农田信息论文：无人机在农田作业中的运用(共4443字).doc

农田信息论文：无人机在农田作业中的运用(共4443字)本文2004年，日本精工爱普生公司的“UFR—II”旋翼飞行器, 通过蓝牙技术可在10m范围内实现对飞行器的控制，并能在 空中捕捉和传送画面到地面监视仪上通过增加传输功率, 使其传输距离最远可扩展到100m,但是这种飞行器续航能力 较差，只能在空中飞行3mino 2006年1月，瑞士洛桑理工 大学(EPFL)自动化系统实验室Bouabdallah等开发的0S4II 四旋翼无人机，最大长度73cm,质量235g,由4个 Faulhaberl724电机驱动和MT9-B微惯性测量单元控制，通 过使用皮带减速装置替代电机减速箱，极大地减小了飞行振 动，可实现30min室内自主飞行该研究的重点是机构设计 方法和自主飞行控制算法［6］2007年，麻省理工学院 HowJ. P.等，通过一台地面设备实现对多架四旋翼无人机 的操控，并通过FM无线传输信息，用于监督和追踪地面目 标该研究使用IMU惯性测量单元对飞行姿态进行测量，通 过激光扫描阵列感知环境和规划航线：7］0 2008年，美国斯 坦福大学的StevenL. Was lander等开发出一种四旋翼直升 机，该机型采用碳素纤维结构以减轻整机质量，提高直升机 的续航能力;使用带宽更大的Wi-Fi传输代替蓝牙，提升了 数据实时传输的能力。

通过采用滑膜积分与增强学习两种控 制算法，降低了 4个旋翼之间相互作用产生的复杂气流的影 响［8］o 2010年，法国Parrot公司研制的AR. DRONE四旋 翼无人机，配备了 2个摄像头通过Wi-Fi通信可将前置 摄像头拍摄到的画面实时传送到等终端，底部的摄像头 主要是用来连接测量单元，以补偿户外飞行时的环境干扰我国的四旋翼无人机研究处于刚起步阶段，主要研究方向 集中在旋翼无人机的机构设计、自主悬停控制和飞行规划等 方面，且主要应用于军事领域，对农田信息采集并未进行过 多的研究2005年，上海交通大学王守亮等研制的四旋翼飞 行器，整个飞行器总质量仅8g,驱动采用质量lg的微电机， 采用两定子、三转子结构提高输出力矩，并同时使用两个电 机串联提高功率输出，采用蓝牙进行无线通信传输控制系 统采用DSP芯片，主要研究了电机的控制方法，提高无人机 的可控性［9］2008年，浙江大学孙棋等采用日本旋翼式无 人航空摄影平台HeraclesII,通过携带光谱仪、扫描仪和数 码相机获取水稻冠层和叶片的光谱信息，将采集的数据保存 到CF存储卡同时，采集鲜样并测量其生化参数，对水稻 氮素营养进行了诊断研究。

2008年6月，国防科技大学王俊生与马宏绪等研制了一种小型四旋翼无人机，采用锂电池供 电驱动4台Maxon微电机以及齿轮减速装置，无人机总质量 约700g,最大长度70cm根据牛顿一欧拉方程建立了小型 四旋翼直升机的动力学模型，并首次将自抗扰控制器运用于 小型四旋翼直升机研究认为，自抗扰控制器可增强对无人 机滚转角和俯仰角的控制，降低飞行角度的稳态误差，对无 人机的姿态控制具有较好的鲁棒性[10]2010年，广州大学王业潘与孙骅等设计了一种四旋翼直升 机的飞行控制系统，进行了室内飞控实验采用PID控制方 法，由红外无线传输控制电子调速器实现对无人机的调速 对惯性导航系统进行了研究，通过PWM信号控制电机转速调 节拉力大小，从而控制无人机的飞行姿态2011年6月，武 汉理工大学詹镭与贺人庆等对微型四旋翼无人机的智能导 航系统进行了优化设计无人机采用直流无刷电机驱动，使 用PID和四元算法调整并保持飞行器的飞行姿态，实现了在 上位机上规划航迹，通过XbeeSeries2无线通信，将规划好 的路径传输给飞行器，并由GPS模块定位和电子罗盘校正, 实现了自主巡航，同时可将飞行数据实时传回远程控制平台[H]o关键技术分析微小型四旋翼无人机载农田信息获取系统的功能模型是： 由地面站系统根据田间地块信息进行航迹规划，通过机载传 感器对田间信息进行采集，所得的农田信息可直接存储，也 可通过蓝牙、Wi-Fi或射频等无线传输方法将信息传至数据 节点或终端。

其核心结构是四旋翼无人机载体、农田信息传 感器、农田信息处理单元和无线数据传输模块等1无人机飞行控制技术四旋翼直升机作为一种微型飞行器, 是一个非线性、多变量、高度耦合及欠驱动系统，在其飞行 过程中不仅同时受到多种物理效应的作用（如空气动力、重 力、陀螺效应和旋翼惯量矩等），还很容易受到气流等外部 环境的干扰，所以其姿态稳定控制结果对微型飞行平台飞行 特性的影响至关重要另外，由于四旋翼飞行器的体积小、 质量轻，飞行姿态控制多变，气流扰动和机体本身的振动对 摄像与传输的质量有影响，还需适当采取减振措施，减少图 像在传输过程中产生的抖动，消除拍摄中图像信号不稳定 ［12］为保证飞行器在各种环境下的飞行姿态，以及使其 具有较强的抗干扰能力，飞行控制算法非常重要目前，有 多种四旋翼无人机飞行控制算法，如PID控制、LQ控制和鲁 棒控制［13 — 15］等飞行姿态控制的关键之一就是高精度 的姿态采集系统，利用惯性敏感元件和初始位置来确定载体 的动态位置、姿态和速度微型惯性导航系统结合MEMS陀 螺仪和加速度计，体积小、质量轻，在精度上已能够达到微 型飞行器可以接受的水平［13］2无人机航迹规划航迹规划的主要功能是根据任务要求、 无人机特性和燃料限制等进行航线设计，控制无人机的飞行 高度、转弯半径和飞行距离等，解决好多任务数据处理、组 合定位、综合显示和大容量记录等问题，满足飞行采集要求 的最优飞行轨迹，以支持无人机在复杂环境中进行农田信息 采集及传输。

