一種智能巡檢無人植保機系統的研究

徐維，白鵬飛，張禹，王明澤，張宇宙

（1.陜西內府中飛機場管理有限公司，陜西 西安 710000；2.首都經濟貿易大學，北京 100070；3.中國民航干部管理學院，北京 100102）

無人植保機是中國現代農業、智慧農業、未來農業的重要組成部分，2021 年中央一號文件《中共中央國務院關于全面推進鄉村振興加快農業農村現代化的意見》中，對無人植保機等新技術在共同富裕、鄉村振興領域提出了新的要求，要求在中國平原及廣袤農業種植區域優先使用一批先進科技手段，助力中國農業領域發展。無人植保機作為節省勞動資源的重要手段，可為農業生產過程提供高效、可靠、全流程的服務機制。

面對農業噴灑領域的實際需求，以無人機平臺、地面終端、軟件平臺等系統設備為主體，創新突破無人機飛行模式、噴灑路線、地面控制等核心和前沿技術[2]，研發自主可控的無人植保設備系統，打造智能化地面控制終端，開發高效化飛行模式控制軟件，引領智慧農業建設，全面助力鄉村振興戰略的實現。

1 系統介紹

1.1 系統簡介

智能巡檢無人植保機系統為農作物全生命周期監控提供集智慧巡檢、任務上報、運行監控、故障診斷于一體的智慧化服務。建立移動化、流程化的農作物巡檢管理機制，提升農作物巡檢管理水平；通過無人機智能巡檢，實現農作物巡檢無人化；通過大數據分析，實現植保無人機設備故障監測診斷；實時監控生產數據，實現對多個農作物站址的集中管控[3]。

該植保機采用創新性的機臂整體折疊方式，可以延長機臂結構件使用壽命。獨特設計加長桿噴頭，增強藥物穿透性，一體式折彎腳架，機底配有防地雷達可根據地形實時改變高度，配備FPV（First Person View，第一人稱主視角按時）廣角攝像頭，可選配8 W LED 照明燈為夜晚作業提供安全保障。搭載專業定制植保飛控，可根據不同作業環境自由更換操作模式，滿足不同植保作業需求，標配GPS（Global Positioning System，全球定位系統）、GLONASS（Global Navigation Satellite System，全球衛星導航系統）、BDS（BeiDou Navigation Satellite System，中國北斗衛星導航系統）三合一制式導航模塊，實現航向定位控制的更大冗余；配備7 km 數傳，防塵防水遙控器，采用FHSS（Frequency-Hopping Spread Spectrum，擴頻技術），雙路冗余，雙天線、雙模塊設計抗干擾能力增強；最大化利用2.4 G 無線寬帶，支持藍牙、USB（Universal Serial Bus，通用串行總線）雙連接，內置電池續航長達2 h，采用嵌入式金屬折疊支架，節省空間，提供SDK（Software Development Kit，軟件開發工具包）協議文檔，搭配移動端APP 調參軟件。

1.2 系統功能亮點

在已知某作業區域的地理位置信息條件下，能結合多機平臺特性和多種任務載荷能力，實時響應系統任務指令（任務區域、目標類型、任務時間等），自動規劃多機和載荷任務；能將系統任務自動分解為多機平臺和任務載荷任務；能自動規劃各平臺路線，優化配置并避免沖突；遭遇突發情況時（任務變更、設備故障等），能重新進行任務自動分配和路徑規劃；具備任務監視能力；能實現實時檢測無人機起降環境；綜合考慮狀態、時間、氣象、地理等多因素約束條件下運維優化決策，構建智能巡檢決策與評價軟件。

