多旋翼授粉無人機的作業(yè)航跡規(guī)劃

王汝毅，王秀娟，高 磊，岳 訓

（山東農(nóng)業(yè)大學信息科學與工程學院，山東泰安 271018）

0 引言

針對中國各地特色高端果樹種質資源，目前面臨的關鍵技術是如何通過規(guī)?；?、標準化篩選與鑒定，精準培育“一增兩減”（增產(chǎn)提質、減投提效、減損促穩(wěn)）的優(yōu)異品種[1]。眾所周知，果樹花期間授粉是提升果樹坐果率和果實品質的必經(jīng)之路，目前常規(guī)授粉主要以自然風和蜜蜂昆蟲為傳粉媒介[2]。為了保證果園產(chǎn)量和經(jīng)濟效益，人工輔助授粉技術（人工點授、電動授粉和雄樹機械吹風授粉等方式）一直以來被普遍采用提高授粉受精的質量[3-4]。近年來，隨著勞動適齡人口老齡化等原因，導致人工輔助授粉人工費用成本占總成本比重高達60%[5]，人工輔助授粉技術面臨授粉勞動強度大、作業(yè)效率低和缺乏數(shù)字化精準管理等問題。

多旋翼授粉無人機(Multiple Unmanned Aerial Vehicles：Multi-UAVs)通過定高定速、軌跡記錄、斷點記憶等功能，既可以實現(xiàn)精準高效作業(yè)，又降低操控人員的勞動強度[6-9]。針對面向低空空域飛行需求，多旋翼授粉無人機在果樹定量精準授粉技術具有明顯優(yōu)勢[10]。由于果樹通常是種在丘陵、山地、淺丘地帶或是在陡峭山坡的地理特點，多旋翼授粉無人機作業(yè)飛行時機體周圍的氣流強度較大，低空作業(yè)過程中花粉液受周圍氣場影響嚴重，漂移現(xiàn)象明顯，同一高度作業(yè)會導致不同區(qū)域間花粉液均勻性差的問題[11-12]。為此，已有研究團隊學者提出了基于多旋翼授粉無人機的液體授粉技術，通過對比了多旋翼授粉無人機和背負式噴霧器在梨樹冠層內沉積霧滴的粒徑和覆蓋結果，實驗對比表明了多旋翼授粉無人機噴霧授粉的花序和花朵坐果率仍不理想[13-15]。因此，為了達到具有噴施授粉均勻、精度高、節(jié)約花粉等特點，多旋翼授粉無人機精準授粉需要智能導航控制新理論和新方法。本文研究團隊在植物生長大數(shù)據(jù)采集監(jiān)控技術，引領式多旋翼無人機集群控制技術的已有基礎上[16-19]，給出了花粉精準噴灑作業(yè)的多旋翼授粉無人機的集群實施策略，在無人機集群編隊目標位置分配、回避碰撞和集群隊列區(qū)域路徑規(guī)劃等核心技術的基礎上，設計了多旋翼授粉無人機的自動作業(yè)航跡規(guī)劃控制技術。為建立“實時感知、智能控制、精準作業(yè)、智慧服務”的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)設施農(nóng)業(yè)精準化種植關鍵技術與應用，提供超前一步的理論探索和可行性應用方案。

1 多旋翼授粉無人機自動作業(yè)的前期技術準備

1.1 授粉果園作業(yè)參數(shù)

包括果園空間生長環(huán)境區(qū)間（作業(yè)現(xiàn)場氣象條件和周圍有無干擾情況的調查）、精準授粉果樹自動作業(yè)控制作業(yè)參數(shù)。

1.2 授粉作業(yè)前的多旋翼授粉無人機技術準備

檢查無人機運轉情況和多旋翼授粉無人機單元的電池能量儲備。多旋翼授粉無人機電池容量小，需要頻繁起降更換電池，以載重10 L的多旋翼授粉無人機為例，單架次最少2塊電池組，作業(yè)面積1:1（10 L:0.67 hm2），13.34 hm2作業(yè)需要飛行20次，使用（充滿電的）電池40塊，單次作業(yè)時間10 min。

