王汝毅，王秀娟，高 磊，岳 訓(xùn)

（山東農(nóng)業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，山東泰安 271018）

0 引言

針對(duì)中國(guó)各地特色高端果樹(shù)種質(zhì)資源，目前面臨的關(guān)鍵技術(shù)是如何通過(guò)規(guī)?；?biāo)準(zhǔn)化篩選與鑒定，精準(zhǔn)培育“一增兩減”（增產(chǎn)提質(zhì)、減投提效、減損促穩(wěn)）的優(yōu)異品種[1]。眾所周知，果樹(shù)花期間授粉是提升果樹(shù)坐果率和果實(shí)品質(zhì)的必經(jīng)之路，目前常規(guī)授粉主要以自然風(fēng)和蜜蜂昆蟲(chóng)為傳粉媒介[2]。為了保證果園產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益，人工輔助授粉技術(shù)（人工點(diǎn)授、電動(dòng)授粉和雄樹(shù)機(jī)械吹風(fēng)授粉等方式）一直以來(lái)被普遍采用提高授粉受精的質(zhì)量[3-4]。近年來(lái)，隨著勞動(dòng)適齡人口老齡化等原因，導(dǎo)致人工輔助授粉人工費(fèi)用成本占總成本比重高達(dá)60%[5]，人工輔助授粉技術(shù)面臨授粉勞動(dòng)強(qiáng)度大、作業(yè)效率低和缺乏數(shù)字化精準(zhǔn)管理等問(wèn)題。

多旋翼授粉無(wú)人機(jī)(Multiple Unmanned Aerial Vehicles：Multi-UAVs)通過(guò)定高定速、軌跡記錄、斷點(diǎn)記憶等功能，既可以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)高效作業(yè)，又降低操控人員的勞動(dòng)強(qiáng)度[6-9]。針對(duì)面向低空空域飛行需求，多旋翼授粉無(wú)人機(jī)在果樹(shù)定量精準(zhǔn)授粉技術(shù)具有明顯優(yōu)勢(shì)[10]。由于果樹(shù)通常是種在丘陵、山地、淺丘地帶或是在陡峭山坡的地理特點(diǎn)，多旋翼授粉無(wú)人機(jī)作業(yè)飛行時(shí)機(jī)體周圍的氣流強(qiáng)度較大，低空作業(yè)過(guò)程中花粉液受周圍氣場(chǎng)影響嚴(yán)重，漂移現(xiàn)象明顯，同一高度作業(yè)會(huì)導(dǎo)致不同區(qū)域間花粉液均勻性差的問(wèn)題[11-12]。為此，已有研究團(tuán)隊(duì)學(xué)者提出了基于多旋翼授粉無(wú)人機(jī)的液體授粉技術(shù)，通過(guò)對(duì)比了多旋翼授粉無(wú)人機(jī)和背負(fù)式噴霧器在梨樹(shù)冠層內(nèi)沉積霧滴的粒徑和覆蓋結(jié)果，實(shí)驗(yàn)對(duì)比表明了多旋翼授粉無(wú)人機(jī)噴霧授粉的花序和花朵坐果率仍不理想[13-15]。因此，為了達(dá)到具有噴施授粉均勻、精度高、節(jié)約花粉等特點(diǎn)，多旋翼授粉無(wú)人機(jī)精準(zhǔn)授粉需要智能導(dǎo)航控制新理論和新方法。本文研究團(tuán)隊(duì)在植物生長(zhǎng)大數(shù)據(jù)采集監(jiān)控技術(shù)，引領(lǐng)式多旋翼無(wú)人機(jī)集群控制技術(shù)的已有基礎(chǔ)上[16-19]，給出了花粉精準(zhǔn)噴灑作業(yè)的多旋翼授粉無(wú)人機(jī)的集群實(shí)施策略，在無(wú)人機(jī)集群編隊(duì)目標(biāo)位置分配、回避碰撞和集群隊(duì)列區(qū)域路徑規(guī)劃等核心技術(shù)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了多旋翼授粉無(wú)人機(jī)的自動(dòng)作業(yè)航跡規(guī)劃控制技術(shù)。為建立“實(shí)時(shí)感知、智能控制、精準(zhǔn)作業(yè)、智慧服務(wù)”的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)設(shè)施農(nóng)業(yè)精準(zhǔn)化種植關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用，提供超前一步的理論探索和可行性應(yīng)用方案。

1 多旋翼授粉無(wú)人機(jī)自動(dòng)作業(yè)的前期技術(shù)準(zhǔn)備

1.1 授粉果園作業(yè)參數(shù)

