沈朝萍，李繼偉，朱莉凱

（江蘇航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212134）

0 引 言

丘陵山地占據(jù)我國(guó)土地面積的70%左右，具有地形起伏多變、地勢(shì)落差大、田塊碎小等特點(diǎn)，地面植保機(jī)難以在丘陵山地內(nèi)無(wú)障礙通行，推廣應(yīng)用受限，導(dǎo)致丘陵山地農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平低。植保無(wú)人機(jī)作為一種新型植保方式，具有速度快、效率高、靈活適應(yīng)各種地形等特點(diǎn)，可以完成對(duì)農(nóng)作物的自動(dòng)化噴灑，有效解決不同作物長(zhǎng)勢(shì)、水田和丘陵山地的植保難題，節(jié)省植保過(guò)程中的能耗和農(nóng)藥損耗[1]。

1 植保無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)

1.1 無(wú)人機(jī)主體

廣泛使用的多旋翼植保無(wú)人機(jī)主體結(jié)構(gòu)如圖1所示，植保機(jī)作業(yè)過(guò)程中，將多旋翼無(wú)人機(jī)主體結(jié)構(gòu)與植保機(jī)噴桿噴霧技術(shù)有機(jī)結(jié)合，利用電氣控制系統(tǒng)對(duì)無(wú)人機(jī)飛行狀態(tài)和農(nóng)藥噴灑狀態(tài)精確控制，實(shí)現(xiàn)高效的農(nóng)業(yè)植保作業(yè)[2]。

圖1 植保無(wú)人機(jī)主體結(jié)構(gòu)

1.2 主要硬件系統(tǒng)

植保無(wú)人機(jī)的硬件系統(tǒng)架構(gòu)圖見(jiàn)圖2，包括傳感器模塊、遙控模塊、飛行控制模塊、動(dòng)力模塊、噴灑模塊和電源模塊。

圖2 植保無(wú)人機(jī)硬件系統(tǒng)架構(gòu)圖

1.2.1 傳感器模塊

傳感器模塊能夠?qū)崟r(shí)測(cè)量和感知植保無(wú)人機(jī)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(jì)、地磁計(jì)、氣壓高度計(jì)、毫米波雷達(dá)以及GPS/北斗等感測(cè)設(shè)備。在植保無(wú)人機(jī)作業(yè)過(guò)程中，傳感器模塊采集的數(shù)據(jù)首先經(jīng)過(guò)濾波處理，再由處理器將來(lái)自不同傳感器的數(shù)據(jù)融合在一起，完成無(wú)人機(jī)姿態(tài)和位置的解算[3]。為了提升植保無(wú)人飛機(jī)的功能多樣性，還可以增加雙目相機(jī)、深度相機(jī)、激光雷達(dá)、空速計(jì)等感測(cè)設(shè)備，以完善無(wú)人機(jī)的地圖構(gòu)建智能路徑規(guī)劃以及避障等任務(wù)。

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(fù)責(zé)姿態(tài)穩(wěn)定控制、手動(dòng)/自主飛行、任務(wù)和路徑規(guī)劃。飛行控制系統(tǒng)是無(wú)人機(jī)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(yīng)遙控器指令，控制電機(jī)改變無(wú)人機(jī)的姿態(tài)和位置。根據(jù)噴灑任務(wù)和實(shí)地狀況，調(diào)整噴灑量。同時(shí)，飛行控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)與遙控器和地面站通信，確保操作員了解無(wú)人機(jī)的飛行狀態(tài)。

1.2.3 電源模塊和動(dòng)力模塊

電源模塊主要負(fù)責(zé)給動(dòng)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(wú)人飛機(jī)續(xù)航時(shí)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(guò)增加電機(jī)數(shù)量或采用高功率電機(jī)來(lái)增加無(wú)人機(jī)的負(fù)載能力。

動(dòng)力模塊包括螺旋槳、電機(jī)和電調(diào)。根據(jù)飛行控制指令來(lái)調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速，從而控制機(jī)體的姿態(tài)、速度和位置。根據(jù)無(wú)人機(jī)的質(zhì)量，確定軸距、螺旋槳數(shù)量、螺旋槳尺寸、電調(diào)規(guī)格和電池容量。這些參數(shù)可用于計(jì)算無(wú)人機(jī)的基本特性。然后，選擇合適的開(kāi)源飛控板、遙控器和噴灑模塊，完成樣機(jī)的組裝。

