摘要
植保无人机因具有效率高、防治效果好以及地势适应性好等特点，近年来发展十分迅速。随着无人机广泛的应用，无人机在农田环境中飞行的问题逐渐呈现出来。其中农田环境为不可控因素，如自然因素中的风速、温度、相对湿度等，非自然因素中的电线杆、信号塔、水塔等圆柱形障碍物和高压电塔、房屋等规则障碍物。植保无人机作业时受非自然因素对无人机飞行路径和作业都有很大的影响，因此避障喷雾技术及试验研究具有十分重要的意义。本文主要工作有以下两点： 1)避障飞行及高度调节方式研究 建立植保无人机动力学模型，利用激光扫描仪检测识别障碍物，并建立障碍物模型。根据无人机参数及激光传感器的灵敏度等得出避障的阈值，从而规划圆形、菱形、方形三种避障路径并实施。经探测得到作物位姿后，计算得到高度值进行高度调节。对避障及近作物飞行两种方式进行试验得：圆形、菱形、方形的避障起始点和避障特征值误差均在±500mm范围内，但圆形避障区域面积更小，更加有利于喷雾作业；以进行避障其偏航角为5°翻滚角为50°飞行速度为2m/s时，其飞行路径更加趋向于圆形；证明圆形避障路径实施的可行性。俯仰角的波动幅度与高度调节频率呈正比，试验表明调节频率为0.5Hz适合于植保无人机高度控制。 2)避障喷雾试验 本文以单架次作业时间、作业面积两个指标进行喷雾系统试验来验证喷雾系统可靠性。试验结果如下：喷雾系统可满足单架次作业时间10min，作业面积10亩。室外喷雾作业试验：温度29℃，相对湿度72%环境下，飞行轨迹中心处雾滴覆盖率最高，轨迹两侧的覆盖率随着距离的增加而降低，在风速0.4m/s的情况下，多架次飞行轨迹中心处覆盖率均值为48%，右侧1.5m处覆盖率均值为4%；在不同风速的条件下，轨迹中心处的覆盖率随着风速的增加而减小，随着与轨迹中心距离的变大，覆盖率的变化逐渐减小。田间试验：三架次作业总体平均覆盖率分别为23.63%、42.27%、30.18%，与室外模拟障碍物喷雾作业试验的沉积规律一致，雾滴分布均匀度的变异系数在7.23~11.55%之间。 室外模拟作业试验：温度27℃，湿度76%，风速0.7m/s方向正西南的环境下，障碍物附近的覆盖率随着到障碍物距离的增加而增加，0.5m处采集点的覆盖率是2.5m处的25%；对比距障碍物0.5m~2m处的喷雾效果，圆形避障路径在距离障碍物0.5m、1.0m处的平均覆盖率平均大于菱形和方形，圆形为12%、16.91%，菱形为9.9%、16.67%，方形为7.68%、15.26%。田间试验：圆形总体的平均覆盖率是菱形的115%，方形的126%，因此圆形为最佳避障喷雾作业路径。 高度控制喷雾作业试验：室外模拟障碍物喷雾作业试验：温度27℃，湿度76%，风速0.7m/s方向正西南的环境下，以方形避障并控制高度后，距离障碍物0.5m~2m之间的平均覆盖率随着距离的分别为11.68%、18.02%、30.88%、37.56%、42.25%，在0.5m处覆盖率增加了4%。高度控制后田间试验：控制后相比于控制前平均覆盖率增加5%；雾滴分布均匀度方面，控制后比控制前，变异系数更大，因此雾滴分布均匀度越差。
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