山地果園無人機(jī)噴施作業(yè)參數(shù)選擇與優(yōu)化

文竹 袁剛 張聲松 陳小有 王道錦

摘要：有人說：“噴灑無人機(jī)”就是上天賜予農(nóng)民們最好的禮物，現(xiàn)在有了噴灑無人機(jī)讓農(nóng)民們省了許多的事，現(xiàn)在噴灑無人機(jī)的出現(xiàn)就解決了許多問題，在中國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)作業(yè)中已經(jīng)扮演了十分重要的角色。在與傳統(tǒng)的人工噴灑相比較，小型噴灑無人機(jī)在工作過程中噴灑的更均勻，幾乎每株植物都能夠噴灑到藥水。旋翼產(chǎn)生的向下氣流有助于增加霧流對(duì)作物的穿透性，防治效果更好。噴灑無人機(jī)采用距離遙控操作的方式，噴灑作業(yè)人員采用遠(yuǎn)距離遙控操作的方式，噴灑作業(yè)人員可避免與農(nóng)藥直接接觸，有利于增強(qiáng)作業(yè)的安全性。每年都會(huì)出現(xiàn)因人工噴灑農(nóng)藥不當(dāng)造成的事故。

關(guān)鍵詞：無人機(jī);噴施;參數(shù)

無人機(jī)是一種小型的遙控型農(nóng)藥噴藥小飛機(jī)，機(jī)體型嬌小而功能強(qiáng)大，以載荷為10公斤的電動(dòng)植保無人機(jī)為例，其噴灑效率是傳統(tǒng)人工的30倍，飛機(jī)采用智能操控，操作手通過地面遙控器定位對(duì)其實(shí)施控制，其旋翼產(chǎn)生的向下氣流有助于增加霧流對(duì)作物的穿透性，防治效果好，遠(yuǎn)距離操控施藥大大提高了農(nóng)藥噴灑的重要性。對(duì)農(nóng)業(yè)病蟲等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控、農(nóng)村土地權(quán)、農(nóng)作物長(zhǎng)勢(shì)及害蟲的監(jiān)測(cè)、施藥、授藥、施肥作業(yè)。本文也就山地果園無人機(jī)做相關(guān)的介紹。

一、無人機(jī)噴灑作業(yè)解決方案

我們中國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)，發(fā)展高效、安全的現(xiàn)代生態(tài)農(nóng)業(yè)是中國(guó)農(nóng)業(yè)化現(xiàn)代化建設(shè)的重要目標(biāo)。國(guó)內(nèi)的農(nóng)藥的使用量越來越大，作業(yè)成本高，且浪費(fèi)嚴(yán)重，在資源有效利用率低的情況下，作物的產(chǎn)量和質(zhì)量難以得到保障，同時(shí)造成了大面積的水土資源污染、生態(tài)系統(tǒng)的失衡、農(nóng)產(chǎn)品的品質(zhì)下降等問題，無法適應(yīng)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的要求。隨著科技的發(fā)展，現(xiàn)代的農(nóng)業(yè)都趨向機(jī)械化，所以現(xiàn)在無人機(jī)噴灑農(nóng)藥技術(shù)開始廣泛的應(yīng)用在農(nóng)藥上面。與傳統(tǒng)的人工噴藥相比，噴藥無人機(jī)具有高效、省時(shí)、便捷的優(yōu)勢(shì)，噴藥無人機(jī)可以裝載10公斤農(nóng)藥，每小時(shí)的作業(yè)效率可以達(dá)到40-60畝，大大提高了作業(yè)效率;噴藥無人機(jī)配備壓力傳感器與流量傳感器，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)噴灑流量，在作業(yè)工程中動(dòng)態(tài)控制藥液的流量速度。下沉式新型噴頭，更完美的利用了下壓風(fēng)場(chǎng)，噴頭組件實(shí)現(xiàn)了即開即停，噴灑的更加精準(zhǔn)，藥液沉降效果更佳;噴藥無人機(jī)噴藥服務(wù)一畝地的價(jià)格，用時(shí)也僅僅只有一分鐘左右，相對(duì)于以往的雇人噴藥相比，節(jié)約了成本、人力和時(shí)間。