1.3 選定果樹精準授粉父本花藥組合

果樹具有“花粉直感”特性，即授粉品種的花粉決定果實的特征。由于果糖的種類、含量及比率影響果實風味和營養(yǎng)成分，是決定果實品質和商品價值的重要因素。為此，根據(jù)母本品種花期特點、授粉親合性和花粉直感效應等，需要適宜授粉品種父本（早熟品種、中熟品種和晚熟品種）花粉的組合。

1.4 果樹授粉父本花藥的商業(yè)化儲備

由于多旋翼授粉無人機自動作業(yè)的父本花粉需求量較大，為此，果樹授粉父本花藥的存儲技術是重要技術之一。果樹花粉儲備技術，首先選擇適宜的授粉品種，采集含苞待放的品種花蕾鈴鐺期的花粉花藥，在20～26℃溫度環(huán)境下晾干花藥，將花粉過篩，除去花瓣、花藥殼等雜物，再將花粉和淀粉按照1:8或1:10的比例配好，攪拌均勻，裝入花粉罐內儲備[20]。同時，超低溫保存技術是花粉進行長期保存的有效方式，實驗證明，新采摘新鮮花粉與低溫保存花粉對照無顯著差異，表明超低溫保存花粉有實現(xiàn)“永久”的潛力。高端果樹超低溫保存的花粉為6年以上，形成商品花粉儲備、銷售產(chǎn)業(yè)鏈[20]。

1.5 無人機靜電噴霧技術

多旋翼授粉無人機除了普通無人機結構之外，還多了噴施組件，實現(xiàn)噴灑作業(yè)。果樹的花粉不同于楊樹、柳樹花粉，其花粉粒較大。噴施組件由藥箱、水泵、軟管、噴頭等組成，水泵將花粉從藥箱中吸出并通過噴頭噴出，再利用螺旋槳旋轉產(chǎn)生的向下的風場實現(xiàn)穿透性的噴施效果。靜電噴霧技術可有效提高花粉霧滴沉積效果[21]。

1.6 靜止霧化噴灑花粉精準作業(yè)點

為了實現(xiàn)噴施授粉均勻、精度高、節(jié)約花粉等特點，如圖1所示，多旋翼授粉無人機的自動作業(yè)控制參數(shù)如下：x是果樹樹冠頂端與地面之間的距離；y是果樹樹枝最低端與地面之間的距離；z是果樹樹冠的最大覆蓋區(qū)域半徑；n是圍繞果樹一周所需的精準靜止霧化噴灑花粉作業(yè)點的數(shù)量；m是果樹樹冠頂端與果樹樹枝最低端的層數(shù)。

圖1 多旋翼授粉無人機的自動作業(yè)參數(shù)設置

如圖1所示，需要依照果樹生長環(huán)境，合理選取多旋翼授粉無人機的噴灑花粉作業(yè)點方案。同時，在實際授粉作業(yè)時，精準靜止霧化噴灑花粉作業(yè)點之間由此到彼的作業(yè)航跡軌跡，共同組成了多旋翼授粉無人機自動作業(yè)系統(tǒng)內在的自組織的動態(tài)演化全局模式。

2 單機多旋翼授粉無人機的實施分析

采用大疆植保無人機T16，初步驗證多旋翼授粉無人機在果樹冠層內的授粉覆蓋效果。該產(chǎn)品配備六軸動力系統(tǒng)，噴施系統(tǒng)標準載荷達16 L，噴幅提升至6.5 m成[22-23]。果園試驗在山東農(nóng)業(yè)大學科教站園試驗站開展，試驗于2020年3月下旬進行，試驗蘋果園樹行間距為8 m，株距為4 m，樹體株高約4 m，頂部冠幅約6 m。

多旋翼授粉無人機的噴粉配懸浮液，按照水5 kg、蔗糖250 g、尿素15 g的比例配成營養(yǎng)液。噴霧前，每50 kg營養(yǎng)液中加入30 g花粉和50～150 g(0.1%～0.3%)硼砂。注意：一定要在臨噴前再加入花粉和硼砂，并用2～3層紗布濾出雜質。多旋翼授粉無人機將花粉從藥箱中吸出并通過噴頭噴出，再利用螺旋槳旋轉產(chǎn)生的向下的風場實現(xiàn)穿透性的噴施效果。T16噴灑系統(tǒng)雖然配備4個液泵及8個噴頭，由于果樹通常是種在丘陵、山地、淺丘地帶或是在陡峭山坡的地理特點，在實際作業(yè)中，多旋翼授粉無人機作業(yè)只開啟使用一定數(shù)量的噴頭。

