摘要：隨著人工智能、深度學習的快速發展，無人機自主飛行技術已然成為無人機智能化評價之一。在精準農業與智慧農業的倡導下，無人機在農業領域發展迅猛。農用無人機應用場景包括：作物授粉、噴灑作業、農情監測、打頂剪枝、疏花疏果及畜牧跟蹤，其自主程度重要性不言而喻。綜述國內外無人機飛行技術研究現狀，介紹農用無人機在自主控制方法、避障方法、軌跡規劃算法以及精準噴灑方法的研究進展，分析指出農用無人機系統自主環境感知能力差、信息處理速度慢、路徑規劃算法收斂慢、作物識別率低等不足，提出采用多傳感器組合、雙冗余控制、多算法融合和基于深度學習的作物特征識別等改進方法。本文為農用無人機自主飛行技術滿足智能作業需求提供理論基礎。

　　關鍵詞：農用無人機；深度學習；軌跡規劃；避障；精準農業

　　０引言

　　無人機經多年發展從普通到高端、從固定翼到多旋翼、從手控到自主的階躍變化，其應用也從軍事拓展到工業、民用、農業等領域［１－２］。農業航空是以農業生產為基礎的航空事業，包括：無人機作業機體、農情遙感監測裝置、航空作業技術及裝備等［３－５］。農用無人機憑借無需專用跑道、作業效率優于人工、作業質量高以及作業環境適應度強等優勢，得到企業和民眾的廣泛認可。但目前無人機主要以遙控和預編程控制為主，這種操作容易造成無法及時避障、軌跡重復、無法完全覆蓋作業農田、難以精準噴灑等問題。

　　１自主控制

　　無人機自主控制包括：（１）基于多層次自主控制體結構；（２）人機交互智能融合與自學習適應控制；（３）無人機系統自診斷、自修復功能，具備自主決策功能，能夠實現自主控制。

　　國外學者對無人機自主控制研究較早，為解決無人機自主飛行能力低的問題，Ｊｏｈｎｓｏｎ等［６］提出無人機的可靠自主控制技術；Ｃｈｅｎｇ［７］則根據動態反演算法，設計建立非線性預測控制模型，試驗證明該模型能夠提高無人機自主飛行能力。美國某公司基于重規劃系統，研發出一種自主飛行智能控制器。無人機可以根據環境實時調整飛行任務。中國農業航空事業開始于２０世紀５０年代［８］，Ｃ－４６型飛機在廣州上空的滅蠅任務中拉開了我國農業航空的序幕［９］。隨著我國農機智能化的快速發展，農用無人機應用以及飛行技術的研究上升到一定高度。無人機自主控制系統是將各子系統協調組成一個完整系統，按作業需求調用各子系統自適應完成作業任務。

　　２避障技術

　　在農田作業環境中，存在氣流、溫度、濕度、光線強度等不可控因素，這對無人機作業安全性、可靠性、作業效率都存在很大挑戰。無人機避障效果影響因素包括：環境信息傳感器的精度、傳感器組合方式、避障時間、避障算法、避障策略選擇和障礙物環境模型建立準確程度等。農用無人機避障技術可對障礙物進行自動識別和實時避障，能夠有效減少財產損失和安全隱患。因此無人機對于障礙物的信息采集和實時規避已成為國內外廣大學者的研究熱點。

　　對于國外無人機避障技術的研究：日本某公司無人直升機僅攜帶ＧＰＳ定位模塊，其飛行過程中需要操控人員觀察障礙物控制避障，其飛機的故障率為５．８％，墜機的主要原因包括田間的電線、拉線桿、樹冠等障礙物，因此作業過程中會產生高昂的維修費［２０－２３］。美國ＡＦＲＬ基于光電感應研發出了一種小型避障系統，并進行了飛行試驗，目前該避障系統應用于“ＧｌｏｂａｌＨａｗｋｓ”和“Ｐｒｅｄａｔｏｒｓ”上［２４］。２０１６年，蘇黎世大學ＤａｖｉｄｅＳｃａｒａｍｕｚｚａ教授的研究團隊研發了一套基于深度神經網絡的單目視覺無人機。通過訓練，該無人機可穿越林間小路。這項研究是迄今為止第一次實現基于機載硬件和深度學習模型的林間避障飛行［２５］。２０１６年，Ｂａｒｒｙ［２６］團隊基于立體激光掃描器建立避障算法，通過無人機成功在樹林中以每小時３０英里的速度飛行試驗，并實現無人機的避障功能。Ｐａｒｋ等提出了一種采用立體視覺傳感器的四旋翼無人機碰撞避免方案，通過引入虛擬輸入來處理四旋翼飛行器的欠驅動問題［２７］。其立體視覺傳感器用于獲得深度圖像信息進而探測障礙物，利用速度之間的關系來計算碰撞的概率方法，成功避免四旋翼與障礙物之間的碰撞。印度魯爾克拉國家技術學院的Ｐａｄｈｙ［２８］團隊提出基于單目攝像頭的無ＧＰＳ走廊環境下自主導航和避碰的模型，實現了無人機半自主飛行。

　　３路徑規劃技術

　　由于無人機續航時間有限且作業農田相對固定，那么保證無人機在作業起始點到作業終點之間的區域路徑規劃問題就顯得尤為重要。無人機路徑規劃影響因素：作業農田規整度不統一、作業地形環境復雜、轉彎半徑、無人機能量約束、藥量約束和規劃算法等。植保無人機的路徑規劃應與實際的農藝要求相結合，對作業進行路徑規劃重點考慮的問題是如何提高作業效率、節省作業過程中藥劑補充與電池更換的時間，并實現無遺漏無重復的作業地區全覆蓋［４３－４６］。無人機作業過程中以最小代價遍歷整個作業區域就是對無人機路徑規劃的基本要求。

　　４精準噴灑技術

　　無人機作業過程中由于作業環境和自身噴灑裝置性能等因素的影響，會形成以下弊端如：藥液漂移、復噴和漏噴，從而降低藥滴沉積量和農藥使用率。無人機精準噴灑效果難度在于機體飛行速度檢測、相對作物飛行高度檢測、風場建模準確度、藥液穿透性、藥液沉積情況、噴灑裝置性能、作業環境檢測。隨著精準作業自主化提升，精準變量噴灑系統成為農業航空節水、節藥、環保的有效途徑。

　　參考文獻

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　　黃傳鵬，毛鵬軍，李鵬舉，耿乾，方騫，張家瑞