二、無人機(jī)參數(shù)選擇與優(yōu)化

丘陵山地占我國(guó)國(guó)土面積的近70%，其農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率與平原地區(qū)相比存在較大差異，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以經(jīng)濟(jì)果林作物為主，受地形條件限制，現(xiàn)代化地面作業(yè)農(nóng)機(jī)通行困難，丘陵山地的機(jī)械化程度遠(yuǎn)低于全國(guó)平均水平。多旋翼無人機(jī)動(dòng)作靈活、可垂直起降的特點(diǎn)非常適合山地果園的植保施藥作業(yè)，無人機(jī)飛行軌跡的精準(zhǔn)控制是其在山地果園高效植保作業(yè)應(yīng)用的瓶頸。所以無人機(jī)特定的時(shí)候它有主要的參數(shù)。

2.1? 飛行參數(shù)

高度（H）相對(duì)于起飛地的高度，國(guó)際常用，122米是一個(gè)相對(duì)安全高度，如果飛行的高度超過1000米，會(huì)進(jìn)入空氣的對(duì)流層，無人機(jī)在高空中非常的不安全;距離（D）相對(duì)于起飛點(diǎn)的距離，視距內(nèi)是500米，不同無人機(jī)的飛行距離也是不相同的，理論上能達(dá)到7，8千米，一般飛一般都不錯(cuò)了;起飛點(diǎn)也就是GPS原點(diǎn)，在此同時(shí)，我們必須理解經(jīng)度與緯度的一個(gè)概念以及GPS高度的概念。

2.2? 信號(hào)參數(shù)

GPS信號(hào)是一個(gè)能接受到衛(wèi)星信號(hào)數(shù)量，現(xiàn)在的水平至少在九顆星以上，才能較為準(zhǔn)確的定位，想要取得良好的效果需要在十三顆以上;保證控制無人機(jī)的主要參數(shù)是遙控信號(hào)的質(zhì)量，在進(jìn)行噴灑的過程中，需要提前設(shè)定好，避免遙控失靈返航的問題;無人機(jī)的電量也是影響無人機(jī)的故障之一，一種是電池沒有卡緊，導(dǎo)致突然性的沒電，另一種就是間接性供應(yīng)不上電，造成故障。

三、果園無人機(jī)導(dǎo)航技術(shù)

受地形條件限制，現(xiàn)代化地面作業(yè)農(nóng)機(jī)通行困難，丘陵山地的機(jī)械化程度遠(yuǎn)低于全國(guó)平均水平。多旋翼無人機(jī)動(dòng)作靈活、可垂直起降的特點(diǎn)非常適合山地果園的植保施藥作業(yè)，無人機(jī)飛行軌跡的精準(zhǔn)控制是其在山地果園高效植保作業(yè)應(yīng)用的瓶頸。本文在分析多旋翼無人機(jī)動(dòng)力學(xué)模型的基礎(chǔ)上，針對(duì)無人機(jī)山地果園植保作業(yè)的飛行控制需求，分析基于多種導(dǎo)航方式組合的無人機(jī)自主導(dǎo)航飛行控制方法;針對(duì)山地蘋果園果樹樹冠的分布特性，研究基于機(jī)器視覺的果樹行快速分割方法，進(jìn)而探尋果樹行趨勢(shì)線提取算法，結(jié)合GNSS導(dǎo)航技術(shù)，提出基于GNSS視覺組合的無人機(jī)山地果園作業(yè)水平航跡控制方法;針對(duì)山地果園的地形特點(diǎn)，研究基于雙目視覺圖像的三維點(diǎn)云提取算法，進(jìn)而探尋基于雙目視覺的多點(diǎn)測(cè)距方法，提出基于雙目視覺的無人機(jī)仿形飛行控制方法;融合無人機(jī)水平航跡和高度仿形的飛行控制方法，提出基于多種導(dǎo)航方式組合的山地果園無人機(jī)自主導(dǎo)航方法;基于上述理論研究，設(shè)計(jì)并研發(fā)了無人機(jī)自主導(dǎo)航控制系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行了實(shí)地試驗(yàn)驗(yàn)證。本文主要研究?jī)?nèi)容及結(jié)論如下。

