農(nóng)田信息論文：無(wú)人機(jī)在農(nóng)田作業(yè)中的運(yùn)用

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本文作者：鄭治華、杜蒙蒙、何亞凱、馬俊偉 單位：河南科技大學(xué)車輛與動(dòng)力工程學(xué)院、河南省煙草公司鄭州市公司、河南強(qiáng)豫農(nóng)業(yè)技術(shù)裝備有限公司

2004年，日本精工愛(ài)普生公司的“UFR－II”旋翼飛行器，通過(guò)藍(lán)牙技術(shù)可在10m范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)飛行器的控制，并能在空中捕捉和傳送畫面到地面監(jiān)視儀上。通過(guò)增加傳輸功率，使其傳輸距離最遠(yuǎn)可擴(kuò)展到100m，但是這種飛行器續(xù)航能力較差，只能在空中飛行3min。2006年1月，瑞士洛桑理工大學(xué)(EPFL)自動(dòng)化系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室Bouabdallah等開(kāi)發(fā)的OS4Ⅱ四旋翼無(wú)人機(jī)，最大長(zhǎng)度73cm，質(zhì)量235g，由4個(gè)Faulhaber1724電機(jī)驅(qū)動(dòng)和MT9－B微慣性測(cè)量單元控制，通過(guò)使用皮帶減速裝置替代電機(jī)減速箱，極大地減小了飛行振動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)30min室內(nèi)自主飛行。該研究的重點(diǎn)是機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方法和自主飛行控制算法［6］。2007年，麻省理工學(xué)院HowJ．P．等，通過(guò)一臺(tái)地面設(shè)備實(shí)現(xiàn)對(duì)多架四旋翼無(wú)人機(jī)的操控，并通過(guò)FM無(wú)線傳輸信息，用于監(jiān)督和追蹤地面目標(biāo)。該研究使用IMU慣性測(cè)量單元對(duì)飛行姿態(tài)進(jìn)行測(cè)量，通過(guò)激光掃描陣列感知環(huán)境和規(guī)劃航線［7］。2008年，美國(guó)斯坦福大學(xué)的StevenL．Waslander等開(kāi)發(fā)出一種四旋翼直升機(jī)，該機(jī)型采用碳素纖維結(jié)構(gòu)以減輕整機(jī)質(zhì)量，提高直升機(jī)的續(xù)航能力;使用帶寬更大的Wi－Fi傳輸代替藍(lán)牙，提升了數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)哪芰?。通過(guò)采用滑膜積分與增強(qiáng)學(xué)習(xí)兩種控制算法，降低了4個(gè)旋翼之間相互作用產(chǎn)生的復(fù)雜氣流的影響［8］。2010年，法國(guó)Parrot公司研制的AR．DRONE四旋翼無(wú)人機(jī)，配備了2個(gè)攝像頭。通過(guò)Wi－Fi通信可將前置攝像頭拍攝到的畫面實(shí)時(shí)傳送到手機(jī)等終端，底部的攝像頭主要是用來(lái)連接測(cè)量單元，以補(bǔ)償戶外飛行時(shí)的環(huán)境干擾。

我國(guó)的四旋翼無(wú)人機(jī)研究處于剛起步階段，主要研究方向集中在旋翼無(wú)人機(jī)的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、自主懸?？刂坪惋w行規(guī)劃等方面，且主要應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，對(duì)農(nóng)田信息采集并未進(jìn)行過(guò)多的研究。2005年，上海交通大學(xué)王守亮等研制的四旋翼飛行器，整個(gè)飛行器總質(zhì)量?jī)H8g，驅(qū)動(dòng)采用質(zhì)量1g的微電機(jī)，采用兩定子、三轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)提高輸出力矩，并同時(shí)使用兩個(gè)電機(jī)串聯(lián)提高功率輸出，采用藍(lán)牙進(jìn)行無(wú)線通信傳輸?？刂葡到y(tǒng)采用DSP芯片，主要研究了電機(jī)的控制方法，提高無(wú)人機(jī)的可控性［9］。2008年，浙江大學(xué)孫棋等采用日本旋翼式無(wú)人航空攝影平臺(tái)HeraclesII，通過(guò)攜帶光譜儀、掃描儀和數(shù)碼相機(jī)獲取水稻冠層和葉片的光譜信息，將采集的數(shù)據(jù)保存到CF存儲(chǔ)卡。同時(shí)，采集鮮樣并測(cè)量其生化參數(shù)，對(duì)水稻氮素營(yíng)養(yǎng)進(jìn)行了診斷研究。2008年6月，國(guó)防科技大學(xué)王俊生與馬宏緒等研制了一種小型四旋翼無(wú)人機(jī)，采用鋰電池供電驅(qū)動(dòng)4臺(tái)Maxon微電機(jī)以及齒輪減速裝置，無(wú)人機(jī)總質(zhì)量約700g，最大長(zhǎng)度70cm。根據(jù)牛頓－歐拉方程建立了小型四旋翼直升機(jī)的動(dòng)力學(xué)模型，并首次將自抗擾控制器運(yùn)用于小型四旋翼直升機(jī)。研究認(rèn)為，自抗擾控制器可增強(qiáng)對(duì)無(wú)人機(jī)滾轉(zhuǎn)角和俯仰角的控制，降低飛行角度的穩(wěn)態(tài)誤差，對(duì)無(wú)人機(jī)的姿態(tài)控制具有較好的魯棒性［10］。

