植保無人機關鍵技術與發(fā)展趨勢

沈朝萍，李繼偉，朱莉凱

（江蘇航空職業(yè)技術學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212134）

0 引 言

丘陵山地占據(jù)我國土地面積的70%左右，具有地形起伏多變、地勢落差大、田塊碎小等特點，地面植保機難以在丘陵山地內(nèi)無障礙通行，推廣應用受限，導致丘陵山地農(nóng)業(yè)機械化水平低。植保無人機作為一種新型植保方式，具有速度快、效率高、靈活適應各種地形等特點，可以完成對農(nóng)作物的自動化噴灑，有效解決不同作物長勢、水田和丘陵山地的植保難題，節(jié)省植保過程中的能耗和農(nóng)藥損耗[1]。

1 植保無人機結構

1.1 無人機主體

廣泛使用的多旋翼植保無人機主體結構如圖1所示，植保機作業(yè)過程中，將多旋翼無人機主體結構與植保機噴桿噴霧技術有機結合，利用電氣控制系統(tǒng)對無人機飛行狀態(tài)和農(nóng)藥噴灑狀態(tài)精確控制，實現(xiàn)高效的農(nóng)業(yè)植保作業(yè)[2]。

圖1 植保無人機主體結構

1.2 主要硬件系統(tǒng)

植保無人機的硬件系統(tǒng)架構圖見圖2，包括傳感器模塊、遙控模塊、飛行控制模塊、動力模塊、噴灑模塊和電源模塊。

圖2 植保無人機硬件系統(tǒng)架構圖

1.2.1 傳感器模塊

傳感器模塊能夠實時測量和感知植保無人機的位置、高度和姿態(tài)信息。傳感器模塊包括多種傳感器，有陀螺儀、加速度計、地磁計、氣壓高度計、毫米波雷達以及GPS/北斗等感測設備。在植保無人機作業(yè)過程中，傳感器模塊采集的數(shù)據(jù)首先經(jīng)過濾波處理，再由處理器將來自不同傳感器的數(shù)據(jù)融合在一起，完成無人機姿態(tài)和位置的解算[3]。為了提升植保無人飛機的功能多樣性，還可以增加雙目相機、深度相機、激光雷達、空速計等感測設備，以完善無人機的地圖構建智能路徑規(guī)劃以及避障等任務。

1.2.2 遙控模塊和飛行控制模塊

遙控模塊發(fā)出指令指揮飛行控制模塊，飛行控制模塊負責姿態(tài)穩(wěn)定控制、手動/自主飛行、任務和路徑規(guī)劃。飛行控制系統(tǒng)是無人機的核心，管理信息傳遞、模塊通信和控制。飛行控制系統(tǒng)處理傳感器數(shù)據(jù)，響應遙控器指令，控制電機改變無人機的姿態(tài)和位置。根據(jù)噴灑任務和實地狀況，調整噴灑量。同時，飛行控制系統(tǒng)實時與遙控器和地面站通信，確保操作員了解無人機的飛行狀態(tài)。

1.2.3 電源模塊和動力模塊

電源模塊主要負責給動力裝置、飛行控制模塊以及噴灑模塊供電。電池容量是限制植保無人飛機續(xù)航時間的主要因素，較高電壓和放電倍率可提供更大功率，可以通過增加電機數(shù)量或采用高功率電機來增加無人機的負載能力。

動力模塊包括螺旋槳、電機和電調。根據(jù)飛行控制指令來調整電機轉速，從而控制機體的姿態(tài)、速度和位置。根據(jù)無人機的質量，確定軸距、螺旋槳數(shù)量、螺旋槳尺寸、電調規(guī)格和電池容量。這些參數(shù)可用于計算無人機的基本特性。然后，選擇合適的開源飛控板、遙控器和噴灑模塊，完成樣機的組裝。

1.2.4 噴灑模塊

噴灑模塊是植保無人機田間作業(yè)的核心組件，噴灑模塊能夠根據(jù)作業(yè)信息調整農(nóng)藥的噴灑速度。噴灑模塊通常包括噴頭、藥箱、藥泵、管道、流量傳感器和液位傳感器等，其中,噴頭是關鍵組件，負責將農(nóng)藥液噴灑到植物上。噴頭通常分為壓力噴頭和離心噴頭。壓力噴頭通過壓力泵將農(nóng)藥液體壓力噴出，具有強大的穿透力，但霧滴粒徑不均勻。而離心噴頭則不同，離心噴頭通過電機旋轉產(chǎn)生離心力將農(nóng)藥液體甩出，霧滴粒徑較均勻，但穿透力較弱，且使用壽命較短，易損壞。在實際應用中，需要綜合考慮作物特性、無人機特性和農(nóng)藥品種，以選擇適合的噴頭類型。