1.2.4 噴灑模塊

噴灑模塊是植保無(wú)人機(jī)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(diào)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(guān)鍵組件，負(fù)責(zé)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(guò)壓力泵將農(nóng)藥液體壓力噴出，具有強(qiáng)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(guò)電機(jī)旋轉(zhuǎn)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(shí)際應(yīng)用中，需要綜合考慮作物特性、無(wú)人機(jī)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(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)作物的噴灑。

2 植保無(wú)人機(jī)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 定位導(dǎo)航技術(shù)

植保無(wú)人機(jī)定位導(dǎo)航系統(tǒng)是無(wú)人機(jī)的核心部件，提供姿態(tài)、速度、位置等信息。定位導(dǎo)航系統(tǒng)包括空中飛行器、地面監(jiān)控站、地面控制器3 個(gè)部分。植保無(wú)人機(jī)在執(zhí)行植保任務(wù)時(shí)需要特定的自主飛行能力，必須依靠定位導(dǎo)航系統(tǒng)的反饋來(lái)進(jìn)行姿態(tài)控制。無(wú)人機(jī)定位導(dǎo)航的高精度和穩(wěn)定通信對(duì)于植保無(wú)人機(jī)高效完成植保任務(wù)至關(guān)重要。

由于全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）容易受到應(yīng)用場(chǎng)景的影響，在較復(fù)雜的環(huán)境下無(wú)法達(dá)到預(yù)期的定位效果[4]。因此，大多數(shù)實(shí)際應(yīng)用將GNSS 與慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（INS）[4]和實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)學(xué)（RTK）[5]等其他技術(shù)結(jié)合起來(lái)，以提高整體定位精度和穩(wěn)定性。面對(duì)精度、避障要求比較高的工況：大部分RTK 技術(shù)必須結(jié)合視覺(jué)傳感器和雷達(dá)進(jìn)行植保無(wú)人機(jī)定位導(dǎo)航。研究人員長(zhǎng)期以來(lái)一直研究慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（INS）/全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GNSS）用于植保無(wú)人機(jī)的定位和導(dǎo)航。

實(shí)際應(yīng)用中，由于農(nóng)業(yè)作業(yè)環(huán)境中風(fēng)向和氣流因素復(fù)雜，該方法可能會(huì)導(dǎo)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(fù)雜，優(yōu)化系統(tǒng)中的硬件設(shè)備以增強(qiáng)抗干擾能力是該技術(shù)應(yīng)用于丘陵山地植保無(wú)人機(jī)的研究方向。RTK 技術(shù)的發(fā)展對(duì)于GNSS 的實(shí)際應(yīng)用具有重要意義[6]，通過(guò)提高定位精度實(shí)現(xiàn)植保無(wú)人機(jī)精細(xì)化作業(yè)，見(jiàn)圖3。目前，我國(guó)植保無(wú)人機(jī)主要應(yīng)用RTK 技術(shù)進(jìn)行定位導(dǎo)航，其中以大疆和極飛的植保無(wú)人機(jī)最具代表性，在市場(chǎng)應(yīng)用中表現(xiàn)良好。

圖3 RTK 工作原理

2.2 航跡規(guī)劃技術(shù)

隨著GIS 與GPS 技術(shù)的普及和傳感器技術(shù)的發(fā)展，航線規(guī)劃技術(shù)已成為植保無(wú)人機(jī)智能作業(yè)技術(shù)的基本組成部分。進(jìn)行合理的作業(yè)路徑規(guī)劃可有效提高植保無(wú)人機(jī)的續(xù)航能力，降低對(duì)操控人員的技術(shù)要求，從而進(jìn)一步提高植保無(wú)人機(jī)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(duì)路徑規(guī)劃的快速解決有特定的要求。當(dāng)前研究的重點(diǎn)是路線規(guī)劃方法，該方法充分考慮了障礙物、復(fù)雜邊界、多個(gè)操作區(qū)域以及藥物和電池補(bǔ)充數(shù)量等多種約束條件。丘陵山地地形起伏，果樹(shù)種植工藝不規(guī)范，導(dǎo)致果樹(shù)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(fù)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(jìn)行三維路線規(guī)劃。

