農(nóng)田信息論文：無人機(jī)在農(nóng)田作業(yè)中的運用

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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，日本精工愛普生公司的“UFR－II”旋翼飛行器，通過藍(lán)牙技術(shù)可在10m范圍內(nèi)實現(xiàn)對飛行器的控制，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)自動化系統(tǒng)實驗室Bouabdallah等開發(fā)的OS4Ⅱ四旋翼無人機(jī)，最大長度73cm，質(zhì)量235g，由4個Faulhaber1724電機(jī)驅(qū)動和MT9－B微慣性測量單元控制，通過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，可實現(xiàn)30min室內(nèi)自主飛行。該研究的重點是機(jī)構(gòu)設(shè)計方法和自主飛行控制算法［6］。2007年，麻省理工學(xué)院HowJ．P．等，通過一臺地面設(shè)備實現(xiàn)對多架四旋翼無人機(jī)的操控，并通過FM無線傳輸信息，用于監(jiān)督和追蹤地面目標(biāo)。該研究使用IMU慣性測量單元對飛行姿態(tài)進(jìn)行測量，通過激光掃描陣列感知環(huán)境和規(guī)劃航線［7］。2008年，美國斯坦福大學(xué)的StevenL．Waslander等開發(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)實時傳輸?shù)哪芰ΑＭㄟ^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Parrot公司研制的AR．DRONE四旋翼無人機(jī)，配備了2個攝像頭。通過Wi－Fi通信可將前置攝像頭拍攝到的畫面實時傳送到手機(jī)等終端，底部的攝像頭主要是用來連接測量單元，以補償戶外飛行時的環(huán)境干擾。

我國的四旋翼無人機(jī)研究處于剛起步階段，主要研究方向集中在旋翼無人機(jī)的機(jī)構(gòu)設(shè)計、自主懸停控制和飛行規(guī)劃等方面，且主要應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，對農(nóng)田信息采集并未進(jìn)行過多的研究。2005年，上海交通大學(xué)王守亮等研制的四旋翼飛行器，整個飛行器總質(zhì)量僅8g，驅(qū)動采用質(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，并同時使用兩個電機(jī)串聯(lián)提高功率輸出，采用藍(lán)牙進(jìn)行無線通信傳輸。控制系統(tǒng)采用DSP芯片，主要研究了電機(jī)的控制方法，提高無人機(jī)的可控性［9］。2008年，浙江大學(xué)孫棋等采用日本旋翼式無人航空攝影平臺HeraclesII，通過攜帶光譜儀、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存儲卡。同時，采集鮮樣并測量其生化參數(shù)，對水稻氮素營養(yǎng)進(jìn)行了診斷研究。2008年6月，國防科技大學(xué)王俊生與馬宏緒等研制了一種小型四旋翼無人機(jī)，采用鋰電池供電驅(qū)動4臺Maxon微電機(jī)以及齒輪減速裝置，無人機(jī)總質(zhì)量約700g，最大長度70cm。根據(jù)牛頓－歐拉方程建立了小型四旋翼直升機(jī)的動力學(xué)模型，并首次將自抗擾控制器運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)對無人機(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，對無人機(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)飛控實驗。采用PID控制方法，由紅外無線傳輸控制電子調(diào)速器實現(xiàn)對無人機(jī)的調(diào)速。對慣性導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行了研究，通過PWM信號控制電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)拉力大小，從而控制無人機(jī)的飛行姿態(tài)。2011年6月，武漢理工大學(xué)詹鐳與賀人慶等對微型四旋翼無人機(jī)的智能導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計。無人機(jī)采用直流無刷電機(jī)驅(qū)動，使用PID和四元算法調(diào)整并保持飛行器的飛行姿態(tài)，實現(xiàn)了在上位機(jī)上規(guī)劃航跡，通過XbeeSeries2無線通信，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，實現(xiàn)了自主巡航，同時可將飛行數(shù)據(jù)實時傳回遠(yuǎn)程控制平臺［11］。

關(guān)鍵技術(shù)分析

微小型四旋翼無人機(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，通過機(jī)載傳感器對田間信息進(jìn)行采集，所得的農(nóng)田信息可直接存儲，也可通過藍(lán)牙、Wi－Fi或射頻等無線傳輸方法將信息傳至數(shù)據(jù)節(jié)點或終端。其核心結(jié)構(gòu)是四旋翼無人機(jī)載體、農(nóng)田信息傳感器、農(nóng)田信息處理單元和無線數(shù)據(jù)傳輸模塊等。

