北斗CORS在無人機(jī)植保智能化系統(tǒng)中的應(yīng)用探討

曹洪濤 張迷霞 袁楠 閆浩 朱可

引言

在農(nóng)作物生產(chǎn)中，我國的植保方式仍普遍以手工、半機(jī)械化操作作業(yè)為主，存在勞動強(qiáng)度大、易發(fā)生農(nóng)藥中毒、農(nóng)藥浪費(fèi)嚴(yán)重等情況。此外，粗放式植保作業(yè)帶來了嚴(yán)重的水土污染、農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)破壞、農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量下降等問題。隨著農(nóng)村勞動力的大量流失以及土地走向集約化，農(nóng)業(yè)植保也面臨著日趨嚴(yán)重的形勢。

當(dāng)前，我國正處在傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的新階段，無人機(jī)施藥技術(shù)裝備與服務(wù)體系成為農(nóng)業(yè)領(lǐng)域重點(diǎn)發(fā)展方向。無人機(jī)施藥采用低容量噴霧技術(shù)替代粗放的大容量噴霧技術(shù)，采用基于北斗CORS（連續(xù)運(yùn)行參考站）的自動導(dǎo)航技術(shù)，實(shí)現(xiàn)智能化、自主化控制作業(yè)，能夠大大提高我國植保作業(yè)的質(zhì)量和效率。

北斗CORS無人機(jī)植保系統(tǒng)

基于北斗CORS的無人機(jī)植保系統(tǒng)是通過北斗衛(wèi)星進(jìn)行授時、測速和定位，利用CORS進(jìn)行位置差分解算，獲得更精確的位置信息，從而實(shí)現(xiàn)植保無人機(jī)田間作業(yè)的自動化、精準(zhǔn)化的飛行控制。系統(tǒng)包括北斗CORS站、植保無人機(jī)2個主要組成部分。

北斗CORS站是植保無人機(jī)差分定位的基準(zhǔn)站，包括接收天線、北斗接收機(jī)、數(shù)據(jù)中心、無線電臺四個部分。接收機(jī)接收衛(wèi)星高度截止角范圍內(nèi)的所有北斗衛(wèi)星的星歷數(shù)據(jù)，并存儲于數(shù)據(jù)中心；通過無線電臺向植保無人機(jī)發(fā)送差分解算數(shù)據(jù)。

植保無人機(jī)作為植保作業(yè)單元，包括無人機(jī)平臺、藥劑噴灑設(shè)備、遙控器及監(jiān)控站，具有田間藥劑噴灑、遙控操作、航線規(guī)劃、狀態(tài)監(jiān)視等功能。植保無人機(jī)的飛控系統(tǒng)能夠通過北斗接收模塊實(shí)時獲取北斗導(dǎo)航星歷，并與接收的CORS站差分參數(shù)進(jìn)行解算，得到精確位置信息；根據(jù)姿態(tài)和速度調(diào)整藥劑噴灑設(shè)備的水泵速度，實(shí)現(xiàn)藥劑噴灑流量控制。

北斗CORS支持的智能化

我國的農(nóng)田由于權(quán)屬分散，生產(chǎn)經(jīng)營不統(tǒng)一，存在農(nóng)田面積小、形狀不規(guī)則、田間設(shè)施多（護(hù)田林、輸電線路、房屋設(shè)施）等問題，而且田間強(qiáng)電磁干擾因素多，如高壓線塔、變壓器、鐵礦區(qū)等，這對植保無人機(jī)操作的便捷性、飛行穩(wěn)定性、作業(yè)安全性提出了更高的要求。北斗CORS系統(tǒng)支持的植保無人機(jī)系統(tǒng)相對與單基站的導(dǎo)航定位具有更高的精度，能夠?qū)崿F(xiàn)田間復(fù)雜環(huán)境下的智能控制和精準(zhǔn)控制。

高精度定位精準(zhǔn)控制航距和幅寬

基于北斗CORS的差分定位精度要遠(yuǎn)高于單點(diǎn)定位，覆蓋范圍以基準(zhǔn)站為中心半徑 30千米左右，水平精度≤2厘米、高程精度≤3厘米。在平面測量方面，確保精準(zhǔn)航向；在高度測量方面，使得植保無人機(jī)貼近農(nóng)作物高度可達(dá)1米以內(nèi)，并保持平穩(wěn)定高飛行。基于北斗CORS對無人機(jī)航向和高度的控制，能夠有效避免因航偏過大或幅寬變化造成的漏噴、重噴。

