山地果园无人机喷施作业参数选择与优化

文竹 袁刚 张声松 陈小有 王道锦

摘要：有人说：“喷洒无人机”就是上天赐予农民们最好的礼物，现在有了喷洒无人机让农民们省了许多的事，现在喷洒无人机的出现就解决了许多问题，在中国农业生产作业中已经扮演了十分重要的角色。在与传统的人工喷洒相比较，小型喷洒无人机在工作过程中喷洒的更均匀，几乎每株植物都能够喷洒到药水。旋翼产生的向下气流有助于增加雾流对作物的穿透性，防治效果更好。喷洒无人机采用距离遥控操作的方式，喷洒作业人员采用远距离遥控操作的方式，喷洒作业人员可避免与农药直接接触，有利于增强作业的安全性。每年都会出现因人工喷洒农药不当造成的事故。

关键词：无人机;喷施;参数

无人机是一种小型的遥控型农药喷药小飞机，机体型娇小而功能强大，以载荷为10公斤的电动植保无人机为例，其喷洒效率是传统人工的30倍，飞机采用智能操控，操作手通过地面遥控器定位对其实施控制，其旋翼产生的向下气流有助于增加雾流对作物的穿透性，防治效果好，远距离操控施药大大提高了农药喷洒的重要性。对农业病虫等进行实时监控、农村土地权、农作物长势及害虫的监测、施药、授药、施肥作业。本文也就山地果园无人机做相关的介绍。

一、无人机喷洒作业解决方案

我们中国是农业大国，发展高效、安全的现代生态农业是中国农业化现代化建设的重要目标。国内的农药的使用量越来越大，作业成本高，且浪费严重，在资源有效利用率低的情况下，作物的产量和质量难以得到保障，同时造成了大面积的水土资源污染、生态系统的失衡、农产品的品质下降等问题，无法适应现代农业发展的要求。随着科技的发展，现代的农业都趋向机械化，所以现在无人机喷洒农药技术开始广泛的应用在农药上面。与传统的人工喷药相比，喷药无人机具有高效、省时、便捷的优势，喷药无人机可以装载10公斤农药，每小时的作业效率可以达到40-60亩，大大提高了作业效率;喷药无人机配备压力传感器与流量传感器，可以实时监测喷洒流量，在作业工程中动态控制药液的流量速度。下沉式新型喷头，更完美的利用了下压风场，喷头组件实现了即开即停，喷洒的更加精准，药液沉降效果更佳;喷药无人机喷药服务一亩地的价格，用时也仅仅只有一分钟左右，相对于以往的雇人喷药相比，节约了成本、人力和时间。

二、无人机参数选择与优化

丘陵山地占我国国土面积的近70%，其农业生产效率与平原地区相比存在较大差异，农业生产以经济果林作物为主，受地形条件限制，现代化地面作业农机通行困难，丘陵山地的机械化程度远低于全国平均水平。多旋翼无人机动作灵活、可垂直起降的特点非常适合山地果园的植保施药作业，无人机飞行轨迹的精准控制是其在山地果园高效植保作业应用的瓶颈。所以无人机特定的时候它有主要的参数。

2.1  飞行参数

高度（H）相对于起飞地的高度，国际常用，122米是一个相对安全高度，如果飞行的高度超过1000米，会进入空气的对流层，无人机在高空中非常的不安全;距离（D）相对于起飞点的距离，视距内是500米，不同无人机的飞行距离也是不相同的，理论上能达到7，8千米，一般飞一般都不错了;起飞点也就是GPS原点，在此同时，我们必须理解经度与纬度的一个概念以及GPS高度的概念。

2.2  信号参数

GPS信号是一个能接受到卫星信号数量，现在的水平至少在九颗星以上，才能较为准确的定位，想要取得良好的效果需要在十三颗以上;保证控制无人机的主要参数是遥控信号的质量，在进行喷洒的过程中，需要提前设定好，避免遥控失灵返航的问题;无人机的电量也是影响无人机的故障之一，一种是电池没有卡紧，导致突然性的没电，另一种就是间接性供应不上电，造成故障。