要求工作范围覆盖整个任务区域，并且尽量均 匀不重叠无人机的航迹规划可分为自主航迹规划和飞 行前由地面站系统进行的预规划两种自主航迹规划涉 及飞行力学、自动控制、导航、雷达、人工智能、运筹学、 计算机和图像处理等多个学科与专业，是难度很大的综合性 研究领域在基于四旋翼无人机的农田信息获取系统中一般 采用后者，即在起飞前由地面站系统根据农田信息采集的具 体任务进行航迹规划，而在农田信息采集过程中，无人机只 需根据既定航迹飞行，不做自主航迹规划3无人机的续航能力提升技术无人机的质量是影响其续航 能力的主要因素，而动力与能源装置在整机重量中占了很大 比例（如0S4II高达45%）无人机可用的动力装置主要有内 燃机、电动机组和微型涡轮机等［16］化石燃料比锂电池 具有更高的能量密度，但现有的小型内燃机效率太低，并且 很难控制油量微型涡轮机的前景比较好，但其技术目前尚 不成熟电动机具有运转可靠、转速可控和噪音小等优点, 且价格低廉，一般采用锂电池或锂聚合物电池供电目前, 续航能力仅在10-30min左右，且电能很大一部分都是被动 力装置消耗（例如0S4II高达91%） o因此，研制更轻、更高 效的动力与能源装置是进一步微小型化四旋翼无人机和提 高其续航能力的关键。

4机载农田信息传感技术农田中需要采集的信息较多，如 土壤墙情、病虫害和作物长势等，考虑到飞行经济性和采集 效率，一次飞行要尽可能完成多种信息的采集目前，每种 农田信息都需要专门的信息采集技术，如土壤环境（墙情、 养分等）多采用光谱传感技术，杂草识别多采用形状特征传 感技术，作物长势监测多采用多时相影像采集技术把多学 科的相关理论和技术融合到农业信息采集技术研究，开发能 够采集多种信息的一体化传感器、节省机载空间及质量、提 高采集效率和降低数据采集成本，将是超低空农田信息获取 系统的关键技术之一5无线数据传输技术无人机需要传输的信息包括无人机飞 行姿态信息、航线拍摄图像以及各类传感器采集信息等对 于实时性要求不高的数据(如作物长势等)可以不传输，而是 采用大容量的存储卡进行存储;而对于实时性要求较高的数 据(如无人机飞行信息等)，需及时传输，便于调节控制基 于无人机的图像无线传输技术，受到无人机本身特点的限制, 不同于传统的视频传输，涉及到以下关键点1) 传输速度农田中采集的图像等信息传输时占用带宽较 大，但是现有的几种无线数据传输技术速率相对较低，难以 实现远距离与高速率的实时传输因此，需要选择合适的无 线传输技术来解决数字图像等大信息量数据的实时传输。

2) 数据传输抗干扰技术农田信息监测面临着电磁干扰等 复杂环境，气候不稳定，干扰源多，需采用合适的信道编码 对图像信息进行差错控制当前需要加强通信技术的可靠性、 安全性和抗干扰性，以满足实际应用的需求3) 传输系统节能化为实现大面积农田监控，图像传输系 统所需电能一般要占微型无人机总电能的1/5,设计性能良 好的无线传输模块，节省图像传输元件的功耗，并降低非工 作时间的能耗是解决此问题的关键发展前景发达国家以精准农业信息获取技术为基础的农业机械己得 到了广泛的应用，为我国农业机械现代化进程和农业高新技 术的发展提供了可借鉴的思路四旋翼无人机载农田信息获 取系统在精准农业的农田信息获取方面有着广阔的应用前 景，可通过机载设置不同的传感器来获取不同的数据，满足 大型农场和城镇农田土地信息获取，其未来发展主要趋势体 现在以下几点1） 微型化新材料的研发使用、动力能源的改进、微机电 系统的发展和传感器等模块的高度集成，将使无人机具备尺 寸小、质量轻和运动灵活等特性2） 节能化实现功能模块自主调节，降低传输系统工作时 的能耗，关闭暂时不用的设备，提高无人机续航能力，扩大 有效飞行半径3） 智能化。

使用机载微型摄像机充当辅助导航设备，获取 地面图像，自主分析和解算，校正甚至改变其飞行路线，实 现无人机自主飞行同时，根据附近农田采集的数据，可自 动分析、寻找和识别目标，并确定此区域农田中需进行的作业项目结论1）基于四旋翼无人机的农田信息获取系统是实时与快速监测农情参数变化的重要方法之一，随着相关研究进一步深入, 预计在不久的将来小型四旋翼无人机技术会逐步走向成熟 与实用2） 飞行控制、GPS导航和无线信息传输等子系统将进一步健 全和完善，使其具有自主起降和全天候抗干扰稳定飞行能力3） 它将逐步满足农田信息获取需求，监控农作物生长全过 程，将推动农业数字化的迅速发展4） 对其稍加改进即可应用于资源勘探、地面测绘、城市规 划和林业普查等行业。