农业植保多旋翼无人机飞行控制系统设计

【目的】为了确保农业植保无人机能够在合适的位置喷洒农药,提高控制精度、作业效率并降低成本,有必要对多旋翼无人机的飞行控制系统进行优化设计。【方法】本研究团队以STM32F428IGT6芯片为核心,设计了农业植保多旋翼无人机飞行控制系统。首先概述了无人机飞行控制系统的整体架构,该飞控系统由主控系统、惯性测量单元、喷洒系统、空速测量系统等构成。其次,详细分析了无人机飞行控制系统的电源供电系统设计、通信设计、传感器选择、喷洒系统设计等硬件设计。最后,阐述了无人机飞行控制系统的算法设计,主要包括无人机姿态解算和PID控制算法,并介绍了该系统应用优势。【结果】该系统各模块之间执行SPI和CAN总线协议,可以将传感器实时采集的高度、速度、偏航角等参数传输到主控系统中,利用MCU芯片完成参数的分析处理,在此基础上发出新的调控指令,让多旋翼无人机沿着既定航线飞行,在到达特定位置后启动喷洒系统并完成喷药作业。【结论】该系统能让无人机在合适位置喷洒农药,达到远程控制、自动作业的效果,提高了植保作业效率,有利于促进现代农业机械化高质量发展。     

基于Android系统的植保无人机监控软件设计

以Android为系统开发平台,设计一种植保无人机监控系统,可实现植保无人机飞行过程的移动控制.通过对植保无人机监控系统功能模块进行设计,并从Android基础理论出发,进行植保无人机控制系统软件设计,完成无人机植保作业过程中的状态监控及飞行控制.测试结果表明:该植保无人机监控系统能够有效地对无人机飞行过程进行控制.     

RTK技术在植保无人机的应用与发展

随着植保无人机行业的发展,实际应用中对植保无人机作业质量、效率、安全等需求提出了更高的要求,常规GPS定位精度不够,已经很难满足精准农业的要求。RTK(Real-time kinematic)载波相位差分技术被应用至植保无人机。借助该技术,无人机可以实现厘米级的高精度定位,按照预先设置的航线实现厘米级的自主飞行。     

农用植保旋翼无人机地面监控系统的设计与实现

植保无人机凭借其低成本、高效率、精准快速作业等优点,在农业植保领域得到快速发展,成为现代农业的一种重要装备。为了能够实时远程监控农用植保旋翼无人机的飞行状态信息,提高无人机飞行作业安全和作业质量,进行更好的飞行控制管理,设计并实现了植保旋翼无人机地面监控系统,可实现与植保无人机的远距离实时通信、监测飞行姿态、显示飞行作业轨迹和飞行控制等操作。地面监控系统采用嵌入式树莓派2作为硬件平台,2.4G无线模块实现数据收发,使用跨平台C++图形用户界面应用程序框架Qt对地面监控系统软件功能和交互界面进行开发,并制定了旋翼无人机与地面监控系统之间的数据通讯协议。该系统实际测试表明:监控系统可长时间连续稳定的工作,有效实现了对农用植保旋翼无人机实时监控与操作。     

植保无人机电磁兼容性能（辐射发射）测试研究与分析

【目的】电磁兼容性是保证电子设备或系统使用安全可靠的重要指标,探明并提高设备或系统的电磁兼容性,对于农业机械电子系统设备来说十分重要。【方法】课题组根据植保无人机电磁兼容性标准要求,对植保无人机电磁兼容性能（辐射发射）测试进行了研究与分析,针对植保无人机电源和电机供电端口,使用磁环进行骚扰源预定位整改,为植保无人机电磁兼容性能缺陷提出消除或降低安全风险的方法。【结果】整改前,该款植保无人机辐射发射测试在30 MHz～80 MHz、2.380 5GHz～2.527 0 GHz和4.784 7 GHz～5.054 0 GHz越过限值,考核频段中最大超限点在46.15 MHz处超限5.32 dBμV/m;整改后,30 MHz～1 000 MHz范围内的最大准峰值为49.5 dBμV/m,小于50 dBμV/m的限值。【结论】整改后的测试结果符合要求,能够提升植保无人机产品质量。为了进一步确保植保无人机产品具有较好的电磁兼容性能,在产品设计初期还应充分考虑输入与输出影响、传导影响和互耦影响。     