三、果园无人机导航技术

受地形条件限制，现代化地面作业农机通行困难，丘陵山地的机械化程度远低于全国平均水平。多旋翼无人机动作灵活、可垂直起降的特点非常适合山地果园的植保施药作业，无人机飞行轨迹的精准控制是其在山地果园高效植保作业应用的瓶颈。本文在分析多旋翼无人机动力学模型的基础上，针对无人机山地果园植保作业的飞行控制需求，分析基于多种导航方式组合的无人机自主导航飞行控制方法;针对山地苹果园果树树冠的分布特性，研究基于机器视觉的果树行快速分割方法，进而探寻果树行趋势线提取算法，结合GNSS导航技术，提出基于GNSS视觉组合的无人机山地果园作业水平航迹控制方法;针对山地果园的地形特点，研究基于双目视觉图像的三维点云提取算法，进而探寻基于双目视觉的多点测距方法，提出基于双目视觉的无人机仿形飞行控制方法;融合无人机水平航迹和高度仿形的飞行控制方法，提出基于多种导航方式组合的山地果园无人机自主导航方法;基于上述理论研究，设计并研发了无人机自主导航控制系统，对系统性能进行了实地试验验证。本文主要研究内容及结论如下。

（1）     开展了多旋翼无人机动力学数学模型研究，结合山地果园果树种植特点，分析了效率最优的最佳作业路径，针对效率最优飞行轨迹，提出了无人机山地果园作业的自主导航控制方法，将自主导航控制分解为水平航迹控制和高度仿形控制两个简单控制组合，使用PID控制算法结合动力学模型，计算得到无人机航向控制和高度控制的最优控制参数，最终确定航向控制选用PID控制，高度控制选用PID控制。

（2）     提出了基于GNSS视觉组合的无人机山地果园植保作业航迹控制方法。分析水平航迹控制中的航向调整过程，开展控制系统整体设计，提出视觉导航实现行内作业航迹调整控制，GNSS导航实现作业行间转场航迹控制流程。选用2个NEO-M8P-2芯片搭建了RTK GNSS定位装置，并在PC机上开发了上位机软件，软件实时上传并记录位置信息，将实时位置和航向与目标位置进行计算得到偏航信息，以偏航信息作为PID控制器输入，航向调整控制量为输出，实现无人机水平航向调整;在RGB、Lab、HSV三个颜色空间内对果树行进行了分割，通过对分割效果、处理时间等综合评价，最终选用RGB空间下基于RGB分量线性组合的果树行提取方法，对分割后的果树行进行二次曲线拟合得到行趋势线，计算得到偏航角值，由PID控制器控制实现航向调整。将两种导航方式进行组合，实现无人机山地果园植保作业时的水平航迹控制。定位和视觉导航精度验证结果表明，GNSS模块静态定位误差小于0.26m，动态测试最大误差为0.82m，平均误差为0.53m;视觉导航控制的航迹误差为-27～+48cm，平均误差为23cm。

四、结语

无人机的喷施在农林的应用越来越广泛，无人机的技术的使用可以真正改变“游戏规则”，可以提高作物的产量节省时间，减少开支并以无与伦比的准确性和精确度行事。

参考文献：

[1]   陆碧秀，莫新媛.植保无人机水稻田间农药喷施的作业效果研究[J].农业工程技术，2020，40（15）：40-42.DOI：10.16815/j.cnki.11-5436/s.2020.15.006.

[2]   王东，范叶满，薛金儒，等.基于GNSS与视觉融合的山地果园无人机航迹控制 [J].农业机械学报，2019，50（4）：20-28.DOI：10.6041/j.issn.1000-1298.2019.04.002.

[3]   朱晓锋，王明，徐兵强，等.核桃园植保无人机作业参数优选[J].植物保护，2020，46（4）：25-32.DOI：10.16688/j.zwbh.2019220.

[基金項目]贵州省科技计划项目：18轴100公斤级智能植保无人机研发，合同编号：黔科合支撑[2018]2370号。

作者简介：

文竹，男，（1978—），贵州铜仁人，一直从事农业科技信息服务工作。