無人機機身采用模塊化設計，機身可快速折疊，便于運輸，電池支持快速插拔，提高作業補給效率，可選配RTK（Real-Time Kinematic，實時動態）天線，支持雙天線抗磁干擾技術，保障飛行安全，植保機專用飛控，提供有AB點作業、手動、全自主3 種飛行模式。AB點作業模式下，分別記錄A、B點后，飛行器可延特定路線噴灑農藥，用戶可設置作業行距、飛行器速度等；手動模式下，用戶手動開始與停止噴灑，隨時調節飛行速度；全自主模式下，利用打點器打點或飛行器打點，在作業區范圍做好標記，APP 內自動生成作業區域，設置好行間距與飛行速度，可一鍵起飛作業。具備作業恢復功能，全自主與AB點作業時，若中途退出，飛行器可記錄中斷坐標點，并在規定時間內再次進入該點繼續作業。配備防地雷達，不受環境光與塵土的影響，在任何模式下隨時啟用，實現地形跟隨。

在進行無人機任務規劃時，對自然氣象的觀測、預報、預警和防御方面是十分有必要的。利用氣象環境檢測設備實現對氣象要素信息的實時獲取，能夠檢測溫度、濕度、含水量、經度、緯度、高度、水平風速、垂直風速等氣象要素。該系統通過LoRA（Long Range Radio，遠距離無線電）技術進行連接，并可內置北斗/GPS 模塊，使設備具有定位與數據傳輸功能，實現氣象數據的獲取、處理、標記、儲存、傳輸這一系列過程。

地面氣象設備搭載各種傳感器可以實時采集溫度、濕度、高度、水平風速、垂直風速數據，采集的各種數據可通過無線傳輸技術傳輸回地面控制端，地面控制端可及時地存儲并分析數據。在信號薄弱的情況下，可以通過北斗短報文系統向北斗衛星反饋信息，并由北斗衛星向地面控制端發送氣象數據。

2 航線規劃作業及飛行模式介紹

2.1 航線規劃作業

該無人植保機系統可根據作業實際需求，進行本地航線和在線航線的選擇，本地航線是保存在地面控制端的本地航線，在線航線是保存在云系統的航線。同時，該植保機系統還具備地圖選點、飛行器選點、打點器選點等功能，可針對作業需求進行靈活配置。在作業規劃界面，可進行間距調整、角度調整、作業邊距調整、障礙邊距調整、航線保存、航線上傳等操作。該無人植保機系統還具備全自主飛行避障系統，可實時感知空中交通態勢，根據避障算法，靈活規劃航路[4]。

2.2 飛行模式

該植保機系統根據操作人員的能力及意愿配置了多套飛行模式，可選的飛行模式包括姿態-增穩模式、手動作業、AB點作業模式、航線作業模式、自動返航模式等。

2.2.1 姿態-增穩模式

姿態-增穩模式適用于回中遙控器用戶，飛行過程中有IMU（Inertial Measurement Unit，慣性測量單元）、GPS、磁羅盤與氣壓計參與工作。姿態模式可以根據GPS 信號自動切換控制方式，沒有GPS 或信號不好時，使用定高飛行；GPS 信號良好時，則可以定點定高飛行。

2.2.2AB點作業模式

AB點作業模式即AB點執行模式，可高效快捷地適用于植保作業，通過用戶設置的A、B點進行U 形作業，作業示意圖如圖1 所示。

圖1 AB 點作業模式示意圖

2.2.3 航線作業模式

用戶可通過移動端APP 作業系統進行農田測量、航點設置等，移動端APP 可根據感知數據計算并生成最佳航線，實現對作業的智能規劃；規劃完成后，飛行器將進入航線作業模式按照航線自動執行作業。飛行器具備作業恢復的功能，可以使用雷達模塊進行定高、避障及自動繞障。用戶可在移動端APP 界面實時調節噴灑用量、飛行速度等。該模式適合用于大面積區域作業中。

2.2.4 自動返航模式

自動返航模式為長距離飛行與失控保護提供了安全保證，在每次飛行前且定位精度達到要求后，用戶解鎖無人機，飛行器會自動記錄當前起始點位置作為返航點，當植保機失控或通信失效時進入自動返航模式。

3 多源協同任務規劃平臺

無人機編組集成模塊主要負責無人機平臺與任務載荷的集成工作，能通過控制器控制無人機飛行和載荷執行任務，能在控制器或地面顯控臺顯示無人機平臺、載荷狀態和視頻，每套系統分別包含無人機平臺（數傳圖傳、導航定位等）、任務載荷、控制器、地面顯控臺，并可按照多無人機承載車輛的要求進行無人機的運輸和放飛任務，模塊架構如圖2 所示。

