徐維，白鵬飛，張禹，王明澤，張宇宙

（1.陜西內(nèi)府中飛機(jī)場管理有限公司，陜西 西安 710000；2.首都經(jīng)濟(jì)貿(mào)易大學(xué)，北京 100070；3.中國民航干部管理學(xué)院，北京 100102）

無人植保機(jī)是中國現(xiàn)代農(nóng)業(yè)、智慧農(nóng)業(yè)、未來農(nóng)業(yè)的重要組成部分，2021 年中央一號文件《中共中央國務(wù)院關(guān)于全面推進(jìn)鄉(xiāng)村振興加快農(nóng)業(yè)農(nóng)村現(xiàn)代化的意見》中，對無人植保機(jī)等新技術(shù)在共同富裕、鄉(xiāng)村振興領(lǐng)域提出了新的要求，要求在中國平原及廣袤農(nóng)業(yè)種植區(qū)域優(yōu)先使用一批先進(jìn)科技手段，助力中國農(nóng)業(yè)領(lǐng)域發(fā)展。無人植保機(jī)作為節(jié)省勞動資源的重要手段，可為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程提供高效、可靠、全流程的服務(wù)機(jī)制。

面對農(nóng)業(yè)噴灑領(lǐng)域的實際需求，以無人機(jī)平臺、地面終端、軟件平臺等系統(tǒng)設(shè)備為主體，創(chuàng)新突破無人機(jī)飛行模式、噴灑路線、地面控制等核心和前沿技術(shù)[2]，研發(fā)自主可控的無人植保設(shè)備系統(tǒng)，打造智能化地面控制終端，開發(fā)高效化飛行模式控制軟件，引領(lǐng)智慧農(nóng)業(yè)建設(shè)，全面助力鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的實現(xiàn)。

1 系統(tǒng)介紹

1.1 系統(tǒng)簡介

智能巡檢無人植保機(jī)系統(tǒng)為農(nóng)作物全生命周期監(jiān)控提供集智慧巡檢、任務(wù)上報、運行監(jiān)控、故障診斷于一體的智慧化服務(wù)。建立移動化、流程化的農(nóng)作物巡檢管理機(jī)制，提升農(nóng)作物巡檢管理水平；通過無人機(jī)智能巡檢，實現(xiàn)農(nóng)作物巡檢無人化；通過大數(shù)據(jù)分析，實現(xiàn)植保無人機(jī)設(shè)備故障監(jiān)測診斷；實時監(jiān)控生產(chǎn)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對多個農(nóng)作物站址的集中管控[3]。

該植保機(jī)采用創(chuàng)新性的機(jī)臂整體折疊方式，可以延長機(jī)臂結(jié)構(gòu)件使用壽命。獨特設(shè)計加長桿噴頭，增強(qiáng)藥物穿透性，一體式折彎腳架，機(jī)底配有防地雷達(dá)可根據(jù)地形實時改變高度，配備FPV（First Person View，第一人稱主視角按時）廣角攝像頭，可選配8 W LED 照明燈為夜晚作業(yè)提供安全保障。搭載專業(yè)定制植保飛控，可根據(jù)不同作業(yè)環(huán)境自由更換操作模式，滿足不同植保作業(yè)需求，標(biāo)配GPS（Global Positioning System，全球定位系統(tǒng)）、GLONASS（Global Navigation Satellite System，全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)）、BDS（BeiDou Navigation Satellite System，中國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)）三合一制式導(dǎo)航模塊，實現(xiàn)航向定位控制的更大冗余；配備7 km 數(shù)傳，防塵防水遙控器，采用FHSS（Frequency-Hopping Spread Spectrum，擴(kuò)頻技術(shù)），雙路冗余，雙天線、雙模塊設(shè)計抗干擾能力增強(qiáng)；最大化利用2.4 G 無線寬帶，支持藍(lán)牙、USB（Universal Serial Bus，通用串行總線）雙連接，內(nèi)置電池續(xù)航長達(dá)2 h，采用嵌入式金屬折疊支架，節(jié)省空間，提供SDK（Software Development Kit，軟件開發(fā)工具包）協(xié)議文檔，搭配移動端APP 調(diào)參軟件。

