農用植保無人機避障巡檢軌跡自適應閾值控制方法

摘" 要：本文針對農用植保無人機在水稻種植區域中的避障巡檢任務，分析了基于自適應閾值控制技術，集成先進的傳感器和算法，可以有效實現無人機高效避障操作，提高巡檢精度和保障作業安全。通過調整自適應閾值，無人機能夠響應環境變化，提高施藥效率并減少農藥使用，支持可持續農業發展。

關鍵詞：農業用具；植保；無人機；避障巡檢

中圖分類號：S23""""""""""""""""""""" """""""""""文獻標志碼：A文章編號：1673－6737（２０24）05－００73－０3

基金項目：南京工業大學浦江學院優秀青年骨干教師培養計劃：南京工業大學浦江學院青年教師發展基金（PJYQ08）。

收稿日期：2024-01-18

作者簡介：遲英姿（1983—），女，碩士，副教授，研究方向為機電一體化。

隨著無人機在農業領域，特別是在水稻種植區的植保作業中的廣泛應用，避障巡檢軌跡控制的重要性日益凸顯。無人機避障技術不僅可以提高作業效率，還能保障作業安全。通過精準施藥技術有效減少農藥的使用，對實現精準農業和可持續發展具有重要意義。基于此，本文詳細論述了無人機在水稻田避障巡檢中的自適應閾值控制方法，包括環境感知、自適應控制參數調整、軌跡規劃和跟蹤控制等關鍵技術，為農用植保無人機的智能化提供重要的理論基礎和技術支持。

1" 農用植保無人機避障巡檢軌跡控制的重要性

1.1" 提高農業作業效率

無人機農業巡檢中避障軌跡控制十分重要，可以顯著提高農業的作業效率，確保無人機在復雜環境中安全有效地執行任務。在水稻田的巡檢中，無人機需避開各種障礙物安全飛行。避障軌跡控制技術可以使無人機實時識別和規避障礙物，從而避免碰撞事故，確保設備和作物的安全。另外，通過精確的軌跡控制，無人機可以覆蓋整個田塊，對農作物進行詳細的生長監測，還能對病蟲害進行預測。例如，無人機可以維持在最佳的飛行高度，捕捉具有更高分辨率的圖像，從而更準確地分析水稻生長狀況，并找出生長中的潛在問題，從而提升農業管理效率，使農民能夠及時做出栽培決策，優化資源分配，全面增加水稻的產量。因此，避障巡檢軌跡控制在農用植保無人機中的應用可以提高作業效率。

1.2" 保障作業安全

在水稻田中使用無人機巡檢時，避障軌跡控制能有效保障作業安全。水稻田的環境通常較為復雜，存在許多自然和人為障礙。無人機在巡檢時，為防止與障礙物發生碰撞，應進行有效的識別并合理計劃飛行路線，以躲避障礙。同時，農用植保無人機應建立高級避障軌跡控制系統，實現在較為復雜的水稻田地間自動飛行。無人機根據復雜的田地路況及時做出飛行調整，不僅能夠避開遇到的障礙物，還能減少人為操作失誤，全面提升農用植保無人機飛行的安全性。另外，農用植保無人機的避障控制，還能夠保護田間的水稻植物不受到傷害。既能維護農用植保無人機的安全，也間接保護了水稻作物的健康。因此，避障巡檢軌跡控制在農用植保無人機中的應用可以全面提升作業的安全性。

1.3 "精準施藥，減少農藥使用

在水稻田的管理中使用農用植保無人機精準施藥，通過精確控制農藥的施用位置和用量，可以有效減少農藥的總體使用量，同時提高施藥的效率，維護生態環境。其中，避障軌跡控制技術起著關鍵作用，可以確保無人機能在復雜的田間環境中精確移動和施藥。使用農用植保無人機施藥主要通過先進的傳感器，并利用航拍技術，精確識別出需要施藥的具體區域。另外，避障軌跡控制可以使農用植保無人機在低空進行精確操作，確保農藥直接施用到植物的目標部位，如葉片和莖部，而非廣泛分布，大大減少了農藥對環境的潛在污染。通過農用植保無人機精準施藥還有助于提高農藥的生物利用率，減少風吹等因素導致的農藥漂移，從而保護非目標生物和鄰近作物的安全，維護當地生態平衡。

