直升机航空施药全覆盖航线规划算法

为避免航空施药过程中由于多施、漏施、重施等现象造成的覆盖不精准问题,该研究开发了一种航程短,覆盖范围精准的航空施药全覆盖航线规划算法。首先基于区域全覆盖原理,通过对施药作业区域外喷雾航程计算与分析,得出在全覆盖的前提下,区域外最短喷雾航程计算公式。再结合全覆盖航线规划方法,得出全覆盖航空施药的最优航线规划算法,并通过软硬件设计实现了实时采集飞行轨迹,通过OneNet物联网平台与移动终端进行信息双向传输。最后分别对3种不同地形的试验场地进行了7个不同航向的全覆盖喷雾作业试验。试验结果表明,在3种试验场地中,按照规划航向作业的航程比试验组按照其他6个航向作业的航程短,航程比其他航向的航程最大可分别缩短4.920、6.903、59.913 km;且多余覆盖率均为最小,多余覆盖率最小分别为2.08%、7.17%、0.57%。作业面积越大,规划航向作业的航程缩短越明显,多余覆盖率越小,并且规则地形航线规划的多余覆盖率明显小于不规则地形。所提出的航空施药全覆盖航线规划算法,可为航空施药航线规划技术的发展提供理论支撑,为实际施药作业提供指导。     

基于无人机航向的不规则区域作业航线规划算法与验证

为尽可能地减少飞行总距离和多余覆盖面积,节省无人机的能耗和药液消耗,研究了一种基于作业方向的不规则区域作业航线规划算法。该算法根据指定的作业方向,可快速规划出较优的作业航线,也可在未指定作业方向的情况下,给出某一推荐的作业方向与航线,使整个作业过程能耗和药耗最优。仿真结果表明,在一块面积为983.125 m2的不规则凸五边形作业区域内,采用该算法进行航线规划,无人机作业的多余覆盖率最低可达到11.5%,而且作业面积越大,优化效果越明显,在同样的地块进行田间试验,得到最低多余覆盖率为2.8%,证明了该算法的可行性。该研究可为自主作业无人机的航线规划算法提供参考。     

基于改进多父辈遗传算法的农机调度优化方法

农机装备跨区作业存在作业任务重、转移范围大、作业时效性强等问题,传统的农机调度缺乏科学合理的调配方案。该研究开展了基于改进遗传算法的多机协同作业任务调度方法研究。首先对多块农田需连续进行多种生产任务的问题进行分析,建立在农机数量、转移距离、作业准备时间及作业时间等约束条件下的时间窗农机作业调度模型;然后以最小化作业时间为优化目标,提出改进多父辈遗传算法（Improved Multi-parent Genetic Algorithm, IMPGA）的优化方法求解农机作业规划方案;最后根据新疆塔城地区的农田数据及随机生成的农田任务进行模拟与仿真,并与标准遗传算法（Genetic Algorithm, GA）进行对比。结果表明：IMPGA和GA均能有效解决多任务多农机作业分配问题,IMPGA算法总体上优于GA,调度的最优时间和平均时间分别缩短2.47%和2.70%。该研究可为农机跨区作业提供合理的调度方案,也为规模化无人农场的生产经营提供科学依据。     

温室穴盘苗自动移钵路径优化

为了优化移栽机补栽作业时的移钵路径,该研究基于免疫算法构建了克隆选择算法和免疫遗传算法2种适合求解移钵路径优化问题的模型,并与固定顺序法和遗传算法对比,进行移钵路径规划仿真试验和验证试验。结果表明:克隆选择算法模型和免疫遗传算法模型均能有效优化移钵路径,免疫遗传算法模型的路径规划效率较高,而克隆选择算法模型的路径规划效率较低。验证试验条件下,该研究2种模型的路径规划长度分别为48 977和48 945 mm,相比固定顺序法分别缩短7.59%和7.65%,相比遗传算法模型分别缩短3.60%和3.66%;2种模型的计算时间分别为5.86和2.72s,免疫遗传算法模型的计算时间相对遗传算法减少15.79%。免疫遗传算法模型可作为温室穴盘苗后续机械化批量补栽的路径规划控制基础。     

