農(nóng)用植保無(wú)人機(jī)避障巡檢軌跡自適應(yīng)閾值控制方法

摘" 要：本文針對(duì)農(nóng)用植保無(wú)人機(jī)在水稻種植區(qū)域中的避障巡檢任務(wù)，分析了基于自適應(yīng)閾值控制技術(shù)，集成先進(jìn)的傳感器和算法，可以有效實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)高效避障操作，提高巡檢精度和保障作業(yè)安全。通過(guò)調(diào)整自適應(yīng)閾值，無(wú)人機(jī)能夠響應(yīng)環(huán)境變化，提高施藥效率并減少農(nóng)藥使用，支持可持續(xù)農(nóng)業(yè)發(fā)展。

關(guān)鍵詞：農(nóng)業(yè)用具；植保；無(wú)人機(jī)；避障巡檢

中圖分類(lèi)號(hào)：S23""""""""""""""""""""" """""""""""文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1673－6737（２０24）05－００73－０3

基金項(xiàng)目：南京工業(yè)大學(xué)浦江學(xué)院優(yōu)秀青年骨干教師培養(yǎng)計(jì)劃：南京工業(yè)大學(xué)浦江學(xué)院青年教師發(fā)展基金（PJYQ08）。

收稿日期：2024-01-18

作者簡(jiǎn)介：遲英姿（1983—），女，碩士，副教授，研究方向?yàn)闄C(jī)電一體化。

隨著無(wú)人機(jī)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，特別是在水稻種植區(qū)的植保作業(yè)中的廣泛應(yīng)用，避障巡檢軌跡控制的重要性日益凸顯。無(wú)人機(jī)避障技術(shù)不僅可以提高作業(yè)效率，還能保障作業(yè)安全。通過(guò)精準(zhǔn)施藥技術(shù)有效減少農(nóng)藥的使用，對(duì)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)和可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。基于此，本文詳細(xì)論述了無(wú)人機(jī)在水稻田避障巡檢中的自適應(yīng)閾值控制方法，包括環(huán)境感知、自適應(yīng)控制參數(shù)調(diào)整、軌跡規(guī)劃和跟蹤控制等關(guān)鍵技術(shù)，為農(nóng)用植保無(wú)人機(jī)的智能化提供重要的理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持。

1" 農(nóng)用植保無(wú)人機(jī)避障巡檢軌跡控制的重要性

1.1" 提高農(nóng)業(yè)作業(yè)效率

無(wú)人機(jī)農(nóng)業(yè)巡檢中避障軌跡控制十分重要，可以顯著提高農(nóng)業(yè)的作業(yè)效率，確保無(wú)人機(jī)在復(fù)雜環(huán)境中安全有效地執(zhí)行任務(wù)。在水稻田的巡檢中，無(wú)人機(jī)需避開(kāi)各種障礙物安全飛行。避障軌跡控制技術(shù)可以使無(wú)人機(jī)實(shí)時(shí)識(shí)別和規(guī)避障礙物，從而避免碰撞事故，確保設(shè)備和作物的安全。另外，通過(guò)精確的軌跡控制，無(wú)人機(jī)可以覆蓋整個(gè)田塊，對(duì)農(nóng)作物進(jìn)行詳細(xì)的生長(zhǎng)監(jiān)測(cè)，還能對(duì)病蟲(chóng)害進(jìn)行預(yù)測(cè)。例如，無(wú)人機(jī)可以維持在最佳的飛行高度，捕捉具有更高分辨率的圖像，從而更準(zhǔn)確地分析水稻生長(zhǎng)狀況，并找出生長(zhǎng)中的潛在問(wèn)題，從而提升農(nóng)業(yè)管理效率，使農(nóng)民能夠及時(shí)做出栽培決策，優(yōu)化資源分配，全面增加水稻的產(chǎn)量。因此，避障巡檢軌跡控制在農(nóng)用植保無(wú)人機(jī)中的應(yīng)用可以提高作業(yè)效率。

