基于WEB的無人機(jī)三維仿地飛行規(guī)劃在農(nóng)業(yè)植保中的應(yīng)用*

白明亮，范 沖，何明宏

（1. 中南大學(xué)地球科學(xué)與信息物理學(xué)院，湖南長沙410083；2. 湖南暢圖信息科技有限公司，長沙410083）

0 引言

我國是農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)在我國占舉足輕重的地位，在實(shí)際的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，病蟲害是制約農(nóng)業(yè)發(fā)展的一個(gè)重要因素，因此，如何有效解決病蟲害、做好農(nóng)業(yè)植保工作成了農(nóng)業(yè)發(fā)展的重中之重。旋翼無人機(jī)是一種利用無線電遙控設(shè)備和自備程序控制裝置操縱的不載人多旋翼飛行器［1］，小型旋翼無人機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、體積小、成本低、飛行時(shí)間長、機(jī)動(dòng)性好等優(yōu)點(diǎn)［2］。隨著我國智能農(nóng)業(yè)、信息農(nóng)業(yè)的興起，小型旋翼無人機(jī)在農(nóng)業(yè)植保方面的應(yīng)用越來越廣泛。

傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)植保方式多由人工操作控制，將藥劑等施加到農(nóng)作物表面，不僅速度慢，而且效率低。鑒于這種情況，結(jié)合小型旋翼無人機(jī)的特點(diǎn)，在農(nóng)業(yè)植保中引入無人機(jī)成為較優(yōu)選擇。蒙艷華、周國強(qiáng)等［3-4］指出利用小型旋翼無人機(jī)進(jìn)行植保有如下優(yōu)點(diǎn)：（1）省藥、省水、減少污染。有效降低農(nóng)藥殘留、土壤污染和水源短缺等問題。（2）作業(yè)效率高。很大程度上減少了人力與物力支出，空中噴灑作業(yè)可以有效提高病蟲害防治工作的效率。（3）施藥人員安全系數(shù)高。采用人工遙控技術(shù)和自主導(dǎo)航技術(shù)相結(jié)合，操控人員在施藥區(qū)外便可通過無線遙測(cè)系統(tǒng)發(fā)出指令來控制無人機(jī)的動(dòng)作，自動(dòng)完成無人機(jī)施藥全過程。（4）適用性好。可垂直起降，不受地理因素的制約。（5）作物損傷小。不會(huì)像大型地面施藥器械碾壓作物。

然而無人機(jī)在農(nóng)業(yè)植保方面的應(yīng)用目前還是一門新興產(chǎn)業(yè)，技術(shù)應(yīng)用上并不成熟，還存在一定問題。（1）當(dāng)前無人機(jī)植保對(duì)飛手技術(shù)要求高，特別是在地形起伏明顯的區(qū)域。在用無人機(jī)進(jìn)行農(nóng)業(yè)植保過程中，一般無人機(jī)飛行規(guī)劃軟件都是移動(dòng)端進(jìn)行航線規(guī)劃，由于移動(dòng)端性能的限制，幾乎不能加載數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)，沒有考慮地形起伏因素。而地形起伏對(duì)于無人機(jī)飛行安全有較大影響，容易產(chǎn)生碰撞，飛手需要具備較高飛行技術(shù)和充足的經(jīng)驗(yàn)。因此，如何進(jìn)行無人機(jī)三維仿地飛行規(guī)劃來提高飛行安全是亟待解決的問題。（2）無人機(jī)植保操作復(fù)雜。在農(nóng)業(yè)植保過程中，操作小型無人機(jī)群體以農(nóng)民為主，雖然在使用前都會(huì)對(duì)其進(jìn)行相關(guān)操作培訓(xùn)，但是由于飛行規(guī)劃需要考慮地形、障礙物、作業(yè)區(qū)域等因素，農(nóng)民很難有效掌握，并且在出現(xiàn)問題時(shí)也無法有效應(yīng)對(duì)［5］。因此，如何使無人機(jī)操作更加簡單化、傻瓜化、智能化是高效進(jìn)行農(nóng)業(yè)植保工作的現(xiàn)實(shí)需求。

1 方案設(shè)計(jì)

針對(duì)上述問題，本文采用Web端和移動(dòng)終端相結(jié)合的平行架構(gòu)進(jìn)行系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)，在地面控制端，即在Web端由專業(yè)技術(shù)人員進(jìn)行任務(wù)規(guī)劃，生成植保任務(wù)，在移動(dòng)端由實(shí)施人員進(jìn)行任務(wù)下載、一鍵飛行，從而解決了專業(yè)化技術(shù)難題；采用三維仿地飛行設(shè)計(jì)，提前預(yù)測(cè)飛行航線的三維地勢(shì)模型，可解決作業(yè)保護(hù)強(qiáng)度不足的問題。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，通過本文的研究設(shè)計(jì)，加深了無人機(jī)與農(nóng)業(yè)植保工作的聯(lián)系，有效解決了現(xiàn)實(shí)中利用無人機(jī)進(jìn)行農(nóng)業(yè)植保的問題，明顯提高了無人機(jī)在農(nóng)業(yè)植保中的使用效率。本文的整體設(shè)計(jì)流程圖如圖1所示，工作流程圖如圖2所示。