四边形田块下油菜联合收获机全覆盖作业路径规划算法

为解决无人农场模式下油菜联合收获作业过程中自主导航作业路径自动规划及优化问题,该研究提出了两套完整的针对任意四边形边界田块的油菜联合收获全覆盖作业路径规划算法。采用“理论分析-算法设计及程序编码-算例测试与仿真评估”的技术路线及方法,首先分析油菜联合收获机的作业特点与机具特性,拟定油菜联合收获无人化作业过程对路径规划工作的基本要求,再通过等距偏置处理和扫描线填充算法生成全覆盖作业路径,并采用OR-Tools软件对方向平行路径进行调度优化。通过4块典型实际田块进行仿真计算和测试,结果表明,算法耗时在0.17～4.73 s之间,混合路径相对于目前生产中广泛使用的环形作业路径,在未经行调度优化时,倒车次数减少36.36%～40.00%;混合路径中,行调度优化后倒车次数相对于未调度优化时减少33.33%～60.87%,非作业路径长度减少7.20%～20.23%。该研究为长江中下游区域稻油轮作无人农场中油菜无人化联合收获提供了作业路径规划方面的理论与技术支撑。     

丘陵山地环形单轨运输系统静态调度优化方法

为了提高环形单轨运输系统完成静态任务的作业效率，该研究以丘陵山地为应用场景，针对任务点与运输车的匹配与调度需求问题，综合考虑最大程度满载的因素，建立了具有任务点“拼车”组合处理和运输车任务分配两个阶段的数学模型。提出基于相邻位置、任务量和随机序列不同优先级的3种启发式规则算法解决以运输车上货次数最少为目标的“拼车”组合问题，采用基于变邻域搜索的遗传算法解决以运输车堵塞次数最少为目标的运输车任务分配问题。通过模拟3种任务批量的运输情形，验证优化算法的性能，结果表明：基于任务量在3种启发式规则算法中求解速度最快，在80%的试验中获得的可行解最优，选择基于任务量和与之性能接近的基于随机序列的结果分别作为运输车任务分配问题的初始解，基于任务量更有利于第二阶段运输车任务分配问题的求解，得到的分配方案堵塞次数更少。基于变邻域搜索的遗传算法能显著提高标准遗传算法的求解质量，使堵塞次数降低了33.3%～100%，在大规模运输问题的求解中比变邻域搜索算法表现出更高的稳定性，最少堵塞次数出现的概率分别提高了10%和40%，有效性也优于整体匹配规则、随机重启爬山等其他类型的算法。该研究实现了对环形单轨运输系...     

基于改进最小化SNAP的植保无人机作业轨迹优化算法

轨迹优化是实现植保无人机自主作业路径规划的重要环节，合理高效的轨迹优化算法能使植保无人机安全快速地跟踪轨迹作业，提升作业稳定性与精准性。针对传统最小化SNAP算法偏移误差较大、时间分配不合理的问题，该研究提出一种针对植保作业场景的改进最小化SNAP轨迹优化算法。首先，运用机载载波相位差分(real-time kinematic,RTK)模块采集作业地块地形数据并搭建三维空间地图，基于空间地图采用牛耕法规划初始作业路径；其次，通过改进最小化SNAP算法优化作业路径，结合初始轨迹状态参量构建时间分配函数，解算得到当前最优时间分配；然后，重构最小化SNAP轨迹约束函数，添加位置偏移量梯度惩罚因子，采用最优化方法求解轨迹多项式系数；最后，联合无人机位置控制周期与轨迹多项式实例化航迹点，作为无人机运动的位置期望。试验结果表明，相较于传统最小化SNAP算法，本文算法在同等作业时间前提下，平均加速度减小7.82%，平均偏移误差减小45.56%，对轨迹偏移的抑制效果明显，并降低了加速度在地头转向处的超调，作业轨迹更加精准，作业速度更加平稳，可为植保无人机的轨迹优化策略提供参考。     

矮化密植果园多臂采摘机器人任务规划

为提高矮化密植果园多机械臂采摘机器人的协同作业效率,该研究对存在重叠访问域的多臂协同采摘机器人任务规划进行分析,将多臂协同任务规划问题归纳为异步重叠访问域的多旅行商问题,给出了基于遗传算法的优化求解方法.试验结果表明:该研究所提任务规划算法在求解4个机械臂采摘43和90颗果实的任务规划问题时,分别在500和2000次迭...     

