農業(yè)無人機植保作業(yè)全覆蓋航線科學規(guī)劃方法研究*

覃劍波

（廣西現代職業(yè)技術學院，廣西 河池 547000）

農業(yè)無人機植保作業(yè)全覆蓋航線科學規(guī)劃，對提高作業(yè)效率、精確定位噴灑位置、降低環(huán)境風險、增強安全保障以及推動行業(yè)發(fā)展等多個方面都具有重要意義[1]。在無人機植保作業(yè)過程中，其作業(yè)安全受到諸多因素的影響，包括天氣、地形、建筑物等。科學規(guī)劃航線可以提前考慮到這些因素，降低無人機遇到危險和失控的可能性，從而增強作業(yè)時的安全保障。基于此，本文明確了全覆蓋航線規(guī)劃效果評價指標，并提出了航向旋轉后的坐標位置計算方法、全覆蓋航線規(guī)劃方法，旨在為提升植保無人機作業(yè)效率提供借鑒與參考。

1 全覆蓋航線規(guī)劃效果評價指標

全覆蓋航線規(guī)劃效果評價指標包括覆蓋率、重復覆蓋率、其他約束條件。

1）覆蓋率是評價全覆蓋航線規(guī)劃效果的重要指標[2]，覆蓋率越高，說明航線規(guī)劃設計的植保作業(yè)實現完全覆蓋的可能性越高，有效避免了漏洞和重復噴灑等問題。覆蓋率公式為：

式中，Z1表示覆蓋率；Sf表示覆蓋面積；Sd表示地塊面積。覆蓋率的理想值為100%，但在實際作業(yè)中，受多重因素的影響，無法達到理想值。

2）重復覆蓋率用于評估航線規(guī)劃設計的植保作業(yè)是否存在重復覆蓋。重復覆蓋率越低，說明航線規(guī)劃的植保作業(yè)實現精準噴灑的可能性越高，減少了農藥和化肥的浪費，提高了作業(yè)效率。重復覆蓋率公式為：

式中，F表示重復覆蓋率；Sc表示重復覆蓋面積；Sj表示作業(yè)地塊實際面積。重復覆蓋率的理想值為0%，但在真實作業(yè)中，無法達到理想值，需要探索重復覆蓋率的最低值。

3）其他約束條件包括無人機植保作業(yè)的自然環(huán)境、設備本身等，需要根據作業(yè)實際需求和設備參數情況，對其性能進行評價。

2 航向旋轉后坐標位置計算方法

在規(guī)劃植保作業(yè)路徑前，需要建立作業(yè)地塊坐標系，為構建航線規(guī)劃模型奠定基礎。假設已知像素坐標系為uOv，其橫坐標為u，表示柵格圖像的行數；縱坐標為v，表示柵格圖像的列數。旋轉后的橫坐標為x，縱坐標為y，考慮航向旋轉后坐標點的位置問題，需要計算出子作業(yè)區(qū)域間隔線與多邊形地塊的交點，用一次函數兩點表達式表示：

式中，x1、y1分別表示坐標點1 的橫坐標與縱坐標數值；x2、y2分別表示坐標點2的橫坐標與縱坐標數值。

得到旋轉后的坐標點，可以提升航線規(guī)劃的精準度，但會增加計算量與前期的工作難度，提升了航線規(guī)劃工作成本。

3 全覆蓋航線規(guī)劃方法

3.1 作業(yè)區(qū)域劃分

作業(yè)區(qū)域劃分是全覆蓋航線規(guī)劃的一個關鍵步驟，作業(yè)區(qū)域劃分的目的是將需要覆蓋的大面積區(qū)域分割成若干個小區(qū)域，使得每個小區(qū)域都能夠被全覆蓋。作業(yè)區(qū)域劃分的方法包括：1）均勻劃分法，將整個作業(yè)區(qū)域均勻地分成若干個小區(qū)域，每個小區(qū)域的形狀和大小相同，這種方法適用于作業(yè)區(qū)域比較規(guī)則的情況[3]；2）柵格劃分法，將整個作業(yè)區(qū)域劃分成若干個大小相等的柵格，在柵格中心點處設立航點，這種方法適用于作業(yè)區(qū)域比較復雜的情況；3）聚類劃分法，根據作業(yè)區(qū)域中各個點之間的距離或密度等特征，將其劃分成若干個聚類區(qū)域，然后在每個聚類區(qū)域中設置航點[4]；4）基于圖論的劃分法，將作業(yè)區(qū)域看作是一個圖，通過圖論算法將其分成若干個連通的區(qū)域。在每個連通區(qū)域中設置航點，這種方法適用于作業(yè)區(qū)域比較復雜、有障礙物等情況。

