基于最小噴灑單元的植保無人機(jī)作業(yè)航線優(yōu)化分割方法①

劉佳暉,祖家奎,陶德臣,李晨毓

(南京航空航天大學(xué) 自動化學(xué)院,南京 211106)

當(dāng)前,為適應(yīng)現(xiàn)代高效農(nóng)業(yè)的發(fā)展趨勢,農(nóng)業(yè)農(nóng)村部積極響應(yīng)中央號召,正大力加快高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)步伐,緊緊圍繞實施鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略,推動藏糧于地、藏糧于技,以提升糧食產(chǎn)能為首要目標(biāo).這預(yù)示著農(nóng)田分布將從零星散落向規(guī)整集中方向發(fā)展,農(nóng)業(yè)植保將面臨規(guī)模化作業(yè)需求,只有通過現(xiàn)代農(nóng)機(jī)裝備才能有效解決,這給以無人機(jī)為代表的航空植保創(chuàng)造了廣大的應(yīng)用空間[1].無人直升機(jī)(unmanned aerial helicopter,UAH)因其大載荷、長續(xù)航時間、可懸停以及可隨時起降等特點(diǎn),在農(nóng)業(yè)植保領(lǐng)域扮演著重要的角色,也將成為新型智能農(nóng)機(jī)裝備的發(fā)展方向.目前,UAH 以及旋翼無人機(jī)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于水稻、棉花、棗樹等農(nóng)作物的病蟲害防治工作,但究其“能噴”到“噴好”尚且有一個較長的過渡階段,其中依據(jù)航線的自動或自主飛行作業(yè)是提高農(nóng)業(yè)植保效率的有效途徑之一.

在之前的研究中[2-8],針對不規(guī)則形狀作業(yè)區(qū)域總結(jié)出三種常見的植保作業(yè)噴灑模式,并利用圖論學(xué)理論提出合理的掃描式航線規(guī)劃方法,分別從作業(yè)航向的選擇、作業(yè)航點(diǎn)收集、障礙物規(guī)避等角度規(guī)劃出合理的作業(yè)航線,使UAH 具有自主作業(yè)的能力.然而,當(dāng)前的研究多是基于單作業(yè)區(qū)域下理想化的航線規(guī)劃開展設(shè)計的,考慮到UAH 在實際飛行存在飛行約束、任務(wù)約束和障礙物約束等復(fù)雜情況,需要對較大面積的規(guī)則矩形植保區(qū)域進(jìn)行優(yōu)化分割,以保證UAH 植保過程的高效飛行,滿足實際作業(yè)需求,提供作業(yè)效率.

鑒于此,本文提出了一種基于“噴灑單元模塊”的植保航線分割方法,首先確定UAH的全覆蓋作業(yè)方式,然后根據(jù)無流量噴灑模式下無人機(jī)電量、油量、藥量等約束參數(shù),確定植保作業(yè)時最小的噴灑作業(yè)單元,利用最小模塊切割的思想對矩形農(nóng)田進(jìn)行優(yōu)化分割,最終實現(xiàn)植保作業(yè)區(qū)域的全局規(guī)劃和作業(yè)航線的優(yōu)化設(shè)計.

1 最小噴灑單元

1.1 全覆蓋作業(yè)方式

在農(nóng)田環(huán)境參數(shù)已知的條件下,常規(guī)的無人機(jī)全覆蓋作業(yè)方式主要有“牛耕往復(fù)法”和“內(nèi)外螺旋線法”兩種[9-12].在實際飛行過程中,UAH 在頻繁的懸停轉(zhuǎn)彎和協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)彎中會因急停或急飛而帶來巨大的作業(yè)效率損耗,本文在全覆蓋作業(yè)的基礎(chǔ)上提出了兩種基于無流量飛行的作業(yè)方式,分別為“多次牛耕法”和“矩形平移法”.常規(guī)的植保作業(yè)優(yōu)劣的衡量標(biāo)準(zhǔn)主要從飛行效率和噴灑效率兩方面考量的[13,14],本文將圍繞返航點(diǎn)的選擇、轉(zhuǎn)彎次數(shù)、作業(yè)路程等指標(biāo)對上述兩種衡量標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行綜合分析,從而確定較優(yōu)的全覆蓋作業(yè)方式(如圖1所示),并根據(jù)無流量噴灑模式下無人機(jī)電量、油量、藥量等參數(shù)確定植保作業(yè)時的最小噴灑單元(minimum spray unit,MSU).

圖1 兩種全覆蓋作業(yè)方式

如圖1(a)所示,在矩形作業(yè)區(qū)域中,一般采用牛耕往復(fù)式作業(yè)方式,其作業(yè)路程Smcf和轉(zhuǎn)彎次數(shù)Tmcf分別為:

其中,L為作業(yè)區(qū)域橫向長度,W為作業(yè)區(qū)域縱向?qū)挾?L0為同向作業(yè)最大寬度,d為作業(yè)有效噴幅,ceil為向上取整函數(shù).