基于深度学习的农用无人机自主避障研究

针对目前农用植保无人机(UAV)自主避障能力弱及避障系统繁琐等问题,提出了一种适用于植保无人机的基于深度学习的端到端自主避障方式。利用植保无人机挂载的双目相机实时采集图像,当检测到障碍物与植保无人机距离≤5m时,自主避障系统启动,将采集图像预处理后输入卷积神经网络,输出姿态角与油门量控制无人机自主飞行与避障,同时卷积神经网络通过手动飞行采集信息进行训练。实验结果表明:该方法能使植保无人机对农田常见障碍物房屋、树木、电线杆等做出自主避障,且模型具有一定的泛化能力,适当训练后,可将此避障方式应用于复杂环境下的植保无人机自主避障。     

基于GNSS与视觉融合的山地果园无人机航迹控制

为精准控制无人机航迹稳定、准确进行山地果园的航空植保作业,以四旋翼无人机为载体,设计了基于GNSS与视觉导航融合的山地果园无人机植保航迹控制系统。该系统由无人机飞行平台和地面控制站两部分组成。其中,无人机平台由四旋翼无人机、内环飞控、GNSS移动站、RGB相机、无线视频发射模块和电子罗盘组成;控制站由GNSS基站、飞行控制模块、便携式计算机、无线视频接收模块和视频采集模块组成。基于Python语言,结合Open CV库,设计了果树行识别算法。采用线性组合算法提取目标行作业区域,利用最小二乘法对作业区域中心点进行拟合,得到果树行趋势线,进而计算出偏航角,以实现无人机作业航迹控制。山地苹果园的导航控制试验结果表明,当无人机飞行速度为2 m/s,距离果树冠层高度约2 m,相机倾角为46°,视觉导航控制率为2次/s时,该系统航迹控制误差范围为-47～42 cm,平均误差为-9 cm,系统控制精度较高,可满足无人机对山地果园植保作业的要求。     

植保无人机主要性能指标测评方法的分析与思考

近年来,随着无人机在农业领域的广泛应用,植保无人机已经成为农业航空植保器械的重要组成部分之一。相应地,人们也开始对植保无人机的综合性能要求越来越高。因此,如何实现对植保无人机的综合性能指标进行科学且全面的测评,已成为当前植保无人机大规模推广应用问题中的难点和热点。为此,在概述了植保无人机在农业应用中的特点和发展前景的基础上,指出了当前制约植保无人机发展的重要问题之一是缺乏高性能的植保无人机;并对植保无人机综合性能指标中的可靠性能指标、抗风性能指标、载荷性能指标、振动性能指标和喷施作业性能等5个主要性能指标的测试必要性和测试方法现状做了深入剖析,指出了各种测试方法的优点及不足;归纳了目前植保无人机综合性能测试中仍然存在的问题;最后,对未来植保无人机综合性能测试技术的发展提出了展望,指出了未来植保无人机性能指标测试体系完善和技术发展的方向。     

四旋翼无人机移动平台跟随降落系统设计

【目的】四旋翼无人机以自主悬停、垂直起降、控制简易的特性被广泛应用于市场,但无人机续航能力以及控制精度要求影响着各项工作的开展。【方法】本研究设计了一种跟随降落系统,将四旋翼、无人车、UWB、视觉降落系统分阶段融合构成一个对移动平台的跟随降落系统,详细分析了四旋翼无人机跟随移动平台的总体设计、UWB定位系统设计、机器视觉处理及数据融合处理等系统设计,并将无人机分成三轴方向对飞行数据进行了卡尔曼滤波处理实验。【结果与结论】该系统与传统定位系统GPS相比,增加了UWB定位与OpenMV导航降落,卡尔曼滤波后的飞行轨迹与小车轨迹更接近,实现了无人机跟随移动平台,提高了跟随移动平台飞行的精确度,减少了无人机在飞行过程中因误差与自然因素导致飞行出现偏移的状况,为后续无人机降落于无人车上提供了更高的精准度与安全性,使户外无人机搜救工作的续航有了更大的保障。     

基于网络平台的植保无人机通信系统设计

以提升植保无人机的通信系统性能、改善无人机作业效率为目标,结合先进数据传输网络平台技术,对其通信系统进行了设计。在植保无人机通信系统运行原理的基础上,搭建基于网络控制与传输平台的通信模型并增设控制补偿模型,根据实现功能目标需求,针对系统进行软件模块功能设计与硬件架构配置,形成完整的植保无人机地面监控与机体飞行通信系统并进行通信试验。试验结果表明:该植保无人机通信内部数据处理丢包率、系统通信强度、无人机作业通信距离等指标均得到改善,系统有效通信距离大幅度提高,系统收发数据信号反应灵敏度较一般传统通信提高21%,系统平均丢包率由1.5%可提升至1.36%,并实现了分级、分功能的数据准确传输与显示,为无人机进行远距离作业提供通信数据传输控制便利,可为类似农机设备通信系统优化提供参考。     