在作業(yè)區(qū)域劃分的過程中，需要考慮無人機航向與作業(yè)區(qū)域邊界的傾斜角問題。若傾斜角過大，則容易出現遺漏覆蓋的問題，如圖1所示。

圖1 傾斜角過大出現的遺漏覆蓋問題

基于此，本文提出一種適用于不同作業(yè)邊界類型的全覆蓋處理方法。首先，針對傾斜角過大而出現遺漏覆蓋的問題，外擴航路點，提升覆蓋率[5]。然后，為保障無人機作業(yè)安全，內縮航路點避開邊界，以此實現全覆蓋。

3.2 子作業(yè)區(qū)域規(guī)劃

在航線規(guī)劃初期，需要對子作業(yè)區(qū)域進行劃分，子作業(yè)區(qū)域規(guī)劃示意圖如圖2 所示。在具體規(guī)劃過程中，首先要對不規(guī)則的作業(yè)地塊的頂點進行提取，獲得頂點坐標的最大值與最小值[6]。然后，以坐標點的軸最小值為起點，以最大值為終點。

圖2 子作業(yè)區(qū)域規(guī)劃示意圖

圖2 中橫線為子作業(yè)區(qū)域間隔線，紅色圓點為間隔線與作業(yè)區(qū)域邊界交點。為了在子作業(yè)區(qū)域規(guī)劃中明確子作業(yè)區(qū)域范圍，需要判斷子作業(yè)區(qū)域邊界與相鄰兩條間隔線的交點坐標，得到子作業(yè)區(qū)域范圍。例如，設計四個坐標點：a1、a2、a3、a4，子作業(yè)區(qū)域n的邊界與相鄰兩條間隔線Lny與Ln+1y交點，間隔線與邊界交點坐標如圖3 所示。

圖3 間隔線與邊界交點坐標

3.3 開放邊界航線規(guī)劃

開放邊界航線規(guī)劃需要根據作業(yè)區(qū)域的實際情況，將航線設置為開放狀態(tài)，使無人機通過實際情況分析，實現自由飛行，進而提高植保作業(yè)的靈活性和效率[7]。在開放邊界航線規(guī)劃過程中，需要明確子作業(yè)區(qū)域數量、子作業(yè)區(qū)域范圍、航路點坐標。

3.3.1 子作業(yè)區(qū)域數量計算

在計算子作業(yè)區(qū)域數量的過程中，需要先計算得出作業(yè)區(qū)域數量、間隔線數量、無人機轉彎次數等信息，并獲取作業(yè)地塊縱坐標的最大值與最小值，從而計算得出子作業(yè)區(qū)域數量，計算公式為：

式中，[Q]表示子作業(yè)區(qū)域數量，Q的取值規(guī)則為向上取整數，若無法整除，則作業(yè)區(qū)域+1；ymax表示作業(yè)地塊y坐標的最大值；ymin表示作業(yè)地塊y坐標的最小值；P表示無人機作業(yè)噴幅寬度。

利用公式（4）可以計算得出間隔線的數量Z2和植保無人機作業(yè)時的轉彎次數C，計算公式為：

需要注意的是，在子作業(yè)區(qū)域數量實際計算過程中，需要充分考慮天氣、地形、風速等對無人機飛行的影響。

3.3.2 子作業(yè)區(qū)域范圍計算

在計算子作業(yè)區(qū)域范圍的過程中，需要在開放邊界的地塊內，提取出四個交點坐標，明確x軸的最大值和最小值，并將其帶入相鄰兩條間隔線的y值[8]。由于y值最大值與最小值的差會增加一個子作業(yè)區(qū)域，導致兩條相鄰間隔線與地塊邊界之間存在兩個交點，所以在子作業(yè)區(qū)域范圍的計算過程中，需要提取兩個交點的坐標中x軸的最大值和最小值，并將其帶入y值，從而獲得范圍坐標。設定交點坐標中x的最大值和最小值分別為xc、xd，則得到子作業(yè)區(qū)域的四個頂點坐標分別為：(xc,ymin+nP)、(xd,ymin+nP)、(xc,ymin+(n-1)P)、(xd,ymin+(n-1)P)。

