摘要
当前，植保无人机作为代替人工施药的主要产品，其智能化程度正在不断提高，而航迹规划是衡量植保无人机智能化程度的最主要指标之一。目前关于植保无人机航迹规划的相关研究大多着力于以相同喷施幅宽的方式为无人机选择合理的航点以达到优化飞行距离和减少能耗的目的，而对于植保无人机在整个作业过程中药液载荷变化引起的旋翼风场变化而导致有效喷幅变化所涉及到的作业路径规划问题却鲜有提及。针对这一问题，本文通过试验构建了 410S 型植保无人机有效喷幅与作业载荷参数的关系模型，由此求解了有效喷幅随作业距离的变化系数 k，从而研究了一种变幅宽的牛耕往复式作业路径规划方法，并结合遗传算法提出了一种具有普适性的多田块路径规划方案，最后采用自主搭建的无人机对该方法进行试验和验证。主要研究工作和结果如下： 在植保无人机有效喷施幅宽与载荷参数的关系模型研究中，通过试验采集 410S型植保无人机在作业载荷参数为1L，3L，5L，7L，9L的雾滴沉积分布情况，并基于有效喷幅判定法对有效喷幅进行判定来研究有效喷施幅宽与载荷参数之间的变化特性。结果表明，随着作业载荷的减少，有效喷施幅宽逐渐增大，平均幅宽依次为3.8、3.67、3.53、3.33和3.13 m；并结合试验结果基于作业载荷参数的变化率求解出有效喷施幅宽与作业距离之间的变化系数k为0.00093。 在针对单一田块的植保无人机喷施作业路径规划研究中，对植保无人机喷施作业产生重喷的原因进行了分析，并基于植保无人机有效喷幅随作业距离变化的变化系数k提出了一种能够减少重喷率的变间距牛耕往复作业路径规划方法，最后采用多边形扫描线法对不规则田块的航点生成规律进行了研究。此外，围绕航向角变化导致作业路径的长度发生变化的问题，使用步进旋转法按照 15°的步进值遍历出预设田块中13种可能的变幅宽作业路径，为多田块调度作业路径规划提供基础。 针对多田块的作业调度情境，基于遍历所得单一田块作业路径的数据，结合遗传算法提出了一种具有普适性的多田块作业路径规划方案，使用 Matlab 进行模拟和计算，并采用自主搭建具备自主飞行功能的无人机分别对“固定幅宽+遗传算法”、“变幅宽+遗传算法”、“固定幅宽+人工经验”和“变幅宽+人工经验”等4种不同作业调度方式下的作业路径进行验证。研究结果表现，4种作业方式的作业距离分别为1122.58米、1045.95 米、1071.56 米与 1179.18 米，调度距离分别为 168.27 米、182.48 米、215.66米与210.56米。其中“变幅宽+遗传算法”的作业方式总飞行距离最短，与原始的“固定幅宽+人工经验”相比，作业距离减少了14.7%，调度距离减少了15.4%；试验结果与仿真结果基本一致，表明该算法对于动载荷状态下植保无人机喷施作业具有一定的指导意义。
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