1.2 系統(tǒng)功能亮點

在已知某作業(yè)區(qū)域的地理位置信息條件下，能結(jié)合多機(jī)平臺特性和多種任務(wù)載荷能力，實時響應(yīng)系統(tǒng)任務(wù)指令（任務(wù)區(qū)域、目標(biāo)類型、任務(wù)時間等），自動規(guī)劃多機(jī)和載荷任務(wù)；能將系統(tǒng)任務(wù)自動分解為多機(jī)平臺和任務(wù)載荷任務(wù)；能自動規(guī)劃各平臺路線，優(yōu)化配置并避免沖突；遭遇突發(fā)情況時（任務(wù)變更、設(shè)備故障等），能重新進(jìn)行任務(wù)自動分配和路徑規(guī)劃；具備任務(wù)監(jiān)視能力；能實現(xiàn)實時檢測無人機(jī)起降環(huán)境；綜合考慮狀態(tài)、時間、氣象、地理等多因素約束條件下運維優(yōu)化決策，構(gòu)建智能巡檢決策與評價軟件。

無人機(jī)機(jī)身采用模塊化設(shè)計，機(jī)身可快速折疊，便于運輸，電池支持快速插拔，提高作業(yè)補(bǔ)給效率，可選配RTK（Real-Time Kinematic，實時動態(tài)）天線，支持雙天線抗磁干擾技術(shù)，保障飛行安全，植保機(jī)專用飛控，提供有AB點作業(yè)、手動、全自主3 種飛行模式。AB點作業(yè)模式下，分別記錄A、B點后，飛行器可延特定路線噴灑農(nóng)藥，用戶可設(shè)置作業(yè)行距、飛行器速度等；手動模式下，用戶手動開始與停止噴灑，隨時調(diào)節(jié)飛行速度；全自主模式下，利用打點器打點或飛行器打點，在作業(yè)區(qū)范圍做好標(biāo)記，APP 內(nèi)自動生成作業(yè)區(qū)域，設(shè)置好行間距與飛行速度，可一鍵起飛作業(yè)。具備作業(yè)恢復(fù)功能，全自主與AB點作業(yè)時，若中途退出，飛行器可記錄中斷坐標(biāo)點，并在規(guī)定時間內(nèi)再次進(jìn)入該點繼續(xù)作業(yè)。配備防地雷達(dá)，不受環(huán)境光與塵土的影響，在任何模式下隨時啟用，實現(xiàn)地形跟隨。

在進(jìn)行無人機(jī)任務(wù)規(guī)劃時，對自然氣象的觀測、預(yù)報、預(yù)警和防御方面是十分有必要的。利用氣象環(huán)境檢測設(shè)備實現(xiàn)對氣象要素信息的實時獲取，能夠檢測溫度、濕度、含水量、經(jīng)度、緯度、高度、水平風(fēng)速、垂直風(fēng)速等氣象要素。該系統(tǒng)通過LoRA（Long Range Radio，遠(yuǎn)距離無線電）技術(shù)進(jìn)行連接，并可內(nèi)置北斗/GPS 模塊，使設(shè)備具有定位與數(shù)據(jù)傳輸功能，實現(xiàn)氣象數(shù)據(jù)的獲取、處理、標(biāo)記、儲存、傳輸這一系列過程。

地面氣象設(shè)備搭載各種傳感器可以實時采集溫度、濕度、高度、水平風(fēng)速、垂直風(fēng)速數(shù)據(jù)，采集的各種數(shù)據(jù)可通過無線傳輸技術(shù)傳輸回地面控制端，地面控制端可及時地存儲并分析數(shù)據(jù)。在信號薄弱的情況下，可以通過北斗短報文系統(tǒng)向北斗衛(wèi)星反饋信息，并由北斗衛(wèi)星向地面控制端發(fā)送氣象數(shù)據(jù)。

2 航線規(guī)劃作業(yè)及飛行模式介紹

2.1 航線規(guī)劃作業(yè)

該無人植保機(jī)系統(tǒng)可根據(jù)作業(yè)實際需求，進(jìn)行本地航線和在線航線的選擇，本地航線是保存在地面控制端的本地航線，在線航線是保存在云系統(tǒng)的航線。同時，該植保機(jī)系統(tǒng)還具備地圖選點、飛行器選點、打點器選點等功能，可針對作業(yè)需求進(jìn)行靈活配置。在作業(yè)規(guī)劃界面，可進(jìn)行間距調(diào)整、角度調(diào)整、作業(yè)邊距調(diào)整、障礙邊距調(diào)整、航線保存、航線上傳等操作。該無人植保機(jī)系統(tǒng)還具備全自主飛行避障系統(tǒng)，可實時感知空中交通態(tài)勢，根據(jù)避障算法，靈活規(guī)劃航路[4]。

