農(nóng)用無人機(jī)自主飛行技術(shù)研究與趨勢

　　摘要：隨著人工智能、深度學(xué)習(xí)的快速發(fā)展，無人機(jī)自主飛行技術(shù)已然成為無人機(jī)智能化評價(jià)之一。在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)與智慧農(nóng)業(yè)的倡導(dǎo)下，無人機(jī)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域發(fā)展迅猛。農(nóng)用無人機(jī)應(yīng)用場景包括：作物授粉、噴灑作業(yè)、農(nóng)情監(jiān)測、打頂剪枝、疏花疏果及畜牧跟蹤，其自主程度重要性不言而喻。綜述國內(nèi)外無人機(jī)飛行技術(shù)研究現(xiàn)狀，介紹農(nóng)用無人機(jī)在自主控制方法、避障方法、軌跡規(guī)劃算法以及精準(zhǔn)噴灑方法的研究進(jìn)展，分析指出農(nóng)用無人機(jī)系統(tǒng)自主環(huán)境感知能力差、信息處理速度慢、路徑規(guī)劃算法收斂慢、作物識別率低等不足，提出采用多傳感器組合、雙冗余控制、多算法融合和基于深度學(xué)習(xí)的作物特征識別等改進(jìn)方法。本文為農(nóng)用無人機(jī)自主飛行技術(shù)滿足智能作業(yè)需求提供理論基礎(chǔ)。

　　關(guān)鍵詞：農(nóng)用無人機(jī)；深度學(xué)習(xí)；軌跡規(guī)劃；避障；精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)

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　　無人機(jī)經(jīng)多年發(fā)展從普通到高端、從固定翼到多旋翼、從手控到自主的階躍變化，其應(yīng)用也從軍事拓展到工業(yè)、民用、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域［１－２］。農(nóng)業(yè)航空是以農(nóng)業(yè)生產(chǎn)為基礎(chǔ)的航空事業(yè)，包括：無人機(jī)作業(yè)機(jī)體、農(nóng)情遙感監(jiān)測裝置、航空作業(yè)技術(shù)及裝備等［３－５］。農(nóng)用無人機(jī)憑借無需專用跑道、作業(yè)效率優(yōu)于人工、作業(yè)質(zhì)量高以及作業(yè)環(huán)境適應(yīng)度強(qiáng)等優(yōu)勢，得到企業(yè)和民眾的廣泛認(rèn)可。但目前無人機(jī)主要以遙控和預(yù)編程控制為主，這種操作容易造成無法及時(shí)避障、軌跡重復(fù)、無法完全覆蓋作業(yè)農(nóng)田、難以精準(zhǔn)噴灑等問題。

　　１自主控制

　　無人機(jī)自主控制包括：（１）基于多層次自主控制體結(jié)構(gòu)；（２）人機(jī)交互智能融合與自學(xué)習(xí)適應(yīng)控制；（３）無人機(jī)系統(tǒng)自診斷、自修復(fù)功能，具備自主決策功能，能夠?qū)崿F(xiàn)自主控制。

　　國外學(xué)者對無人機(jī)自主控制研究較早，為解決無人機(jī)自主飛行能力低的問題，Ｊｏｈｎｓｏｎ等［６］提出無人機(jī)的可靠自主控制技術(shù)；Ｃｈｅｎｇ［７］則根據(jù)動態(tài)反演算法，設(shè)計(jì)建立非線性預(yù)測控制模型，試驗(yàn)證明該模型能夠提高無人機(jī)自主飛行能力。美國某公司基于重規(guī)劃系統(tǒng)，研發(fā)出一種自主飛行智能控制器。無人機(jī)可以根據(jù)環(huán)境實(shí)時(shí)調(diào)整飛行任務(wù)。中國農(nóng)業(yè)航空事業(yè)開始于２０世紀(jì)５０年代［８］，Ｃ－４６型飛機(jī)在廣州上空的滅蠅任務(wù)中拉開了我國農(nóng)業(yè)航空的序幕［９］。隨著我國農(nóng)機(jī)智能化的快速發(fā)展，農(nóng)用無人機(jī)應(yīng)用以及飛行技術(shù)的研究上升到一定高度。無人機(jī)自主控制系統(tǒng)是將各子系統(tǒng)協(xié)調(diào)組成一個(gè)完整系統(tǒng)，按作業(yè)需求調(diào)用各子系統(tǒng)自適應(yīng)完成作業(yè)任務(wù)。

　　２避障技術(shù)

　　在農(nóng)田作業(yè)環(huán)境中，存在氣流、溫度、濕度、光線強(qiáng)度等不可控因素，這對無人機(jī)作業(yè)安全性、可靠性、作業(yè)效率都存在很大挑戰(zhàn)。無人機(jī)避障效果影響因素包括：環(huán)境信息傳感器的精度、傳感器組合方式、避障時(shí)間、避障算法、避障策略選擇和障礙物環(huán)境模型建立準(zhǔn)確程度等。農(nóng)用無人機(jī)避障技術(shù)可對障礙物進(jìn)行自動識別和實(shí)時(shí)避障，能夠有效減少財(cái)產(chǎn)損失和安全隱患。因此無人機(jī)對于障礙物的信息采集和實(shí)時(shí)規(guī)避已成為國內(nèi)外廣大學(xué)者的研究熱點(diǎn)。