1無人機(jī)飛行控制技術(shù)。四旋翼直升機(jī)作為一種微型飛行器，是一個非線性、多變量、高度耦合及欠驅(qū)動系統(tǒng)，在其飛行過程中不僅同時受到多種物理效應(yīng)的作用(如空氣動力、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)果對微型飛行平臺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，氣流擾動和機(jī)體本身的振動對攝像與傳輸?shù)馁|(zhì)量有影響，還需適當(dāng)采取減振措施，減少圖像在傳輸過程中產(chǎn)生的抖動，消除拍攝中圖像信號不穩(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確定載體的動態(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，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、無人機(jī)特性和燃料限制等進(jìn)行航線設(shè)計，控制無人機(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題，滿足飛行采集要求的最優(yōu)飛行軌跡，以支持無人機(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任務(wù)區(qū)域，并且盡量均勻不重疊。無人機(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)、自動控制、導(dǎo)航、雷達(dá)、人工智能、運籌學(xué)、計算機(jī)和圖像處理等多個學(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)田信息采集過程中，無人機(jī)只需根據(jù)既定航跡飛行，不做自主航跡規(guī)劃。

3無人機(jī)的續(xù)航能力提升技術(shù)。無人機(jī)的質(zhì)量是影響其續(xù)航能力的主要因素，而動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%)。無人機(jī)可用的動力裝置主要有內(nèi)燃機(jī)、電動機(jī)組和微型渦輪機(jī)等［16］?；剂媳蠕囯姵鼐哂懈叩哪芰棵芏?，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。電動機(jī)具有運轉(zhuǎn)可靠、轉(zhuǎn)速可控和噪音小等優(yōu)點，且價格低廉，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力裝置消耗(例如OS4Ⅱ高達(dá)91%)。因此，研制更輕、更高效的動力與能源裝置是進(jìn)一步微小型化四旋翼無人機(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、病蟲害和作物長勢等，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)，雜草識別多采用形狀特征傳感技術(shù)，作物長勢監(jiān)測多采用多時相影像采集技術(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無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)。無人機(jī)需要傳輸?shù)男畔o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。對于實時性要求不高的數(shù)據(jù)(如作物長勢等)可以不傳輸，而是采用大容量的存儲卡進(jìn)行存儲;而對于實時性要求較高的數(shù)據(jù)(如無人機(jī)飛行信息等)，需及時傳輸，便于調(diào)節(jié)控制?；跓o人機(jī)的圖像無線傳輸技術(shù)，受到無人機(jī)本身特點的限制，不同于傳統(tǒng)的視頻傳輸，涉及到以下關(guān)鍵點。

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

(2)數(shù)據(jù)傳輸抗干擾技術(shù)。農(nóng)田信息監(jiān)測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圖像信息進(jìn)行差錯控制。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，以滿足實際應(yīng)用的需求。

(3)傳輸系統(tǒng)節(jié)能化。為實現(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人機(jī)總電能的1/5，設(shè)計性能良好的無線傳輸模塊，節(jié)省圖像傳輸元件的功耗，并降低非工作時間的能耗是解決此問題的關(guān)鍵。

發(fā)展前景

發(fā)達(dá)國家以精準(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，可通過機(jī)載設(shè)置不同的傳感器來獲取不同的數(shù)據(jù)，滿足大型農(nóng)場和城鎮(zhèn)農(nóng)田土地信息獲取，其未來發(fā)展主要趨勢體現(xiàn)在以下幾點。

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

2)節(jié)能化。實現(xiàn)功能模塊自主調(diào)節(jié)，降低傳輸系統(tǒng)工作時的能耗，關(guān)閉暫時不用的設(shè)備，提高無人機(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，實現(xiàn)無人機(jī)自主飛行。同時，根據(jù)附近農(nóng)田采集的數(shù)據(jù)，可自動分析、尋找和識別目標(biāo)，并確定此區(qū)域農(nóng)田中需進(jìn)行的作業(yè)項目。

結(jié)論

1)基于四旋翼無人機(jī)的農(nóng)田信息獲取系統(tǒng)是實時與快速監(jiān)測農(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)計在不久的將來小型四旋翼無人機(jī)技術(shù)會逐步走向成熟與實用。

2)飛行控制、GPS導(dǎo)航和無線信息傳輸?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)作物生長全過程，將推動農(nóng)業(yè)數(shù)字化的迅速發(fā)展。

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