2.2 飛行模式

該植保機(jī)系統(tǒng)根據(jù)操作人員的能力及意愿配置了多套飛行模式，可選的飛行模式包括姿態(tài)-增穩(wěn)模式、手動作業(yè)、AB點作業(yè)模式、航線作業(yè)模式、自動返航模式等。

2.2.1 姿態(tài)-增穩(wěn)模式

姿態(tài)-增穩(wěn)模式適用于回中遙控器用戶，飛行過程中有IMU（Inertial Measurement Unit，慣性測量單元）、GPS、磁羅盤與氣壓計參與工作。姿態(tài)模式可以根據(jù)GPS 信號自動切換控制方式，沒有GPS 或信號不好時，使用定高飛行；GPS 信號良好時，則可以定點定高飛行。

2.2.2AB點作業(yè)模式

AB點作業(yè)模式即AB點執(zhí)行模式，可高效快捷地適用于植保作業(yè)，通過用戶設(shè)置的A、B點進(jìn)行U 形作業(yè)，作業(yè)示意圖如圖1 所示。

圖1 AB 點作業(yè)模式示意圖

2.2.3 航線作業(yè)模式

用戶可通過移動端APP 作業(yè)系統(tǒng)進(jìn)行農(nóng)田測量、航點設(shè)置等，移動端APP 可根據(jù)感知數(shù)據(jù)計算并生成最佳航線，實現(xiàn)對作業(yè)的智能規(guī)劃；規(guī)劃完成后，飛行器將進(jìn)入航線作業(yè)模式按照航線自動執(zhí)行作業(yè)。飛行器具備作業(yè)恢復(fù)的功能，可以使用雷達(dá)模塊進(jìn)行定高、避障及自動繞障。用戶可在移動端APP 界面實時調(diào)節(jié)噴灑用量、飛行速度等。該模式適合用于大面積區(qū)域作業(yè)中。

2.2.4 自動返航模式

自動返航模式為長距離飛行與失控保護(hù)提供了安全保證，在每次飛行前且定位精度達(dá)到要求后，用戶解鎖無人機(jī)，飛行器會自動記錄當(dāng)前起始點位置作為返航點，當(dāng)植保機(jī)失控或通信失效時進(jìn)入自動返航模式。

3 多源協(xié)同任務(wù)規(guī)劃平臺

無人機(jī)編組集成模塊主要負(fù)責(zé)無人機(jī)平臺與任務(wù)載荷的集成工作，能通過控制器控制無人機(jī)飛行和載荷執(zhí)行任務(wù)，能在控制器或地面顯控臺顯示無人機(jī)平臺、載荷狀態(tài)和視頻，每套系統(tǒng)分別包含無人機(jī)平臺（數(shù)傳圖傳、導(dǎo)航定位等）、任務(wù)載荷、控制器、地面顯控臺，并可按照多無人機(jī)承載車輛的要求進(jìn)行無人機(jī)的運輸和放飛任務(wù)，模塊架構(gòu)如圖2 所示。

圖2 無人機(jī)平臺與任務(wù)載荷集成示意圖

該模塊由地面站和軟件組成地面站系統(tǒng)支持一站控多機(jī)，具有完善的多機(jī)管理機(jī)制，多架無人機(jī)狀態(tài)信息及控制無縫切換，支持MCS（Modulation and Coding Scheme，調(diào)制與編碼策略）權(quán)限管理，用戶可基于MCS 協(xié)議進(jìn)行上層應(yīng)用開發(fā)?？蛇M(jìn)入細(xì)致的多機(jī)用戶交互界面，飛行操作界面一目了然，支持一鍵自主起降，全自主作業(yè)，可自由選擇關(guān)鍵信息顯示，拋去煩瑣復(fù)雜的界面，更加專注于飛行。多機(jī)測繪航線一鍵生成，多架飛機(jī)同時作業(yè)，效率倍增。支持差分基站數(shù)據(jù)廣播，多架無人機(jī)僅需通過1 臺差分基站數(shù)據(jù)即可實現(xiàn)高精度作業(yè)。優(yōu)化多機(jī)應(yīng)急切換控制策略，輔助搖桿可快速切換至任意無人機(jī)控制，保障飛行安全。