基于深度强化学习的收割机省内协同调度优化策略

针对目前多机多地块间调度作业存在效率低、成本高等问题,该研究构建了以收割机地块间转移成本最小为目标的协同调度模型,设计了基于深度强化学习的收割机协同调度优化算法(inter-regional collaborative optimization scheduling algorithm based on deep reinforcement learning,DRL-ICOSA)。首先分析收割机调度作业的马尔可夫决策过程,构建基于注意力机制的策略网络和价值网络,在随机采样策略中引入动态高斯噪声,以避免训练初期陷入局部最优,同时提高网络模型的鲁棒性;接着采用近端策略优化算法(proximal policy optimization,PPO)训练网络模型;最后利用测试集验证DRL-ICOSA算法,得到收割机优化调度方案。基于有效作业时长40和24 h、农机调度中心位于作业区域中心和区域边缘的4种组合作业场景下,采用DRL-ICOSA算法、遗传算法(genetic algorithm,GA)、粒子群算法(particle swarm optimization,PSO)和模拟退火算法(simulated annealing,SA)计算调度策略并进行对比分析。试验结果表明：当调度中心位于区域中心或边缘时,有效作业时长为40 h,DRL-ICOSA算法相较于GA、PSO和SA算法,平均调度成本降幅不少于13.9%;有效作业时长为24 h,平均调度成本降幅不少于11.5%。当作业时长为40或24 h时,调度中心位于区域中心,DRL-ICOSA算法相较于GA、PSO和SA算法,平均调度成本降幅不少于12.3%;调度中心位于区域边缘时,DRL-ICOSA算法相较于GA、PSO和SA算法,平均调度降幅不低于11.5%。因此,有效作业时长为40或24h、调度中心位于区域中心或边缘时,相比其他3种算法,DRL-ICOSA算法均能计算得到最低的调度成本。这一研究结果可为收割机省内协同作业提供科学合理的调度方案。     

植保无人机航空喷施作业有效喷幅的评定与试验

植保无人机有效喷幅宽度的准确评定是农业航空精准作业的前提,对其作业航线的规划及喷施作业质量的提升均有着重要意义。该文以不同参数的单旋翼植保无人机和多旋翼植保无人机为例,分别通过12架次不同飞行参数下的航空喷施试验及目前国内常用的雾滴密度判定法和50%有效沉积量判定法来评定植保无人机的有效喷幅宽度,并根据雾滴处理软件Deposit Scan对水敏纸等采集卡上的图像处理原理对不同评定方法进行了深入分析。结果表明:50%有效沉积量判定法更适于雾滴粒径相对较大的3WQF120-12型植保无人机有效喷幅宽度的评定,且评定的平均有效喷幅宽度为≥4.44 m;雾滴密度判定法更适于雾滴粒径相对较小的P-20型植保无人机有效喷幅宽度的评定,且评定的平均有效喷幅宽度为≥2.58 m;评定的有效喷幅结果与实际情况相符合。另外,由分析可知,由于当前图像处理技术的限制,不同粒径大小的雾滴斑点图像,软件Deposit Scan所产生的相对误差不同,因此,应根据植保无人机喷施雾滴粒径的范围选择合适的有效喷幅宽度评定方法。该结果为不同参数的植保无人机选择较优的有效喷幅评定方法提供了指导,降低了航空喷施作业的重喷率和漏喷率,提高了植保无人机航空喷施作业质量,可为植保无人机精准喷施作业的实施提供参考。     

Robotic weed monitoring

Abstract

In this paper, an integrated management system for the planning and activation of a field monitoring task is presented. The architecture of the system is built around a mobile robotic unit. The internet-based architecture of the system includes a station unit that works as a mobile on-farm operating console, the mobile robotic unit and a field server for generating and storing maps. The hypothesis is that it is possible to automate the planning and execution of the operation of monitoring the in-field weed density and species distribution. The developed planning system includes the automatic field geometrical representation and the route planning for the mobile unit. For the field representation two algorithmic approaches for automated track generation were used. For the route planning, a graph-based field coverage algorithm and a discrete grid-based path planning method were used. The low computational requirements of the implemented algorithms make it feasible to adopt a real-time re-planning strategy in which a set of new planning problems are solved based on the latest information. The central part of such a planning, concerns the dynamic re-evaluation of the initial plan for sampling and routing based on the on-line analysis of the samples. This provides the basis for a fully sequential adaptive adjustment of the sampling procedure after each individual sampling. It is expected that such a dynamic targeted sampling and routing system will reduce the overall cost and time consumption of the weed monitoring operation.     