2010年，廣州大學(xué)王業(yè)潘與孫驊等設(shè)計(jì)了一種四旋翼直升機(jī)的飛行控制系統(tǒng)，進(jìn)行了室內(nèi)飛控實(shí)驗(yàn)。采用PID控制方法，由紅外無(wú)線傳輸控制電子調(diào)速器實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)人機(jī)的調(diào)速。對(duì)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行了研究，通過(guò)PWM信號(hào)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)拉力大小，從而控制無(wú)人機(jī)的飛行姿態(tài)。2011年6月，武漢理工大學(xué)詹鐳與賀人慶等對(duì)微型四旋翼無(wú)人機(jī)的智能導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。無(wú)人機(jī)采用直流無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)，使用PID和四元算法調(diào)整并保持飛行器的飛行姿態(tài)，實(shí)現(xiàn)了在上位機(jī)上規(guī)劃航跡，通過(guò)XbeeSeries2無(wú)線通信，將規(guī)劃好的路徑傳輸給飛行器，并由GPS模塊定位和電子羅盤校正，實(shí)現(xiàn)了自主巡航，同時(shí)可將飛行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳回遠(yuǎn)程控制平臺(tái)［11］。

關(guān)鍵技術(shù)分析

微小型四旋翼無(wú)人機(jī)載農(nóng)田信息獲取系統(tǒng)的功能模型是:由地面站系統(tǒng)根據(jù)田間地塊信息進(jìn)行航跡規(guī)劃，通過(guò)機(jī)載傳感器對(duì)田間信息進(jìn)行采集，所得的農(nóng)田信息可直接存儲(chǔ)，也可通過(guò)藍(lán)牙、Wi－Fi或射頻等無(wú)線傳輸方法將信息傳至數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)或終端。其核心結(jié)構(gòu)是四旋翼無(wú)人機(jī)載體、農(nóng)田信息傳感器、農(nóng)田信息處理單元和無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊等。

1無(wú)人機(jī)飛行控制技術(shù)。四旋翼直升機(jī)作為一種微型飛行器，是一個(gè)非線性、多變量、高度耦合及欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，在其飛行過(guò)程中不僅同時(shí)受到多種物理效應(yīng)的作用(如空氣動(dòng)力、重力、陀螺效應(yīng)和旋翼慣量矩等)，還很容易受到氣流等外部環(huán)境的干擾，所以其姿態(tài)穩(wěn)定控制結(jié)果對(duì)微型飛行平臺(tái)飛行特性的影響至關(guān)重要。另外，由于四旋翼飛行器的體積小、質(zhì)量輕，飛行姿態(tài)控制多變，氣流擾動(dòng)和機(jī)體本身的振動(dòng)對(duì)攝像與傳輸?shù)馁|(zhì)量有影響，還需適當(dāng)采取減振措施，減少圖像在傳輸過(guò)程中產(chǎn)生的抖動(dòng)，消除拍攝中圖像信號(hào)不穩(wěn)定［12］。為保證飛行器在各種環(huán)境下的飛行姿態(tài)，以及使其具有較強(qiáng)的抗干擾能力，飛行控制算法非常重要。目前，有多種四旋翼無(wú)人機(jī)飛行控制算法，如PID控制、LQ控制和魯棒控制［13－15］等。飛行姿態(tài)控制的關(guān)鍵之一就是高精度的姿態(tài)采集系統(tǒng)，利用慣性敏感元件和初始位置來(lái)確定載體的動(dòng)態(tài)位置、姿態(tài)和速度。微型慣性導(dǎo)航系統(tǒng)結(jié)合MEMS陀螺儀和加速度計(jì)，體積小、質(zhì)量輕，在精度上已能夠達(dá)到微型飛行器可以接受的水平［13］。

