基于无线传感网络的农业无人机航线控制系统

无人机是一个由飞行器、控制站、通讯设备和其它部件形成的系统,在农业领域主要应用于农药喷洒、信息监测和农业保险勘察。农业无人机在飞行过程中的实际航线与规划航路之间会存在偏差,不仅降低了作业质量,还会影响作业效率。无线传感网络是一种与无人机紧密结合的技术,可以用于对无人机的航线进行控制。为此,基于无线传感网络,设计了无人机的航线控制系统。该系统由无人机平台、传感节点、汇聚节点和控制中心4部分组成,对航线的控制通过二维坐标系跟随算法完成。试验结果表明:无线传感网络对直线和曲线航线的跟踪更加稳定,具有较高的航线控制精确度。     

基于目视遥控的无人机直线飞行与航线作业试验

为了得到在无导航目视遥控模式下农用无人机的直线飞行特性、检验农田作业航线的人为即时规划情况和评价实际作业质量及效果,设计了基于GPS的坐标采集无线传输系统,以水稻田边界直线为参照,通过目视和经验遥控无人机分别进行循直线飞行试验和基于作业幅宽的航线规划飞行试验。结果表明目视遥控模式下难以控制无人机沿直线飞行;人为即时规划的航线与理论航线偏离严重;在理想喷雾条件下估算出的作业遗漏率为17.1%,重复作业占8.2%,区域外浪费占0.7%;同时,目视遥控模式下无人机的高度及速度表现出无规律随机性。因此在无导航情况下,仅凭目视和经验遥控无人机难以做到精准作业。以GPS导航为主、能根据田块实际大小智能优化并生成作业航线的自主飞行作业模式是未来农用无人机进行精准作业的发展方向。     

基于无线传感网络的无人机喷药沉积效果检测

农业生产过程面临病虫草害的严重威胁,喷洒农药是较为常用的防治方法。随着农业飞行器的推广,以无人机作为载具的航空喷施发展迅速,成为当前最为理想的农药喷洒方式。无人机喷药的雾滴沉积特性对防治效果有很大影响,是当前研究的重点。为此,设计了一种无人机喷药的雾滴沉积效果检测系统,利用无线传感网络进行航线控制,进行采样点定位以及飞行速度、高度和下方风场的数据采集。结果表明:飞行速度和高度对雾滴沉积量有相似的影响,飞行速度对雾滴沉积量的影响大于飞行高度,而雾滴沉积均匀性主要受到无人机飞行速度的影响。该检测方法具有较高的准确性,可为拓宽无线传感网络的应用范围提供依据。     

多作业区域植保无人机航线规划算法

针对植保施药多个作业区域的情况,研究了一种植保无人机全局航线规划算法,将整个算法分为单个区域航线规划、区域间作业顺序和区域间调度航线规划3部分。从作业路程、多余覆盖和遗漏覆盖的角度,分析了多种覆盖作业方式的优劣,确定了无人机在单区域内的覆盖方式。基于遗传算法与TSP问题得到区域间的优化作业顺序,并基于改进的二进制编码遗传算法进行区域间调度航线的规划,最终实现无人机多作业区域航线的全局规划。仿真结果表明,规划算法可以有效地实现全局航线的规划,缩短了无人机的作业距离与区域间调度飞行的距离,达到了能耗与工作时间的优化,节省了航线规划所需的人力成本,使作业管理更加便利。     

农用无人机飞行控制中的英语语言理解名词汇聚

农用无人机飞行作业中会受到各种因素影响,实际航线与规划航线之间存在偏差,要精确控制飞行状态,才能按照规划的航线飞行。增强无人机的智能性和自主性是解决这个问题的有效途径,自然语言理解可以作为技术基础。为此,研究了英语语言理解在农业拍摄无人机飞行控制中的作用,并对名词汇聚进行重点分析;列举了无人机状态监测、定位导航和姿态控制这3种控制功能的代表性名词,名词类型以普通名词和事件名词为主。这种方法可以控制无人机按照预定的航线和高度飞行,并能对环境变化做出迅速的反应。因此,英语语言理解名词汇聚可以提高农用无人机控制的精确程度,有助于实现自主飞行。     

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。     

基于无人机技术的水稻精准喷药系统研究

水稻是我国最主要的粮食作物,但每年因病虫害而严重减产。喷洒农药对病虫害防治效果明显,成本也较低。我国适合用无人机进行水稻喷药作业,但采用的是大面积粗放喷洒方式,不利于节约成本和保护环境。精准喷药能够解决上述问题,符合绿色农业的发展趋势。为此,设计了基于无人机的水稻精准喷药系统,由计算机识别作物区域和空缺区域后形成处方图;喷药设备根据处方图控制喷头开启程度,实现精准喷药;单张图片的处理过程耗时50ms,可以满足快速作业的要求。系统能够识别作物区域,在飞行速度为2m/s时的雾滴沉积量与处方图剂量的线性关系较好,具有较高的作业质量和效率。     

变量式喷药装置的设计

在现代农业生产中,为达到精准喷洒农药、减少污染的目的,设计一种变量式喷药装置,可对喷药量进行精确控制,实现变量喷药。利用Simulink对装置的控制系统进行仿真,并与现有装置进行对比分析,在单位阶跃信号输入下,压力和施药量控制系统的响应时间分别为50 ms和45 ms。变量式喷药装置灵敏度高,农药有效利用率大幅提高,从而可提高农作物病虫害防治效果,对保证农产品质量安全和喷灌人员安全、减少环境污染,加快我国农业现代化的发展,具有重要意义。     

