山地果園無人機噴施作業參數選擇與優化

文竹 袁剛 張聲松 陳小有 王道錦

摘要：有人說：“噴灑無人機”就是上天賜予農民們最好的禮物，現在有了噴灑無人機讓農民們省了許多的事，現在噴灑無人機的出現就解決了許多問題，在中國農業生產作業中已經扮演了十分重要的角色。在與傳統的人工噴灑相比較，小型噴灑無人機在工作過程中噴灑的更均勻，幾乎每株植物都能夠噴灑到藥水。旋翼產生的向下氣流有助于增加霧流對作物的穿透性，防治效果更好。噴灑無人機采用距離遙控操作的方式，噴灑作業人員采用遠距離遙控操作的方式，噴灑作業人員可避免與農藥直接接觸，有利于增強作業的安全性。每年都會出現因人工噴灑農藥不當造成的事故。

關鍵詞：無人機;噴施;參數

無人機是一種小型的遙控型農藥噴藥小飛機，機體型嬌小而功能強大，以載荷為10公斤的電動植保無人機為例，其噴灑效率是傳統人工的30倍，飛機采用智能操控，操作手通過地面遙控器定位對其實施控制，其旋翼產生的向下氣流有助于增加霧流對作物的穿透性，防治效果好，遠距離操控施藥大大提高了農藥噴灑的重要性。對農業病蟲等進行實時監控、農村土地權、農作物長勢及害蟲的監測、施藥、授藥、施肥作業。本文也就山地果園無人機做相關的介紹。

一、無人機噴灑作業解決方案

我們中國是農業大國，發展高效、安全的現代生態農業是中國農業化現代化建設的重要目標。國內的農藥的使用量越來越大，作業成本高，且浪費嚴重，在資源有效利用率低的情況下，作物的產量和質量難以得到保障，同時造成了大面積的水土資源污染、生態系統的失衡、農產品的品質下降等問題，無法適應現代農業發展的要求。隨著科技的發展，現代的農業都趨向機械化，所以現在無人機噴灑農藥技術開始廣泛的應用在農藥上面。與傳統的人工噴藥相比，噴藥無人機具有高效、省時、便捷的優勢，噴藥無人機可以裝載10公斤農藥，每小時的作業效率可以達到40-60畝，大大提高了作業效率;噴藥無人機配備壓力傳感器與流量傳感器，可以實時監測噴灑流量，在作業工程中動態控制藥液的流量速度。下沉式新型噴頭，更完美的利用了下壓風場，噴頭組件實現了即開即停，噴灑的更加精準，藥液沉降效果更佳;噴藥無人機噴藥服務一畝地的價格，用時也僅僅只有一分鐘左右，相對于以往的雇人噴藥相比，節約了成本、人力和時間。

二、無人機參數選擇與優化

丘陵山地占我國國土面積的近70%，其農業生產效率與平原地區相比存在較大差異，農業生產以經濟果林作物為主，受地形條件限制，現代化地面作業農機通行困難，丘陵山地的機械化程度遠低于全國平均水平。多旋翼無人機動作靈活、可垂直起降的特點非常適合山地果園的植保施藥作業，無人機飛行軌跡的精準控制是其在山地果園高效植保作業應用的瓶頸。所以無人機特定的時候它有主要的參數。

2.1? 飛行參數

高度（H）相對于起飛地的高度，國際常用，122米是一個相對安全高度，如果飛行的高度超過1000米，會進入空氣的對流層，無人機在高空中非常的不安全;距離（D）相對于起飛點的距離，視距內是500米，不同無人機的飛行距離也是不相同的，理論上能達到7，8千米，一般飛一般都不錯了;起飛點也就是GPS原點，在此同時，我們必須理解經度與緯度的一個概念以及GPS高度的概念。

2.2? 信號參數

GPS信號是一個能接受到衛星信號數量，現在的水平至少在九顆星以上，才能較為準確的定位，想要取得良好的效果需要在十三顆以上;保證控制無人機的主要參數是遙控信號的質量，在進行噴灑的過程中，需要提前設定好，避免遙控失靈返航的問題;無人機的電量也是影響無人機的故障之一，一種是電池沒有卡緊，導致突然性的沒電，另一種就是間接性供應不上電，造成故障。