（1）???? 開展了多旋翼無人機(jī)動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)模型研究，結(jié)合山地果園果樹種植特點(diǎn)，分析了效率最優(yōu)的最佳作業(yè)路徑，針對(duì)效率最優(yōu)飛行軌跡，提出了無人機(jī)山地果園作業(yè)的自主導(dǎo)航控制方法，將自主導(dǎo)航控制分解為水平航跡控制和高度仿形控制兩個(gè)簡(jiǎn)單控制組合，使用PID控制算法結(jié)合動(dòng)力學(xué)模型，計(jì)算得到無人機(jī)航向控制和高度控制的最優(yōu)控制參數(shù)，最終確定航向控制選用PID控制，高度控制選用PID控制。

（2）???? 提出了基于GNSS視覺組合的無人機(jī)山地果園植保作業(yè)航跡控制方法。分析水平航跡控制中的航向調(diào)整過程，開展控制系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)，提出視覺導(dǎo)航實(shí)現(xiàn)行內(nèi)作業(yè)航跡調(diào)整控制，GNSS導(dǎo)航實(shí)現(xiàn)作業(yè)行間轉(zhuǎn)場(chǎng)航跡控制流程。選用2個(gè)NEO-M8P-2芯片搭建了RTK GNSS定位裝置，并在PC機(jī)上開發(fā)了上位機(jī)軟件，軟件實(shí)時(shí)上傳并記錄位置信息，將實(shí)時(shí)位置和航向與目標(biāo)位置進(jìn)行計(jì)算得到偏航信息，以偏航信息作為PID控制器輸入，航向調(diào)整控制量為輸出，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)水平航向調(diào)整;在RGB、Lab、HSV三個(gè)顏色空間內(nèi)對(duì)果樹行進(jìn)行了分割，通過對(duì)分割效果、處理時(shí)間等綜合評(píng)價(jià)，最終選用RGB空間下基于RGB分量線性組合的果樹行提取方法，對(duì)分割后的果樹行進(jìn)行二次曲線擬合得到行趨勢(shì)線，計(jì)算得到偏航角值，由PID控制器控制實(shí)現(xiàn)航向調(diào)整。將兩種導(dǎo)航方式進(jìn)行組合，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)山地果園植保作業(yè)時(shí)的水平航跡控制。定位和視覺導(dǎo)航精度驗(yàn)證結(jié)果表明，GNSS模塊靜態(tài)定位誤差小于0.26m，動(dòng)態(tài)測(cè)試最大誤差為0.82m，平均誤差為0.53m;視覺導(dǎo)航控制的航跡誤差為-27～+48cm，平均誤差為23cm。

四、結(jié)語(yǔ)

無人機(jī)的噴施在農(nóng)林的應(yīng)用越來越廣泛，無人機(jī)的技術(shù)的使用可以真正改變“游戲規(guī)則”，可以提高作物的產(chǎn)量節(jié)省時(shí)間，減少開支并以無與倫比的準(zhǔn)確性和精確度行事。

參考文獻(xiàn)：

[1]?? 陸碧秀，莫新媛.植保無人機(jī)水稻田間農(nóng)藥噴施的作業(yè)效果研究[J].農(nóng)業(yè)工程技術(shù)，2020，40（15）：40-42.DOI：10.16815/j.cnki.11-5436/s.2020.15.006.

[2]?? 王東，范葉滿，薛金儒，等.基于GNSS與視覺融合的山地果園無人機(jī)航跡控制 [J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2019，50（4）：20-28.DOI：10.6041/j.issn.1000-1298.2019.04.002.

[3]?? 朱曉鋒，王明，徐兵強(qiáng)，等.核桃園植保無人機(jī)作業(yè)參數(shù)優(yōu)選[J].植物保護(hù)，2020，46（4）：25-32.DOI：10.16688/j.zwbh.2019220.

[基金項(xiàng)目]貴州省科技計(jì)劃項(xiàng)目：18軸100公斤級(jí)智能植保無人機(jī)研發(fā)，合同編號(hào)：黔科合支撐[2018]2370號(hào)。

作者簡(jiǎn)介：

文竹，男，（1978—），貴州銅仁人，一直從事農(nóng)業(yè)科技信息服務(wù)工作。