多旋翼授粉无人机的作业航迹规划

王汝毅，王秀娟，高 磊，岳 训

（山东农业大学信息科学与工程学院，山东泰安 271018）

0 引言

针对中国各地特色高端果树种质资源，目前面临的关键技术是如何通过规模化、标准化筛选与鉴定，精准培育“一增两减”（增产提质、减投提效、减损促稳）的优异品种[1]。众所周知，果树花期间授粉是提升果树坐果率和果实品质的必经之路，目前常规授粉主要以自然风和蜜蜂昆虫为传粉媒介[2]。为了保证果园产量和经济效益，人工辅助授粉技术（人工点授、电动授粉和雄树机械吹风授粉等方式）一直以来被普遍采用提高授粉受精的质量[3-4]。近年来，随着劳动适龄人口老龄化等原因，导致人工辅助授粉人工费用成本占总成本比重高达60%[5]，人工辅助授粉技术面临授粉劳动强度大、作业效率低和缺乏数字化精准管理等问题。

多旋翼授粉无人机(Multiple Unmanned Aerial Vehicles：Multi-UAVs)通过定高定速、轨迹记录、断点记忆等功能，既可以实现精准高效作业，又降低操控人员的劳动强度[6-9]。针对面向低空空域飞行需求，多旋翼授粉无人机在果树定量精准授粉技术具有明显优势[10]。由于果树通常是种在丘陵、山地、浅丘地带或是在陡峭山坡的地理特点，多旋翼授粉无人机作业飞行时机体周围的气流强度较大，低空作业过程中花粉液受周围气场影响严重，漂移现象明显，同一高度作业会导致不同区域间花粉液均匀性差的问题[11-12]。为此，已有研究团队学者提出了基于多旋翼授粉无人机的液体授粉技术，通过对比了多旋翼授粉无人机和背负式喷雾器在梨树冠层内沉积雾滴的粒径和覆盖结果，实验对比表明了多旋翼授粉无人机喷雾授粉的花序和花朵坐果率仍不理想[13-15]。因此，为了达到具有喷施授粉均匀、精度高、节约花粉等特点，多旋翼授粉无人机精准授粉需要智能导航控制新理论和新方法。本文研究团队在植物生长大数据采集监控技术，引领式多旋翼无人机集群控制技术的已有基础上[16-19]，给出了花粉精准喷洒作业的多旋翼授粉无人机的集群实施策略，在无人机集群编队目标位置分配、回避碰撞和集群队列区域路径规划等核心技术的基础上，设计了多旋翼授粉无人机的自动作业航迹规划控制技术。为建立“实时感知、智能控制、精准作业、智慧服务”的现代农业设施农业精准化种植关键技术与应用，提供超前一步的理论探索和可行性应用方案。

1 多旋翼授粉无人机自动作业的前期技术准备

1.1 授粉果园作业参数

包括果园空间生长环境区间（作业现场气象条件和周围有无干扰情况的调查）、精准授粉果树自动作业控制作业参数。

1.2 授粉作业前的多旋翼授粉无人机技术准备

检查无人机运转情况和多旋翼授粉无人机单元的电池能量储备。多旋翼授粉无人机电池容量小，需要频繁起降更换电池，以载重10 L的多旋翼授粉无人机为例，单架次最少2块电池组，作业面积1:1（10 L:0.67 hm2），13.34 hm2作业需要飞行20次，使用（充满电的）电池40块，单次作业时间10 min。

1.3 选定果树精准授粉父本花药组合

果树具有“花粉直感”特性，即授粉品种的花粉决定果实的特征。由于果糖的种类、含量及比率影响果实风味和营养成分，是决定果实品质和商品价值的重要因素。为此，根据母本品种花期特点、授粉亲合性和花粉直感效应等，需要适宜授粉品种父本（早熟品种、中熟品种和晚熟品种）花粉的组合。

1.4 果树授粉父本花药的商业化储备

由于多旋翼授粉无人机自动作业的父本花粉需求量较大，为此，果树授粉父本花药的存储技术是重要技术之一。果树花粉储备技术，首先选择适宜的授粉品种，采集含苞待放的品种花蕾铃铛期的花粉花药，在20～26℃温度环境下晾干花药，将花粉过筛，除去花瓣、花药壳等杂物，再将花粉和淀粉按照1:8或1:10的比例配好，搅拌均匀，装入花粉罐内储备[20]。同时，超低温保存技术是花粉进行长期保存的有效方式，实验证明，新采摘新鲜花粉与低温保存花粉对照无显著差异，表明超低温保存花粉有实现“永久”的潜力。高端果树超低温保存的花粉为6年以上，形成商品花粉储备、销售产业链[20]。

