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植保无人机航线规划方法研究

徐博  
【摘要】:作为新兴的智能化农业装备,植保无人机集成了机电一体化、计算机、信息通信、自动控制与地理信息定位等多个研究领域的相关技术,是当前农业航空领域高新技术的研究热点。随着航空技术与控制技术的发展,作业自主化成为当前植保无人机的主要研究方向。航线规划是自主作业无人机系统的重要组成部分,规划效果直接影响无人机的作业质量,关于植保无人机航线规划方法的相关研究内容较少,且具有相对局限性,因此本文对植保无人机航线规划方法展开深入研究,根据不同的作业环境提出了多种全覆盖航线规划方法,使作业航线在能耗与药耗方面达到最优,在农业植保应用方面具有理论与实际意义。本文基于高斯-克吕格正形投影法构建了环境坐标系,对不同作业航向进行了坐标系转换,为无人机航线规划研究提供了有效的数学环境。针对凸边形单作业区域,提出了一种基于改进栅格法的作业航线规划方法,有效地减少了无人机植保作业的多余覆盖率,在未指定作业航向情况下,可根据该算法给出推荐的作业航向与其对应的航线,使整个作业过程的能耗和药耗最优。针对凹多边形单作业区域,通过分析确定凹多边形作业区域的凹角与无人机航向对作业航线的影响规律,将区域划分成多个子区域,由此提出了基于改进深度优先遍历法的子区域位置关系连通图的有效遍历路线搜索方法,实现了子区域的局部合并,有效减少了子区域数量,避免了过多的区域间调度航线,降低了非作业航线距离。针对含障碍的单作业区域,采用牛耕单元分解法对作业区域进行划分,将子区域的衔接顺序规划转化为Reeb图边的遍历问题,由此基于Floyd算法与匈牙利法构建了 Reeb图对应的欧拉图,并基于改进的Fleury算法计算出欧拉回路,进而提出了基于Reeb图欧拉回路的航线规划方法,最终实现子区域衔接顺序规划,使调度航线距离为最优。针对多作业区域,或凹多边形单作业区域划分的子区域,采用整数编码遗传算法确定各区域的覆盖顺序,提出了基于改进二进制编码方式遗传算法的区域间调度航线规划方法,减小了无人机非作业航线距离,降低了无人机能耗,提高了作业效率;由于载药量限制,本文提出了多作业架次无人机返航航线规划方法,通过构建无人机位置坐标与作业距离的关系方程和各架次施药量的递归不等式,实现了最少作业架次情况下的最优返航航线规划,降低了无人机能耗。利用Windows Form平台进行人机交互界面设计,通过JavaScript与C#环境的代码互调,实现电子地图与Windows Form窗体的信息交互,开发了无人机航线规划软件,实现了作业区域绘制、作业参数设置、航线规划与航点导出功能。在航线规划方法研究与软件开发基础上,进行无人机作业田间试验,试验结果验证了所设计规划航线方法的可行性,通过多作业架次航线规划试验与其他规划方法的比对,证明了本航线规划方法的优化性与实际应用的有效性,节省了作业能耗与药耗。本文研究成果使作业管理更加方便,而且有助于推动农业植保朝着更加智能、高效、绿色、节能和无人化的方向发展。


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