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。     

基于足球比赛路径规划的农用无人机定位和导航研究

无人机具有很高的作业效率,能够推动农业生产的现代化和智能化。由于受各种因素的影响,无人机的实际航线与规划航线之间会出现偏差,因此需要进行定位和导航。足球比赛机器人的控制原理与农用无人机相似,其路径规划方法可以作为无人机定位和导航的参考。为此,将足球比赛路径规划的人工势场模型与农用无人机相结合,设计了一种无人机定位和导航方法。仿真试验结果表明:该方法定位和导航的无人机药液喷洒覆盖率达到98%,飞行的距离和时间相比人工控制减少了20%,路线中的急剧转向次数大幅减少,能够为无人机航线控制提供新的途径。     

基于无线传感网络的果树精准灌溉系统

针对当前农业环境监测的需求,为精准农业提供科学依据,设计了基于无线传感网络的果树精准灌溉系统。采用ZigBee技术与GPRS网络相结合的体系结构,基于CC2530芯片设计无线传感节点,并开发其软件。无线传感器节点对其所在区域的土壤湿度信息进行实时监测,根据果树的合理需水量以及土壤的综合状况,精准地对灌溉进行控制,可应用于温室、果园等区域,有助于农业部门更加有效地提高果树产量。     

多架次作业植保无人机最小能耗航迹规划算法研究

利用栅格法对工作区域进行划分,快速得到往复遍历式植保无人机的作业路径,在以作业架次数最少为约束条件的情况下,研究了一种多架次返航路线规划算法,合理地分配了各架次的喷药量和返航点,使无人机的工作总能耗最小,降低了无人机在非作业情况下无效消耗能量,提高了作业效率。仿真结果表明,在同等作业条件下,在一块210 m×200 m的矩形作业区域,采用本算法进行航迹规划,相比于仅以药液耗尽为返航依据的航迹规划,能耗节省率达到了12.89%,而且作业面积越大,能量节省效果越明显,通过田间对比试验,进一步证明了算法的可行性。     

基于北斗的变量喷药控制系统应用

<正>农作物病虫草害的防治是农业生产中的重要环节,目前,农药仍然是我国防治病虫草害的主要手段,喷药质量的好坏影响农作物的产量和农业生产效益。合理农药使用每年可减少农产品损失20%～25%。我国喷药机械和技术落后,导致农药利用率低、农产品农药残留超标、环境污染等问题。为解决上述问题,北京盛恒天宝科技有限公司研发了一种基于北斗卫星导航系统的精准变量喷药控制系统。一、系统介绍精准变量喷药控制系统可根据车速、喷幅和目     

基于ZigBee和3G技术的设施农业智能测控系统

为满足设施农业对精准控制与实时视频的要求,提出将基于ZigBee与3G技术的无线远程传感网络应用于设施农业中,构建一种高效的设施农业远程精准测控系统.该系统通过ZigBee无线传感网络实现本地环境信息的无线采集并上传到嵌入式服务器端.通过3G网络与Internet无缝连接,实现大范围的无线接入,采用B/S模式,实现远程实时监控环境信息与视频信息.通过内嵌的专家系统模型,实现自动化、智能化控制.试验结果表明,该系统性能稳定,信息无线采集与传输、环境自动调控及远程可视化调控均达到实际需求,同时具有很高的实时性及可扩展性.     

植保无人机精准覆盖航迹规划算法设计与验证

植保无人机作业航线规划中,应尽量降低无人机能耗、减少药液的浪费.为此,提出了一种航线规划算法,在保证无漏喷的前提下,基于贯穿线理论分析可知,以待作业区域边界为起始边进行作业航线规划时可获得较少转弯次数和冗余覆盖率;利用转弯区域的平行四边形理论,求解可完全覆盖作业区域的最小平行四边形,获得最小的冗余覆盖率;构建作业航线覆...     

基于神经网络算法的植保无人机硬件电路设计

针对现有的植保无人机操控较为复杂的现状,基于神经网络算法进行了硬件电路设计。植保无人机的主要组成包括控制结构、承力结构、升力结构和喷洒结构。为了提高多旋翼无人机的性能,采用BP神经网络对其控制系统进行设计,包括建立模型辨识控制器和逆模型控制器,以达到对多旋翼植保机辨识和控制的要求。为了验证该植保无人机的性能,对其进行控制性能和喷药试验。试验结果表明:植保无人机控制系统具有良好的自适应控制能力,喷药过程稳定,能够满足客户要求。     

水产养殖环境无线监测与自动控制系统设计

针对水产养殖环境粗放调控的现状,研发了一套基于虚拟仪器、无线传感网络及GSM技术的水产养殖环境无线检测与自动控制系统。基于虚拟仪器技术,系统能够现场在线检测溶解氧、温度和pH值等水产养殖环境因子,并能视情自动控制增氧机;基于无线传感器网络（ZigBee技术）形成多鱼塘群控;通过GSM技术将水产养殖环境参数变化和预警发送到养殖户手机。系统在天津宝坻鱼种场示范应用表明:能够精准实施检测和控制养殖环境,达到了节能增效的目的。      

基于自主农业无人机的无线传感器网络定位系统

为了实现农机的自主无人化作业,在农机自主导航的设计上引入了无线传感网络定位系统,并采用蚁群PID算法对定位系统进行了优化,提高了定位系统的定位精度。为了验证无线传感器定位系统在自主农业无人机导航系统应用的可行性,以农田作业环境为研究对象,模拟田间环境架构了不同覆盖距离范围的无线传感网络,并对无线传感网络定位的精度进行了测试。测试结果表明:采用基于蚁群PID算法的无线传感网络得到了较高的定位精度,可以满足自主农业无人机导航的精度设计要求。     

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。