1.5 无人机静电喷雾技术

多旋翼授粉无人机除了普通无人机结构之外，还多了喷施组件，实现喷洒作业。果树的花粉不同于杨树、柳树花粉，其花粉粒较大。喷施组件由药箱、水泵、软管、喷头等组成，水泵将花粉从药箱中吸出并通过喷头喷出，再利用螺旋桨旋转产生的向下的风场实现穿透性的喷施效果。静电喷雾技术可有效提高花粉雾滴沉积效果[21]。

1.6 静止雾化喷洒花粉精准作业点

为了实现喷施授粉均匀、精度高、节约花粉等特点，如图1所示，多旋翼授粉无人机的自动作业控制参数如下：x是果树树冠顶端与地面之间的距离；y是果树树枝最低端与地面之间的距离；z是果树树冠的最大覆盖区域半径；n是围绕果树一周所需的精准静止雾化喷洒花粉作业点的数量；m是果树树冠顶端与果树树枝最低端的层数。

图1 多旋翼授粉无人机的自动作业参数设置

如图1所示，需要依照果树生长环境，合理选取多旋翼授粉无人机的喷洒花粉作业点方案。同时，在实际授粉作业时，精准静止雾化喷洒花粉作业点之间由此到彼的作业航迹轨迹，共同组成了多旋翼授粉无人机自动作业系统内在的自组织的动态演化全局模式。

2 单机多旋翼授粉无人机的实施分析

采用大疆植保无人机T16，初步验证多旋翼授粉无人机在果树冠层内的授粉覆盖效果。该产品配备六轴动力系统，喷施系统标准载荷达16 L，喷幅提升至6.5 m成[22-23]。果园试验在山东农业大学科教站园试验站开展，试验于2020年3月下旬进行，试验苹果园树行间距为8 m，株距为4 m，树体株高约4 m，顶部冠幅约6 m。

多旋翼授粉无人机的喷粉配悬浮液，按照水5 kg、蔗糖250 g、尿素15 g的比例配成营养液。喷雾前，每50 kg营养液中加入30 g花粉和50～150 g(0.1%～0.3%)硼砂。注意：一定要在临喷前再加入花粉和硼砂，并用2～3层纱布滤出杂质。多旋翼授粉无人机将花粉从药箱中吸出并通过喷头喷出，再利用螺旋桨旋转产生的向下的风场实现穿透性的喷施效果。T16喷洒系统虽然配备4个液泵及8个喷头，由于果树通常是种在丘陵、山地、浅丘地带或是在陡峭山坡的地理特点，在实际作业中，多旋翼授粉无人机作业只开启使用一定数量的喷头。

影响多旋翼授粉无人机在果树冠层内覆盖效果的喷雾参数因素众多，包括作业现场气象条件、喷洒系统使用的喷头数量、喷洒流量、喷洒倾角和多旋翼授粉无人机距离果树冠层高度等。从生产实际角度，多旋翼授粉无人机在果树冠层喷雾授粉效果，应由最终的果树花序和花朵坐果率决定。在果树上悬挂单位面积（平方厘米）的泡沫布样点，待喷雾授粉完成且充分干燥后，将泡沫布样点放入干燥信封保存并带回实验室使用扫描仪下进行灰度扫描，通过软件对泡沫布样点统计花粉数量、密度和覆盖率，模拟多旋翼授粉无人机在果树冠层内覆盖效果。

使用多旋翼授粉无人机喷雾授粉时，多旋翼授粉无人机静止雾化喷洒花粉作业点的位置的选取，决定着果树上、下层花粉覆盖率差异明显。T16喷洒系统搭载了全新电磁流量计，带来传统流量计无可比拟的高精度及高稳定性。如图2所示，本研究着重于多旋翼授粉无人机喷雾授粉覆盖效果与喷洒系统使用的喷头喷雾量、喷洒倾角的关系。

图2 多旋翼授粉无人机喷雾授粉覆盖效果与喷头喷雾量和喷洒倾角的相关性

实际验证中，多旋翼授粉无人机距离果树冠层高度约2 m，取3个不同喷洒流量（分别编号为a-2.4 L/min、b-3.6 L/min和c-4.8 L/min），喷洒倾角依次设定，统计单位面积泡沫上的花粉数量密度（个/m2）。试验结果初步表明，多旋翼授粉无人机喷雾授粉覆盖效果与喷洒系统使用的喷头喷雾量关呈正相关性，多旋翼授粉无人机喷洒倾角为40°，多旋翼授粉无人机的单位面积喷雾量越高，其授粉效果越好，覆盖效果影响显著。但是，多旋翼授粉无人机作业飞行时机体周围的气流强度较大，低空作业过程中花粉液受周围气场影响严重，漂移现象明显。单机多旋翼授粉无人机的实施效果，存在着在不同区域间花粉均匀性差的问题。

