陶婧

農(nóng)用植保無人機(jī)精準(zhǔn)施藥定位系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

陶婧

（蕪湖職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽蕪湖，241006）

農(nóng)用植保無人機(jī)憑借其作業(yè)效率高、運(yùn)行成本低、作業(yè)時(shí)間靈活、噴灑效果好等特點(diǎn)，逐漸取代了傳統(tǒng)的人工噴藥裝置，在綠色農(nóng)用植保領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。精準(zhǔn)施藥定位系統(tǒng)是農(nóng)用植保無人機(jī)飛行控制的“大腦”。目前，市場(chǎng)上絕大部分的農(nóng)用植保無人機(jī)安裝的是GPS定位系統(tǒng)。然而該系統(tǒng)遇到復(fù)雜環(huán)境時(shí)容易產(chǎn)生定位偏差，且受地形障礙物影響較大，從而導(dǎo)致飛行作業(yè)的精確度差、危險(xiǎn)系數(shù)高，嚴(yán)重地制約了植保無人機(jī)的發(fā)展。利用雙GPS與GPRS網(wǎng)絡(luò)定位服務(wù)相結(jié)合的方式研發(fā)設(shè)計(jì)的一種在復(fù)雜環(huán)境下也能為無人機(jī)提供高精度定位服務(wù)的混合定位系統(tǒng)，確保了農(nóng)用植保無人機(jī)施藥的高效性和精準(zhǔn)性。

植保無人機(jī)；精準(zhǔn)定位系統(tǒng)；GPS；GPRS

隨著近年來科技水平的不斷提高，無人機(jī)的應(yīng)用從最初的目標(biāo)定位識(shí)別、軍事偵查監(jiān)視、測(cè)繪攝像等逐漸延伸到農(nóng)業(yè)領(lǐng)域。在農(nóng)業(yè)發(fā)展中，病蟲害影響極其巨大，是影響農(nóng)作物產(chǎn)量的最重要因素，而農(nóng)用植保無人機(jī)技術(shù)是防治病蟲害的前沿技術(shù)。植保無人機(jī)噴灑作業(yè)具有效率高、勞動(dòng)強(qiáng)度低、綜合成本低、不損傷作物、節(jié)約用水用藥、防治效果好等優(yōu)點(diǎn)[1]，逐漸取代了傳統(tǒng)的人工噴藥裝置，在綠色農(nóng)用植保領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

無人機(jī)定位系統(tǒng)作為農(nóng)用植保無人機(jī)飛行控制的“大腦”，是實(shí)現(xiàn)無人機(jī)自主導(dǎo)航控制和飛行的關(guān)鍵。想要實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)施藥，精準(zhǔn)定位是第一步。在植保作業(yè)中必須借助先進(jìn)的定位技術(shù)對(duì)無人機(jī)的飛行路線進(jìn)行高精度定位。近年來，以全球定位系統(tǒng)（GPS）為代表的衛(wèi)星定位技術(shù)的出現(xiàn)，使得無人機(jī)植保作業(yè)成為可能。目前市場(chǎng)上絕大部分的農(nóng)用植保無人機(jī)僅安裝了GPS定位系統(tǒng)，遇到復(fù)雜環(huán)境時(shí)容易產(chǎn)生定位偏差，且受地形障礙物影響較大，從而導(dǎo)致飛行作業(yè)的精確度差、危險(xiǎn)系數(shù)高，這嚴(yán)重地制約了植保無人機(jī)的發(fā)展[2-4]。針對(duì)這一問題，我們從技術(shù)指標(biāo)要求出發(fā)，采用國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有成熟技術(shù)，對(duì)植保無人機(jī)的精準(zhǔn)定位系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，在不影響系統(tǒng)穩(wěn)定性的條件下對(duì)GPS定位系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化升級(jí)，利用雙GPS與GPRS網(wǎng)絡(luò)定位服務(wù)相結(jié)合的方式，研發(fā)和設(shè)計(jì)了一種在復(fù)雜環(huán)境下也能為無人機(jī)提供高精度定位服務(wù)的混合定位系統(tǒng)，以確保農(nóng)用植保無人機(jī)施藥的高效性和精準(zhǔn)性。