在矩形作業(yè)區(qū)域的沿橫向(長邊) 作業(yè)與沿縱向(短邊)相比中,作業(yè)路程和轉(zhuǎn)彎次數(shù)較優(yōu);當(dāng)與作業(yè)方向垂直的區(qū)域長度不是噴幅的整數(shù)倍時,采用向右取整的方式,確保整個區(qū)域被全覆蓋.

如圖1(b)所示,沿橫向(長邊)作業(yè)與沿縱向(短邊)相比,作業(yè)路程Srtt和轉(zhuǎn)彎次數(shù)Trtt較優(yōu),分別為:

假定上述各式中參數(shù)保持一致,將多次牛耕法與矩形平移法的作業(yè)路程和轉(zhuǎn)彎次數(shù)進(jìn)行比較,兩者作業(yè)路程Smcf與Srtt的差距較小,主要取決于L0與L的差值大小;而轉(zhuǎn)彎次數(shù)Tmcf與Trtt相比的數(shù)值差異較小.綜合返航點(diǎn)、轉(zhuǎn)彎次數(shù)以及實際噴灑效果等因素,宜采用“多次牛耕法”進(jìn)行植保作業(yè)區(qū)域的全覆蓋航線設(shè)計.

1.2 設(shè)計思路

本文以DWK700 中型無人直升機(jī)為應(yīng)用對象(如圖2所示),其實際有效載荷可達(dá)260 kg.當(dāng)前,在新疆、黑龍江等地區(qū),農(nóng)作物的種植面積一般以百畝和千畝計數(shù),農(nóng)田灌溉系統(tǒng)以及田間管理較為完善,大載荷無人直升機(jī)有廣闊的應(yīng)用前景.然而,由于燃油消耗以及藥量等因素的影響,單次作業(yè)很難完成大面積噴灑作業(yè)任務(wù),如果采用斷點(diǎn)續(xù)飛對大片區(qū)域進(jìn)行全覆蓋,其返航點(diǎn)的不確定性所帶來的無效飛行必然會導(dǎo)致大量的能源和時間損耗,造成實際作業(yè)飛行效率低.

圖2 DWK700 型植保無人直升機(jī)

針對大區(qū)域農(nóng)藥自動噴灑問題,本文提出最小噴灑單元的概念,其實質(zhì)是在無流量噴灑方式下,根據(jù)電量、油量、藥量等參數(shù)確定單次全速飛行任務(wù),并針對返航點(diǎn)選擇合適的作業(yè)方式,進(jìn)而推廣至整個區(qū)域作業(yè),從而實現(xiàn)時間和能源上的最優(yōu).

該方法的設(shè)計思想具體描述如下:

假定單次作業(yè)藥量載荷L為200 kg,續(xù)航時間T大于1 h,按5 m/s 速度飛行總距離約18 km,噴灑流量F為5 L/min,巡航飛行速度V為5 m/s,可得UAH 最大作業(yè)路程S=V×(L/F),即Smcf約為12 km.假定UAH轉(zhuǎn)彎速度為3°/s,則直角轉(zhuǎn)彎半徑R約為150 m,有效噴幅d約為5 m,根據(jù)式(1)可推出作業(yè)區(qū)域的長度L和寬度W、同向作業(yè)的最大寬度L0和次數(shù)N.通過定量的計算確定最小噴灑單元,為后續(xù)大區(qū)域分割提供依據(jù).

2 植保區(qū)域優(yōu)化分割

2.1 問題描述

植保區(qū)域優(yōu)化分割可分為兩個階段進(jìn)行,第一階段是將不規(guī)則區(qū)域分割成規(guī)則矩形區(qū)域,第二階段是根據(jù)任務(wù)約束以及飛行約束將矩形區(qū)域分割成若干個子區(qū)域,然后利用有向連通圖理論依次連接各子區(qū)域,最終實現(xiàn)離線式全局規(guī)劃.目前,植保區(qū)域優(yōu)化分割大多處于第一階段,采用斷點(diǎn)續(xù)飛的噴灑策略對整個區(qū)域進(jìn)行幾字形全覆蓋,未對返航點(diǎn)進(jìn)行合理規(guī)劃,造成資源的浪費(fèi),因此本文提出基于最小噴灑單元的區(qū)域分割方法,旨在解決飛行任務(wù)和整體作業(yè)效益不確定性,給當(dāng)前植保作業(yè)問題一種提供新的解決方案.

2.2 子區(qū)域劃分與遍歷

假定植保區(qū)域n為規(guī)則矩形,以低遺漏覆蓋率為標(biāo)準(zhǔn),將目標(biāo)區(qū)域n劃 分為若干個子區(qū)域集{n11,n21,···,n*}n*為自然數(shù),得到的各子區(qū)域都是獨(dú)立的MSU,未劃分區(qū)域可以使用旋翼機(jī)進(jìn)行幾字形全覆蓋或使用地面機(jī)械逐一噴灑,具體劃分情況如圖3所示.

圖3 植保作業(yè)區(qū)域劃分示意圖

為了保證數(shù)據(jù)信號穩(wěn)定,UAH 中途補(bǔ)給點(diǎn)一般固定不動,假設(shè)該點(diǎn)位于區(qū)域n的左上角,此時子區(qū)域劃分就要考慮不斷變化的中途返航路程,以便UAH 確定單次任務(wù)實際載荷Ltotal(包括油量和藥量),其數(shù)學(xué)描述如式(5)和式(6)所示.