影響多旋翼授粉無人機在果樹冠層內覆蓋效果的噴霧參數(shù)因素眾多，包括作業(yè)現(xiàn)場氣象條件、噴灑系統(tǒng)使用的噴頭數(shù)量、噴灑流量、噴灑傾角和多旋翼授粉無人機距離果樹冠層高度等。從生產(chǎn)實際角度，多旋翼授粉無人機在果樹冠層噴霧授粉效果，應由最終的果樹花序和花朵坐果率決定。在果樹上懸掛單位面積（平方厘米）的泡沫布樣點，待噴霧授粉完成且充分干燥后，將泡沫布樣點放入干燥信封保存并帶回實驗室使用掃描儀下進行灰度掃描，通過軟件對泡沫布樣點統(tǒng)計花粉數(shù)量、密度和覆蓋率，模擬多旋翼授粉無人機在果樹冠層內覆蓋效果。

使用多旋翼授粉無人機噴霧授粉時，多旋翼授粉無人機靜止霧化噴灑花粉作業(yè)點的位置的選取，決定著果樹上、下層花粉覆蓋率差異明顯。T16噴灑系統(tǒng)搭載了全新電磁流量計，帶來傳統(tǒng)流量計無可比擬的高精度及高穩(wěn)定性。如圖2所示，本研究著重于多旋翼授粉無人機噴霧授粉覆蓋效果與噴灑系統(tǒng)使用的噴頭噴霧量、噴灑傾角的關系。

圖2 多旋翼授粉無人機噴霧授粉覆蓋效果與噴頭噴霧量和噴灑傾角的相關性

實際驗證中，多旋翼授粉無人機距離果樹冠層高度約2 m，取3個不同噴灑流量（分別編號為a-2.4 L/min、b-3.6 L/min和c-4.8 L/min），噴灑傾角依次設定，統(tǒng)計單位面積泡沫上的花粉數(shù)量密度（個/m2）。試驗結果初步表明，多旋翼授粉無人機噴霧授粉覆蓋效果與噴灑系統(tǒng)使用的噴頭噴霧量關呈正相關性，多旋翼授粉無人機噴灑傾角為40°，多旋翼授粉無人機的單位面積噴霧量越高，其授粉效果越好，覆蓋效果影響顯著。但是，多旋翼授粉無人機作業(yè)飛行時機體周圍的氣流強度較大，低空作業(yè)過程中花粉液受周圍氣場影響嚴重，漂移現(xiàn)象明顯。單機多旋翼授粉無人機的實施效果，存在著在不同區(qū)域間花粉均勻性差的問題。

3 多單元多旋翼授粉無人機集群自動作業(yè)

3.1 多旋翼授粉無人機集群作業(yè)流程

大疆六旋翼式植保無人機(T16)為了提升作業(yè)效率，支持一個遙控器控制5架T16同時作業(yè)。同時T16結合PC地面站可對作業(yè)區(qū)域進行三維建模及AI果樹識別，根據(jù)果樹分布及高度進行三維航線規(guī)劃作業(yè)。為了提高多旋翼授粉無人機授粉質量和作業(yè)效率，達到具有噴施授粉均勻、精度高、節(jié)約花粉等特點，如圖3所示，多單元多旋翼授粉無人機集群自動作業(yè)方案如下。

圖3 多單元多旋翼授粉無人機集群的自動作業(yè)流程圖

3.2 集群作業(yè)算法描述

首先考慮多旋翼授粉無人機自動作業(yè)目標位置分配、路徑規(guī)劃、避撞、姿態(tài)軌跡跟蹤控制等多個技術問題的前提下[24]，并且假設通信信道帶寬內連續(xù)交換信息的理想狀態(tài)基礎上，多旋翼授粉無人機集群的自動作業(yè)控制算法流程圖如下：