三、果園無人機導航技術

受地形條件限制，現代化地面作業農機通行困難，丘陵山地的機械化程度遠低于全國平均水平。多旋翼無人機動作靈活、可垂直起降的特點非常適合山地果園的植保施藥作業，無人機飛行軌跡的精準控制是其在山地果園高效植保作業應用的瓶頸。本文在分析多旋翼無人機動力學模型的基礎上，針對無人機山地果園植保作業的飛行控制需求，分析基于多種導航方式組合的無人機自主導航飛行控制方法;針對山地蘋果園果樹樹冠的分布特性，研究基于機器視覺的果樹行快速分割方法，進而探尋果樹行趨勢線提取算法，結合GNSS導航技術，提出基于GNSS視覺組合的無人機山地果園作業水平航跡控制方法;針對山地果園的地形特點，研究基于雙目視覺圖像的三維點云提取算法，進而探尋基于雙目視覺的多點測距方法，提出基于雙目視覺的無人機仿形飛行控制方法;融合無人機水平航跡和高度仿形的飛行控制方法，提出基于多種導航方式組合的山地果園無人機自主導航方法;基于上述理論研究，設計并研發了無人機自主導航控制系統，對系統性能進行了實地試驗驗證。本文主要研究內容及結論如下。

（1）???? 開展了多旋翼無人機動力學數學模型研究，結合山地果園果樹種植特點，分析了效率最優的最佳作業路徑，針對效率最優飛行軌跡，提出了無人機山地果園作業的自主導航控制方法，將自主導航控制分解為水平航跡控制和高度仿形控制兩個簡單控制組合，使用PID控制算法結合動力學模型，計算得到無人機航向控制和高度控制的最優控制參數，最終確定航向控制選用PID控制，高度控制選用PID控制。

（2）???? 提出了基于GNSS視覺組合的無人機山地果園植保作業航跡控制方法。分析水平航跡控制中的航向調整過程，開展控制系統整體設計，提出視覺導航實現行內作業航跡調整控制，GNSS導航實現作業行間轉場航跡控制流程。選用2個NEO-M8P-2芯片搭建了RTK GNSS定位裝置，并在PC機上開發了上位機軟件，軟件實時上傳并記錄位置信息，將實時位置和航向與目標位置進行計算得到偏航信息，以偏航信息作為PID控制器輸入，航向調整控制量為輸出，實現無人機水平航向調整;在RGB、Lab、HSV三個顏色空間內對果樹行進行了分割，通過對分割效果、處理時間等綜合評價，最終選用RGB空間下基于RGB分量線性組合的果樹行提取方法，對分割后的果樹行進行二次曲線擬合得到行趨勢線，計算得到偏航角值，由PID控制器控制實現航向調整。將兩種導航方式進行組合，實現無人機山地果園植保作業時的水平航跡控制。定位和視覺導航精度驗證結果表明，GNSS模塊靜態定位誤差小于0.26m，動態測試最大誤差為0.82m，平均誤差為0.53m;視覺導航控制的航跡誤差為-27～+48cm，平均誤差為23cm。

四、結語

無人機的噴施在農林的應用越來越廣泛，無人機的技術的使用可以真正改變“游戲規則”，可以提高作物的產量節省時間，減少開支并以無與倫比的準確性和精確度行事。

參考文獻：

[1]?? 陸碧秀，莫新媛.植保無人機水稻田間農藥噴施的作業效果研究[J].農業工程技術，2020，40（15）：40-42.DOI：10.16815/j.cnki.11-5436/s.2020.15.006.

[2]?? 王東，范葉滿，薛金儒，等.基于GNSS與視覺融合的山地果園無人機航跡控制 [J].農業機械學報，2019，50（4）：20-28.DOI：10.6041/j.issn.1000-1298.2019.04.002.

[3]?? 朱曉鋒，王明，徐兵強，等.核桃園植保無人機作業參數優選[J].植物保護，2020，46（4）：25-32.DOI：10.16688/j.zwbh.2019220.

[基金項目]貴州省科技計劃項目：18軸100公斤級智能植保無人機研發，合同編號：黔科合支撐[2018]2370號。

作者簡介：

文竹，男，（1978—），貴州銅仁人，一直從事農業科技信息服務工作。