劉佳暉,祖家奎,陶德臣,李晨毓

(南京航空航天大學 自動化學院,南京 211106)

當前,為適應現(xiàn)代高效農(nóng)業(yè)的發(fā)展趨勢,農(nóng)業(yè)農(nóng)村部積極響應中央號召,正大力加快高標準農(nóng)田建設步伐,緊緊圍繞實施鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略,推動藏糧于地、藏糧于技,以提升糧食產(chǎn)能為首要目標.這預示著農(nóng)田分布將從零星散落向規(guī)整集中方向發(fā)展,農(nóng)業(yè)植保將面臨規(guī)模化作業(yè)需求,只有通過現(xiàn)代農(nóng)機裝備才能有效解決,這給以無人機為代表的航空植保創(chuàng)造了廣大的應用空間[1].無人直升機(unmanned aerial helicopter,UAH)因其大載荷、長續(xù)航時間、可懸停以及可隨時起降等特點,在農(nóng)業(yè)植保領(lǐng)域扮演著重要的角色,也將成為新型智能農(nóng)機裝備的發(fā)展方向.目前,UAH 以及旋翼無人機已經(jīng)廣泛應用于水稻、棉花、棗樹等農(nóng)作物的病蟲害防治工作,但究其“能噴”到“噴好”尚且有一個較長的過渡階段,其中依據(jù)航線的自動或自主飛行作業(yè)是提高農(nóng)業(yè)植保效率的有效途徑之一.

在之前的研究中[2-8],針對不規(guī)則形狀作業(yè)區(qū)域總結(jié)出三種常見的植保作業(yè)噴灑模式,并利用圖論學理論提出合理的掃描式航線規(guī)劃方法,分別從作業(yè)航向的選擇、作業(yè)航點收集、障礙物規(guī)避等角度規(guī)劃出合理的作業(yè)航線,使UAH 具有自主作業(yè)的能力.然而,當前的研究多是基于單作業(yè)區(qū)域下理想化的航線規(guī)劃開展設計的,考慮到UAH 在實際飛行存在飛行約束、任務約束和障礙物約束等復雜情況,需要對較大面積的規(guī)則矩形植保區(qū)域進行優(yōu)化分割,以保證UAH 植保過程的高效飛行,滿足實際作業(yè)需求,提供作業(yè)效率.

鑒于此,本文提出了一種基于“噴灑單元模塊”的植保航線分割方法,首先確定UAH的全覆蓋作業(yè)方式,然后根據(jù)無流量噴灑模式下無人機電量、油量、藥量等約束參數(shù),確定植保作業(yè)時最小的噴灑作業(yè)單元,利用最小模塊切割的思想對矩形農(nóng)田進行優(yōu)化分割,最終實現(xiàn)植保作業(yè)區(qū)域的全局規(guī)劃和作業(yè)航線的優(yōu)化設計.

1 最小噴灑單元

1.1 全覆蓋作業(yè)方式

在農(nóng)田環(huán)境參數(shù)已知的條件下,常規(guī)的無人機全覆蓋作業(yè)方式主要有“牛耕往復法”和“內(nèi)外螺旋線法”兩種[9-12].在實際飛行過程中,UAH 在頻繁的懸停轉(zhuǎn)彎和協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)彎中會因急停或急飛而帶來巨大的作業(yè)效率損耗,本文在全覆蓋作業(yè)的基礎(chǔ)上提出了兩種基于無流量飛行的作業(yè)方式,分別為“多次牛耕法”和“矩形平移法”.常規(guī)的植保作業(yè)優(yōu)劣的衡量標準主要從飛行效率和噴灑效率兩方面考量的[13,14],本文將圍繞返航點的選擇、轉(zhuǎn)彎次數(shù)、作業(yè)路程等指標對上述兩種衡量標準進行綜合分析,從而確定較優(yōu)的全覆蓋作業(yè)方式(如圖1所示),并根據(jù)無流量噴灑模式下無人機電量、油量、藥量等參數(shù)確定植保作業(yè)時的最小噴灑單元(minimum spray unit,MSU).

圖1 兩種全覆蓋作業(yè)方式

如圖1(a)所示,在矩形作業(yè)區(qū)域中,一般采用牛耕往復式作業(yè)方式,其作業(yè)路程Smcf和轉(zhuǎn)彎次數(shù)Tmcf分別為:

其中,L為作業(yè)區(qū)域橫向長度,W為作業(yè)區(qū)域縱向?qū)挾?L0為同向作業(yè)最大寬度,d為作業(yè)有效噴幅,ceil為向上取整函數(shù).

