农用无人机自主飞行技术研究与趋势
摘要:随着人工智能、深度学习的快速发展,无人机自主飞行技术已然成为无人机智能化评价之一。在精准农业与智慧农业的倡导下,无人机在农业领域发展迅猛。农用无人机应用场景包括:作物授粉、喷洒作业、农情监测、打顶剪枝、疏花疏果及畜牧跟踪,其自主程度重要性不言而喻。综述国内外无人机飞行技术研究现状,介绍农用无人机在自主控制方法、避障方法、轨迹规划算法以及精准喷洒方法的研究进展,分析指出农用无人机系统自主环境感知能力差、信息处理速度慢、路径规划算法收敛慢、作物识别率低等不足,提出采用多传感器组合、双冗余控制、多算法融合和基于深度学习的作物特征识别等改进方法。本文为农用无人机自主飞行技术满足智能作业需求提供理论基础。
关键词:农用无人机;深度学习;轨迹规划;避障;精准农业
0引言
无人机经多年发展从普通到高端、从固定翼到多旋翼、从手控到自主的阶跃变化,其应用也从军事拓展到工业、民用、农业等领域[1-2]。农业航空是以农业生产为基础的航空事业,包括:无人机作业机体、农情遥感监测装置、航空作业技术及装备等[3-5]。农用无人机凭借无需专用跑道、作业效率优于人工、作业质量高以及作业环境适应度强等优势,得到企业和民众的广泛认可。但目前无人机主要以遥控和预编程控制为主,这种操作容易造成无法及时避障、轨迹重复、无法完全覆盖作业农田、难以精准喷洒等问题。
1自主控制
无人机自主控制包括:(1)基于多层次自主控制体结构;(2)人机交互智能融合与自学习适应控制;(3)无人机系统自诊断、自修复功能,具备自主决策功能,能够实现自主控制。
国外学者对无人机自主控制研究较早,为解决无人机自主飞行能力低的问题,Johnson等[6]提出无人机的可靠自主控制技术;Cheng[7]则根据动态反演算法,设计建立非线性预测控制模型,试验证明该模型能够提高无人机自主飞行能力。美国某公司基于重规划系统,研发出一种自主飞行智能控制器。无人机可以根据环境实时调整飞行任务。中国农业航空事业开始于20世纪50年代[8],C-46型飞机在广州上空的灭蝇任务中拉开了我国农业航空的序幕[9]。随着我国农机智能化的快速发展,农用无人机应用以及飞行技术的研究上升到一定高度。无人机自主控制系统是将各子系统协调组成一个完整系统,按作业需求调用各子系统自适应完成作业任务。
2避障技术
在农田作业环境中,存在气流、温度、湿度、光线强度等不可控因素,这对无人机作业安全性、可靠性、作业效率都存在很大挑战。无人机避障效果影响因素包括:环境信息传感器的精度、传感器组合方式、避障时间、避障算法、避障策略选择和障碍物环境模型建立准确程度等。农用无人机避障技术可对障碍物进行自动识别和实时避障,能够有效减少财产损失和安全隐患。因此无人机对于障碍物的信息采集和实时规避已成为国内外广大学者的研究热点。
对于国外无人机避障技术的研究:日本某公司无人直升机仅携带GPS定位模块,其飞行过程中需要操控人员观察障碍物控制避障,其飞机的故障率为5.8%,坠机的主要原因包括田间的电线、拉线杆、树冠等障碍物,因此作业过程中会产生高昂的维修费[20-23]。美国AFRL基于光电感应研发出了一种小型避障系统,并进行了飞行试验,目前该避障系统应用于“GlobalHawks”和“Predators”上[24]。2016年,苏黎世大学DavideScaramuzza教授的研究团队研发了一套基于深度神经网络的单目视觉无人机。通过训练,该无人机可穿越林间小路。这项研究是迄今为止第一次实现基于机载硬件和深度学习模型的林间避障飞行[25]。2016年,Barry[26]团队基于立体激光扫描器建立避障算法,通过无人机成功在树林中以每小时30英里的速度飞行试验,并实现无人机的避障功能。Park等提出了一种采用立体视觉传感器的四旋翼无人机碰撞避免方案,通过引入虚拟输入来处理四旋翼飞行器的欠驱动问题[27]。其立体视觉传感器用于获得深度图像信息进而探测障碍物,利用速度之间的关系来计算碰撞的概率方法,成功避免四旋翼与障碍物之间的碰撞。印度鲁尔克拉国家技术学院的Padhy[28]团队提出基于单目摄像头的无GPS走廊环境下自主导航和避碰的模型,实现了无人机半自主飞行。
3路径规划技术
由于无人机续航时间有限且作业农田相对固定,那么保证无人机在作业起始点到作业终点之间的区域路径规划问题就显得尤为重要。无人机路径规划影响因素:作业农田规整度不统一、作业地形环境复杂、转弯半径、无人机能量约束、药量约束和规划算法等。植保无人机的路径规划应与实际的农艺要求相结合,对作业进行路径规划重点考虑的问题是如何提高作业效率、节省作业过程中药剂补充与电池更换的时间,并实现无遗漏无重复的作业地区全覆盖[43-46]。无人机作业过程中以最小代价遍历整个作业区域就是对无人机路径规划的基本要求。
4精准喷洒技术
无人机作业过程中由于作业环境和自身喷洒装置性能等因素的影响,会形成以下弊端如:药液漂移、复喷和漏喷,从而降低药滴沉积量和农药使用率。无人机精准喷洒效果难度在于机体飞行速度检测、相对作物飞行高度检测、风场建模准确度、药液穿透性、药液沉积情况、喷洒装置性能、作业环境检测。随着精准作业自主化提升,精准变量喷洒系统成为农业航空节水、节药、环保的有效途径。
参考文献
[1]赵元棣,王兴隆,王涛波.兴趣教学模式在“通用航空运行与保障”课程中的应用探讨[J].大学教育,2016(5):152-153,156.
[2]尚何章,李春涛.基于PowerPC的小型无人机飞行控制系统设计[J].伺服控制,2012(4):50-52,64.ShangHezhang,LiChuntao.DesignofflightcontrosystemforsmallUAVbasedonPowerPC[J].ServoControl,2012(4):50-52,64.
[3]周志艳,明锐,臧禹,等.农业航空发展现状及对策建议[J].农业工程学报,2017,33(20):1-13.ZhouZhiyan,Mingrui,ZangYu,etal.DevelopmentstatusandcountermeasuresofagriculturalaviationinChina[J].TransactionsoftheChineseSocietyofAgriculturalEngineering,2017,33(20):1-13
黄传鹏,毛鹏军,李鹏举,耿乾,方骞,张家瑞
《农用无人机自主飞行技术研究与趋势》
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