此外，藥箱、藥泵和管道也是不可或缺的組件，藥液經(jīng)藥泵加壓后經(jīng)管道輸送到噴頭，最終實現(xiàn)對農(nóng)作物的噴灑。

2 植保無人機關鍵技術

2.1 定位導航技術

植保無人機定位導航系統(tǒng)是無人機的核心部件，提供姿態(tài)、速度、位置等信息。定位導航系統(tǒng)包括空中飛行器、地面監(jiān)控站、地面控制器3 個部分。植保無人機在執(zhí)行植保任務時需要特定的自主飛行能力，必須依靠定位導航系統(tǒng)的反饋來進行姿態(tài)控制。無人機定位導航的高精度和穩(wěn)定通信對于植保無人機高效完成植保任務至關重要。

由于全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）容易受到應用場景的影響，在較復雜的環(huán)境下無法達到預期的定位效果[4]。因此，大多數(shù)實際應用將GNSS 與慣性導航系統(tǒng)（INS）[4]和實時運動學（RTK）[5]等其他技術結合起來，以提高整體定位精度和穩(wěn)定性。面對精度、避障要求比較高的工況：大部分RTK 技術必須結合視覺傳感器和雷達進行植保無人機定位導航。研究人員長期以來一直研究慣性導航系統(tǒng)（INS）/全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)（GNSS）用于植保無人機的定位和導航。

實際應用中，由于農(nóng)業(yè)作業(yè)環(huán)境中風向和氣流因素復雜，該方法可能會導致偏航（最大3 m，平均0.1 m）。因此，該方法在植保作業(yè)中性能不穩(wěn)定。若是在丘陵山地，植保工作環(huán)境比田間更為復雜，優(yōu)化系統(tǒng)中的硬件設備以增強抗干擾能力是該技術應用于丘陵山地植保無人機的研究方向。RTK 技術的發(fā)展對于GNSS 的實際應用具有重要意義[6]，通過提高定位精度實現(xiàn)植保無人機精細化作業(yè)，見圖3。目前，我國植保無人機主要應用RTK 技術進行定位導航，其中以大疆和極飛的植保無人機最具代表性，在市場應用中表現(xiàn)良好。

圖3 RTK 工作原理

2.2 航跡規(guī)劃技術

隨著GIS 與GPS 技術的普及和傳感器技術的發(fā)展，航線規(guī)劃技術已成為植保無人機智能作業(yè)技術的基本組成部分。進行合理的作業(yè)路徑規(guī)劃可有效提高植保無人機的續(xù)航能力，降低對操控人員的技術要求，從而進一步提高植保無人機的作業(yè)效果和作業(yè)效率[7]。大多數(shù)植保作業(yè)區(qū)域都包含多重約束，對路徑規(guī)劃的快速解決有特定的要求。當前研究的重點是路線規(guī)劃方法，該方法充分考慮了障礙物、復雜邊界、多個操作區(qū)域以及藥物和電池補充數(shù)量等多種約束條件。丘陵山地地形起伏，果樹種植工藝不規(guī)范，導致果樹冠層高度變化較大，徑向和水平方向排列不均勻。因此，丘陵山地路徑規(guī)劃的約束條件更加復雜。大田定高作業(yè)路線不適用于丘陵山地，需要根據(jù)其作業(yè)環(huán)境因素進行三維路線規(guī)劃。

由于單臺植保無人機電池電量只能支持20～30 min 的連續(xù)作業(yè)，當面對多個作業(yè)區(qū)域或單個大作業(yè)區(qū)域時，設備需要頻繁更換電池，并需要在區(qū)域和補給點之間頻繁往返飛行，消耗有效作業(yè)時間。續(xù)航能力差是植保無人機在實際應用中面臨的最大問題[8]。在大面積植保作業(yè)中，電池、液體、肥料等消耗品必須多次補給。

現(xiàn)階段植保無人機航線規(guī)劃的研究目標是縮短植保無人機航線總長度路線，減少能源消耗，減少補給次數(shù)，保證植保效果。此外，植保無人機作業(yè)環(huán)境如障礙物、復雜邊界、地形變化等，在規(guī)劃航線時需要根據(jù)實際情況綜合考慮。學者們對單架植保無人機的航線規(guī)劃進行了研究。在路徑規(guī)劃算法中，各種經(jīng)典算法[8-10]被優(yōu)化、改進并應用于路徑規(guī)劃，與未規(guī)劃的植保無人機路線相比，有規(guī)劃的植保無人機路線在總路線長度和無人機能耗方面都有顯著改善。

與單架植保無人機相比，多架植保無人機可以實現(xiàn)多個作業(yè)區(qū)同時作業(yè)和單個作業(yè)區(qū)協(xié)同作業(yè)的工作。多臺植保無人機協(xié)同作業(yè)是開展應急植保作業(yè)、多小區(qū)植保作業(yè)、防治突發(fā)病蟲害的有效方式?？娠@著提高植保作業(yè)效率，有效保障農(nóng)業(yè)健康生產(chǎn)。植保無人機集群航線規(guī)劃實現(xiàn)多機協(xié)同作業(yè)受到學者廣泛關注，植保無人機協(xié)同作業(yè)可應對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)突發(fā)情況，提高植保效率[11]。此外，多臺植保無人機協(xié)同作業(yè)應充分考慮單臺植保無人機的航線規(guī)劃，在單臺植保無人機效率最高的基礎上，降低無人機集群作業(yè)的總能耗。目前，無人機集群協(xié)同路徑規(guī)劃常用的優(yōu)化目標有最小能耗、最優(yōu)路徑、最短補給次數(shù)、最短時間等。