包括果園空間生長(zhǎng)環(huán)境區(qū)間（作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)氣象條件和周圍有無(wú)干擾情況的調(diào)查）、精準(zhǔn)授粉果樹(shù)自動(dòng)作業(yè)控制作業(yè)參數(shù)。

1.2 授粉作業(yè)前的多旋翼授粉無(wú)人機(jī)技術(shù)準(zhǔn)備

檢查無(wú)人機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)情況和多旋翼授粉無(wú)人機(jī)單元的電池能量?jī)?chǔ)備。多旋翼授粉無(wú)人機(jī)電池容量小，需要頻繁起降更換電池，以載重10 L的多旋翼授粉無(wú)人機(jī)為例，單架次最少2塊電池組，作業(yè)面積1:1（10 L:0.67 hm2），13.34 hm2作業(yè)需要飛行20次，使用（充滿電的）電池40塊，單次作業(yè)時(shí)間10 min。

1.3 選定果樹(shù)精準(zhǔn)授粉父本花藥組合

果樹(shù)具有“花粉直感”特性，即授粉品種的花粉決定果實(shí)的特征。由于果糖的種類、含量及比率影響果實(shí)風(fēng)味和營(yíng)養(yǎng)成分，是決定果實(shí)品質(zhì)和商品價(jià)值的重要因素。為此，根據(jù)母本品種花期特點(diǎn)、授粉親合性和花粉直感效應(yīng)等，需要適宜授粉品種父本（早熟品種、中熟品種和晚熟品種）花粉的組合。

1.4 果樹(shù)授粉父本花藥的商業(yè)化儲(chǔ)備

由于多旋翼授粉無(wú)人機(jī)自動(dòng)作業(yè)的父本花粉需求量較大，為此，果樹(shù)授粉父本花藥的存儲(chǔ)技術(shù)是重要技術(shù)之一。果樹(shù)花粉儲(chǔ)備技術(shù)，首先選擇適宜的授粉品種，采集含苞待放的品種花蕾鈴鐺期的花粉花藥，在20～26℃溫度環(huán)境下晾干花藥，將花粉過(guò)篩，除去花瓣、花藥殼等雜物，再將花粉和淀粉按照1:8或1:10的比例配好，攪拌均勻，裝入花粉罐內(nèi)儲(chǔ)備[20]。同時(shí)，超低溫保存技術(shù)是花粉進(jìn)行長(zhǎng)期保存的有效方式，實(shí)驗(yàn)證明，新采摘新鮮花粉與低溫保存花粉對(duì)照無(wú)顯著差異，表明超低溫保存花粉有實(shí)現(xiàn)“永久”的潛力。高端果樹(shù)超低溫保存的花粉為6年以上，形成商品花粉儲(chǔ)備、銷售產(chǎn)業(yè)鏈[20]。

1.5 無(wú)人機(jī)靜電噴霧技術(shù)

多旋翼授粉無(wú)人機(jī)除了普通無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)之外，還多了噴施組件，實(shí)現(xiàn)噴灑作業(yè)。果樹(shù)的花粉不同于楊樹(shù)、柳樹(shù)花粉，其花粉粒較大。噴施組件由藥箱、水泵、軟管、噴頭等組成，水泵將花粉從藥箱中吸出并通過(guò)噴頭噴出，再利用螺旋槳旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的向下的風(fēng)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)穿透性的噴施效果。靜電噴霧技術(shù)可有效提高花粉霧滴沉積效果[21]。

1.6 靜止霧化噴灑花粉精準(zhǔn)作業(yè)點(diǎn)

為了實(shí)現(xiàn)噴施授粉均勻、精度高、節(jié)約花粉等特點(diǎn)，如圖1所示，多旋翼授粉無(wú)人機(jī)的自動(dòng)作業(yè)控制參數(shù)如下：x是果樹(shù)樹(shù)冠頂端與地面之間的距離；y是果樹(shù)樹(shù)枝最低端與地面之間的距離；z是果樹(shù)樹(shù)冠的最大覆蓋區(qū)域半徑；n是圍繞果樹(shù)一周所需的精準(zhǔn)靜止霧化噴灑花粉作業(yè)點(diǎn)的數(shù)量；m是果樹(shù)樹(shù)冠頂端與果樹(shù)樹(shù)枝最低端的層數(shù)。