1.2" 保障作業(yè)安全

在水稻田中使用無(wú)人機(jī)巡檢時(shí)，避障軌跡控制能有效保障作業(yè)安全。水稻田的環(huán)境通常較為復(fù)雜，存在許多自然和人為障礙。無(wú)人機(jī)在巡檢時(shí)，為防止與障礙物發(fā)生碰撞，應(yīng)進(jìn)行有效的識(shí)別并合理計(jì)劃飛行路線，以躲避障礙。同時(shí)，農(nóng)用植保無(wú)人機(jī)應(yīng)建立高級(jí)避障軌跡控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)在較為復(fù)雜的水稻田地間自動(dòng)飛行。無(wú)人機(jī)根據(jù)復(fù)雜的田地路況及時(shí)做出飛行調(diào)整，不僅能夠避開(kāi)遇到的障礙物，還能減少人為操作失誤，全面提升農(nóng)用植保無(wú)人機(jī)飛行的安全性。另外，農(nóng)用植保無(wú)人機(jī)的避障控制，還能夠保護(hù)田間的水稻植物不受到傷害。既能維護(hù)農(nóng)用植保無(wú)人機(jī)的安全，也間接保護(hù)了水稻作物的健康。因此，避障巡檢軌跡控制在農(nóng)用植保無(wú)人機(jī)中的應(yīng)用可以全面提升作業(yè)的安全性。

1.3 "精準(zhǔn)施藥，減少農(nóng)藥使用

在水稻田的管理中使用農(nóng)用植保無(wú)人機(jī)精準(zhǔn)施藥，通過(guò)精確控制農(nóng)藥的施用位置和用量，可以有效減少農(nóng)藥的總體使用量，同時(shí)提高施藥的效率，維護(hù)生態(tài)環(huán)境。其中，避障軌跡控制技術(shù)起著關(guān)鍵作用，可以確保無(wú)人機(jī)能在復(fù)雜的田間環(huán)境中精確移動(dòng)和施藥。使用農(nóng)用植保無(wú)人機(jī)施藥主要通過(guò)先進(jìn)的傳感器，并利用航拍技術(shù)，精確識(shí)別出需要施藥的具體區(qū)域。另外，避障軌跡控制可以使農(nóng)用植保無(wú)人機(jī)在低空進(jìn)行精確操作，確保農(nóng)藥直接施用到植物的目標(biāo)部位，如葉片和莖部，而非廣泛分布，大大減少了農(nóng)藥對(duì)環(huán)境的潛在污染。通過(guò)農(nóng)用植保無(wú)人機(jī)精準(zhǔn)施藥還有助于提高農(nóng)藥的生物利用率，減少風(fēng)吹等因素導(dǎo)致的農(nóng)藥漂移，從而保護(hù)非目標(biāo)生物和鄰近作物的安全，維護(hù)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)平衡。

2" 農(nóng)用植保無(wú)人機(jī)中自適應(yīng)閾值控制的概念和作用

2.1" 自適應(yīng)閾值的概念

自適應(yīng)閾值控制廣泛應(yīng)用于農(nóng)用植保無(wú)人機(jī)的操作中，旨在根據(jù)環(huán)境變化和農(nóng)民任務(wù)需求，自動(dòng)調(diào)整控制參數(shù)，達(dá)到最優(yōu)的作業(yè)效果。農(nóng)用植保無(wú)人機(jī)中，自適應(yīng)閾值控制主要是能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)和評(píng)估飛行環(huán)境，并根據(jù)實(shí)際作業(yè)狀態(tài)，通過(guò)內(nèi)置的算法自動(dòng)調(diào)整飛行高度、速度以及藥劑的噴灑量等關(guān)鍵參數(shù)。調(diào)整農(nóng)用植保無(wú)人機(jī)自適應(yīng)閾值，既能響應(yīng)外部環(huán)境的變化，也能適應(yīng)作物的具體需要，從而滿足精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的發(fā)展需求。[1]通過(guò)應(yīng)用農(nóng)用植保無(wú)人機(jī)中的自適應(yīng)閾值控制，可以有效保證施藥效果，減少農(nóng)藥的使用，避免對(duì)當(dāng)?shù)丨h(huán)境造成污染，有效提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的效率，促進(jìn)可持續(xù)性農(nóng)業(yè)的發(fā)展。另外，在復(fù)雜的農(nóng)業(yè)環(huán)境中使用自適應(yīng)閾值控制會(huì)更加高效，對(duì)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)向智能化發(fā)展起到了推動(dòng)作用。