2.3 自主避障技術

無人機自主避障技術指的是無人機本身能夠自主識別障礙物類型并完成指定避障動作的關鍵智能技術。對于植保作業(yè)而言，當田間作業(yè)環(huán)境光照不足或飛機與飛手之間的距離較遠時，若主要依靠人肉眼觀察判斷，作業(yè)受限因素多且危險性高，因此，實現(xiàn)障礙物的自主識別和實時避障已成為植保無人機智能化發(fā)展的重要組成之一[12]。

從避障技術方面的研究可以看出，根據(jù)采用的傳感器類型，目前應用在植保無人機的障礙物檢測技術主要分為視覺檢測技術（單目視覺和雙目視覺）、毫米波雷達檢測技術、超聲波雷達檢測技術、激光雷達檢測技術及多傳感器融合檢測技術等。

圖4 所示為激光雷達避障系統(tǒng)。植保無人機在飛行過程中，激光雷達傳感器負責采集植保無人機周圍環(huán)境信息，將所采集的環(huán)境數(shù)據(jù)以十六進制形式傳輸至中央控制系統(tǒng)。在中央控制系統(tǒng)內(nèi)，對數(shù)據(jù)進行分析和處理。接著，指令將被傳送至飛行控制系統(tǒng)，飛行控制系統(tǒng)將依據(jù)避障策略進行避障操作，將避障指令傳達至電機，以調整電機轉速，實施避障飛行。在已知環(huán)境情況下，任務規(guī)劃可在地面站完成，將信號傳輸至飛行控制系統(tǒng)，實現(xiàn)飛行。為規(guī)避無人機在任務執(zhí)行過程中受到不可控風險的影響，可添加遙控指令，以確保手動操作可用于無人機的降落或繼續(xù)任務。

圖4 各模塊關系示意圖

2.4 變量施藥技術

精準施藥過程包括3 個階段：①信息獲取階段，獲取噴施目標作物的生長信息及環(huán)境信息；②噴施優(yōu)化決策階段，對目標信息進行優(yōu)化分析，確定實現(xiàn)精準噴施和理想沉積效果所需要的噴霧輸出量和噴霧特征；③變量噴施實施階段，根據(jù)以上2 個階段給出的所需噴施量和噴施特征(如霧滴的速度和粒徑譜)，實施變量噴霧。

變量施藥技術根據(jù)病蟲害和雜草的程度實時調整施藥量，以達到精準和需求導向的施藥，包括GPS和變速流量控制系統(tǒng)。當前，國內(nèi)多位學者已經(jīng)研發(fā)出地面控制單元，通過無線數(shù)據(jù)傳輸模塊實現(xiàn)了對噴灑模塊的遠程壓力和流量控制，從而實現(xiàn)了無人機的變速噴灑調節(jié)。同時，通過算法的不斷優(yōu)化和系統(tǒng)的創(chuàng)新，結合神經(jīng)網(wǎng)絡預測模型，不斷改進植保無人機的變速施藥技術[13]。

3 發(fā)展趨勢

3.1 多機協(xié)同作業(yè)技術

為了彌補單機作業(yè)難以滿足人們對高效率生產(chǎn)的要求，多機協(xié)同作業(yè)技術在農(nóng)用無人機行業(yè)應運而生。多機協(xié)同作業(yè)，即在單機作業(yè)的基礎上，實現(xiàn)多架無人機智能聯(lián)網(wǎng)，需要各無人機之間能夠作為一個整體協(xié)調工作，有效覆蓋大面積區(qū)域并進行信息交互與協(xié)同作業(yè)，提高植保無人機的作業(yè)效率。

3.2 噴灑減漂技術

由于越來越多的農(nóng)田采用無人機進行管理，農(nóng)藥漂移對相鄰作物和其他敏感區(qū)域的潛在影響也在增加。無人機噴灑農(nóng)藥漂移模型為評估噴灑任務的潛在風險和潛在緩解方法提供了一個連貫的框架[14]。隨著測試中使用的設備和其他噴灑技術的不斷更新，植保無人機噴灑沉積和漂移的相互作用需要深度研究。

4 結 語

根據(jù)目前的植保作業(yè)實踐，植保無人機及其施藥技術在不受作物長勢和地勢限制、提高作業(yè)效率、節(jié)本增效等方面具有不可替代的優(yōu)勢，在我國取得了極大的進步和應用。為保證植保無人機的健康發(fā)展和推廣應用，需要深入研究多機協(xié)同作業(yè)與噴灑減漂技術，才能保證植保無人機飛行和植保作業(yè)的順利進行，助力精準農(nóng)業(yè)和智慧農(nóng)業(yè)，實現(xiàn)鄉(xiāng)村振興。