其中,Ltask為單次任務(wù)有效載荷,Fempty為單次任務(wù)空載飛行損耗,l0、l1為中途補(bǔ)給點(diǎn)到首次起飛點(diǎn)的橫、縱距離,n為子區(qū)域的個數(shù),w、l分別為子區(qū)域的縱向和橫向距離.

通過上述分析,利用向右、向下取整的思想盡可能地多劃分子區(qū)域,未規(guī)劃區(qū)域采用幾字形全覆蓋噴灑作業(yè),完成全局規(guī)劃.若是不規(guī)則區(qū)域,將不規(guī)則區(qū)域分割成規(guī)則矩形區(qū)域后,未規(guī)劃區(qū)域同樣可采用幾字形全覆蓋噴灑作業(yè),完成全局規(guī)劃.

3 仿真驗證

3.1 驗證方案

假設(shè)植保作業(yè)區(qū)域T(L·W,L為橫向長度,W為縱向長度),在同樣的初始條件(環(huán)境因素、飛機(jī)狀態(tài)、載荷情況等)下,分別采用基于斷點(diǎn)續(xù)飛的規(guī)劃方法和基于最小噴灑單元的規(guī)劃方法對目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行全覆蓋作業(yè).

本次驗證平臺采用QT Creator/C++集成開發(fā)環(huán)境下自主研發(fā)的無人直升機(jī)地面監(jiān)測軟件,利用航線設(shè)計模塊繪制目標(biāo)區(qū)域,根據(jù)作業(yè)指標(biāo)設(shè)定仿真參數(shù),并將相關(guān)數(shù)據(jù)上傳至飛行控制系統(tǒng),進(jìn)行半物理仿真驗證[15],仿真驗證環(huán)境如上圖4所示,航線規(guī)劃軟件操作界面如圖5所示.仿真結(jié)束后,統(tǒng)計作業(yè)過程中的飛行總距離、無效飛行距離、作業(yè)總時長以及能源消耗量等參數(shù),經(jīng)過對比分析,得出最終結(jié)論.

圖4 仿真環(huán)境整體框圖

圖5 航線規(guī)劃軟件操作界面

3.2 仿真結(jié)果

仿真驗證時,選定目標(biāo)區(qū)域T的邊界點(diǎn)經(jīng)緯度坐標(biāo)分別是(118.786,31.941)、(118.786,31.938)、(118.779,31.938)、(118.779,31.941),作業(yè)速度為5 m/s,有效噴幅為10 m,仿真兩種規(guī)劃方法下各指標(biāo)參數(shù)的結(jié)果如表1所示.

表1 相同初始條件下不同規(guī)劃方法的仿真結(jié)果

經(jīng)過對比仿真實驗,測得兩種情況下UAH 中途返航點(diǎn)規(guī)劃情況如圖6所示,圖6(a)為基于斷點(diǎn)續(xù)飛的規(guī)劃方法,圖6(b)為基于基本噴灑單元的規(guī)劃方法.某時刻UAH 執(zhí)行基本噴灑單元任務(wù)情況,如圖7所示.根據(jù)實際仿真條件,這里采用矩形平移式植保作業(yè)模式構(gòu)建基本噴灑單元,UAH 從起降點(diǎn)出發(fā),以1 0 m/s的速度全速飛行,農(nóng)田短邊處轉(zhuǎn)彎不噴灑作業(yè).通過上述植保航線優(yōu)化方法的實現(xiàn)和仿真結(jié)果可以得出如下分析:在相同初始條件下,后者中飛機(jī)的返航次數(shù)較少,飛行總距離和無效飛行距離相差較小,主要原因是補(bǔ)給點(diǎn)固定,難以進(jìn)行再優(yōu)化統(tǒng)籌安排.后者作業(yè)總時長相較于前者較短,無效能源損耗是前者的69.2%,大大降低了能源的浪費(fèi),提高了植保飛行效率.

圖6 不同方法作業(yè)航線飛行中途返航點(diǎn)規(guī)劃情況

圖7 作業(yè)航線飛行的仿真結(jié)果圖

4 結(jié)論

針對農(nóng)業(yè)植保區(qū)域的噴灑作業(yè)問題,本文提出一種基于最小噴灑單元的作業(yè)航線優(yōu)化分割方法,能夠有效提高植保作業(yè)的效率,給無人直升機(jī)航空植保提供合理解決思路.通過仿真驗證了該方法的有效性,具有一定的工程研究價值,主要得到以下結(jié)論:

(1)根據(jù)特定飛機(jī)的各方面性能得到基本噴灑單元的參數(shù),將大田塊劃分為若干MSU,能夠把握整個植保作業(yè)全過程,包括飛行時間、返航次數(shù)、藥量等;

(2)基于MSU 單元的植保區(qū)域優(yōu)化分割方法適用于未來高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田的建設(shè),具有一定的工程實踐價值.