基于射线检测算法的无人机植保作业电子围栏设计

保障植保无人机执行喷洒作业时不越过作业地块边界,是保证植保无人机作业安全性与高效性的必要前提。设计了一种高效可靠的无人机植保作业电子围栏,能够实时检测无人机是否越界,并在有越界风险时及时发出预警。首先,算法根据作业地块边界、无人机飞行速度等关键要素确定电子围栏报警模型并由此生成安全边界。当无人机飞行在安全边界内时,算法不对其进行越界检测;当无人机飞行于安全边界与作业边界之间时,算法将进行越界检测并同时发出预警,提示无人机操作人员随时准备控制无人机改变航向;当无人机飞行于作业边界之外时,将反馈越界标志,提供给飞行控制系统或无人机操作人员介入控制。测试表明：无人机植保作业电子围栏能够实现高效、可靠的飞行监测,实时检测植保无人机飞行是否越界,并在有越界风险时及时发出越界预警。     

华测i90惯导RTK在“农村宅基地确权”中的应用——以大竹县庙坝镇为例

【目的】为了最大效率节约人力、物力、财力,找寻推动“农村宅基地确权”工作顺利进行的方法。【方法】课题组以测量作业为切入点,探索新型惯导RTK倾斜测量的优越性,针对全野测量工作量大、效率低等问题,提出新型惯导RTK测量与无人机倾斜摄影测量相结合的确权技术路线,归纳总结出了一套标准化作业流程,并以四川省大竹县庙坝镇为例测试了该方法的应用效果。【结果】使用无人机获取测区影像数据后,生产出了高精度的三维模型;再利用新型惯导RTK对模型拉花区域进行了实地补测,绘制出了符合测量规范要求的地籍图。【结论】该方法可以满足农村宅基地确权项目的精度要求,可以在一定程度上减少人力、物力等资源的投入,减轻外业人员的测量负担,使资源向内业倾斜,协调内外业之间的相互关系,加速推进农村宅基地确权项目的进行。     

无人机在乡村振兴精准农业中的应用研究——基于汉语语言多维视角选择

介绍了汉语语言多维视角选择在无人机中的应用,设计了无人机飞行控制系统整体方案,并从姿态检测和高度检测等模块设计了无人机飞行控制系统硬件部分,最后建立了无人机运动模型和实现了无人机自主飞行的避障策略。飞行试验结果表明：无人机可以准确从起点飞行至终点,中途避开了障碍物,具有较好的稳定性,验证了飞行避障策略的可行性。     

基于多速率卡尔曼滤波的植保无人机仿地飞行方法

针对四旋翼植保无人机坡地适应性差、作业时定高精度低的问题,提出了一种融合立体视觉、气压计及惯性测量单元(IMU)的多速率卡尔曼滤波估计无人机高度的仿地飞行方法。首先基于无人机实时高度、姿态与最佳视觉检测区域之间的关系,提出了视觉检测区域自适应算法;然后融合多传感器信息建立多速率卡尔曼滤波模型用以估计无人机对地高度;最后通过自主飞行实验对无人机高度估计算法与仿地飞行方法进行验证。实验结果表明,当飞行高度为2 m,飞行速度为1、2、3 m/s时,植保无人机在平坦地面与15°缓坡区域均可实现高度估计平均绝对误差小于20 mm,高度估计标准差小于30 mm;高度控制平均绝对误差小于30 mm,高度控制标准差小于30 mm;本文验证了植保无人机在地形变化场景下仿地飞行的有效性,为植保无人机在复杂地形自动化作业奠定了基础。     

基于多传感器融合的无人机精准自主飞行控制方法

为解决我国植保无人机实际作业过程中普遍存在的由空间位置定位精度不足和飞行参数不稳定造成的雾滴分布不均匀、重喷、漏喷等问题,以多旋翼无人机系统为平台,基于ROS(Robot operating system)和MAVROS构建了由协同计算机与开源飞行控制器组成的二级控制系统,结合基于RTK-GPS的绝对位置测量和基于激光雷达的相对距离探测方法,融合外部传感器与飞行控制器板载传感器数据对无人机状态估计进行修正,提高了无人机飞行参数和飞行轨迹的稳定性。为进一步提高植保无人机自主作业性能,基于ROS设计了飞行任务管理系统,实现了无人机精准自主任务点之间的直线飞行。真实飞行试验结果表明：无人机自主飞行过程中水平方向平均定位误差为0.145m,垂直方向平均定位误差为0.053m。     

