農田信息論文：無人機在農田作業中的運用

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本文作者：鄭治華、杜蒙蒙、何亞凱、馬俊偉 單位：河南科技大學車輛與動力工程學院、河南省煙草公司鄭州市公司、河南強豫農業技術裝備有限公司

2004年，日本精工愛普生公司的“UFR－II”旋翼飛行器，通過藍牙技術可在10m范圍內實現對飛行器的控制，并能在空中捕捉和傳送畫面到地面監視儀上。通過增加傳輸功率，使其傳輸距離最遠可擴展到100m，但是這種飛行器續航能力較差，只能在空中飛行3min。2006年1月，瑞士洛桑理工大學(EPFL)自動化系統實驗室Bouabdallah等開發的OS4Ⅱ四旋翼無人機，最大長度73cm，質量235g，由4個Faulhaber1724電機驅動和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減速箱，極大地減小了飛行振動，可實現30min室內自主飛行。該研究的重點是機構設計方法和自主飛行控制算法［6］。2007年，麻省理工學院HowJ．P．等，通過一臺地面設備實現對多架四旋翼無人機的操控，并通過FM無線傳輸信息，用于監督和追蹤地面目標。該研究使用IMU慣性測量單元對飛行姿態進行測量，通過激光掃描陣列感知環境和規劃航線［7］。2008年，美國斯坦福大學的StevenL．Waslander等開發出一種四旋翼直升機，該機型采用碳素纖維結構以減輕整機質量，提高直升機的續航能力;使用帶寬更大的Wi－Fi傳輸代替藍牙，提升了數據實時傳輸的能力。通過采用滑膜積分與增強學習兩種控制算法，降低了4個旋翼之間相互作用產生的復雜氣流的影響［8］。2010年，法國Parrot公司研制的AR．DRONE四旋翼無人機，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境干擾。

我國的四旋翼無人機研究處于剛起步階段，主要研究方向集中在旋翼無人機的機構設計、自主懸停控制和飛行規劃等方面，且主要應用于軍事領域，對農田信息采集并未進行過多的研究。2005年，上海交通大學王守亮等研制的四旋翼飛行器，整個飛行器總質量僅8g，驅動采用質量1g的微電機，采用兩定子、三轉子結構提高輸出力矩，并同時使用兩個電機串聯提高功率輸出，采用藍牙進行無線通信傳輸。控制系統采用DSP芯片，主要研究了電機的控制方法，提高無人機的可控性［9］。2008年，浙江大學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、掃描儀和數碼相機獲取水稻冠層和葉片的光譜信息，將采集的數據保存到CF存儲卡。同時，采集鮮樣并測量其生化參數，對水稻氮素營養進行了診斷研究。2008年6月，國防科技大學王俊生與馬宏緒等研制了一種小型四旋翼無人機，采用鋰電池供電驅動4臺Maxon微電機以及齒輪減速裝置，無人機總質量約700g，最大長度70cm。根據牛頓－歐拉方程建立了小型四旋翼直升機的動力學模型，并首次將自抗擾控制器運用于小型四旋翼直升機。研究認為，自抗擾控制器可增強對無人機滾轉角和俯仰角的控制，降低飛行角度的穩態誤差，對無人機的姿態控制具有較好的魯棒性［10］。

2010年，廣州大學王業潘與孫驊等設計了一種四旋翼直升機的飛行控制系統，進行了室內飛控實驗。采用PID控制方法，由紅外無線傳輸控制電子調速器實現對無人機的調速。對慣性導航系統進行了研究，通過PWM信號控制電機轉速調節拉力大小，從而控制無人機的飛行姿態。2011年6月，武漢理工大學詹鐳與賀人慶等對微型四旋翼無人機的智能導航系統進行了優化設計。無人機采用直流無刷電機驅動，使用PID和四元算法調整并保持飛行器的飛行姿態，實現了在上位機上規劃航跡，通過XbeeSeries2無線通信，將規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，實現了自主巡航，同時可將飛行數據實時傳回遠程控制平臺［11］。

關鍵技術分析

微小型四旋翼無人機載農田信息獲取系統的功能模型是:由地面站系統根據田間地塊信息進行航跡規劃，通過機載傳感器對田間信息進行采集，所得的農田信息可直接存儲，也可通過藍牙、Wi－Fi或射頻等無線傳輸方法將信息傳至數據節點或終端。其核心結構是四旋翼無人機載體、農田信息傳感器、農田信息處理單元和無線數據傳輸模塊等。

1無人機飛行控制技術。四旋翼直升機作為一種微型飛行器，是一個非線性、多變量、高度耦合及欠驅動系統，在其飛行過程中不僅同時受到多種物理效應的作用(如空氣動力、重力、陀螺效應和旋翼慣量矩等)，還很容易受到氣流等外部環境的干擾，所以其姿態穩定控制結果對微型飛行平臺飛行特性的影響至關重要。另外，由于四旋翼飛行器的體積小、質量輕，飛行姿態控制多變，氣流擾動和機體本身的振動對攝像與傳輸的質量有影響，還需適當采取減振措施，減少圖像在傳輸過程中產生的抖動，消除拍攝中圖像信號不穩定［12］。為保證飛行器在各種環境下的飛行姿態，以及使其具有較強的抗干擾能力，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。飛行姿態控制的關鍵之一就是高精度的姿態采集系統，利用慣性敏感元件和初始位置來確定載體的動態位置、姿態和速度。微型慣性導航系統結合MEMS陀螺儀和加速度計，體積小、質量輕，在精度上已能夠達到微型飛行器可以接受的水平［13］。