2" 農用植保無人機中自適應閾值控制的概念和作用

2.1" 自適應閾值的概念

自適應閾值控制廣泛應用于農用植保無人機的操作中，旨在根據環境變化和農民任務需求，自動調整控制參數，達到最優的作業效果。農用植保無人機中，自適應閾值控制主要是能夠實時監測和評估飛行環境，并根據實際作業狀態，通過內置的算法自動調整飛行高度、速度以及藥劑的噴灑量等關鍵參數。調整農用植保無人機自適應閾值，既能響應外部環境的變化，也能適應作物的具體需要，從而滿足精準農業的發展需求。[1]通過應用農用植保無人機中的自適應閾值控制，可以有效保證施藥效果，減少農藥的使用，避免對當地環境造成污染，有效提高農業生產的效率，促進可持續性農業的發展。另外，在復雜的農業環境中使用自適應閾值控制會更加高效，對現代農業向智能化發展起到了推動作用。

2.2" 自適應閾值控制在農用植保無人機避障中的作用

在農用植保無人機避障中應用自適應閾值控制，可以全面提高無人機的安全性。自適應閾值控制系統利用來自無人機傳感器的數據，提供周圍障礙物的詳細信息，系統根據數據信息評估無人機當前飛行環境，并實時調整避障策略。例如，當無人機接近障礙物時，會根據障礙物的大小、形狀和無人機的速度，自動計算安全距離，如果實際距離小于安全距離閾值，系統會指令無人機增加飛行高度，或者改變飛行方向，以避開障礙物。自適應閾值控制不僅限于避開靜態障礙物，在面對動態障礙物時，系統也能夠動態調整閾值，制定最優的飛行策略。另外，自適應閾值控制還有助于優化農用植保無人機的能源使用，以此提高飛行效率。農用植保無人機自適應閾值控制可以避免不必要的緊急機動，維持更穩定的飛行狀態，降低能源消耗，并延長任務執行的時間，自適應閾值控制技術的進步提高了農用植保無人機的實用性和可靠性。

2.3" 自適應閾值控制的意義

農用植保無人機避障巡檢軌跡自適應閾值控制可以提高系統的響應性和效率。其根據實時數據和環境變化靈活調整行為和決策，從而優化性能，合理利用資源，提高系統的安全性和可靠性。[2]自適應閾值控制能使無人機根據當前的環境條件需求自動調整飛行參數，確保無人機在面對不斷變化的天氣、地形及動態障礙時，保持最佳操作狀態。自適應閾值控制也有助于提升系統的經濟效益和環境可持續性。因此，自適應閾值控制的意義在于使系統能更好地適應環境變化，提高操作效率和安全性，同時減少資源的過度消耗。農用植保無人機避障巡檢軌跡中應用自適應閾值是現代技術發展向智能化和自動化演進的重要體現。

3 水稻種植區的障礙物對農用植保無人機的影響

水稻種植區中的障礙物對農用植保無人機的操作和效率有一定影響，特別是在執行作業任務時，有較多障礙物限制無人機的飛行路徑，提高了農用植保無人機操作的安全風險。[3]在水稻種植區，無人機需要以較低的飛行高度進行操作，以確保噴灑精度，但也更容易與低矮的障礙物發生碰撞。另外，水稻田周圍的電線也是重要的障礙物，農用植保無人機若不慎碰觸電線，會引發故障，發生墜機事故，造成設備損壞，導致作業中斷。障礙物還會影響農用植保無人機的導航精度和數據收集質量。在進行農田數據監測采集時，無人機依賴全球定位系統（GPS）和其他傳感器精確導航。然而，某些障礙物會干擾無人機的信號接收，導致定位誤差，影響任務數據的準確性。因此，水稻種植區的障礙物對農用植保無人機的影響是多方面的，涉及飛行安全、路徑規劃和數據質量等多個方面。

4" 水稻種植區農用植保無人機避障巡檢軌跡自適應閾值控制方法

4.1" 環境感知與建模

在水稻種植區實現農用植保無人機避障巡檢軌跡自適應閾值控制，涉及利用無人機搭載傳感器系統，準確感知并構建周圍環境詳細模型，從而使無人機能夠在復雜的農田環境中安全高效地導航和執行任務。環境感知主要依賴無人機的多種傳感器，如攝像頭、雷達、紅外傳感器和超聲波傳感器。多種傳感器的合作可以為農用植保無人機實時提供環境數據，包括地面障礙物的位置、障礙物的形狀和障礙物的運動軌跡。雷達傳感器可以在惡劣的天氣環境中進行工作，并能檢測更遠距離的障礙物。紅外線傳感器可以針對近距離的障礙物進行分析，為農用植保無人機提供更精細的數據。基于此進行環境建模，可使農用植保無人機合理規劃飛行路徑。[4]模型不僅包括地形的三維結構，還包括障礙物的動態信息，通過先進的數據處理算法合成，生成實時更新的環境模型，無人機根據這個模型做出飛行決策，優化軌跡以避免障礙。另外，環境建模也涉及對無人機飛行區域的地理信息系統（GIS）數據的整合，如水稻田的布局、水源位置以及其他關鍵基礎設施。因此，環境感知與建模為無人機在水稻種植區的避障巡檢軌跡自適應閾值控制奠定了基礎，使無人機能夠實時感知環境變化，智能調整飛行計劃，確保安全、高效地完成巡檢任務。