圖1 多旋翼授粉無(wú)人機(jī)的自動(dòng)作業(yè)參數(shù)設(shè)置

如圖1所示，需要依照果樹(shù)生長(zhǎng)環(huán)境，合理選取多旋翼授粉無(wú)人機(jī)的噴灑花粉作業(yè)點(diǎn)方案。同時(shí)，在實(shí)際授粉作業(yè)時(shí)，精準(zhǔn)靜止霧化噴灑花粉作業(yè)點(diǎn)之間由此到彼的作業(yè)航跡軌跡，共同組成了多旋翼授粉無(wú)人機(jī)自動(dòng)作業(yè)系統(tǒng)內(nèi)在的自組織的動(dòng)態(tài)演化全局模式。

2 單機(jī)多旋翼授粉無(wú)人機(jī)的實(shí)施分析

采用大疆植保無(wú)人機(jī)T16，初步驗(yàn)證多旋翼授粉無(wú)人機(jī)在果樹(shù)冠層內(nèi)的授粉覆蓋效果。該產(chǎn)品配備六軸動(dòng)力系統(tǒng)，噴施系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)載荷達(dá)16 L，噴幅提升至6.5 m成[22-23]。果園試驗(yàn)在山東農(nóng)業(yè)大學(xué)科教站園試驗(yàn)站開(kāi)展，試驗(yàn)于2020年3月下旬進(jìn)行，試驗(yàn)蘋果園樹(shù)行間距為8 m，株距為4 m，樹(shù)體株高約4 m，頂部冠幅約6 m。

多旋翼授粉無(wú)人機(jī)的噴粉配懸浮液，按照水5 kg、蔗糖250 g、尿素15 g的比例配成營(yíng)養(yǎng)液。噴霧前，每50 kg營(yíng)養(yǎng)液中加入30 g花粉和50～150 g(0.1%～0.3%)硼砂。注意：一定要在臨噴前再加入花粉和硼砂，并用2～3層紗布濾出雜質(zhì)。多旋翼授粉無(wú)人機(jī)將花粉從藥箱中吸出并通過(guò)噴頭噴出，再利用螺旋槳旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的向下的風(fēng)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)穿透性的噴施效果。T16噴灑系統(tǒng)雖然配備4個(gè)液泵及8個(gè)噴頭，由于果樹(shù)通常是種在丘陵、山地、淺丘地帶或是在陡峭山坡的地理特點(diǎn)，在實(shí)際作業(yè)中，多旋翼授粉無(wú)人機(jī)作業(yè)只開(kāi)啟使用一定數(shù)量的噴頭。

影響多旋翼授粉無(wú)人機(jī)在果樹(shù)冠層內(nèi)覆蓋效果的噴霧參數(shù)因素眾多，包括作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)氣象條件、噴灑系統(tǒng)使用的噴頭數(shù)量、噴灑流量、噴灑傾角和多旋翼授粉無(wú)人機(jī)距離果樹(shù)冠層高度等。從生產(chǎn)實(shí)際角度，多旋翼授粉無(wú)人機(jī)在果樹(shù)冠層噴霧授粉效果，應(yīng)由最終的果樹(shù)花序和花朵坐果率決定。在果樹(shù)上懸掛單位面積（平方厘米）的泡沫布樣點(diǎn)，待噴霧授粉完成且充分干燥后，將泡沫布樣點(diǎn)放入干燥信封保存并帶回實(shí)驗(yàn)室使用掃描儀下進(jìn)行灰度掃描，通過(guò)軟件對(duì)泡沫布樣點(diǎn)統(tǒng)計(jì)花粉數(shù)量、密度和覆蓋率，模擬多旋翼授粉無(wú)人機(jī)在果樹(shù)冠層內(nèi)覆蓋效果。

使用多旋翼授粉無(wú)人機(jī)噴霧授粉時(shí)，多旋翼授粉無(wú)人機(jī)靜止霧化噴灑花粉作業(yè)點(diǎn)的位置的選取，決定著果樹(shù)上、下層花粉覆蓋率差異明顯。T16噴灑系統(tǒng)搭載了全新電磁流量計(jì)，帶來(lái)傳統(tǒng)流量計(jì)無(wú)可比擬的高精度及高穩(wěn)定性。如圖2所示，本研究著重于多旋翼授粉無(wú)人機(jī)噴霧授粉覆蓋效果與噴灑系統(tǒng)使用的噴頭噴霧量、噴灑傾角的關(guān)系。