3.3.3 航路點坐標計算

在計算航路點坐標的過程中，可以計算得出子作業(yè)區(qū)域的航路點和開放邊界子作業(yè)區(qū)域的航路點，確定開放邊界的航路點區(qū)域，并對作業(yè)區(qū)域的其他航路點進行計算，得到開放邊界航路點坐標。需要注意的是，無人機機身位于噴幅寬度P的半徑位置上，所以在確定航路點值時，需要向內部縮進0.5P。另外，在實際航線規(guī)劃中，對航路點進行往復式遍歷，所以在得到航路點遍歷順序后，對航路點遍歷順序進行調換[9]。例如，調換前的航路點遍歷順序為a1、a2、a4、a3，調換后的遍歷順序為a1、a2、a3、a4，剩余子區(qū)域按照此順序遞推。若最后分組的航線坐標數量無法滿足位置調換的條件，則可以不進行調換。

3.4 障礙邊界航線規(guī)劃

障礙邊界航線規(guī)劃是在無人機植保作業(yè)中，為了避免無人機撞墻、撞樹等情況而設計的一種航線規(guī)劃方式[10]。其主要思路是在規(guī)劃航線時，考慮到作業(yè)區(qū)域內的障礙物位置和形狀等因素，使得無人機能夠在保證覆蓋率的前提下，安全繞過障礙物進行噴灑。與開放邊界航線規(guī)劃相同，障礙邊界航線規(guī)劃需要明確子作業(yè)區(qū)域數量、子作業(yè)區(qū)域范圍及航路點坐標。

3.4.1 子作業(yè)區(qū)域數量計算

障礙邊界航線規(guī)劃中，子作業(yè)區(qū)域數量計算同公式（4）。

3.4.2 子作業(yè)區(qū)域范圍計算

在障礙邊界航線規(guī)劃中的子作業(yè)區(qū)域范圍計算過程中，Q的取值規(guī)則為向下取整數，若最后一個子作業(yè)區(qū)域無法滿足噴幅寬度P，則舍棄該子作業(yè)區(qū)域；若相鄰兩條間隔線與地塊邊界的交點數量為奇數，則舍棄該子作業(yè)區(qū)域。

3.4.3 航路點坐標計算

在障礙邊界航線規(guī)劃的航路點計算過程中，若已知的子作業(yè)區(qū)域的兩個航路點的y值表示為ymin+(n-0.5)P，則障礙邊界子作業(yè)區(qū)域的航路點為(xb-0.5P,ymin+(n-0.5)P)、(xb+0.5P,ymin+(n-0.5)P)。

由于實際航線規(guī)劃需要對航線坐標進行往復式的遍歷，所以需要對航路點進行分組和調換，在遍歷所有航路點后，得到障礙邊界覆蓋下的航線坐標。

4 結語

綜上所述，農業(yè)應用植保無人機具有提高工作效率、減少農藥和化肥使用量、提高作業(yè)質量、降低安全風險以及推動農業(yè)現代化等多個方面的作用。農業(yè)無人機植保作業(yè)全覆蓋航線科學規(guī)劃，需要根據地形特征和障礙物分析結果進行航線設計優(yōu)化。為提升農業(yè)無人機植保作業(yè)全覆蓋航線科學規(guī)劃方法的實效，本文對作業(yè)區(qū)域劃分、子作業(yè)區(qū)域規(guī)劃、開放邊界航線規(guī)劃、障礙邊界航線規(guī)劃進行充分分析，提出了適用于不同邊界類型的無人機植保作業(yè)全覆蓋航線科學規(guī)劃方法。