1 定位技術(shù)

GPS（Global Positioning System）全球定位系統(tǒng)技術(shù)利用定位衛(wèi)星系統(tǒng)為GPS 用戶提供精確的導(dǎo)航和定位服務(wù)，其定位示意圖如圖1 所示。整個(gè)系統(tǒng)由GPS導(dǎo)航衛(wèi)星、地面基站及用戶終端設(shè)備構(gòu)成，用戶終端設(shè)備主要用于接收GPS信息，GPS導(dǎo)航衛(wèi)星以及地面基站則負(fù)責(zé)提供位置信息服務(wù)。在無人機(jī)自主飛行過程中，GPS 提供的位置信息服務(wù)可以對(duì)無人機(jī)進(jìn)行自主導(dǎo)航和作業(yè)線路規(guī)劃，因而被廣泛地應(yīng)用于各種無人機(jī)自主飛行控制系統(tǒng)中[5]。

GPRS（General packet radio service）無線分組交換定位技術(shù)又稱為L(zhǎng)BS（Location Based Services）移動(dòng)基站定位技術(shù)，主要借助于 GPRS網(wǎng)絡(luò)基站信號(hào)實(shí)現(xiàn)定位，其定位原理示意圖如圖2 所示。相對(duì)GPS定位系統(tǒng)而言，GPRS定位系統(tǒng)不僅定位精度更高，對(duì)環(huán)境的要求更低，還可以最大限度地抵抗各種其它不可抗因素給定位信號(hào)帶來的干擾，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)外的全方位一體定位。它與GPS定位系統(tǒng)的結(jié)合使用可以極大的提高定位服務(wù)的精確性。

圖1 GPS 定位原理示意圖

圖2 LBS 定位系統(tǒng)原理示意圖

2 植保無人機(jī)定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 植保無人機(jī)定位系統(tǒng)硬件組成

無人機(jī)定位系統(tǒng)主要由定位終端和空中GPS導(dǎo)航衛(wèi)星、GPRS/GSM網(wǎng)絡(luò)、飛行主控制器、速度傳感器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器、地面基站及用戶端組成（如圖3）。飛行主控制器采用JIYI K3-A作為控制核心，對(duì)GPS、GPRS傳感器、速度傳感器等模塊的信息進(jìn)行采集；用戶端再接收GPS、GPRS接收模塊采集回來的定位數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)經(jīng)處理后進(jìn)行傳輸。該系統(tǒng)主要利用模塊的串口對(duì)模塊進(jìn)行控制：控制模塊讀取GPS和GPRS的位置信息，系統(tǒng)根據(jù)這些模塊提供的位置信息執(zhí)行相應(yīng)的控制算法并輸出控制信號(hào)以實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)植保無人機(jī)作業(yè)的精準(zhǔn)穩(wěn)定控制。

圖3 定位系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

2.2 植保無人機(jī)定位系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本研究中的農(nóng)用植保無人機(jī)的主控制器采用JIYI K3-A。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)無人機(jī)精準(zhǔn)施藥的定位控制，其軟件主程序流程如圖4所示。

圖4 定位系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)流程

系統(tǒng)運(yùn)行定位控制軟件時(shí)，首先初始化姿態(tài)控制參數(shù)，即對(duì)植保無人飛行器的姿態(tài)控制參數(shù)進(jìn)行初始化，保持無人飛行器的當(dāng)前飛行姿態(tài)和飛行動(dòng)作；再對(duì)GPS/GPRS定位系統(tǒng)進(jìn)行初始化，系統(tǒng)進(jìn)行定位控制相關(guān)算法；最后設(shè)置施藥航線、作業(yè)面積、施藥量等，無人機(jī)通過讀取設(shè)計(jì)信息，執(zhí)行數(shù)據(jù)融合算法，最后起飛作業(yè)。

