地形的第一個邊界點，則設(shè)定該邊界點為凸點并返回執(zhí)行步驟7-2 ;若當前邊界點為待估計地形的第二個邊界點，則設(shè)定該邊界點為與凸點，由待估計地形的前兩個邊界點的偏航角與位置關(guān)系確定初始旋轉(zhuǎn)趨勢后，返回執(zhí)行步驟7-2 ；