农田信息论文：无人机在农田作业中的运用

本文作者：郑治华、杜蒙蒙、何亚凯、马俊伟 单位：河南科技大学车辆与动力工程学院、河南省烟草公司郑州市公司、河南强豫农业技术装备有限公司

2004年，日本精工爱普生公司的“UFR－II”旋翼飞行器，通过蓝牙技术可在10m范围内实现对飞行器的控制，并能在空中捕捉和传送画面到地面监视仪上。通过增加传输功率，使其传输距离最远可扩展到100m，但是这种飞行器续航能力较差，只能在空中飞行3min。2006年1月，瑞士洛桑理工大学(EPFL)自动化系统实验室Bouabdallah等开发的OS4Ⅱ四旋翼无人机，最大长度73cm，质量235g，由4个Faulhaber1724电机驱动和MT9－B微惯性测量单元控制，通过使用皮带减速装置替代电机减速箱，极大地减小了飞行振动，可实现30min室内自主飞行。该研究的重点是机构设计方法和自主飞行控制算法［6］。2007年，麻省理工学院HowJ．P．等，通过一台地面设备实现对多架四旋翼无人机的操控，并通过FM无线传输信息，用于监督和追踪地面目标。该研究使用IMU惯性测量单元对飞行姿态进行测量，通过激光扫描阵列感知环境和规划航线［7］。2008年，美国斯坦福大学的StevenL．Waslander等开发出一种四旋翼直升机，该机型采用碳素纤维结构以减轻整机质量，提高直升机的续航能力;使用带宽更大的Wi－Fi传输代替蓝牙，提升了数据实时传输的能力。通过采用滑膜积分与增强学习两种控制算法，降低了4个旋翼之间相互作用产生的复杂气流的影响［8］。2010年，法国Parrot公司研制的AR．DRONE四旋翼无人机，配备了2个摄像头。通过Wi－Fi通信可将前置摄像头拍摄到的画面实时传送到手机等终端，底部的摄像头主要是用来连接测量单元，以补偿户外飞行时的环境干扰。

我国的四旋翼无人机研究处于刚起步阶段，主要研究方向集中在旋翼无人机的机构设计、自主悬停控制和飞行规划等方面，且主要应用于军事领域，对农田信息采集并未进行过多的研究。2005年，上海交通大学王守亮等研制的四旋翼飞行器，整个飞行器总质量仅8g，驱动采用质量1g的微电机，采用两定子、三转子结构提高输出力矩，并同时使用两个电机串联提高功率输出，采用蓝牙进行无线通信传输。控制系统采用DSP芯片，主要研究了电机的控制方法，提高无人机的可控性［9］。2008年，浙江大学孙棋等采用日本旋翼式无人航空摄影平台HeraclesII，通过携带光谱仪、扫描仪和数码相机获取水稻冠层和叶片的光谱信息，将采集的数据保存到CF存储卡。同时，采集鲜样并测量其生化参数，对水稻氮素营养进行了诊断研究。2008年6月，国防科技大学王俊生与马宏绪等研制了一种小型四旋翼无人机，采用锂电池供电驱动4台Maxon微电机以及齿轮减速装置，无人机总质量约700g，最大长度70cm。根据牛顿－欧拉方程建立了小型四旋翼直升机的动力学模型，并首次将自抗扰控制器运用于小型四旋翼直升机。研究认为，自抗扰控制器可增强对无人机滚转角和俯仰角的控制，降低飞行角度的稳态误差，对无人机的姿态控制具有较好的鲁棒性［10］。

2010年，广州大学王业潘与孙骅等设计了一种四旋翼直升机的飞行控制系统，进行了室内飞控实验。采用PID控制方法，由红外无线传输控制电子调速器实现对无人机的调速。对惯性导航系统进行了研究，通过PWM信号控制电机转速调节拉力大小，从而控制无人机的飞行姿态。2011年6月，武汉理工大学詹镭与贺人庆等对微型四旋翼无人机的智能导航系统进行了优化设计。无人机采用直流无刷电机驱动，使用PID和四元算法调整并保持飞行器的飞行姿态，实现了在上位机上规划航迹，通过XbeeSeries2无线通信，将规划好的路径传输给飞行器，并由GPS模块定位和电子罗盘校正，实现了自主巡航，同时可将飞行数据实时传回远程控制平台［11］。

关键技术分析

微小型四旋翼无人机载农田信息获取系统的功能模型是:由地面站系统根据田间地块信息进行航迹规划，通过机载传感器对田间信息进行采集，所得的农田信息可直接存储，也可通过蓝牙、Wi－Fi或射频等无线传输方法将信息传至数据节点或终端。其核心结构是四旋翼无人机载体、农田信息传感器、农田信息处理单元和无线数据传输模块等。

1无人机飞行控制技术。四旋翼直升机作为一种微型飞行器，是一个非线性、多变量、高度耦合及欠驱动系统，在其飞行过程中不仅同时受到多种物理效应的作用(如空气动力、重力、陀螺效应和旋翼惯量矩等)，还很容易受到气流等外部环境的干扰，所以其姿态稳定控制结果对微型飞行平台飞行特性的影响至关重要。另外，由于四旋翼飞行器的体积小、质量轻，飞行姿态控制多变，气流扰动和机体本身的振动对摄像与传输的质量有影响，还需适当采取减振措施，减少图像在传输过程中产生的抖动，消除拍摄中图像信号不稳定［12］。为保证飞行器在各种环境下的飞行姿态，以及使其具有较强的抗干扰能力，飞行控制算法非常重要。目前，有多种四旋翼无人机飞行控制算法，如PID控制、LQ控制和鲁棒控制［13－15］等。飞行姿态控制的关键之一就是高精度的姿态采集系统，利用惯性敏感元件和初始位置来确定载体的动态位置、姿态和速度。微型惯性导航系统结合MEMS陀螺仪和加速度计，体积小、质量轻，在精度上已能够达到微型飞行器可以接受的水平［13］。