2.3 航線設(shè)計(jì)

植保無人機(jī)采用K3-A飛控，能精準(zhǔn)響應(yīng)指令，作業(yè)操控簡(jiǎn)單。噴灑作業(yè)時(shí)，無人機(jī)可采用3種作業(yè)模式，分別是智能模式、輔助模式與手動(dòng)模式，能應(yīng)對(duì)各種地形，可在飛行中直接規(guī)劃路線，也可以提前預(yù)設(shè)飛機(jī)的飛行高度、航帶間距、飛行速度等。為配合農(nóng)用植保無人機(jī)的快速精準(zhǔn)作業(yè)，一般在飛行作業(yè)任務(wù)前，結(jié)合作業(yè)任務(wù)要求和施藥地形狀況，設(shè)計(jì)農(nóng)用植保無人機(jī)航線規(guī)劃，進(jìn)入任務(wù)要求界面（如圖5），輸入噴灑任務(wù)指標(biāo)后程序?qū)⒆詣?dòng)計(jì)算其飛行相關(guān)參數(shù)，生成飛行航線，同時(shí)將航線規(guī)劃信息存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中，便于地面控制設(shè)備讀取航線規(guī)劃信息，確認(rèn)無誤后發(fā)送給無人機(jī)[6]。

圖5 農(nóng)用植保無人機(jī)飛行航線設(shè)計(jì)圖

2.3.1繞障礙物飛行設(shè)計(jì)

在無人機(jī)飛行作業(yè)過程中，將上述高精度定位系統(tǒng)安裝到該型植保無人機(jī)平臺(tái)上，為其提供位置信息服務(wù)。在飛行過程中，無人機(jī)將根據(jù)任務(wù)規(guī)劃的預(yù)定航線和定位系統(tǒng)給出飛行實(shí)際位置[7]。遇到障礙物時(shí)，無人機(jī)會(huì)發(fā)出信號(hào)；同時(shí)，具有自主飛行能力，能繞過障礙物繼續(xù)飛行作業(yè)（如圖6）。

圖6 農(nóng)用植保無人機(jī)擾障礙物飛行圖

2.3.2無人機(jī)續(xù)噴設(shè)計(jì)

為了精準(zhǔn)施藥，該農(nóng)用植保無人機(jī)安裝了斷點(diǎn)記憶自動(dòng)返航雙GPS。無人機(jī)具備全自動(dòng)作業(yè)模式，擁有斷藥、斷點(diǎn)續(xù)噴等功能。當(dāng)無人機(jī)在自動(dòng)作業(yè)中電池電量過低或者農(nóng)藥噴灑完畢時(shí)，會(huì)自行記錄斷點(diǎn)位置及經(jīng)緯度坐標(biāo)（如圖7所示），并自動(dòng)返航降落；待工作人員處理后，無人機(jī)又繼續(xù)飛到斷點(diǎn)位置繼續(xù)噴灑作業(yè)，可有效避免漏噴、重噴，真正做到精準(zhǔn)施藥。

圖7 農(nóng)業(yè)植保無人機(jī)斷點(diǎn)續(xù)噴模擬圖

3 試驗(yàn)仿真測(cè)試

為了進(jìn)一步驗(yàn)證其正確性和可靠性，我們?cè)谇鄭u智飛航空無人機(jī)K6-10六旋翼植保無人機(jī)平臺(tái)上進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試過程中，我們將基于雙GPS和GPRS開發(fā)設(shè)計(jì)的新型混合定位系統(tǒng)安裝到該型植保無人機(jī)平臺(tái)上，為其提供位置信息服務(wù)，讓原無人機(jī)和設(shè)計(jì)后的無人機(jī)分別進(jìn)行噴灑測(cè)試。我們對(duì)試驗(yàn)地進(jìn)行劃分，每10 m為一條航線，航線帶寬設(shè)計(jì)為1.5 m，紙張寬度為1.9 m，兩邊各有20 cm壓邊不計(jì)算面積，總計(jì)18條航線帶。兩組無人機(jī)各進(jìn)行9條航線帶的飛行噴灑作業(yè)試驗(yàn)，每個(gè)航線帶上鋪設(shè)遇水變色紙；通過噴灑自來水觀測(cè)紙張變色情況；測(cè)量每張紙上未變色的面積，并對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析（分析結(jié)果見表1）。