2無人機航跡規劃。航跡規劃的主要功能是根據任務要求、無人機特性和燃料限制等進行航線設計，控制無人機的飛行高度、轉彎半徑和飛行距離等，解決好多任務數據處理、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飛行軌跡，以支持無人機在復雜環境中進行農田信息采集及傳輸。要求工作范圍覆蓋整個任務區域，并且盡量均勻不重疊。無人機的航跡規劃可分為在線自主航跡規劃和飛行前由地面站系統進行的預規劃兩種。在線自主航跡規劃涉及飛行力學、自動控制、導航、雷達、人工智能、運籌學、計算機和圖像處理等多個學科與專業，是難度很大的綜合性研究領域。在基于四旋翼無人機的農田信息獲取系統中一般采用后者，即在起飛前由地面站系統根據農田信息采集的具體任務進行航跡規劃，而在農田信息采集過程中，無人機只需根據既定航跡飛行，不做自主航跡規劃。

3無人機的續航能力提升技術。無人機的質量是影響其續航能力的主要因素，而動力與能源裝置在整機重量中占了很大比例(如OS4Ⅱ高達45%)。無人機可用的動力裝置主要有內燃機、電動機組和微型渦輪機等［16］。化石燃料比鋰電池具有更高的能量密度，但現有的小型內燃機效率太低，并且很難控制油量。微型渦輪機的前景比較好，但其技術目前尚不成熟。電動機具有運轉可靠、轉速可控和噪音小等優點，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91%)。因此，研制更輕、更高效的動力與能源裝置是進一步微小型化四旋翼無人機和提高其續航能力的關鍵。

4機載農田信息傳感技術。農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，考慮到飛行經濟性和采集效率，一次飛行要盡可能完成多種信息的采集。目前，每種農田信息都需要專門的信息采集技術，如土壤環境(墑情、養分等)多采用光譜傳感技術，雜草識別多采用形狀特征傳感技術，作物長勢監測多采用多時相影像采集技術。把多學科的相關理論和技術融合到農業信息采集技術研究，開發能夠采集多種信息的一體化傳感器、節省機載空間及質量、提高采集效率和降低數據采集成本，將是超低空農田信息獲取系統的關鍵技術之一。

5無線數據傳輸技術。無人機需要傳輸的信息包括無人機飛行姿態信息、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據(如作物長勢等)可以不傳輸，而是采用大容量的存儲卡進行存儲;而對于實時性要求較高的數據(如無人機飛行信息等)，需及時傳輸，便于調節控制。基于無人機的圖像無線傳輸技術，受到無人機本身特點的限制，不同于傳統的視頻傳輸，涉及到以下關鍵點。

(1)傳輸速度。農田中采集的圖像等信息傳輸時占用帶寬較大，但是現有的幾種無線數據傳輸技術速率相對較低，難以實現遠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來解決數字圖像等大信息量數據的實時傳輸。

(2)數據傳輸抗干擾技術。農田信息監測面臨著電磁干擾等復雜環境，氣候不穩定，干擾源多，需采用合適的信道編碼對圖像信息進行差錯控制。當前需要加強通信技術的可靠性、安全性和抗干擾性，以滿足實際應用的需求。

(3)傳輸系統節能化。為實現大面積農田監控，圖像傳輸系統所需電能一般要占微型無人機總電能的1/5，設計性能良好的無線傳輸模塊，節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鍵。

發展前景

發達國家以精準農業信息獲取技術為基礎的農業機械已得到了廣泛的應用，為我國農業機械現代化進程和農業高新技術的發展提供了可借鑒的思路。四旋翼無人機載農田信息獲取系統在精準農業的農田信息獲取方面有著廣闊的應用前景，可通過機載設置不同的傳感器來獲取不同的數據，滿足大型農場和城鎮農田土地信息獲取，其未來發展主要趨勢體現在以下幾點。

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

2)節能化。實現功能模塊自主調節，降低傳輸系統工作時的能耗，關閉暫時不用的設備，提高無人機續航能力，擴大有效飛行半徑。

3)智能化。使用機載微型攝像機充當輔助導航設備，獲取地面圖像，自主分析和解算，校正甚至改變其飛行路線，實現無人機自主飛行。同時，根據附近農田采集的數據，可自動分析、尋找和識別目標，并確定此區域農田中需進行的作業項目。

結論

1)基于四旋翼無人機的農田信息獲取系統是實時與快速監測農情參數變化的重要方法之一，隨著相關研究進一步深入，預計在不久的將來小型四旋翼無人機技術會逐步走向成熟與實用。

2)飛行控制、GPS導航和無線信息傳輸等子系統將進一步健全和完善，使其具有自主起降和全天候抗干擾穩定飛行能力。

3)它將逐步滿足農田信息獲取需求，監控農作物生長全過程，將推動農業數字化的迅速發展。

4)對其稍加改進即可應用于資源勘探、地面測繪、城市規劃和林業普查等行業。