2無(wú)人機(jī)航跡規(guī)劃。航跡規(guī)劃的主要功能是根據(jù)任務(wù)要求、無(wú)人機(jī)特性和燃料限制等進(jìn)行航線設(shè)計(jì)，控制無(wú)人機(jī)的飛行高度、轉(zhuǎn)彎半徑和飛行距離等，解決好多任務(wù)數(shù)據(jù)處理、組合定位、綜合顯示和大容量記錄等問(wèn)題，滿足飛行采集要求的最優(yōu)飛行軌跡，以支持無(wú)人機(jī)在復(fù)雜環(huán)境中進(jìn)行農(nóng)田信息采集及傳輸。要求工作范圍覆蓋整個(gè)任務(wù)區(qū)域，并且盡量均勻不重疊。無(wú)人機(jī)的航跡規(guī)劃可分為在線自主航跡規(guī)劃和飛行前由地面站系統(tǒng)進(jìn)行的預(yù)規(guī)劃兩種。在線自主航跡規(guī)劃涉及飛行力學(xué)、自動(dòng)控制、導(dǎo)航、雷達(dá)、人工智能、運(yùn)籌學(xué)、計(jì)算機(jī)和圖像處理等多個(gè)學(xué)科與專業(yè)，是難度很大的綜合性研究領(lǐng)域。在基于四旋翼無(wú)人機(jī)的農(nóng)田信息獲取系統(tǒng)中一般采用后者，即在起飛前由地面站系統(tǒng)根據(jù)農(nóng)田信息采集的具體任務(wù)進(jìn)行航跡規(guī)劃，而在農(nóng)田信息采集過(guò)程中，無(wú)人機(jī)只需根據(jù)既定航跡飛行，不做自主航跡規(guī)劃。

3無(wú)人機(jī)的續(xù)航能力提升技術(shù)。無(wú)人機(jī)的質(zhì)量是影響其續(xù)航能力的主要因素，而動(dòng)力與能源裝置在整機(jī)重量中占了很大比例(如OS4Ⅱ高達(dá)45%)。無(wú)人機(jī)可用的動(dòng)力裝置主要有內(nèi)燃機(jī)、電動(dòng)機(jī)組和微型渦輪機(jī)等［16］。化石燃料比鋰電池具有更高的能量密度，但現(xiàn)有的小型內(nèi)燃機(jī)效率太低，并且很難控制油量。微型渦輪機(jī)的前景比較好，但其技術(shù)目前尚不成熟。電動(dòng)機(jī)具有運(yùn)轉(zhuǎn)可靠、轉(zhuǎn)速可控和噪音小等優(yōu)點(diǎn)，且價(jià)格低廉，一般采用鋰電池或鋰聚合物電池供電。目前，續(xù)航能力僅在10－30min左右，且電能很大一部分都是被動(dòng)力裝置消耗(例如OS4Ⅱ高達(dá)91%)。因此，研制更輕、更高效的動(dòng)力與能源裝置是進(jìn)一步微小型化四旋翼無(wú)人機(jī)和提高其續(xù)航能力的關(guān)鍵。

4機(jī)載農(nóng)田信息傳感技術(shù)。農(nóng)田中需要采集的信息較多，如土壤墑情、病蟲害和作物長(zhǎng)勢(shì)等，考慮到飛行經(jīng)濟(jì)性和采集效率，一次飛行要盡可能完成多種信息的采集。目前，每種農(nóng)田信息都需要專門的信息采集技術(shù)，如土壤環(huán)境(墑情、養(yǎng)分等)多采用光譜傳感技術(shù)，雜草識(shí)別多采用形狀特征傳感技術(shù)，作物長(zhǎng)勢(shì)監(jiān)測(cè)多采用多時(shí)相影像采集技術(shù)。把多學(xué)科的相關(guān)理論和技術(shù)融合到農(nóng)業(yè)信息采集技術(shù)研究，開(kāi)發(fā)能夠采集多種信息的一體化傳感器、節(jié)省機(jī)載空間及質(zhì)量、提高采集效率和降低數(shù)據(jù)采集成本，將是超低空農(nóng)田信息獲取系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。

5無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)。無(wú)人機(jī)需要傳輸?shù)男畔o(wú)人機(jī)飛行姿態(tài)信息、航線拍攝圖像以及各類傳感器采集信息等。對(duì)于實(shí)時(shí)性要求不高的數(shù)據(jù)(如作物長(zhǎng)勢(shì)等)可以不傳輸，而是采用大容量的存儲(chǔ)卡進(jìn)行存儲(chǔ);而對(duì)于實(shí)時(shí)性要求較高的數(shù)據(jù)(如無(wú)人機(jī)飛行信息等)，需及時(shí)傳輸，便于調(diào)節(jié)控制。基于無(wú)人機(jī)的圖像無(wú)線傳輸技術(shù)，受到無(wú)人機(jī)本身特點(diǎn)的限制，不同于傳統(tǒng)的視頻傳輸，涉及到以下關(guān)鍵點(diǎn)。