在矩形作業(yè)區(qū)域的沿橫向(長邊) 作業(yè)與沿縱向(短邊)相比中,作業(yè)路程和轉(zhuǎn)彎次數(shù)較優(yōu);當與作業(yè)方向垂直的區(qū)域長度不是噴幅的整數(shù)倍時,采用向右取整的方式,確保整個區(qū)域被全覆蓋.

如圖1(b)所示,沿橫向(長邊)作業(yè)與沿縱向(短邊)相比,作業(yè)路程Srtt和轉(zhuǎn)彎次數(shù)Trtt較優(yōu),分別為:

假定上述各式中參數(shù)保持一致,將多次牛耕法與矩形平移法的作業(yè)路程和轉(zhuǎn)彎次數(shù)進行比較,兩者作業(yè)路程Smcf與Srtt的差距較小,主要取決于L0與L的差值大小;而轉(zhuǎn)彎次數(shù)Tmcf與Trtt相比的數(shù)值差異較小.綜合返航點、轉(zhuǎn)彎次數(shù)以及實際噴灑效果等因素,宜采用“多次牛耕法”進行植保作業(yè)區(qū)域的全覆蓋航線設計.

1.2 設計思路

本文以DWK700 中型無人直升機為應用對象(如圖2所示),其實際有效載荷可達260 kg.當前,在新疆、黑龍江等地區(qū),農(nóng)作物的種植面積一般以百畝和千畝計數(shù),農(nóng)田灌溉系統(tǒng)以及田間管理較為完善,大載荷無人直升機有廣闊的應用前景.然而,由于燃油消耗以及藥量等因素的影響,單次作業(yè)很難完成大面積噴灑作業(yè)任務,如果采用斷點續(xù)飛對大片區(qū)域進行全覆蓋,其返航點的不確定性所帶來的無效飛行必然會導致大量的能源和時間損耗,造成實際作業(yè)飛行效率低.

圖2 DWK700 型植保無人直升機

針對大區(qū)域農(nóng)藥自動噴灑問題,本文提出最小噴灑單元的概念,其實質(zhì)是在無流量噴灑方式下,根據(jù)電量、油量、藥量等參數(shù)確定單次全速飛行任務,并針對返航點選擇合適的作業(yè)方式,進而推廣至整個區(qū)域作業(yè),從而實現(xiàn)時間和能源上的最優(yōu).

該方法的設計思想具體描述如下:

假定單次作業(yè)藥量載荷L為200 kg,續(xù)航時間T大于1 h,按5 m/s 速度飛行總距離約18 km,噴灑流量F為5 L/min,巡航飛行速度V為5 m/s,可得UAH 最大作業(yè)路程S=V×(L/F),即Smcf約為12 km.假定UAH轉(zhuǎn)彎速度為3°/s,則直角轉(zhuǎn)彎半徑R約為150 m,有效噴幅d約為5 m,根據(jù)式(1)可推出作業(yè)區(qū)域的長度L和寬度W、同向作業(yè)的最大寬度L0和次數(shù)N.通過定量的計算確定最小噴灑單元,為后續(xù)大區(qū)域分割提供依據(jù).

2 植保區(qū)域優(yōu)化分割

2.1 問題描述

植保區(qū)域優(yōu)化分割可分為兩個階段進行,第一階段是將不規(guī)則區(qū)域分割成規(guī)則矩形區(qū)域,第二階段是根據(jù)任務約束以及飛行約束將矩形區(qū)域分割成若干個子區(qū)域,然后利用有向連通圖理論依次連接各子區(qū)域,最終實現(xiàn)離線式全局規(guī)劃.目前,植保區(qū)域優(yōu)化分割大多處于第一階段,采用斷點續(xù)飛的噴灑策略對整個區(qū)域進行幾字形全覆蓋,未對返航點進行合理規(guī)劃,造成資源的浪費,因此本文提出基于最小噴灑單元的區(qū)域分割方法,旨在解決飛行任務和整體作業(yè)效益不確定性,給當前植保作業(yè)問題一種提供新的解決方案.

2.2 子區(qū)域劃分與遍歷

假定植保區(qū)域n為規(guī)則矩形,以低遺漏覆蓋率為標準,將目標區(qū)域n劃 分為若干個子區(qū)域集{n11,n21,···,n*}n*為自然數(shù),得到的各子區(qū)域都是獨立的MSU,未劃分區(qū)域可以使用旋翼機進行幾字形全覆蓋或使用地面機械逐一噴灑,具體劃分情況如圖3所示.

圖3 植保作業(yè)區(qū)域劃分示意圖

為了保證數(shù)據(jù)信號穩(wěn)定,UAH 中途補給點一般固定不動,假設該點位于區(qū)域n的左上角,此時子區(qū)域劃分就要考慮不斷變化的中途返航路程,以便UAH 確定單次任務實際載荷Ltotal(包括油量和藥量),其數(shù)學描述如式(5)和式(6)所示.