2.2" 自適應(yīng)閾值控制在農(nóng)用植保無(wú)人機(jī)避障中的作用

在農(nóng)用植保無(wú)人機(jī)避障中應(yīng)用自適應(yīng)閾值控制，可以全面提高無(wú)人機(jī)的安全性。自適應(yīng)閾值控制系統(tǒng)利用來(lái)自無(wú)人機(jī)傳感器的數(shù)據(jù)，提供周?chē)系K物的詳細(xì)信息，系統(tǒng)根據(jù)數(shù)據(jù)信息評(píng)估無(wú)人機(jī)當(dāng)前飛行環(huán)境，并實(shí)時(shí)調(diào)整避障策略。例如，當(dāng)無(wú)人機(jī)接近障礙物時(shí)，會(huì)根據(jù)障礙物的大小、形狀和無(wú)人機(jī)的速度，自動(dòng)計(jì)算安全距離，如果實(shí)際距離小于安全距離閾值，系統(tǒng)會(huì)指令無(wú)人機(jī)增加飛行高度，或者改變飛行方向，以避開(kāi)障礙物。自適應(yīng)閾值控制不僅限于避開(kāi)靜態(tài)障礙物，在面對(duì)動(dòng)態(tài)障礙物時(shí)，系統(tǒng)也能夠動(dòng)態(tài)調(diào)整閾值，制定最優(yōu)的飛行策略。另外，自適應(yīng)閾值控制還有助于優(yōu)化農(nóng)用植保無(wú)人機(jī)的能源使用，以此提高飛行效率。農(nóng)用植保無(wú)人機(jī)自適應(yīng)閾值控制可以避免不必要的緊急機(jī)動(dòng)，維持更穩(wěn)定的飛行狀態(tài)，降低能源消耗，并延長(zhǎng)任務(wù)執(zhí)行的時(shí)間，自適應(yīng)閾值控制技術(shù)的進(jìn)步提高了農(nóng)用植保無(wú)人機(jī)的實(shí)用性和可靠性。

2.3" 自適應(yīng)閾值控制的意義

農(nóng)用植保無(wú)人機(jī)避障巡檢軌跡自適應(yīng)閾值控制可以提高系統(tǒng)的響應(yīng)性和效率。其根據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和環(huán)境變化靈活調(diào)整行為和決策，從而優(yōu)化性能，合理利用資源，提高系統(tǒng)的安全性和可靠性。[2]自適應(yīng)閾值控制能使無(wú)人機(jī)根據(jù)當(dāng)前的環(huán)境條件需求自動(dòng)調(diào)整飛行參數(shù)，確保無(wú)人機(jī)在面對(duì)不斷變化的天氣、地形及動(dòng)態(tài)障礙時(shí)，保持最佳操作狀態(tài)。自適應(yīng)閾值控制也有助于提升系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境可持續(xù)性。因此，自適應(yīng)閾值控制的意義在于使系統(tǒng)能更好地適應(yīng)環(huán)境變化，提高操作效率和安全性，同時(shí)減少資源的過(guò)度消耗。農(nóng)用植保無(wú)人機(jī)避障巡檢軌跡中應(yīng)用自適應(yīng)閾值是現(xiàn)代技術(shù)發(fā)展向智能化和自動(dòng)化演進(jìn)的重要體現(xiàn)。

3 水稻種植區(qū)的障礙物對(duì)農(nóng)用植保無(wú)人機(jī)的影響

水稻種植區(qū)中的障礙物對(duì)農(nóng)用植保無(wú)人機(jī)的操作和效率有一定影響，特別是在執(zhí)行作業(yè)任務(wù)時(shí)，有較多障礙物限制無(wú)人機(jī)的飛行路徑，提高了農(nóng)用植保無(wú)人機(jī)操作的安全風(fēng)險(xiǎn)。[3]在水稻種植區(qū)，無(wú)人機(jī)需要以較低的飛行高度進(jìn)行操作，以確保噴灑精度，但也更容易與低矮的障礙物發(fā)生碰撞。另外，水稻田周?chē)碾娋€也是重要的障礙物，農(nóng)用植保無(wú)人機(jī)若不慎碰觸電線，會(huì)引發(fā)故障，發(fā)生墜機(jī)事故，造成設(shè)備損壞，導(dǎo)致作業(yè)中斷。障礙物還會(huì)影響農(nóng)用植保無(wú)人機(jī)的導(dǎo)航精度和數(shù)據(jù)收集質(zhì)量。在進(jìn)行農(nóng)田數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)采集時(shí)，無(wú)人機(jī)依賴(lài)全球定位系統(tǒng)（GPS）和其他傳感器精確導(dǎo)航。然而，某些障礙物會(huì)干擾無(wú)人機(jī)的信號(hào)接收，導(dǎo)致定位誤差，影響任務(wù)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。因此，水稻種植區(qū)的障礙物對(duì)農(nóng)用植保無(wú)人機(jī)的影響是多方面的，涉及飛行安全、路徑規(guī)劃和數(shù)據(jù)質(zhì)量等多個(gè)方面。

