基于无人机航迹优化的喷洒精准对靶方法研究

With the development of agricultural drones, the droplet off-targeting problems during the spraying operation have drawn great attention. Therefore, it is crucial to accurately estimate the position of the spraying droplet in the actual wind fields and online adjust the trajectory of the drone, so as to compensate the offset. This proposal plans to address the off-targeting issue of the drone spraying, through optimizing the drone spraying trajectory base on the analysis of the impact of the natural wind and the drone downwind on the droplet. The main contents include: ①aiming at the filtering of natural wind detection noise, the interactive multiple model-based parameter identification algorithm is studied; ②considering the impact of the wind filed on the droplet estimation, the uncertainty mechanism of the natural wind and drone downwind are analyzed, and based on Monte Carlo sampling, the uncertainty propagation over the droplet position estimating model is studied; ③furthermore, the drone trajectory replanning method based on the optimization theory is studied to solve the off-targeting spraying problem. The research results of this proposal are of great significance in improving the efficiency of drone spraying operations and enriching the theory of precise agriculture.

随着农业植保无人机的日益发展，由于喷洒脱靶造成的农药浪费、环境污染和农产品质量安全等问题受到了广泛的关注。如何在风场环境下精确估计喷洒药滴的落点位置，并在线调整无人机航迹进行落点偏移补偿是当前亟待解决的问题。本项目针对风场下的无人机喷洒脱靶问题，分析自然风场和无人机下风场对药滴落点的影响，拟利用对无人机的航迹调整，开展喷洒脱靶抑制的方法研究。主要内容包括：①针对自然风场的检测噪声，基于交互式多模型算法，开展自然风场的参数辨识方法研究；②针对风场不确定性对药滴落点的影响，分别开展自然风场和下风场不确定性产生机理研究，并利用蒙特卡洛采样，研究不确定性在药滴落点估计模型中的传播规律；③针对风场作用及不确定性传播造成的喷洒脱靶问题，基于优化理论和无人机航迹规划，研究的喷洒脱靶抑制方法。本项目的研究成果对于提高无人机植保作业的效率，丰富精准农业的研究内涵具有重要意义。

本课题针对自然风场环境下植保无人机的喷洒作业的脱靶问题，对喷洒药滴的受力方式及运动原因进行了分析了，综合考虑药滴受到自然风场和无人机下洗气流的共同作用而发生漂移，通过对植保作业无人机的在线航迹规划，达到减小施药漂移的效果。为实现这一目标，本课题从自然风场参数辨识、无人机旋翼下洗气流作用机理和无人机在线航迹规划方法三个方面逐层递进开展研究：首先，开展了自然风场的参数辨识方法研究，建立了具有时变特性的一阶时间相关过程风场参数跟踪模型，采用交互式多模型框架进行多参数状态转移实现风场参数的自适应切换跟踪，并进一步研究了基于稀疏网格正交积分点卡尔曼滤波的高精度参数估计方法实现了对风场参数的实时跟踪。其次，基于动量-叶素理论、片条理论建立了螺旋桨滑流诱导速度沿径向分布的数学模型，进一步综合考虑自然风和无人机下洗气流组成的复合气流场对药滴落点估计的影响机理，从而建立了基于高斯羽流模型，用以分析和预测喷施药滴在复合气流场作用下的落点分布规律，完成了对药滴落点的偏移估计。最后，设计航迹优化算法对所预测的偏移补偿进行补偿，包括建立规划模型，并提出基于约束违和度的差分进化算法与序列二次规划组合寻优的方式进行优化航点的求解。构建了植保无人机在线航迹规划的伴飞控制系统，进行了实验测试。区别于传统的农业施药漂移抑制技术，本课题的研究从植保无人机平台的位姿对落点偏移的影响角度出发，研究了影响机理和漂移补偿方法。课题研究成果有助于提高植保无人机的作业效率，助力国家精准农业发展规划的实现。