由于單臺(tái)植保無(wú)人機(jī)電池電量只能支持20～30 min 的連續(xù)作業(yè)，當(dāng)面對(duì)多個(gè)作業(yè)區(qū)域或單個(gè)大作業(yè)區(qū)域時(shí)，設(shè)備需要頻繁更換電池，并需要在區(qū)域和補(bǔ)給點(diǎn)之間頻繁往返飛行，消耗有效作業(yè)時(shí)間。續(xù)航能力差是植保無(wú)人機(jī)在實(shí)際應(yīng)用中面臨的最大問(wèn)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(bǔ)給。

現(xiàn)階段植保無(wú)人機(jī)航線規(guī)劃的研究目標(biāo)是縮短植保無(wú)人機(jī)航線總長(zhǎng)度路線，減少能源消耗，減少補(bǔ)給次數(shù)，保證植保效果。此外，植保無(wú)人機(jī)作業(yè)環(huán)境如障礙物、復(fù)雜邊界、地形變化等，在規(guī)劃航線時(shí)需要根據(jù)實(shí)際情況綜合考慮。學(xué)者們對(duì)單架植保無(wú)人機(jī)的航線規(guī)劃進(jìn)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(jìn)并應(yīng)用于路徑規(guī)劃，與未規(guī)劃的植保無(wú)人機(jī)路線相比，有規(guī)劃的植保無(wú)人機(jī)路線在總路線長(zhǎng)度和無(wú)人機(jī)能耗方面都有顯著改善。

與單架植保無(wú)人機(jī)相比，多架植保無(wú)人機(jī)可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)作業(yè)區(qū)同時(shí)作業(yè)和單個(gè)作業(yè)區(qū)協(xié)同作業(yè)的工作。多臺(tái)植保無(wú)人機(jī)協(xié)同作業(yè)是開(kāi)展應(yīng)急植保作業(yè)、多小區(qū)植保作業(yè)、防治突發(fā)病蟲(chóng)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(wú)人機(jī)集群航線規(guī)劃實(shí)現(xiàn)多機(jī)協(xié)同作業(yè)受到學(xué)者廣泛關(guān)注，植保無(wú)人機(jī)協(xié)同作業(yè)可應(yīng)對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)突發(fā)情況，提高植保效率[11]。此外，多臺(tái)植保無(wú)人機(jī)協(xié)同作業(yè)應(yīng)充分考慮單臺(tái)植保無(wú)人機(jī)的航線規(guī)劃，在單臺(tái)植保無(wú)人機(jī)效率最高的基礎(chǔ)上，降低無(wú)人機(jī)集群作業(yè)的總能耗。目前，無(wú)人機(jī)集群協(xié)同路徑規(guī)劃常用的優(yōu)化目標(biāo)有最小能耗、最優(yōu)路徑、最短補(bǔ)給次數(shù)、最短時(shí)間等。

2.3 自主避障技術(shù)

無(wú)人機(jī)自主避障技術(shù)指的是無(wú)人機(jī)本身能夠自主識(shí)別障礙物類型并完成指定避障動(dòng)作的關(guān)鍵智能技術(shù)。對(duì)于植保作業(yè)而言，當(dāng)田間作業(yè)環(huán)境光照不足或飛機(jī)與飛手之間的距離較遠(yuǎn)時(shí)，若主要依靠人肉眼觀察判斷，作業(yè)受限因素多且危險(xiǎn)性高，因此，實(shí)現(xiàn)障礙物的自主識(shí)別和實(shí)時(shí)避障已成為植保無(wú)人機(jī)智能化發(fā)展的重要組成之一[12]。

從避障技術(shù)方面的研究可以看出，根據(jù)采用的傳感器類型，目前應(yīng)用在植保無(wú)人機(jī)的障礙物檢測(cè)技術(shù)主要分為視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)（單目視覺(jué)和雙目視覺(jué)）、毫米波雷達(dá)檢測(cè)技術(shù)、超聲波雷達(dá)檢測(cè)技術(shù)、激光雷達(dá)檢測(cè)技術(shù)及多傳感器融合檢測(cè)技術(shù)等。