4" 水稻種植區(qū)農(nóng)用植保無(wú)人機(jī)避障巡檢軌跡自適應(yīng)閾值控制方法

4.1" 環(huán)境感知與建模

在水稻種植區(qū)實(shí)現(xiàn)農(nóng)用植保無(wú)人機(jī)避障巡檢軌跡自適應(yīng)閾值控制，涉及利用無(wú)人機(jī)搭載傳感器系統(tǒng)，準(zhǔn)確感知并構(gòu)建周?chē)h(huán)境詳細(xì)模型，從而使無(wú)人機(jī)能夠在復(fù)雜的農(nóng)田環(huán)境中安全高效地導(dǎo)航和執(zhí)行任務(wù)。環(huán)境感知主要依賴(lài)無(wú)人機(jī)的多種傳感器，如攝像頭、雷達(dá)、紅外傳感器和超聲波傳感器。多種傳感器的合作可以為農(nóng)用植保無(wú)人機(jī)實(shí)時(shí)提供環(huán)境數(shù)據(jù)，包括地面障礙物的位置、障礙物的形狀和障礙物的運(yùn)動(dòng)軌跡。雷達(dá)傳感器可以在惡劣的天氣環(huán)境中進(jìn)行工作，并能檢測(cè)更遠(yuǎn)距離的障礙物。紅外線傳感器可以針對(duì)近距離的障礙物進(jìn)行分析，為農(nóng)用植保無(wú)人機(jī)提供更精細(xì)的數(shù)據(jù)?；诖诉M(jìn)行環(huán)境建模，可使農(nóng)用植保無(wú)人機(jī)合理規(guī)劃飛行路徑。[4]模型不僅包括地形的三維結(jié)構(gòu)，還包括障礙物的動(dòng)態(tài)信息，通過(guò)先進(jìn)的數(shù)據(jù)處理算法合成，生成實(shí)時(shí)更新的環(huán)境模型，無(wú)人機(jī)根據(jù)這個(gè)模型做出飛行決策，優(yōu)化軌跡以避免障礙。另外，環(huán)境建模也涉及對(duì)無(wú)人機(jī)飛行區(qū)域的地理信息系統(tǒng)（GIS）數(shù)據(jù)的整合，如水稻田的布局、水源位置以及其他關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施。因此，環(huán)境感知與建模為無(wú)人機(jī)在水稻種植區(qū)的避障巡檢軌跡自適應(yīng)閾值控制奠定了基礎(chǔ)，使無(wú)人機(jī)能夠?qū)崟r(shí)感知環(huán)境變化，智能調(diào)整飛行計(jì)劃，確保安全、高效地完成巡檢任務(wù)。