圖2 多旋翼授粉無(wú)人機(jī)噴霧授粉覆蓋效果與噴頭噴霧量和噴灑傾角的相關(guān)性

實(shí)際驗(yàn)證中，多旋翼授粉無(wú)人機(jī)距離果樹(shù)冠層高度約2 m，取3個(gè)不同噴灑流量（分別編號(hào)為a-2.4 L/min、b-3.6 L/min和c-4.8 L/min），噴灑傾角依次設(shè)定，統(tǒng)計(jì)單位面積泡沫上的花粉數(shù)量密度（個(gè)/m2）。試驗(yàn)結(jié)果初步表明，多旋翼授粉無(wú)人機(jī)噴霧授粉覆蓋效果與噴灑系統(tǒng)使用的噴頭噴霧量關(guān)呈正相關(guān)性，多旋翼授粉無(wú)人機(jī)噴灑傾角為40°，多旋翼授粉無(wú)人機(jī)的單位面積噴霧量越高，其授粉效果越好，覆蓋效果影響顯著。但是，多旋翼授粉無(wú)人機(jī)作業(yè)飛行時(shí)機(jī)體周圍的氣流強(qiáng)度較大，低空作業(yè)過(guò)程中花粉液受周圍氣場(chǎng)影響嚴(yán)重，漂移現(xiàn)象明顯。單機(jī)多旋翼授粉無(wú)人機(jī)的實(shí)施效果，存在著在不同區(qū)域間花粉均勻性差的問(wèn)題。

3 多單元多旋翼授粉無(wú)人機(jī)集群自動(dòng)作業(yè)

3.1 多旋翼授粉無(wú)人機(jī)集群作業(yè)流程

大疆六旋翼式植保無(wú)人機(jī)(T16)為了提升作業(yè)效率，支持一個(gè)遙控器控制5架T16同時(shí)作業(yè)。同時(shí)T16結(jié)合PC地面站可對(duì)作業(yè)區(qū)域進(jìn)行三維建模及AI果樹(shù)識(shí)別，根據(jù)果樹(shù)分布及高度進(jìn)行三維航線規(guī)劃作業(yè)。為了提高多旋翼授粉無(wú)人機(jī)授粉質(zhì)量和作業(yè)效率，達(dá)到具有噴施授粉均勻、精度高、節(jié)約花粉等特點(diǎn)，如圖3所示，多單元多旋翼授粉無(wú)人機(jī)集群自動(dòng)作業(yè)方案如下。

圖3 多單元多旋翼授粉無(wú)人機(jī)集群的自動(dòng)作業(yè)流程圖

3.2 集群作業(yè)算法描述

首先考慮多旋翼授粉無(wú)人機(jī)自動(dòng)作業(yè)目標(biāo)位置分配、路徑規(guī)劃、避撞、姿態(tài)軌跡跟蹤控制等多個(gè)技術(shù)問(wèn)題的前提下[24]，并且假設(shè)通信信道帶寬內(nèi)連續(xù)交換信息的理想狀態(tài)基礎(chǔ)上，多旋翼授粉無(wú)人機(jī)集群的自動(dòng)作業(yè)控制算法流程圖如下：

多旋翼授粉無(wú)人機(jī)集群的自動(dòng)作業(yè)算法：

（1）多旋翼授粉無(wú)人機(jī)初始位置。

（2）依照果樹(shù)母本，適宜專用授粉品種不同品種父本花粉的組合。例如，以‘長(zhǎng)富2號(hào)’紅富士蘋果為母本，父本授粉品種果實(shí)的綜合品質(zhì)由高到低的排序?yàn)檠┣?、美紅、火焰、紅星、道格、全家紅、絢麗、荷紅、粉芽。將準(zhǔn)備好的花粉液（15 kg水+10 g花粉+30 g硼砂+500 g白糖）裝入補(bǔ)充授粉父本花藥。

（3）3臺(tái)多旋翼授粉無(wú)人機(jī)單元的一字長(zhǎng)蛇陣引領(lǐng)式集群隊(duì)形，進(jìn)行電池能量補(bǔ)充和授粉父本花藥。

（4）設(shè)置多旋翼授粉無(wú)人機(jī)的自動(dòng)作業(yè)參數(shù)，確定精準(zhǔn)靜止霧化噴灑花粉作業(yè)點(diǎn)，自動(dòng)生成航線。

（5）目標(biāo)位置分配、路徑規(guī)劃、避撞條件、姿態(tài)軌跡跟蹤控制，無(wú)人機(jī)集群起飛開(kāi)始。

（6）針對(duì)精準(zhǔn)靜止霧化噴灑花粉作業(yè)點(diǎn)，多旋翼授粉無(wú)人機(jī)集群隊(duì)形動(dòng)態(tài)調(diào)整為小隊(duì)形，控制移動(dòng)方向和移動(dòng)速度，達(dá)到多旋翼授粉無(wú)人機(jī)的精準(zhǔn)靜止霧化噴灑花粉作業(yè)點(diǎn)。