圖1 設(shè)計(jì)流程Fig.1 Design flow chart

圖2 工作流程Fig.2 Work flow chart

2 三維仿地飛行

對(duì)于一些平原地區(qū)，地形地勢(shì)平坦起伏較小，無人機(jī)執(zhí)行植保任務(wù)時(shí)不會(huì)遇到相應(yīng)的安全問題，而對(duì)于一些山區(qū)、丘陵等田地而言，地形起伏不定，很容易給無人機(jī)的飛行帶來安全隱患，從而導(dǎo)致植保任務(wù)中斷。因此本文在航線規(guī)劃的基礎(chǔ)上提出“三維仿地飛行”的方案設(shè)計(jì)，在Web端通過在目標(biāo)飛行區(qū)域地圖底圖上加載DEM，并根據(jù)地形的實(shí)際情況設(shè)置相應(yīng)閾值。通過設(shè)置插值閾值和在飛行區(qū)域進(jìn)行DEM選擇等，可生成可視化的飛行航線三維模型，在可視化的三維模型圖中可清晰地觀看到所規(guī)劃航線的地勢(shì)狀況，從而根據(jù)模型圖為我們規(guī)劃合理的航線提供依據(jù)。

2.1 自定義航線規(guī)劃

在無人機(jī)植保過程中，提前指定好植保飛行航線是任務(wù)規(guī)劃的核心內(nèi)容，即從起始點(diǎn)到目標(biāo)點(diǎn)規(guī)劃航線，并對(duì)規(guī)劃出的航線進(jìn)行檢驗(yàn)。規(guī)劃的航線必須滿足無人機(jī)的性能要求，即航線規(guī)劃必須考慮平臺(tái)機(jī)動(dòng)性能的限制，確保規(guī)劃航線的可實(shí)現(xiàn)性［6-7］。本文運(yùn)用GeoTools等底層開發(fā)工具，通過自定義拉框選擇進(jìn)行航線規(guī)劃，其中包括航線規(guī)劃框的平移旋轉(zhuǎn)、拉伸收縮等操作，舍棄指定好對(duì)應(yīng)的航點(diǎn)，然后用多個(gè)航點(diǎn)生成航線的方式進(jìn)行底層設(shè)計(jì)。通過采用矩形框自定義航線規(guī)劃的方式，可以簡捷快速地規(guī)劃好植保飛行航線，從而作為三維仿地飛行設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。

2.2 三維仿地設(shè)計(jì)

在建立三維仿地模型過程中，高程是建立模型必不可少的部分，孫學(xué)超［8］在研究中指出，目前常見的仿地飛行方案中，確定無人機(jī)飛行高度的方式有5種，即基于超聲波傳感器的高度測(cè)量、基于激光傳感器的高度測(cè)量、基于航測(cè)的高度測(cè)量、基于多傳感器融合的高度測(cè)量和基于毫米波雷達(dá)的高度測(cè)量。本文選用的是基于已知數(shù)字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）的方式確定無人機(jī)的飛行高度，采用該方案可以預(yù)先獲得目標(biāo)區(qū)域的高程信息，解算出植保無人機(jī)飛行的各個(gè)航點(diǎn)的飛行高度。而數(shù)字高程模型是通過有限的已知的地面高程數(shù)據(jù)點(diǎn)對(duì)地球表面進(jìn)行數(shù)字化模擬的數(shù)字模型，即通過地球表面上不同的分散的數(shù)據(jù)點(diǎn)建立連續(xù)函數(shù)來模擬地球表面的模型，利用構(gòu)造的函數(shù)能夠得到地面上任何一個(gè)未知點(diǎn)的高程，本質(zhì)是插值逼近或曲面擬合［9］。本文中主要通過DEM建立植保航線的三維模型，首先確定目標(biāo)植保區(qū)域范圍，然后定位到目的植保區(qū)域的影像圖，根據(jù)自定義航線規(guī)劃、飛行參數(shù)設(shè)置等規(guī)劃好區(qū)域的航線，即得到完整的二維平面航線規(guī)劃，然后結(jié)合該區(qū)域的DEM，并根據(jù)實(shí)際地形情況設(shè)置好相應(yīng)的閾值參數(shù)，構(gòu)建出該航線的三維航線模型，從而為無人機(jī)植保提供合理的決策方案。