4.2" 自適應(yīng)閾值設(shè)定

在水稻種植區(qū)無(wú)人機(jī)避障巡檢軌跡的自適應(yīng)閾值控制方法中，自適應(yīng)閾值設(shè)定是關(guān)鍵環(huán)節(jié)，指的是允許無(wú)人機(jī)根據(jù)環(huán)境感知與建模的數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)調(diào)整避障行為。農(nóng)用植保無(wú)人機(jī)在飛行過(guò)程中進(jìn)行自適應(yīng)閾值設(shè)定，能根據(jù)實(shí)時(shí)環(huán)境調(diào)整無(wú)人機(jī)的飛行參數(shù)，通過(guò)自適應(yīng)閾值設(shè)定，提高農(nóng)用植保無(wú)人機(jī)的飛行效率，提升安全性。自適應(yīng)閾值設(shè)定是動(dòng)態(tài)的，農(nóng)用植保無(wú)人機(jī)通過(guò)不斷接收傳感器提供的數(shù)據(jù)，將信息數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，實(shí)時(shí)做出變化。[5]自適應(yīng)閾值設(shè)定還應(yīng)考慮無(wú)人機(jī)的動(dòng)態(tài)性能，如加速度和機(jī)動(dòng)性的參數(shù)，這決定了無(wú)人機(jī)在緊急避障時(shí)的響應(yīng)時(shí)間和行動(dòng)能力。機(jī)動(dòng)性越高，無(wú)人機(jī)反應(yīng)越快，更能提高飛行的靈活性和效率。自適應(yīng)閾值設(shè)定不僅依賴(lài)硬件的性能，還依賴(lài)先進(jìn)的算法，包括機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能技術(shù)，從歷史數(shù)據(jù)中學(xué)習(xí)并優(yōu)化閾值設(shè)置，使無(wú)人機(jī)適應(yīng)不同的環(huán)境和任務(wù)需求。

4.3" 巡檢軌跡規(guī)劃

水稻種植區(qū)農(nóng)用植保無(wú)人機(jī)避障巡檢軌跡自適應(yīng)閾值控制中，巡檢軌跡規(guī)劃是確保無(wú)人機(jī)高效、安全地完成任務(wù)的關(guān)鍵步驟。可基于環(huán)境感知與建模，設(shè)計(jì)無(wú)人機(jī)的最佳飛行路徑，以覆蓋所有目標(biāo)區(qū)域，同時(shí)避免潛在障礙。巡檢軌跡規(guī)劃首先要考慮如何實(shí)現(xiàn)對(duì)水稻田全面而詳細(xì)的覆蓋。農(nóng)用植保無(wú)人機(jī)需要按照條帶式、網(wǎng)格式或螺旋式飛行模式，根據(jù)田塊的形狀和大小進(jìn)行調(diào)整。飛行模式的選擇應(yīng)考慮作業(yè)的效率及能源的利用。

巡檢軌跡規(guī)劃需要密切結(jié)合自適應(yīng)閾值設(shè)定，確保農(nóng)用植保無(wú)人機(jī)在遇到突發(fā)障礙時(shí)能快速調(diào)整飛行路徑。實(shí)時(shí)計(jì)算避障路徑，必要時(shí)重新規(guī)劃飛行軌跡，以繞開(kāi)大型障礙物如高樹(shù)、電線桿或其他機(jī)械設(shè)備。[6]路徑調(diào)整依賴(lài)于強(qiáng)大的計(jì)算能力和先進(jìn)的飛行控制系統(tǒng)，能夠保證農(nóng)用植保無(wú)人機(jī)任務(wù)的連續(xù)性。軌跡規(guī)劃應(yīng)考慮環(huán)境條件的變化，對(duì)風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行評(píng)估，調(diào)整飛行速度和高度，以提高噴灑效果和飛行穩(wěn)定性。

巡檢軌跡規(guī)劃應(yīng)考慮法規(guī)和安全標(biāo)準(zhǔn)，確保飛行活動(dòng)不會(huì)侵犯其他空域，符合當(dāng)?shù)氐暮娇辗ㄒ?guī)和農(nóng)業(yè)作業(yè)指南。農(nóng)用植保無(wú)人機(jī)的巡檢軌跡規(guī)劃不僅可以確保水稻種植區(qū)的高效覆蓋，也能保證操作的安全性和合規(guī)性，使農(nóng)用植保無(wú)人機(jī)在農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用更加高效。

5" 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)水稻種植區(qū)農(nóng)用植保無(wú)人機(jī)避障巡檢軌跡自適應(yīng)閾值控制方法的系統(tǒng)研究，發(fā)現(xiàn)智能農(nóng)用植保無(wú)人機(jī)系統(tǒng)在農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)和植保中具有應(yīng)用潛力。其不僅可以提升巡檢和施藥作業(yè)的效率與精度，還能顯著提高環(huán)境適應(yīng)性和操作安全性，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供更為高效和環(huán)保的解決方案。未來(lái)，隨著技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和優(yōu)化，預(yù)計(jì)農(nóng)用植保無(wú)人機(jī)將在全球農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中扮演關(guān)鍵角色，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

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