4.2" 自適應閾值設定

在水稻種植區無人機避障巡檢軌跡的自適應閾值控制方法中，自適應閾值設定是關鍵環節，指的是允許無人機根據環境感知與建模的數據動態調整避障行為。農用植保無人機在飛行過程中進行自適應閾值設定，能根據實時環境調整無人機的飛行參數，通過自適應閾值設定，提高農用植保無人機的飛行效率，提升安全性。自適應閾值設定是動態的，農用植保無人機通過不斷接收傳感器提供的數據，將信息數據進行整合，實時做出變化。[5]自適應閾值設定還應考慮無人機的動態性能，如加速度和機動性的參數，這決定了無人機在緊急避障時的響應時間和行動能力。機動性越高，無人機反應越快，更能提高飛行的靈活性和效率。自適應閾值設定不僅依賴硬件的性能，還依賴先進的算法，包括機器學習和人工智能技術，從歷史數據中學習并優化閾值設置，使無人機適應不同的環境和任務需求。

4.3" 巡檢軌跡規劃

水稻種植區農用植保無人機避障巡檢軌跡自適應閾值控制中，巡檢軌跡規劃是確保無人機高效、安全地完成任務的關鍵步驟。可基于環境感知與建模，設計無人機的最佳飛行路徑，以覆蓋所有目標區域，同時避免潛在障礙。巡檢軌跡規劃首先要考慮如何實現對水稻田全面而詳細的覆蓋。農用植保無人機需要按照條帶式、網格式或螺旋式飛行模式，根據田塊的形狀和大小進行調整。飛行模式的選擇應考慮作業的效率及能源的利用。

巡檢軌跡規劃需要密切結合自適應閾值設定，確保農用植保無人機在遇到突發障礙時能快速調整飛行路徑。實時計算避障路徑，必要時重新規劃飛行軌跡，以繞開大型障礙物如高樹、電線桿或其他機械設備。[6]路徑調整依賴于強大的計算能力和先進的飛行控制系統，能夠保證農用植保無人機任務的連續性。軌跡規劃應考慮環境條件的變化，對風場進行評估，調整飛行速度和高度，以提高噴灑效果和飛行穩定性。

巡檢軌跡規劃應考慮法規和安全標準，確保飛行活動不會侵犯其他空域，符合當地的航空法規和農業作業指南。農用植保無人機的巡檢軌跡規劃不僅可以確保水稻種植區的高效覆蓋，也能保證操作的安全性和合規性，使農用植保無人機在農業監測中的應用更加高效。

5" 結語

本文通過對水稻種植區農用植保無人機避障巡檢軌跡自適應閾值控制方法的系統研究，發現智能農用植保無人機系統在農業監測和植保中具有應用潛力。其不僅可以提升巡檢和施藥作業的效率與精度，還能顯著提高環境適應性和操作安全性，為農業生產提供更為高效和環保的解決方案。未來，隨著技術的進一步發展和優化，預計農用植保無人機將在全球農業領域中扮演關鍵角色，實現農業可持續發展。

參考文獻：

[1] 許天富，趙海燕，桑維鈞，等.基于CFD仿真植保無人機在各工況下對施藥效果的影響[J/OL].中國農機化學報，2024，45（7）：87-96.[2024-05-11].http：//kns.cnki.net/kcms/

detail/32.1837.S.20240506.1125.002.html.

[2] 林紅.植保無人機在小麥病蟲害防治中的應用分析[J].南方農機，2024，55（8）：177-179.

[3] 陸宗明.植保無人機霧滴飄移測試試驗臺設計及飄移性能分析[J].南方農機，2024，55（7）：70-72.

[4] 劉慧，施志翔，沈亞運，等.基于改進ESKF的植保無人機時延位姿補償算法[J/OL].儀器儀表學報，2024，45（2）：315-324.[2024--05-11].DOI：10.19650/j.cnki.cjsi.J2312280.

[5] 劉超，熊澤欽，楊慧，等.植保無人機與人工噴霧防治檸條錦雞兒春尺蠖效果比較[J].中南農業科技，2024，45（3）：246-248.

[6] 邢植，賈夢夢，崔建強，等.植保無人機噴施化學封頂劑不同作業參數對棉花冠層霧滴沉積的影響[J].塔里木大學學報，2024，36（1）：46-58.