（7）實(shí)施完成各自的精準(zhǔn)靜止霧化噴灑花粉作業(yè)。

（8）作業(yè)狀態(tài)監(jiān)測(cè)（花粉數(shù)量、電量不足、授粉任務(wù)完成）后，再次返回初始操作位置，進(jìn)行電池能量補(bǔ)充和授粉父本花藥，準(zhǔn)備下一次任務(wù)。

3.3 多旋翼授粉無(wú)人機(jī)集群的自動(dòng)作業(yè)虛擬仿真結(jié)果

在Matlab環(huán)境下，多旋翼授粉無(wú)人機(jī)精準(zhǔn)授粉綜合虛擬仿真如圖4所示。（a）3單元多旋翼授粉無(wú)人機(jī)初始位置，電池能量補(bǔ)充和授粉父本花藥；（b）依照自動(dòng)作業(yè)參數(shù)，自動(dòng)生成精準(zhǔn)靜止霧化噴灑花粉作業(yè)點(diǎn)航線，無(wú)人機(jī)集群起飛開(kāi)始；（c）集群隊(duì)形動(dòng)態(tài)調(diào)整為小隊(duì)形，到達(dá)精準(zhǔn)靜止霧化噴灑花粉作業(yè)點(diǎn)；（d）完成各自的精準(zhǔn)靜止霧化噴灑花粉作業(yè)。

圖4 多旋翼授粉無(wú)人機(jī)的自動(dòng)作業(yè)的切換軌跡圖

多旋翼授粉無(wú)人機(jī)精準(zhǔn)授粉仿真算法的時(shí)效性，需要依照果樹(shù)花期經(jīng)濟(jì)果樹(shù)生長(zhǎng)環(huán)境區(qū)間和授粉作業(yè)對(duì)象數(shù)量，選取合理方案。

4 討論與結(jié)論

人工輔助蘸花、電動(dòng)授粉器和雄樹(shù)機(jī)械吹風(fēng)等人工授粉配套技術(shù)，已成為提升坐果率和果實(shí)品質(zhì)的關(guān)鍵技術(shù)。隨著果園勞動(dòng)適齡人口老齡化，導(dǎo)致人工輔助授粉人工費(fèi)用成本占總成本比重高達(dá)60%～70%[5]。為了提升人工輔助授粉勞動(dòng)效率，已有研究團(tuán)隊(duì)學(xué)者提出了基于多旋翼授粉無(wú)人機(jī)的液體授粉技術(shù)，但是，單個(gè)多旋翼授粉無(wú)人機(jī)作業(yè)面臨花粉液均勻性差的問(wèn)題。本研究提出了多旋翼授粉無(wú)人機(jī)精準(zhǔn)授粉的集群策略，力求達(dá)到具有噴施授粉均勻、精度高、節(jié)約花粉等目標(biāo)。本文在Matlab環(huán)境下，實(shí)現(xiàn)了無(wú)人機(jī)集群編隊(duì)目標(biāo)位置分配、回避碰撞和集群隊(duì)列區(qū)域路徑規(guī)劃等多旋翼授粉無(wú)人機(jī)集群虛擬仿真核心技術(shù)，在下一步實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，將面臨著無(wú)人機(jī)裝備相關(guān)的平臺(tái)技術(shù)、傳感器技術(shù)、通信指揮控制技術(shù)等需要克服的困難技術(shù)。

針對(duì)目前尚無(wú)專業(yè)的多旋翼授粉無(wú)人機(jī)，本文工作采用多旋翼式植保無(wú)人機(jī)，初步驗(yàn)證多旋翼授粉無(wú)人機(jī)在果樹(shù)冠層內(nèi)的授粉效果。從仿真試驗(yàn)結(jié)果可以看出，對(duì)于環(huán)境更為復(fù)雜的實(shí)際授粉作業(yè)環(huán)境，由于果樹(shù)種植環(huán)境的地理特異性，需要合理選取多旋翼授粉無(wú)人機(jī)的噴灑花粉作業(yè)方案。故對(duì)于算法的設(shè)計(jì)還需要進(jìn)一步研究，使其具有更好的適應(yīng)能力。本文提出的多旋翼授粉無(wú)人機(jī)集群技術(shù)，將為構(gòu)建智慧農(nóng)業(yè)生態(tài)無(wú)人農(nóng)場(chǎng)的精準(zhǔn)化種植，提供了超前一步的輔助授粉理論探索和可行性應(yīng)用方案。