地面控制端在無人植保機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成中發(fā)揮著重要的角色，能夠在數(shù)據(jù)傳輸、無人機(jī)精準(zhǔn)定位、飛行控制等方面發(fā)揮重要的作用。

本系統(tǒng)的地面控制端系統(tǒng)具有以下功能與特點：①雙天線雙模塊冗余設(shè)計，配合通訊算法，極大增強(qiáng)了信號的通訊能力；FHSS 擴(kuò)頻技術(shù)，全角度增益天線，通信距離內(nèi)完成飛行器的各種操作和配置。②集成數(shù)字視頻傳輸功能，可實現(xiàn)SD 分辨率下最遠(yuǎn)20 km 傳輸。③內(nèi)部集成數(shù)傳電臺，可實現(xiàn)最遠(yuǎn)30 km 傳輸。④支持USB 連接方式，同時支持S.BUS（Serial Bus，串行總線）、PPM（Pulse Position Modulation，脈沖位置調(diào)制，又稱脈位調(diào)制）、PWM（Pulse Width Modulation，脈寬調(diào)制）、串口等多種接口，并支持設(shè)備擴(kuò)展。⑤通過OTG（On-The-Go，電子設(shè)備數(shù)據(jù)交換技術(shù)）連接APP，切換MODE（模式），調(diào)整正反向、舵量、通道綁定、失控保護(hù)值、S.BUS、PPM 輸出和數(shù)傳波特率等數(shù)據(jù)，提供各參數(shù)的保存和載入功能。⑥高集成度數(shù)、圖、控三合一鏈路，超小體積，采用鋁合金嵌入式折疊支架，結(jié)實穩(wěn)固，夾口360°任意旋轉(zhuǎn)，2 節(jié)支桿180°任意調(diào)節(jié)。⑦基于1 920×1 080分辨率顯示屏開發(fā)顯控界面，具備上下屏顯示功能，上屏顯示任務(wù)狀態(tài)和載荷視頻等信息，下屏基于三維地圖對各無人機(jī)和載荷進(jìn)行任務(wù)分配和規(guī)劃。⑧無人機(jī)任務(wù)規(guī)劃和控制功能，可基于三維數(shù)字地圖開發(fā)多無人機(jī)控制界面，能同時控制6 架無人機(jī)，控制參數(shù)包括飛行路線、飛行姿態(tài)（包括懸停）等。⑨載荷控制功能，可根據(jù)任務(wù)規(guī)劃結(jié)果，向各任務(wù)載荷包括三光載荷、光譜載荷、透窗載荷、穿墻探測載荷、電子探測載荷發(fā)送指令。⑩狀態(tài)和數(shù)據(jù)顯示功能，能顯示無人機(jī)平臺狀態(tài)和飛行數(shù)據(jù)，并顯示各類載荷圖像和回傳的目標(biāo)數(shù)據(jù)，且能根據(jù)無人機(jī)飛行參數(shù)和任務(wù)載荷的性能（覆蓋范圍）等估算出完成指定區(qū)域的任務(wù)時間。?具備控制權(quán)轉(zhuǎn)移功能，可將控制權(quán)由集中控制方式（通過多頻譜無人機(jī)編組任務(wù)規(guī)劃控制軟件同時控制多架無人機(jī)）切換為單無人機(jī)控制模式，由各無人機(jī)的控制器對單個無人機(jī)進(jìn)行操控。

4 結(jié)束語

本文詳細(xì)介紹了關(guān)于一種智能巡檢無人植保機(jī)系統(tǒng)的研究，重點對系統(tǒng)組成、飛行模式、多源協(xié)同任務(wù)規(guī)劃平臺等進(jìn)行詳細(xì)介紹。在未來的發(fā)展中，無人植保機(jī)將進(jìn)一步與互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能等現(xiàn)代信息技術(shù)與農(nóng)業(yè)進(jìn)行深度融合。無人植保機(jī)將進(jìn)一步向智慧農(nóng)業(yè)中的信息感知、定量決策、智能控制、精準(zhǔn)投入、個性化服務(wù)等方面發(fā)展，進(jìn)一步推動中國農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)的數(shù)字化、智能化、生態(tài)化進(jìn)程，推進(jìn)中國智慧農(nóng)業(yè)戰(zhàn)略的快速實現(xiàn)[5]。