多旋翼授粉無人機集群的自動作業(yè)算法：

（1）多旋翼授粉無人機初始位置。

（2）依照果樹母本，適宜專用授粉品種不同品種父本花粉的組合。例如，以‘長富2號’紅富士蘋果為母本，父本授粉品種果實的綜合品質由高到低的排序為雪球、美紅、火焰、紅星、道格、全家紅、絢麗、荷紅、粉芽。將準備好的花粉液（15 kg水+10 g花粉+30 g硼砂+500 g白糖）裝入補充授粉父本花藥。

（3）3臺多旋翼授粉無人機單元的一字長蛇陣引領式集群隊形，進行電池能量補充和授粉父本花藥。

（4）設置多旋翼授粉無人機的自動作業(yè)參數(shù)，確定精準靜止霧化噴灑花粉作業(yè)點，自動生成航線。

（5）目標位置分配、路徑規(guī)劃、避撞條件、姿態(tài)軌跡跟蹤控制，無人機集群起飛開始。

（6）針對精準靜止霧化噴灑花粉作業(yè)點，多旋翼授粉無人機集群隊形動態(tài)調整為小隊形，控制移動方向和移動速度，達到多旋翼授粉無人機的精準靜止霧化噴灑花粉作業(yè)點。

（7）實施完成各自的精準靜止霧化噴灑花粉作業(yè)。

（8）作業(yè)狀態(tài)監(jiān)測（花粉數(shù)量、電量不足、授粉任務完成）后，再次返回初始操作位置，進行電池能量補充和授粉父本花藥，準備下一次任務。

3.3 多旋翼授粉無人機集群的自動作業(yè)虛擬仿真結果

在Matlab環(huán)境下，多旋翼授粉無人機精準授粉綜合虛擬仿真如圖4所示。（a）3單元多旋翼授粉無人機初始位置，電池能量補充和授粉父本花藥；（b）依照自動作業(yè)參數(shù)，自動生成精準靜止霧化噴灑花粉作業(yè)點航線，無人機集群起飛開始；（c）集群隊形動態(tài)調整為小隊形，到達精準靜止霧化噴灑花粉作業(yè)點；（d）完成各自的精準靜止霧化噴灑花粉作業(yè)。

圖4 多旋翼授粉無人機的自動作業(yè)的切換軌跡圖

多旋翼授粉無人機精準授粉仿真算法的時效性，需要依照果樹花期經(jīng)濟果樹生長環(huán)境區(qū)間和授粉作業(yè)對象數(shù)量，選取合理方案。

4 討論與結論

人工輔助蘸花、電動授粉器和雄樹機械吹風等人工授粉配套技術，已成為提升坐果率和果實品質的關鍵技術。隨著果園勞動適齡人口老齡化，導致人工輔助授粉人工費用成本占總成本比重高達60%～70%[5]。為了提升人工輔助授粉勞動效率，已有研究團隊學者提出了基于多旋翼授粉無人機的液體授粉技術，但是，單個多旋翼授粉無人機作業(yè)面臨花粉液均勻性差的問題。本研究提出了多旋翼授粉無人機精準授粉的集群策略，力求達到具有噴施授粉均勻、精度高、節(jié)約花粉等目標。本文在Matlab環(huán)境下，實現(xiàn)了無人機集群編隊目標位置分配、回避碰撞和集群隊列區(qū)域路徑規(guī)劃等多旋翼授粉無人機集群虛擬仿真核心技術，在下一步實際設計時，將面臨著無人機裝備相關的平臺技術、傳感器技術、通信指揮控制技術等需要克服的困難技術。

針對目前尚無專業(yè)的多旋翼授粉無人機，本文工作采用多旋翼式植保無人機，初步驗證多旋翼授粉無人機在果樹冠層內的授粉效果。從仿真試驗結果可以看出，對于環(huán)境更為復雜的實際授粉作業(yè)環(huán)境，由于果樹種植環(huán)境的地理特異性，需要合理選取多旋翼授粉無人機的噴灑花粉作業(yè)方案。故對于算法的設計還需要進一步研究，使其具有更好的適應能力。本文提出的多旋翼授粉無人機集群技術，將為構建智慧農(nóng)業(yè)生態(tài)無人農(nóng)場的精準化種植，提供了超前一步的輔助授粉理論探索和可行性應用方案。