通過測(cè)試分析可知，試驗(yàn)組平均未變色紙張面積為1.51 m2，對(duì)照組平均未變色紙張面積為1.93 m2。由此可見，該混合定位系統(tǒng)可以為植保無人機(jī)提供更精確的位置信息服務(wù)，大幅度提高了植保無人機(jī)的飛行控制精度，真正做到精準(zhǔn)施藥。

表1 紙張變色情況分析表

4 結(jié)論

傳統(tǒng)的植保無人機(jī)采用單一的GPS定位系統(tǒng)，遇到復(fù)雜環(huán)境時(shí)容易產(chǎn)生定位偏差，且受地形障礙物影響較大，從而導(dǎo)致飛行作業(yè)的精確度差、危險(xiǎn)系數(shù)高等問題。利用雙GPS與GPRS網(wǎng)絡(luò)定位服務(wù)相結(jié)合的方式研發(fā)設(shè)計(jì)的一種新型高精度定位系統(tǒng)，確保了農(nóng)用植保無人機(jī)施藥的高效性和精準(zhǔn)性。從無人機(jī)平臺(tái)K6-10的試驗(yàn)結(jié)果可以看出，該定位系統(tǒng)能有效提高無人機(jī)的定位精度，對(duì)實(shí)現(xiàn)無人機(jī)的精準(zhǔn)施藥具有重要的意義。

[1] 丁紹偉,郭可婧,曾培青,等. 小型植保無人機(jī)防治稻縱卷葉螟田間試驗(yàn)[J]. 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技, 2017(7):115,119.

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Optimization Design of the Precision Pesticide Application Positioning System for Agricultural Plant Protection UAVs

TAO Jing

Agricultural plant protection UAVs have gradually replaced traditional manual spraying devices due to their high operating efficiency, low operating cost, flexible operating time, and good spraying effect. They have been widely used in the field of green agricultural plant protection. The precision pesticide application positioning system is the “brain” of flight control for agricultural plant protection UAVs. Currently the most of agricultural plant protection UAVs on the market are installed with GPS positioning systems. However, the GPS positioning system is prone to positioning deviations when encountered with complex environments and greatly affected by terrain obstacles, which leads to poor accuracy and high risk during flight operations and seriously restricts the development of plant protection UAVs. A hybrid positioning system that can provide high-precision positioning services for UAVs in complex environments, developed and designed through the combination of dual GPS and GPRS network positioning services, ensures high-efficiency and accuracy of agricultural plant protection UAVs.

UAV (unmanned aerial vehicle); precise positioning system; GPS; GPRS

TP391

A

1009-1114（2020）03-0055-04

2020-04-19

陶婧（1985.9—），女，安徽樅陽(yáng)人，講師、數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)工程師，主要研究方向?yàn)檐浖_發(fā)和數(shù)據(jù)庫(kù)及其應(yīng)用。

研究項(xiàng)目：蕪湖職業(yè)技術(shù)學(xué)院重點(diǎn)科研項(xiàng)目“基于農(nóng)作物數(shù)據(jù)分析實(shí)現(xiàn)無人機(jī)自動(dòng)化作業(yè)系統(tǒng)研究”（wzyzrzd201704）；2019年度安徽省職業(yè)與成人教育學(xué)會(huì)科研規(guī)劃課題“高職院校智慧課堂教學(xué)模式的構(gòu)建與實(shí)踐”（Azcj051）； 2019年度安徽高校人文社會(huì)科學(xué)研究重點(diǎn)項(xiàng)目“AI+教育背景下高職大學(xué)生職業(yè)能力構(gòu)建研究”（SK2019A0846）。

文稿責(zé)編 張俊