圖4 所示為激光雷達(dá)避障系統(tǒng)。植保無(wú)人機(jī)在飛行過(guò)程中，激光雷達(dá)傳感器負(fù)責(zé)采集植保無(wú)人機(jī)周圍環(huán)境信息，將所采集的環(huán)境數(shù)據(jù)以十六進(jìn)制形式傳輸至中央控制系統(tǒng)。在中央控制系統(tǒng)內(nèi)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)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(jìn)行避障操作，將避障指令傳達(dá)至電機(jī)，以調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)施避障飛行。在已知環(huán)境情況下，任務(wù)規(guī)劃可在地面站完成，將信號(hào)傳輸至飛行控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)飛行。為規(guī)避無(wú)人機(jī)在任務(wù)執(zhí)行過(guò)程中受到不可控風(fēng)險(xiǎn)的影響，可添加遙控指令，以確保手動(dòng)操作可用于無(wú)人機(jī)的降落或繼續(xù)任務(wù)。

圖4 各模塊關(guān)系示意圖

2.4 變量施藥技術(shù)

精準(zhǔn)施藥過(guò)程包括3 個(gè)階段：①信息獲取階段，獲取噴施目標(biāo)作物的生長(zhǎng)信息及環(huán)境信息；②噴施優(yōu)化決策階段，對(duì)目標(biāo)信息進(jìn)行優(yōu)化分析，確定實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)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(shí)施階段，根據(jù)以上2 個(gè)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(shí)施變量噴霧。

變量施藥技術(shù)根據(jù)病蟲(chóng)害和雜草的程度實(shí)時(shí)調(diào)整施藥量，以達(dá)到精準(zhǔn)和需求導(dǎo)向的施藥，包括GPS和變速流量控制系統(tǒng)。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)多位學(xué)者已經(jīng)研發(fā)出地面控制單元，通過(guò)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊實(shí)現(xiàn)了對(duì)噴灑模塊的遠(yuǎn)程壓力和流量控制，從而實(shí)現(xiàn)了無(wú)人機(jī)的變速噴灑調(diào)節(jié)。同時(shí)，通過(guò)算法的不斷優(yōu)化和系統(tǒng)的創(chuàng)新，結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型，不斷改進(jìn)植保無(wú)人機(jī)的變速施藥技術(shù)[13]。

3 發(fā)展趨勢(shì)

3.1 多機(jī)協(xié)同作業(yè)技術(shù)

為了彌補(bǔ)單機(jī)作業(yè)難以滿足人們對(duì)高效率生產(chǎn)的要求，多機(jī)協(xié)同作業(yè)技術(shù)在農(nóng)用無(wú)人機(jī)行業(yè)應(yīng)運(yùn)而生。多機(jī)協(xié)同作業(yè)，即在單機(jī)作業(yè)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)多架無(wú)人機(jī)智能聯(lián)網(wǎng)，需要各無(wú)人機(jī)之間能夠作為一個(gè)整體協(xié)調(diào)工作，有效覆蓋大面積區(qū)域并進(jìn)行信息交互與協(xié)同作業(yè)，提高植保無(wú)人機(jī)的作業(yè)效率。

3.2 噴灑減漂技術(shù)

由于越來(lái)越多的農(nóng)田采用無(wú)人機(jī)進(jìn)行管理，農(nóng)藥漂移對(duì)相鄰作物和其他敏感區(qū)域的潛在影響也在增加。無(wú)人機(jī)噴灑農(nóng)藥漂移模型為評(píng)估噴灑任務(wù)的潛在風(fēng)險(xiǎn)和潛在緩解方法提供了一個(gè)連貫的框架[14]。隨著測(cè)試中使用的設(shè)備和其他噴灑技術(shù)的不斷更新，植保無(wú)人機(jī)噴灑沉積和漂移的相互作用需要深度研究。

4 結(jié) 語(yǔ)

根據(jù)目前的植保作業(yè)實(shí)踐，植保無(wú)人機(jī)及其施藥技術(shù)在不受作物長(zhǎng)勢(shì)和地勢(shì)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(shì)，在我國(guó)取得了極大的進(jìn)步和應(yīng)用。為保證植保無(wú)人機(jī)的健康發(fā)展和推廣應(yīng)用，需要深入研究多機(jī)協(xié)同作業(yè)與噴灑減漂技術(shù)，才能保證植保無(wú)人機(jī)飛行和植保作業(yè)的順利進(jìn)行，助力精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)和智慧農(nóng)業(yè)，實(shí)現(xiàn)鄉(xiāng)村振興。