　　對于國外無人機(jī)避障技術(shù)的研究：日本某公司無人直升機(jī)僅攜帶ＧＰＳ定位模塊，其飛行過程中需要操控人員觀察障礙物控制避障，其飛機(jī)的故障率為５．８％，墜機(jī)的主要原因包括田間的電線、拉線桿、樹冠等障礙物，因此作業(yè)過程中會產(chǎn)生高昂的維修費(fèi)［２０－２３］。美國ＡＦＲＬ基于光電感應(yīng)研發(fā)出了一種小型避障系統(tǒng)，并進(jìn)行了飛行試驗(yàn)，目前該避障系統(tǒng)應(yīng)用于“ＧｌｏｂａｌＨａｗｋｓ”和“Ｐｒｅｄａｔｏｒｓ”上［２４］。２０１６年，蘇黎世大學(xué)ＤａｖｉｄｅＳｃａｒａｍｕｚｚａ教授的研究團(tuán)隊(duì)研發(fā)了一套基于深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的單目視覺無人機(jī)。通過訓(xùn)練，該無人機(jī)可穿越林間小路。這項(xiàng)研究是迄今為止第一次實(shí)現(xiàn)基于機(jī)載硬件和深度學(xué)習(xí)模型的林間避障飛行［２５］。２０１６年，Ｂａｒｒｙ［２６］團(tuán)隊(duì)基于立體激光掃描器建立避障算法，通過無人機(jī)成功在樹林中以每小時(shí)３０英里的速度飛行試驗(yàn)，并實(shí)現(xiàn)無人機(jī)的避障功能。Ｐａｒｋ等提出了一種采用立體視覺傳感器的四旋翼無人機(jī)碰撞避免方案，通過引入虛擬輸入來處理四旋翼飛行器的欠驅(qū)動問題［２７］。其立體視覺傳感器用于獲得深度圖像信息進(jìn)而探測障礙物，利用速度之間的關(guān)系來計(jì)算碰撞的概率方法，成功避免四旋翼與障礙物之間的碰撞。印度魯爾克拉國家技術(shù)學(xué)院的Ｐａｄｈｙ［２８］團(tuán)隊(duì)提出基于單目攝像頭的無ＧＰＳ走廊環(huán)境下自主導(dǎo)航和避碰的模型，實(shí)現(xiàn)了無人機(jī)半自主飛行。

　　３路徑規(guī)劃技術(shù)

　　由于無人機(jī)續(xù)航時(shí)間有限且作業(yè)農(nóng)田相對固定，那么保證無人機(jī)在作業(yè)起始點(diǎn)到作業(yè)終點(diǎn)之間的區(qū)域路徑規(guī)劃問題就顯得尤為重要。無人機(jī)路徑規(guī)劃影響因素：作業(yè)農(nóng)田規(guī)整度不統(tǒng)一、作業(yè)地形環(huán)境復(fù)雜、轉(zhuǎn)彎半徑、無人機(jī)能量約束、藥量約束和規(guī)劃算法等。植保無人機(jī)的路徑規(guī)劃應(yīng)與實(shí)際的農(nóng)藝要求相結(jié)合，對作業(yè)進(jìn)行路徑規(guī)劃重點(diǎn)考慮的問題是如何提高作業(yè)效率、節(jié)省作業(yè)過程中藥劑補(bǔ)充與電池更換的時(shí)間，并實(shí)現(xiàn)無遺漏無重復(fù)的作業(yè)地區(qū)全覆蓋［４３－４６］。無人機(jī)作業(yè)過程中以最小代價(jià)遍歷整個(gè)作業(yè)區(qū)域就是對無人機(jī)路徑規(guī)劃的基本要求。

　?。淳珳?zhǔn)噴灑技術(shù)

　　無人機(jī)作業(yè)過程中由于作業(yè)環(huán)境和自身噴灑裝置性能等因素的影響，會形成以下弊端如：藥液漂移、復(fù)噴和漏噴，從而降低藥滴沉積量和農(nóng)藥使用率。無人機(jī)精準(zhǔn)噴灑效果難度在于機(jī)體飛行速度檢測、相對作物飛行高度檢測、風(fēng)場建模準(zhǔn)確度、藥液穿透性、藥液沉積情況、噴灑裝置性能、作業(yè)環(huán)境檢測。隨著精準(zhǔn)作業(yè)自主化提升，精準(zhǔn)變量噴灑系統(tǒng)成為農(nóng)業(yè)航空節(jié)水、節(jié)藥、環(huán)保的有效途徑。

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　　黃傳鵬，毛鵬軍，李鵬舉，耿乾，方騫，張家瑞

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