而對(duì)于一些無法取到的高程值則用空間插值的方法獲取，目前常用的空間插值法有最近鄰差值法、B樣條插值法、局部多項(xiàng)式插值法和反距離加權(quán)內(nèi)插法等。徐瀟、譚衢霖等［10］通過對(duì)這幾種插值方法在地貌地形中的實(shí)驗(yàn)分析對(duì)比，指出反距離加權(quán)內(nèi)插（Inverse Distance Weighted，IDW）插值算法得到的地形高程值精確度更好，因此本文中選擇IDW插值算法作為研究方法。IDW插值算法是利用鄰近已知點(diǎn)的數(shù)值進(jìn)行加權(quán)運(yùn)算的內(nèi)插方法［11］，所需的權(quán)重根據(jù)距離遠(yuǎn)近來確定，離插值點(diǎn)越近的樣本點(diǎn)所賦予的權(quán)重就越大。航線上各個(gè)點(diǎn)的高度值解算公式如（1）、（2）所示：

其中，Ho為點(diǎn)O處的高程值，Hi為已知點(diǎn)的高程值，d為待求點(diǎn)與已知點(diǎn)間的距離。

式中，H飛表示飛行高度，即無人機(jī)相對(duì)于大地水準(zhǔn)面的高度；H真表示真實(shí)高度，即無人機(jī)相對(duì)于大地水準(zhǔn)面的高度。仿地飛行的目的是為了確保植保無人機(jī)距離農(nóng)作物的真實(shí)高度值不變。

植保無人機(jī)的實(shí)際航線飛行高度模型圖如圖3所示。通過數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)、空間插值和插值閾值等分析，順利構(gòu)建出植保無人機(jī)航線的三維仿地模型。

圖3 航線規(guī)劃三維圖Fig.3 Three dimensional figure of route planning

3 方案實(shí)現(xiàn)

3.1 自定義航線規(guī)劃和三維仿地

本文將以黑龍江省同江市青龍山農(nóng)場(chǎng)為研究區(qū)進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試，該區(qū)域內(nèi)的田塊地形高程值范圍在51～65 m之間。通過對(duì)矩形框的拉伸、旋轉(zhuǎn)、放大、縮小等操作，可以簡捷快速地規(guī)劃好需要飛行的航線；通過設(shè)置插值閾值，飛行區(qū)域所在地方進(jìn)行DEM選擇，生成可視化的飛行航線圖，為無人機(jī)外業(yè)植保提供飛前分析，如圖4所示。

3.2 植保任務(wù)生成

針對(duì)無人機(jī)操作人員技術(shù)水平參差不齊的情況，本文通過先在地面控制端由專業(yè)人員完成植保飛行任務(wù)規(guī)劃，待所有的航線規(guī)劃任務(wù)完成后，將生成的植保飛行任務(wù)（圖5）保存在個(gè)人中心，供無人機(jī)植保操作人員下載使用。

3.3 移動(dòng)終端任務(wù)下載展示

在田塊中進(jìn)行植保飛行時(shí)，操作人員可在移動(dòng)終端登錄個(gè)人中心，在個(gè)人中心中查找對(duì)應(yīng)的植保飛行任務(wù)，下載Web端規(guī)劃好的飛行任務(wù)（圖6），連接無人機(jī)，執(zhí)行“一鍵飛行”即可完成無人機(jī)植保任務(wù)（圖7）。

圖4 Web端仿地規(guī)劃Fig.4 Imitate the ground planning in Web

圖5 Web端任務(wù)生成Fig.5 Generated task in Web

通過以上系列操作，可以順利完成目標(biāo)地塊的植保任務(wù)。傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)植保方式如手工植保方式的缺點(diǎn)是不夠智能化，工作效率低下；而普通的無人機(jī)植保方式則適合在高程不變的平地上進(jìn)行，當(dāng)遇到田塊地勢(shì)起伏不定的時(shí)候進(jìn)行植保會(huì)有相應(yīng)的難度。通過以上實(shí)例的測(cè)試實(shí)驗(yàn)，結(jié)果證實(shí)本文所設(shè)計(jì)的基于Web的無人機(jī)三維仿地飛行規(guī)劃，相比傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)植保方式，更加快速高效，能準(zhǔn)確完成植保任務(wù)。

圖6 移動(dòng)端植保任務(wù)下載Fig.6 Download the plant protection task in mobile equipment

圖7 移動(dòng)端植保任務(wù)加載展示Fig.7 Display of plant protection task in mobile equipment

4 結(jié)論

當(dāng)前，無人機(jī)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，在用無人機(jī)解決了農(nóng)業(yè)植保中機(jī)器代替人工植保的基本需求后，現(xiàn)在對(duì)無人機(jī)在農(nóng)業(yè)植保中如何更便捷、更高效等問題有了更高需求。本文通過對(duì)無人機(jī)在農(nóng)業(yè)植保目前存在的問題進(jìn)行深入探討和分析，選擇用Web端、移動(dòng)終端一體化的平行架構(gòu)，自定義航線規(guī)劃、三維仿地飛行、植保任務(wù)下載和一鍵飛行等方案設(shè)計(jì)，極大地簡化了無人機(jī)在農(nóng)業(yè)植保過程中的整體操作流程以及確保了飛行的安全性。本文的研究方案有效解決了現(xiàn)實(shí)農(nóng)業(yè)植保中存在的效率問題，明顯提高了農(nóng)業(yè)植保的效率。