圖2 無人機平臺與任務載荷集成示意圖

該模塊由地面站和軟件組成地面站系統支持一站控多機，具有完善的多機管理機制，多架無人機狀態信息及控制無縫切換，支持MCS（Modulation and Coding Scheme，調制與編碼策略）權限管理，用戶可基于MCS 協議進行上層應用開發。可進入細致的多機用戶交互界面，飛行操作界面一目了然，支持一鍵自主起降，全自主作業，可自由選擇關鍵信息顯示，拋去煩瑣復雜的界面，更加專注于飛行。多機測繪航線一鍵生成，多架飛機同時作業，效率倍增。支持差分基站數據廣播，多架無人機僅需通過1 臺差分基站數據即可實現高精度作業。優化多機應急切換控制策略，輔助搖桿可快速切換至任意無人機控制，保障飛行安全。

地面控制端在無人植保機系統構成中發揮著重要的角色，能夠在數據傳輸、無人機精準定位、飛行控制等方面發揮重要的作用。

本系統的地面控制端系統具有以下功能與特點：①雙天線雙模塊冗余設計，配合通訊算法，極大增強了信號的通訊能力；FHSS 擴頻技術，全角度增益天線，通信距離內完成飛行器的各種操作和配置。②集成數字視頻傳輸功能，可實現SD 分辨率下最遠20 km 傳輸。③內部集成數傳電臺，可實現最遠30 km 傳輸。④支持USB 連接方式，同時支持S.BUS（Serial Bus，串行總線）、PPM（Pulse Position Modulation，脈沖位置調制，又稱脈位調制）、PWM（Pulse Width Modulation，脈寬調制）、串口等多種接口，并支持設備擴展。⑤通過OTG（On-The-Go，電子設備數據交換技術）連接APP，切換MODE（模式），調整正反向、舵量、通道綁定、失控保護值、S.BUS、PPM 輸出和數傳波特率等數據，提供各參數的保存和載入功能。⑥高集成度數、圖、控三合一鏈路，超小體積，采用鋁合金嵌入式折疊支架，結實穩固，夾口360°任意旋轉，2 節支桿180°任意調節。⑦基于1 920×1 080分辨率顯示屏開發顯控界面，具備上下屏顯示功能，上屏顯示任務狀態和載荷視頻等信息，下屏基于三維地圖對各無人機和載荷進行任務分配和規劃。⑧無人機任務規劃和控制功能，可基于三維數字地圖開發多無人機控制界面，能同時控制6 架無人機，控制參數包括飛行路線、飛行姿態（包括懸停）等。⑨載荷控制功能，可根據任務規劃結果，向各任務載荷包括三光載荷、光譜載荷、透窗載荷、穿墻探測載荷、電子探測載荷發送指令。⑩狀態和數據顯示功能，能顯示無人機平臺狀態和飛行數據，并顯示各類載荷圖像和回傳的目標數據，且能根據無人機飛行參數和任務載荷的性能（覆蓋范圍）等估算出完成指定區域的任務時間。?具備控制權轉移功能，可將控制權由集中控制方式（通過多頻譜無人機編組任務規劃控制軟件同時控制多架無人機）切換為單無人機控制模式，由各無人機的控制器對單個無人機進行操控。

4 結束語

本文詳細介紹了關于一種智能巡檢無人植保機系統的研究，重點對系統組成、飛行模式、多源協同任務規劃平臺等進行詳細介紹。在未來的發展中，無人植保機將進一步與互聯網、物聯網、大數據、云計算、人工智能等現代信息技術與農業進行深度融合。無人植保機將進一步向智慧農業中的信息感知、定量決策、智能控制、精準投入、個性化服務等方面發展，進一步推動中國農業產業的數字化、智能化、生態化進程，推進中國智慧農業戰略的快速實現[5]。