2无人机航迹规划。航迹规划的主要功能是根据任务要求、无人机特性和燃料限制等进行航线设计，控制无人机的飞行高度、转弯半径和飞行距离等，解决好多任务数据处理、组合定位、综合显示和大容量记录等问题，满足飞行采集要求的最优飞行轨迹，以支持无人机在复杂环境中进行农田信息采集及传输。要求工作范围覆盖整个任务区域，并且尽量均匀不重叠。无人机的航迹规划可分为在线自主航迹规划和飞行前由地面站系统进行的预规划两种。在线自主航迹规划涉及飞行力学、自动控制、导航、雷达、人工智能、运筹学、计算机和图像处理等多个学科与专业，是难度很大的综合性研究领域。在基于四旋翼无人机的农田信息获取系统中一般采用后者，即在起飞前由地面站系统根据农田信息采集的具体任务进行航迹规划，而在农田信息采集过程中，无人机只需根据既定航迹飞行，不做自主航迹规划。

3无人机的续航能力提升技术。无人机的质量是影响其续航能力的主要因素，而动力与能源装置在整机重量中占了很大比例(如OS4Ⅱ高达45%)。无人机可用的动力装置主要有内燃机、电动机组和微型涡轮机等［16］。化石燃料比锂电池具有更高的能量密度，但现有的小型内燃机效率太低，并且很难控制油量。微型涡轮机的前景比较好，但其技术目前尚不成熟。电动机具有运转可靠、转速可控和噪音小等优点，且价格低廉，一般采用锂电池或锂聚合物电池供电。目前，续航能力仅在10－30min左右，且电能很大一部分都是被动力装置消耗(例如OS4Ⅱ高达91%)。因此，研制更轻、更高效的动力与能源装置是进一步微小型化四旋翼无人机和提高其续航能力的关键。

4机载农田信息传感技术。农田中需要采集的信息较多，如土壤墒情、病虫害和作物长势等，考虑到飞行经济性和采集效率，一次飞行要尽可能完成多种信息的采集。目前，每种农田信息都需要专门的信息采集技术，如土壤环境(墒情、养分等)多采用光谱传感技术，杂草识别多采用形状特征传感技术，作物长势监测多采用多时相影像采集技术。把多学科的相关理论和技术融合到农业信息采集技术研究，开发能够采集多种信息的一体化传感器、节省机载空间及质量、提高采集效率和降低数据采集成本，将是超低空农田信息获取系统的关键技术之一。

5无线数据传输技术。无人机需要传输的信息包括无人机飞行姿态信息、航线拍摄图像以及各类传感器采集信息等。对于实时性要求不高的数据(如作物长势等)可以不传输，而是采用大容量的存储卡进行存储;而对于实时性要求较高的数据(如无人机飞行信息等)，需及时传输，便于调节控制。基于无人机的图像无线传输技术，受到无人机本身特点的限制，不同于传统的视频传输，涉及到以下关键点。

(1)传输速度。农田中采集的图像等信息传输时占用带宽较大，但是现有的几种无线数据传输技术速率相对较低，难以实现远距离与高速率的实时传输。因此，需要选择合适的无线传输技术来解决数字图像等大信息量数据的实时传输。

(2)数据传输抗干扰技术。农田信息监测面临着电磁干扰等复杂环境，气候不稳定，干扰源多，需采用合适的信道编码对图像信息进行差错控制。当前需要加强通信技术的可靠性、安全性和抗干扰性，以满足实际应用的需求。

(3)传输系统节能化。为实现大面积农田监控，图像传输系统所需电能一般要占微型无人机总电能的1/5，设计性能良好的无线传输模块，节省图像传输元件的功耗，并降低非工作时间的能耗是解决此问题的关键。

发展前景

发达国家以精准农业信息获取技术为基础的农业机械已得到了广泛的应用，为我国农业机械现代化进程和农业高新技术的发展提供了可借鉴的思路。四旋翼无人机载农田信息获取系统在精准农业的农田信息获取方面有着广阔的应用前景，可通过机载设置不同的传感器来获取不同的数据，满足大型农场和城镇农田土地信息获取，其未来发展主要趋势体现在以下几点。

1)微型化。新材料的研发使用、动力能源的改进、微机电系统的发展和传感器等模块的高度集成，将使无人机具备尺寸小、质量轻和运动灵活等特性。

2)节能化。实现功能模块自主调节，降低传输系统工作时的能耗，关闭暂时不用的设备，提高无人机续航能力，扩大有效飞行半径。

3)智能化。使用机载微型摄像机充当辅助导航设备，获取地面图像，自主分析和解算，校正甚至改变其飞行路线，实现无人机自主飞行。同时，根据附近农田采集的数据，可自动分析、寻找和识别目标，并确定此区域农田中需进行的作业项目。

结论

1)基于四旋翼无人机的农田信息获取系统是实时与快速监测农情参数变化的重要方法之一，随着相关研究进一步深入，预计在不久的将来小型四旋翼无人机技术会逐步走向成熟与实用。

2)飞行控制、GPS导航和无线信息传输等子系统将进一步健全和完善，使其具有自主起降和全天候抗干扰稳定飞行能力。

3)它将逐步满足农田信息获取需求，监控农作物生长全过程，将推动农业数字化的迅速发展。

4)对其稍加改进即可应用于资源勘探、地面测绘、城市规划和林业普查等行业。