基于Kinect视频技术的葡萄园农药喷施路径规划算法

为实现对葡萄园的精准喷施,减少药品浪费和污染,该文使用微软Kinect融合彩色和深度图像信息,提出了基于样条区域的叶墙区域(leaf wall area,LWA)平均距离计算方法以及基于路径偏差的喷施路径规划方法,并实现了一套软件路径规划算法和硬件喷施实验平台相结合的精准喷施算法及系统。算法首先使用形态学方法对Kinect采集的彩色视频图像进行图像分割,以准确划分LWA区域;进一步结合深度图像,提出基于样条区域的LWA平均距离计算方法,用于准确测算喷施设备距LWA的距离;最后,提出路径偏差及矫正规划方法,引导喷施系统保持最佳行进路径。并且,为了能够对精准喷施算法进行实际检验,设计实现了喷施臂可调的自走式喷施试验平台。试验结果证明,路径规划算法计算的喷施距离和路径偏差与测量值差值及方差都较小,算法结果精确;能够准确测算喷施距离并规划最优路径,实现葡萄园的精准喷施。     

AS350B3e直升机航空喷施雾滴飘移分布特性

为了探究安装有AG-NAV Guía系统的AS350B3e直升机进行喷施作业时的雾滴飘移规律,以轻型机载北斗RTK差分系统获取的精准作业参数(时间、速度、高度、轨迹)为参考,进行了不同作业参数喷施试验。研究了该直升机以4种不同飞行速度范围进行单向式喷施作业时,对应的有效喷幅区域范围及雾滴飘移分布规律,对比了添加航空助剂对雾滴飘移距离及飘移量的影响。结果表明:有效喷幅区域的位置受自然风速和风向变化的影响,会向直升机航线下风向区域有不同程度的偏移;当直升机分别以70、90、100、120 km/h 4种速度参数进行喷施作业时,随着飞行速度的增大,有效喷幅宽度呈现先缓慢增大后急剧减小的趋势,100 km/h的飞行速度为有效喷幅宽度变化的峰值拐点;当侧风风速为1.1~2.3 m/s时,目标喷雾区的最小宽度在喷雾区域下风向水平距离27.61~48.94 m的范围内,且下风向受飘移影响距离均接近或小于下风向有效喷幅宽度,同时研究还发现雾滴粒径在200μm以下的雾滴更容易发生飘移,因此在作业时要预留至少50 m以上缓冲区(安全区)并合理选择航空喷头以避免药液飘移产生的危害;航空助剂的使用对于雾滴飘移量减轻效果显著,在同等作业条件下,添加航空助剂能够使雾滴飘移量减少33.94%。该研究结果可为直升机的喷施系统性能改进提供参考,对合理喷施农药、减少飘移、提高农药利用率具有重要意义。     

大通县土地利用结构规划与退耕还林还草发展方略

青海省大通县土地类型多种多样,受高寒干旱影响的土地居多,各类用地结构不尽合理,严重制约着当地经济的正常运转。运用Microsoft Office XP规划求解方法,以经济效益为目标,在充分利用各种资源和满足各种需求的前提下,使农、林、草面积比例由基准年（2001年）的2.3:2.6:5.1调整为规划年（2010年）的2:3:5,林地指数达到了26.19%。作为国家退耕还林还草科技试验县,大通县必须采取切实有力的措施,充分利用土地利用规划成果,突出重点,生态、经济、社会效益并举,长期、短期效益结合,国家与群众利益兼顾,项目区内外统筹安排,才能真正实现退耕还林还草的战略目标。     