(1)傳輸速度。農(nóng)田中采集的圖像等信息傳輸時(shí)占用帶寬較大，但是現(xiàn)有的幾種無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)速率相對(duì)較低，難以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離與高速率的實(shí)時(shí)傳輸。因此，需要選擇合適的無(wú)線傳輸技術(shù)來(lái)解決數(shù)字圖像等大信息量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸。

(2)數(shù)據(jù)傳輸抗干擾技術(shù)。農(nóng)田信息監(jiān)測(cè)面臨著電磁干擾等復(fù)雜環(huán)境，氣候不穩(wěn)定，干擾源多，需采用合適的信道編碼對(duì)圖像信息進(jìn)行差錯(cuò)控制。當(dāng)前需要加強(qiáng)通信技術(shù)的可靠性、安全性和抗干擾性，以滿足實(shí)際應(yīng)用的需求。

(3)傳輸系統(tǒng)節(jié)能化。為實(shí)現(xiàn)大面積農(nóng)田監(jiān)控，圖像傳輸系統(tǒng)所需電能一般要占微型無(wú)人機(jī)總電能的1/5，設(shè)計(jì)性能良好的無(wú)線傳輸模塊，節(jié)省圖像傳輸元件的功耗，并降低非工作時(shí)間的能耗是解決此問(wèn)題的關(guān)鍵。

發(fā)展前景

發(fā)達(dá)國(guó)家以精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)信息獲取技術(shù)為基礎(chǔ)的農(nóng)業(yè)機(jī)械已得到了廣泛的應(yīng)用，為我國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械現(xiàn)代化進(jìn)程和農(nóng)業(yè)高新技術(shù)的發(fā)展提供了可借鑒的思路。四旋翼無(wú)人機(jī)載農(nóng)田信息獲取系統(tǒng)在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的農(nóng)田信息獲取方面有著廣闊的應(yīng)用前景，可通過(guò)機(jī)載設(shè)置不同的傳感器來(lái)獲取不同的數(shù)據(jù)，滿足大型農(nóng)場(chǎng)和城鎮(zhèn)農(nóng)田土地信息獲取，其未來(lái)發(fā)展主要趨勢(shì)體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)。

1)微型化。新材料的研發(fā)使用、動(dòng)力能源的改進(jìn)、微機(jī)電系統(tǒng)的發(fā)展和傳感器等模塊的高度集成，將使無(wú)人機(jī)具備尺寸小、質(zhì)量輕和運(yùn)動(dòng)靈活等特性。

2)節(jié)能化。實(shí)現(xiàn)功能模塊自主調(diào)節(jié)，降低傳輸系統(tǒng)工作時(shí)的能耗，關(guān)閉暫時(shí)不用的設(shè)備，提高無(wú)人機(jī)續(xù)航能力，擴(kuò)大有效飛行半徑。

3)智能化。使用機(jī)載微型攝像機(jī)充當(dāng)輔助導(dǎo)航設(shè)備，獲取地面圖像，自主分析和解算，校正甚至改變其飛行路線，實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)自主飛行。同時(shí)，根據(jù)附近農(nóng)田采集的數(shù)據(jù)，可自動(dòng)分析、尋找和識(shí)別目標(biāo)，并確定此區(qū)域農(nóng)田中需進(jìn)行的作業(yè)項(xiàng)目。

結(jié)論

1)基于四旋翼無(wú)人機(jī)的農(nóng)田信息獲取系統(tǒng)是實(shí)時(shí)與快速監(jiān)測(cè)農(nóng)情參數(shù)變化的重要方法之一，隨著相關(guān)研究進(jìn)一步深入，預(yù)計(jì)在不久的將來(lái)小型四旋翼無(wú)人機(jī)技術(shù)會(huì)逐步走向成熟與實(shí)用。

2)飛行控制、GPS導(dǎo)航和無(wú)線信息傳輸?shù)茸酉到y(tǒng)將進(jìn)一步健全和完善，使其具有自主起降和全天候抗干擾穩(wěn)定飛行能力。

3)它將逐步滿足農(nóng)田信息獲取需求，監(jiān)控農(nóng)作物生長(zhǎng)全過(guò)程，將推動(dòng)農(nóng)業(yè)數(shù)字化的迅速發(fā)展。

4)對(duì)其稍加改進(jìn)即可應(yīng)用于資源勘探、地面測(cè)繪、城市規(guī)劃和林業(yè)普查等行業(yè)。