噴灑流量與飛行速度動態(tài)匹配

對速度的精確控制，是藥劑精準(zhǔn)噴灑的首要條件。北斗導(dǎo)航衛(wèi)星通過多普勒頻移測量無人機(jī)的相對運(yùn)動速度精度優(yōu)于0.2米/秒，無人機(jī)飛控依據(jù)飛行速度動態(tài)調(diào)節(jié)水泵功率，實(shí)現(xiàn)噴灑流量與速度的匹配，確保藥劑噴灑均一。例如，ZW-1600植保無人機(jī)在流量與航速精準(zhǔn)匹配下，可將畝噴藥量誤差控制在0.05L/畝以內(nèi)。

組合姿態(tài)測量克服多源電磁干擾

衛(wèi)星導(dǎo)航姿態(tài)測量是利用載波相位差分技術(shù)計算出由兩個或多天線構(gòu)成的基線矢量，進(jìn)而求解出基線矢量相對于當(dāng)?shù)厮矫娴膴A角，從而獲得無人機(jī)的航向和姿態(tài)角。慣性信息與北斗衛(wèi)星的組合姿態(tài)測量，能夠消除慣導(dǎo)的誤差積累，同時提高抗干擾性和數(shù)據(jù)更新速率。采用微慣性器件與雙天線北斗組合的方式，可以達(dá)到航向精度±0.44·（基線長度1米）、橫滾角±0.29·、俯仰角0.20· 。

航線智能規(guī)劃適應(yīng)復(fù)雜地塊形狀

航線規(guī)劃效果直接影響無人機(jī)的作業(yè)質(zhì)量。通過植保無人機(jī)監(jiān)控站進(jìn)行農(nóng)田邊界厘米級測量，繪制出精確的作物分布邊線。將農(nóng)田精細(xì)劃分為多個“凹、凸”多邊形區(qū)域，并考慮無人機(jī)單架次滿載藥量無法沿作業(yè)航線完成整個作業(yè)區(qū)域噴施的情況，自動規(guī)劃最優(yōu)航線，提高覆蓋完整率，降低重復(fù)與遺漏率，降低作業(yè)消耗成本。

全自主飛行作業(yè)實(shí)現(xiàn)無人操控

植保無人機(jī)的全自主飛行是在無人操控的情況下，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)的自動起飛、飛行作業(yè)、返回降落點(diǎn)、自動降落等功能。無人機(jī)在起飛前，首先利用北斗CORS系統(tǒng)計算和記錄準(zhǔn)確的HomePoint位置的三維坐標(biāo)；飛控系統(tǒng)根據(jù)獲得的速度、位置和姿態(tài)，控制無人機(jī)飛行作業(yè)；完成任務(wù)或中斷后，按預(yù)設(shè)航高返回HomePoint位置，并自動降落?；诒倍稢ORS的精確HomePoint位置和速度測定為自主飛行的穩(wěn)定性、安全性提供了保障。

輔助智能避障減少噴灑遺漏

植保無人機(jī)作業(yè)時的避障功能分為已知避障和偶然避障。在飛行前已知障礙物的位置、形狀和尺寸，從而通過航線精細(xì)規(guī)劃實(shí)現(xiàn)避障。在飛行過程中，遇到未發(fā)現(xiàn)或偶然出現(xiàn)的樹木、人員等障礙時，植保無人機(jī)能夠迅速感知，并作出躲避動作。無論已知避障還是偶然避障，在北斗CORS的支持下能夠大大縮小避障半徑，實(shí)現(xiàn)無縫噴灑。

結(jié)束語

隨著我國自主研制的北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)的完善和成熟，北斗系統(tǒng)已經(jīng)在海洋、林業(yè)、國土等各行業(yè)發(fā)揮重要作用。在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，以北斗CORS為支撐的植保無人機(jī)系統(tǒng)，具備智能化、精準(zhǔn)化、系統(tǒng)化等特點(diǎn)，對提高我國農(nóng)作物病蟲害防治機(jī)械化水平，提高農(nóng)業(yè)資源的利用率，緩解農(nóng)村勞動力短缺，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有十分重要的意義。

（責(zé)任編輯：劉英姿）