基于动载荷状态下的植保无人机作业航迹规划研究

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中文摘要：当前，随着无人机产业的迅猛发展，植保无人机的自动化程度也愈来愈高，从以前的手动操控作业到现在的全自主规划作业，已大大提升了我国农业生产效率，缓解了我国农村劳动人口短缺的窘境，并已成为我国现代化植保作业的首选作业机械之一。在植保无人机自主作业过程中，农用无人机的作业航迹规划是其完成田间作业任务的重要保证，为了提升喷施作业效率及质量，航迹优化已成为人们高度关注的基础研究问题之一。当前无人机的航迹规划大多基于节能和遍历效果而设计，而对植保作业过程中因载荷变化导致的旋翼下洗风场变化进而影响雾滴沉积有效区域和作业效果的方面却鲜有研究。针对这一问题，本文提出了基于动载荷状态的植保无人机作业航迹规划研究，通过对大疆T16型植保无人机动载荷状态过程的旋翼下洗风场和雾滴沉积结果进行采集和获取，研究了动载荷状态下植保无人机雾滴沉积有效喷幅与载荷参数之间的关系模型，围绕该特性提出了一套植保无人机作业航迹优化算法，并针对该算法进行了试验效果验证。本文主要研究工作及研究结果如下：在动载荷状态下植保无人机雾滴沉积有效喷幅与载荷参数之间关系变化的研究中，以大疆T16型植保无人机为例，通过无人机风场无线测量系统和雾滴沉积效果采集系统获取了无人机在载荷分别为3、6、9、12、15L时的旋翼下洗风场数据和雾滴沉积数据，分析了不同载荷状态下植保无人机旋翼下洗风场对雾滴沉积分布的影响机理，并对无人机喷施作业的有效喷幅宽度进行了判定，研究了植保无人机动载荷与有效喷幅的关系模型。结果表明，载荷状态的改变会导致植保无人机旋翼下洗风场分布存在较大差异，Y和Z方向风场总体上呈现风场大小随载荷的增大而增大，Y方向风场分布范围则由两个气流中心逐渐变成一个气流中心，Z方向风场分布范围主要集中在机身下方；且在旋翼下洗风场的影响下，雾滴沉积有效喷幅宽度也发生了变化，雾滴的有效喷幅宽度会随着作业载荷的增加而减小，并基于变化规律构建了大疆T16型植保无人机载荷参数与有效喷雾宽度的关系模型。在基于动载荷状态的植保无人机作业航迹规划算法的研究中，对植保无人机作业航迹规划过程中下风场因素、地形因素、载药量因素、能量因素等约束条件进行了系统分析，并以前期构建的T16型植保无人机载荷参数与有效喷雾宽度的关系模型为基础，通过对无人机飞行作业过程中航线间距的调整，提出了一套兼顾作业效率和作业效果的航迹规划算法，并将此算法进行Matlab程序设计与实现。结果表明，在相同环境下，本算法与传统的牛耕往复法相比，重喷漏喷面积减少5%以上，可以在一定程度上减少植保无人机重喷和漏喷，提高作业效果。在基于动载荷状态的植保无人机作业航迹规划算法的田间验证试验中，通过按照作业航迹规划算法生成的航线在华南农业大学增城试验基地进行田间验证。试验分为两组，一组使用常规的牛耕往复法进行喷施作业，一组使用基于动载荷状态下的作业航迹规划算法进行喷施作业；每组试验进行三次，试验结束后对航空喷施雾滴沉积分布的数据结果进行分析，并通过有效喷幅宽度计算每组的重喷面积和漏喷面积。结果显示，在总作业面积6000m2的条件下，以固定6m喷幅进行喷施作业的三次试验的重喷面积分别是276m2、66m2和220m2，漏喷面积分别是636m2、1323m2和264m2，而以算法规划后的航线进行喷施作业的三次试验的重喷面积分别是86.4m2、0m2和106.8m2，漏喷面积分别是242.4m2、1078.8m2和20.4m2。算法规划后的作业质量相比等距6m喷幅的作业质量，平均重喷面积减少了65.7%，平均漏喷面积减少了39.6%。这说明使用算法规划后的航线作业的重喷面积和漏喷面积都小于以正常作业6m喷幅的重喷面积和漏喷面积，根据动载荷规划的航线,相较于牛耕往复法能够有效减少农业航空喷施作业的重喷率和漏喷率,从而提升了农药利用率和作业效率，对精准喷施技术提供了理论支持。

作者：

钱士程

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关键词：

植保无人机航迹规划动载荷状态喷雾宽度约束条件

授予学位：

硕士

学科专业：

农业工程与信息技术

导师：

兰玉彬、陈盛德

学位年度：

2022

学位授予单位：

华南农业大学

语种：

中文

中图分类号：