小型无人直升机喷雾参数对杂交水稻冠层雾滴沉积分布的影响

为了初探小型无人直升机航空喷施雾滴在水稻冠层沉积分布规律,主要通过不同的飞行参数研究了不同喷雾作业参数对水稻冠层的雾滴沉积分布的影响。该试验以HY-B-10L型单旋翼电动无人机搭载北斗定位系统UB351绘制作业轨迹,以质量分数为5‰的丽春红2R水溶液模拟生长调节剂喷施沉积情况,以图像处理软件DepositScan来分析靶区和非靶区的雾滴沉积参数得出雾滴的沉积分布结果。结果表明：3次试验中的雾滴沉积分布趋势均相似,且飞行高度和飞行速度对靶区内采集点上雾滴平均沉积量影响均显著,对雾滴沉积均匀性影响并不显著。3次试验中靶区的雾滴沉积量随着高度的增加而减少,总雾滴沉积量分别为2.380、1.905、1.156μL/cm2,采集点的平均沉积量分别为0.198、0.159、0.064μL/cm2;在作业高度为1.92 m时雾滴沉积平均均匀性最佳,且非靶区的雾滴漂移总量最少,为0.174μL/cm2。另外,第1、2条采集带上靶区内的雾滴沉积量均明显多于作业速度较大的第三条采集带上的雾滴沉积量,3次试验中,第一、2条采集带上雾滴沉积总量的平均值分别高于第3条采集带上雾滴沉积总量的184.27%、53.51%、72.31%;且由于外界风场的影响,作业航线下风向的雾滴沉积量和漂移距离均大于作业航线上风向的雾滴沉积量和漂移距离;以及由于飞行速度的影响,非靶区航线下风向第3条雾滴采集上的雾滴漂移量均大于第1、2条雾滴采集带上的雾滴漂移量。该结果较好地全面揭示了作业参数对航空喷施雾滴沉积分布结果的影响,并从风场因素方面推测了对雾滴沉积的影响,对药液的合理喷施、提高喷施效率具有十分重要的指导意义。     

低空低速植保无人直升机避障控制系统设计

针对低空低速植保无人直升机喷洒作业过程中地表障碍物的威胁,提出了一种基于改进人工势场的避障控制方法。将地表障碍物划分为低矮型和高杆型,并制定不同的避障策略。将无人机与障碍物的相对运动速度引入到人工势场中,给出基于改进人工势场的避障控制算法。设计自适应反步飞行控制器,构建含避障控制算法和飞行控制器的完整避障控制系统。仿真结果表明,与传统人工势场相比,对于低矮型障碍物,所提出的避障控制方法避障路径缩短66.7%,避障时间减少31%;对于高杆型中的圆柱体型障碍物,避障路径和避障时间差别不大;而对于高杆型中的长方体型障碍物,避障路径缩短约42%,避障时间减少25%。该研究可为植保无人直升机规模化应用提供参考。     

基于RS,GIS的滇池流域水土流失变化研究

滇池已被列入国家“三河三湖”治理的重点，也是云南省九大高原湖泊保护治理的重中之重。面源污染是滇池污染的主要原因，而水土流失则是面源污染的主要来源，占面源污染总量的80％；水土流失是导致滇池环境恶化的重要因素，防治水土流失是治理滇池的重要内容。在RS与GIS技术支持下，通过对1987年和2002年2期滇池流域TM数据的处理，分析流域内的水土流失分布、面积及强度变化，得出水土流失状况趋缓的结论；结合滇池流域森林覆盖和土地利用／覆盖动态变化数据，找出水土流失变化的主要原因是森林植被覆盖率的提高；提出了加速防护林体系建设、发展生态农业和加强法制宣传教育等水土保持建议。     

Using farmland prices to evaluate cost-efficiency of national versus regional reserve selection in Denmark

The current study focuses on the influence of geopolitical coordination of conservation strategies on cost and efficiency in terms of species representation when selecting network of protected areas. Conservation policies in the EU are implemented at many different administrative levels: from the European Union and national levels, to regional or/county levels within member countries. This arise the question what size of efficiency gains could be achieved if planning of conservation priorities could be coordinated between geopolitical units. Using data for the nationwide distribution of 763 species, representing all Danish species within eight taxa, we compared illustrative costs for the addition of new areas to the existing conservation network in order to ensure full coverage of all species. We found that the cost of independent regional planning is 20-fold higher than an inter-regional and nationally co-ordinated strategy. We also found that substituting land prices for a simple land-area measure in our analyses increased the expected conservation costs differential significantly, without increasing coverage of species representations. We suggest that in economic and biodiversity terms it can largely be a win-win situation to set a common goal, to develop priority-strategies, and to coordinate actions at higher rather than lower levels of administration.