其中,Ltask為單次任務有效載荷,Fempty為單次任務空載飛行損耗,l0、l1為中途補給點到首次起飛點的橫、縱距離,n為子區(qū)域的個數(shù),w、l分別為子區(qū)域的縱向和橫向距離.

通過上述分析,利用向右、向下取整的思想盡可能地多劃分子區(qū)域,未規(guī)劃區(qū)域采用幾字形全覆蓋噴灑作業(yè),完成全局規(guī)劃.若是不規(guī)則區(qū)域,將不規(guī)則區(qū)域分割成規(guī)則矩形區(qū)域后,未規(guī)劃區(qū)域同樣可采用幾字形全覆蓋噴灑作業(yè),完成全局規(guī)劃.

3 仿真驗證

3.1 驗證方案

假設植保作業(yè)區(qū)域T(L·W,L為橫向長度,W為縱向長度),在同樣的初始條件(環(huán)境因素、飛機狀態(tài)、載荷情況等)下,分別采用基于斷點續(xù)飛的規(guī)劃方法和基于最小噴灑單元的規(guī)劃方法對目標區(qū)域進行全覆蓋作業(yè).

本次驗證平臺采用QT Creator/C++集成開發(fā)環(huán)境下自主研發(fā)的無人直升機地面監(jiān)測軟件,利用航線設計模塊繪制目標區(qū)域,根據(jù)作業(yè)指標設定仿真參數(shù),并將相關(guān)數(shù)據(jù)上傳至飛行控制系統(tǒng),進行半物理仿真驗證[15],仿真驗證環(huán)境如上圖4所示,航線規(guī)劃軟件操作界面如圖5所示.仿真結(jié)束后,統(tǒng)計作業(yè)過程中的飛行總距離、無效飛行距離、作業(yè)總時長以及能源消耗量等參數(shù),經(jīng)過對比分析,得出最終結(jié)論.

圖4 仿真環(huán)境整體框圖

圖5 航線規(guī)劃軟件操作界面

3.2 仿真結(jié)果

仿真驗證時,選定目標區(qū)域T的邊界點經(jīng)緯度坐標分別是(118.786,31.941)、(118.786,31.938)、(118.779,31.938)、(118.779,31.941),作業(yè)速度為5 m/s,有效噴幅為10 m,仿真兩種規(guī)劃方法下各指標參數(shù)的結(jié)果如表1所示.

表1 相同初始條件下不同規(guī)劃方法的仿真結(jié)果

經(jīng)過對比仿真實驗,測得兩種情況下UAH 中途返航點規(guī)劃情況如圖6所示,圖6(a)為基于斷點續(xù)飛的規(guī)劃方法,圖6(b)為基于基本噴灑單元的規(guī)劃方法.某時刻UAH 執(zhí)行基本噴灑單元任務情況,如圖7所示.根據(jù)實際仿真條件,這里采用矩形平移式植保作業(yè)模式構(gòu)建基本噴灑單元,UAH 從起降點出發(fā),以1 0 m/s的速度全速飛行,農(nóng)田短邊處轉(zhuǎn)彎不噴灑作業(yè).通過上述植保航線優(yōu)化方法的實現(xiàn)和仿真結(jié)果可以得出如下分析:在相同初始條件下,后者中飛機的返航次數(shù)較少,飛行總距離和無效飛行距離相差較小,主要原因是補給點固定,難以進行再優(yōu)化統(tǒng)籌安排.后者作業(yè)總時長相較于前者較短,無效能源損耗是前者的69.2%,大大降低了能源的浪費,提高了植保飛行效率.

圖6 不同方法作業(yè)航線飛行中途返航點規(guī)劃情況

圖7 作業(yè)航線飛行的仿真結(jié)果圖

4 結(jié)論

針對農(nóng)業(yè)植保區(qū)域的噴灑作業(yè)問題,本文提出一種基于最小噴灑單元的作業(yè)航線優(yōu)化分割方法,能夠有效提高植保作業(yè)的效率,給無人直升機航空植保提供合理解決思路.通過仿真驗證了該方法的有效性,具有一定的工程研究價值,主要得到以下結(jié)論:

(1)根據(jù)特定飛機的各方面性能得到基本噴灑單元的參數(shù),將大田塊劃分為若干MSU,能夠把握整個植保作業(yè)全過程,包括飛行時間、返航次數(shù)、藥量等;

(2)基于MSU 單元的植保區(qū)域優(yōu)化分割方法適用于未來高標準農(nóng)田的建設,具有一定的工程實踐價值.