3 多单元多旋翼授粉无人机集群自动作业

3.1 多旋翼授粉无人机集群作业流程

大疆六旋翼式植保无人机(T16)为了提升作业效率，支持一个遥控器控制5架T16同时作业。同时T16结合PC地面站可对作业区域进行三维建模及AI果树识别，根据果树分布及高度进行三维航线规划作业。为了提高多旋翼授粉无人机授粉质量和作业效率，达到具有喷施授粉均匀、精度高、节约花粉等特点，如图3所示，多单元多旋翼授粉无人机集群自动作业方案如下。

图3 多单元多旋翼授粉无人机集群的自动作业流程图

3.2 集群作业算法描述

首先考虑多旋翼授粉无人机自动作业目标位置分配、路径规划、避撞、姿态轨迹跟踪控制等多个技术问题的前提下[24]，并且假设通信信道带宽内连续交换信息的理想状态基础上，多旋翼授粉无人机集群的自动作业控制算法流程图如下：

多旋翼授粉无人机集群的自动作业算法：

（1）多旋翼授粉无人机初始位置。

（2）依照果树母本，适宜专用授粉品种不同品种父本花粉的组合。例如，以‘长富2号’红富士苹果为母本，父本授粉品种果实的综合品质由高到低的排序为雪球、美红、火焰、红星、道格、全家红、绚丽、荷红、粉芽。将准备好的花粉液（15 kg水+10 g花粉+30 g硼砂+500 g白糖）装入补充授粉父本花药。

（3）3台多旋翼授粉无人机单元的一字长蛇阵引领式集群队形，进行电池能量补充和授粉父本花药。

（4）设置多旋翼授粉无人机的自动作业参数，确定精准静止雾化喷洒花粉作业点，自动生成航线。

（5）目标位置分配、路径规划、避撞条件、姿态轨迹跟踪控制，无人机集群起飞开始。

（6）针对精准静止雾化喷洒花粉作业点，多旋翼授粉无人机集群队形动态调整为小队形，控制移动方向和移动速度，达到多旋翼授粉无人机的精准静止雾化喷洒花粉作业点。

（7）实施完成各自的精准静止雾化喷洒花粉作业。

（8）作业状态监测（花粉数量、电量不足、授粉任务完成）后，再次返回初始操作位置，进行电池能量补充和授粉父本花药，准备下一次任务。

3.3 多旋翼授粉无人机集群的自动作业虚拟仿真结果

在Matlab环境下，多旋翼授粉无人机精准授粉综合虚拟仿真如图4所示。（a）3单元多旋翼授粉无人机初始位置，电池能量补充和授粉父本花药；（b）依照自动作业参数，自动生成精准静止雾化喷洒花粉作业点航线，无人机集群起飞开始；（c）集群队形动态调整为小队形，到达精准静止雾化喷洒花粉作业点；（d）完成各自的精准静止雾化喷洒花粉作业。

图4 多旋翼授粉无人机的自动作业的切换轨迹图

多旋翼授粉无人机精准授粉仿真算法的时效性，需要依照果树花期经济果树生长环境区间和授粉作业对象数量，选取合理方案。

4 讨论与结论

人工辅助蘸花、电动授粉器和雄树机械吹风等人工授粉配套技术，已成为提升坐果率和果实品质的关键技术。随着果园劳动适龄人口老龄化，导致人工辅助授粉人工费用成本占总成本比重高达60%～70%[5]。为了提升人工辅助授粉劳动效率，已有研究团队学者提出了基于多旋翼授粉无人机的液体授粉技术，但是，单个多旋翼授粉无人机作业面临花粉液均匀性差的问题。本研究提出了多旋翼授粉无人机精准授粉的集群策略，力求达到具有喷施授粉均匀、精度高、节约花粉等目标。本文在Matlab环境下，实现了无人机集群编队目标位置分配、回避碰撞和集群队列区域路径规划等多旋翼授粉无人机集群虚拟仿真核心技术，在下一步实际设计时，将面临着无人机装备相关的平台技术、传感器技术、通信指挥控制技术等需要克服的困难技术。

针对目前尚无专业的多旋翼授粉无人机，本文工作采用多旋翼式植保无人机，初步验证多旋翼授粉无人机在果树冠层内的授粉效果。从仿真试验结果可以看出，对于环境更为复杂的实际授粉作业环境，由于果树种植环境的地理特异性，需要合理选取多旋翼授粉无人机的喷洒花粉作业方案。故对于算法的设计还需要进一步研究，使其具有更好的适应能力。本文提出的多旋翼授粉无人机集群技术，将为构建智慧农业生态无人农场的精准化种植，提供了超前一步的辅助授粉理论探索和可行性应用方案。