极飞P30 2018款植保无人机

该机由广州极飞科技有限公司生产制造。该植保无人机搭载全新SUPERX3 RTK智能飞行控制系统和XAI农业智能引擎,支持XCope天目自主避障系统,可以在20m外识别半径大于5cm的障碍物的距离与方位角;采用主动近红外照射技术,使得夜间避障依然可靠;全自主飞行,无需遥控操作,简单易学,快速上手,支持一控多机,大幅提高作业效率;首创智能遥控喷洒模式,独具网格化喷洒记忆功能,不重喷,不漏喷。     

遗传算法在植保无人机控制系统中的应用

以无人机飞行控制系统为研究对象,通过对植保无人机的应用进行分析,提出一种双闭环控制方式的植保无人机飞行控制系统。由于作业需求,植保无人机飞行轨迹应根据作业状态进行不断调整,有效避开飞行航线中的障碍物,因此控制系统中兼容一种基于遗传算法的植保无人机飞行避障算法。仿真实验表明：植保无人机在飞行过程中能够有效进行单障碍及多障碍的规避,避障过程存在较小的误差,不会对植保无人机的作业状态产生影响;不同飞行速度对无人机的避障会产生不同程度的误差影响,速度越高,误差越大。     

植保无人机飞控系统与航线规划研究进展分析

应用无人机开展植保作业是有效防治病虫害的重要途径。本文对植保无人机行业发展和相关应用研究进行了综述,分别从植保无人机飞控系统、单机作业航线规划、多机作业调度场景及优化方法 3个角度进行了阐述,以增强植保无人机作业效果与提高作业效率为目标,分析了植保无人机飞行控制系统及航线规划与调度的研究现状。针对植保无人机因作业精度要求高而导致其飞控系统制造成本高的问题,提出应研发低成本、高精度、可适应植保无人机作业需求的测姿器件,开发相应的姿态估计算法;针对植保无人机航线规划、优化调度模型与实际作业需求不匹配的情况,总结了单机作业航线规划与多机调度优化场景、约束条件与优化方法。最后,提出应研发植保无人机自动补给平台,构建基于多机协同的作业管理与调度优化模型,以增强植保无人机在复杂作业环境中的作业效果,提高作业效率。     

基于高度融合的植保无人机仿地飞行方法研究

多旋翼植保无人机在坡地作业过程中一般作业于作物上方1.5~3 m的近地空中,需要保持稳定的仿地飞行才能保障无人机的安全飞行和喷洒均匀性。提出了一种仿地飞行方法,通过前置毫米波雷达进行坡度判断,在坡度起伏较小时,将差分GPS高度与对地毫米波雷达高度进行卡尔曼滤波融合以提高精度,在坡度变化超出阈值时,将前置毫米波雷达与对地毫米波雷达的高度进行多雷达高度信息融合以提高响应速度,最后采用模糊PID控制算法控制无人机高度。通过仿真和实地飞行测试,实现了植保无人机坡地仿地飞行高度误差小于40 cm的目的,保证了无人机的环境适应能力和喷洒均匀性,为植保无人机在不同地形下的全自动作业奠定了基础。     

农业植保无人机高精度定位系统研究与设计——基于GPS和GPRS

农业植保无人机凭借其高效率、低作业成本等特点,目前正逐步地取代人工植保,成为农业植保领域的一种重要装备。定位系统作为农业植保无人机控制系统的核心,是实现无人机自主工作和飞行的关键,也是无人机进行各项植保飞行作业的基础,研发和设计高精度的无人机定位系统是未来农业植保无人机技术进一步突破和应用的关键。为此,针对GPS定位系统在复杂环境下的稳定性差、定位精度有限、无法为农业植保无人机提供高精度稳定的定位服务的问题,提出了一种基于GPS和GPRS的混合农业植保无人机高精度定位系统的设计,通过该系统可以有效地弥补GPS在复杂环境的定位不足,提高农业植保无人机的定位精度,对进一步促进农业植保无人机技术发展具有非常重要的意义。