[00124960]植保无人机基于视觉/惯导的智能环境感知与信息融合关键技术研究

针对植保无人机作业中的复杂环境,研究对作业农作物感知技术、对作业地理环境的感知技术和对作业信号环境感知技术,获得全面的环境智能感知全套技术,为提升植保无人机的安全可靠作业提供技术保障。本项目围绕植保无人机复杂的飞行作业环境,考虑GPS信息丢失或信号弱情况下,依赖视觉传感器和惯性传感器作为主要传感器的预积分视觉/惯性多传感器融合算法,解算无人机的状态,提升无人机的安全性和可靠性。采用良好压缩性能的八叉树地图,以概率形式表达某节点是否被占据,把三维空间建模为体素,建立方便存储和搜索的高效大范围数字地图,为无人机导航和定位提供有效支持,在此基础上进行最优航迹规划,以规避可能出现的障碍物。 1.对作业农作物感知技术研究 研制可捕捉四个波段的作物高清影像及高清RGB可见光影像的XCam多光谱相机,在作业农作物感知方面采用多光谱图像分析技术,通过获取待监测区域的不同波段的图像,并根据这不同波段的图像中同一个像素点的灰度值确定像素点的植被生长指数,进而根据像素点的植被生长指数判断待监测区域的植被健康状况,从而可以精确地判断待监测区域内植被的健康和生长情况。植保无人机可以根据植被的健康情况,进行植保作业。 2.对作业地理环境的感知技术研究（1）双目避障系统研究采用基于视差原理,实现自主避障,利用成像设备的两只相隔一定距离的摄像头来获取同一被测场景的两幅图像,根据三角原理计算两幅图像对应点间的像素偏差来获取场景空间的三维信息（包括摄像头与物体的距离、物体与物体之间的距离等）。随后,感知到的位置数据会被导入避障模块中进行计算,经过认知算法得到飞行控制指令,例如悬停、绕行或者继续执行航线等。为实现无人机夜间作业以及实现农作物病虫害防治,在双目中间部位有一排功率达 2W 的近红外光 LED 灯阵。基于主动近红外照射技术在夜间通过自带的近红外光源可穿透黑暗照亮前方,使得障碍物能够被清晰地感知,并且光源的照射会增加障碍物与周边环境的对比度。（2）仿地飞行系统研发研发毫米波雷达技术,获取无人机与地面的垂直距离和斜向距离,然后基于垂直距离、斜向距离,以及垂直距离和斜向距离之间的夹角,调整无人机仿地的飞行状态。实现针对与地面不同的斜向距离,控制无人机做出不同的飞行动作,从而使得无人机能够在山地,丘陵,梯田,平原,高秆植物等各种环境实现仿地飞行,不仅提高了无人机的作业效率和无人机适应环境的能力,而且提升了无人机的可靠性和安全性。为实现仿地飞行的最优效果,在极飞农业APP中开发“仿地飞行”功能。在“仿地飞行”功能的设置中,我们不仅可以对其高度进行调节,也可以对仿地灵敏度进行调节,仿地灵敏度有低、中、高 3 个等级。 3.完成对作业信号环境感知技术研发出内置的光流传感器,借助于无人机底部的一个摄像头采集图像数据,然后采用光流算法计算帧之间图像的位移,结合图像间的位移以及毫米波雷达测到的对地高度信息计算出无人机的在世界坐标系下水平位置,基于毫米波雷达得到无人机对地的相对高度,从而得到无人机在世界坐标系下的三维定位,将基于光流和毫米波雷达定位的结果事实发送给飞行控制器,从而使无人机实现在无GPS或GPS故障状态下的精确悬停和平稳飞行。通过使用下视的光流传感器和毫米波雷达技术融合,实现无人机自身水平位置和高度位置的定位,实现在无GPS或GPS故障状态下情况下完成自身的视觉定位。当GPS恢复时,则切换回使用GPS定位和导航,保证无人机准确的找到降落场地,从而提高无人机作业的安全性和可靠性。 4.技术的创造性与先进性（1）创新性将农作物感知技术与植保无人机作业相融合,实现精准喷洒。（2）双目避障、仿地飞行等作业地理环境感知技术让植保无人机首次有了感知能力,实现自主避障与精准悬停。（3）攻克了作业信号环境感知技术的研究,首次实现在GPS退出RTK或丢星造成不可用时,能保证至少50米的安全飞行。5.技术指标项目已通过广东省通讯终端产品质量监督检验中心检测,并获得了检验报告,并完成了以下指标和功能测试：（1）地形视觉模块在无GPS条件下能获得位置信息和飞行信息;（2）仿地飞行模块能根据作业地形变化调整作业高度;（3）无人机拥有夜视功能;（4）空载连续飞行时间≥18min,满载连续飞行时间≥7min;（5）每架次喷洒面积0.6-0.8hm2;（6）有效载荷≥10kg;（7）在3m/s飞行速度和高度2.5m/s飞行情况下,在使用GPS的无人机退出RTK模式,采用下视视觉系统辅助导航飞行,能保证至少50米的安全飞行;（8）无人机具有避障功能,能识别树木、草垛和电线杆等障碍物,可识别直径为5cm是圆柱体障碍物;（9）飞行轨迹精度：偏行距（水平）≤0.5m;偏航距（高度）≤0.5m;速度偏差≤0.5m/s。