朱姜蓬 岑海燕 何立文 何勇

摘? ?要：現(xiàn)代農(nóng)業(yè)要求農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、全面地了解農(nóng)作物的生長(zhǎng)環(huán)境和生長(zhǎng)狀態(tài)。與傳統(tǒng)的人工田間調(diào)查方式相比，無(wú)人機(jī)是一種高效的農(nóng)田信息獲取平臺(tái)。本研究將自主研發(fā)的八旋翼無(wú)人機(jī)與農(nóng)田信息采集設(shè)備進(jìn)行整合，形成了一套用于農(nóng)情監(jiān)測(cè)的無(wú)人機(jī)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了無(wú)人機(jī)按照預(yù)設(shè)航線自動(dòng)巡航并采集農(nóng)田遙感圖像、地理位置信息以及環(huán)境照度信息。經(jīng)測(cè)試，在飛行中，圖像采集設(shè)備能夠穩(wěn)定維持垂直對(duì)地的姿態(tài)并進(jìn)行拍攝，采集的數(shù)據(jù)能夠拼接成完整的農(nóng)田正射影遙感圖像。測(cè)試結(jié)果表明研發(fā)的無(wú)人機(jī)系統(tǒng)能夠滿足低空農(nóng)情監(jiān)測(cè)作業(yè)要求。與商業(yè)化產(chǎn)品相比，該系統(tǒng)避免了因任務(wù)設(shè)備與飛機(jī)獨(dú)立工作而導(dǎo)致重拍、漏拍的情況，實(shí)現(xiàn)了無(wú)人機(jī)與任務(wù)設(shè)備高效協(xié)同作業(yè)。

關(guān)鍵詞：無(wú)人機(jī)系統(tǒng);農(nóng)情監(jiān)測(cè);遙感圖像;自主飛行;路徑規(guī)劃;農(nóng)田信息獲取

中圖分類號(hào)：S251? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：201812-SA011

朱姜蓬， 岑海燕， 何立文， 何? 勇. 農(nóng)情監(jiān)測(cè)多旋翼無(wú)人機(jī)系統(tǒng)開發(fā)及性能評(píng)估[J]. 智慧農(nóng)業(yè)， 2019， 1（1）： 43-52.

Zhu J， Cen H， He L， He Y. Development and performance evaluation of a multi-rotor unmanned aircraft system for agricultural monitoring[J]. Smart Agriculture， 2019， 1（1）： 43-52. （in Chinese with English abstract）

1? 引言

農(nóng)業(yè)是我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和發(fā)展的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)[1]。現(xiàn)代農(nóng)業(yè)要求農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者要實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、全面了解農(nóng)田中的農(nóng)作物的生長(zhǎng)環(huán)境和生長(zhǎng)狀態(tài)[2]。精準(zhǔn)的農(nóng)作物生長(zhǎng)數(shù)據(jù)與農(nóng)田環(huán)境數(shù)據(jù)能夠?yàn)檗r(nóng)田精細(xì)化管理提供有力的支持[3]。目前，傳統(tǒng)的人工采樣信息獲取方式效率較低，很難滿足對(duì)農(nóng)田整體信息的獲取。近年來(lái)，民用無(wú)人機(jī)技術(shù)發(fā)展迅速，飛行性能和安全性能逐漸成熟[4]。無(wú)人機(jī)遙感作業(yè)響應(yīng)速度快、機(jī)動(dòng)性好、效率高，在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用逐漸廣泛[5]。因此，利用搭載輕量化數(shù)據(jù)采集設(shè)備的無(wú)人機(jī)在農(nóng)田上空進(jìn)行自主巡航飛行并獲取農(nóng)田信息是可行的解決方案。

國(guó)內(nèi)外研究團(tuán)隊(duì)圍繞無(wú)人機(jī)系統(tǒng)在農(nóng)田信息獲取方面的應(yīng)用已開展了相關(guān)工作：Khan等[6]利用3D Robotics公司生產(chǎn)的四旋翼無(wú)人機(jī)搭載數(shù)碼相機(jī)制成無(wú)人機(jī)系統(tǒng)對(duì)小麥育種進(jìn)行監(jiān)測(cè);Flynn和Chapra[7]利用大疆公司生產(chǎn)的Phantom系列多旋翼飛機(jī)對(duì)藻類進(jìn)行監(jiān)測(cè);Holman等[8]利用大疆公司生產(chǎn)的Wookong-M型多旋翼飛控系統(tǒng)制成多旋翼無(wú)人機(jī)搭載數(shù)碼相機(jī)對(duì)小麥的株高及生長(zhǎng)速度進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)農(nóng)情研究取得了一定的進(jìn)展。

然而，在上述的農(nóng)情監(jiān)測(cè)無(wú)人機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用中，一部分直接采用了大疆公司生產(chǎn)的Phantom系列等消費(fèi)級(jí)航拍無(wú)人機(jī)來(lái)執(zhí)行農(nóng)情監(jiān)測(cè)作業(yè)。以Phantom 4為例，其較低的圖像分辨率以及圖像畸變的影響使得該系統(tǒng)無(wú)法滿足實(shí)際作業(yè)的需求。另一部分則存在任務(wù)設(shè)備與飛行器未完全整合的問(wèn)題，飛機(jī)平臺(tái)通常直接采用市場(chǎng)上已有的產(chǎn)品，如大疆公司的M600， S1000+多旋翼無(wú)人機(jī)。這種飛機(jī)的飛行控制系統(tǒng)無(wú)法與自行集成的任務(wù)設(shè)備進(jìn)行信息交互，可能會(huì)造成如飛機(jī)已經(jīng)飛離目標(biāo)位置，任務(wù)設(shè)備卻未能完成圖像信息采集作業(yè)的情況，從而影響作業(yè)精度與效率。為進(jìn)一步提升飛機(jī)與任務(wù)設(shè)備之間的工作協(xié)調(diào)性，本研究基于自行設(shè)計(jì)優(yōu)化的飛控系統(tǒng)，開發(fā)了一套用于農(nóng)情監(jiān)測(cè)的八旋翼無(wú)人機(jī)系統(tǒng)，以飛控系統(tǒng)為核心，同時(shí)協(xié)調(diào)飛機(jī)飛行與任務(wù)設(shè)備作業(yè)，并對(duì)其在可見光波段下的農(nóng)田正射遙感圖像的采集進(jìn)行了應(yīng)用性能的評(píng)估。

2? 系統(tǒng)概述

2.1? 飛行器

飛行器是農(nóng)情監(jiān)測(cè)無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的主要任務(wù)執(zhí)行機(jī)構(gòu) 。飛行器的系統(tǒng)組成如圖1所示[9]。

2.1.1? 飛機(jī)機(jī)架與動(dòng)力裝置

常用的多旋翼機(jī)架架構(gòu)有四旋翼架構(gòu)、六旋翼架構(gòu)和八旋翼架構(gòu)。與前兩者相比，八旋翼架構(gòu)的主要優(yōu)點(diǎn)在于動(dòng)力系統(tǒng)故障冗余足，安全性好，主要體現(xiàn)在當(dāng)八旋翼無(wú)人機(jī)中的一個(gè)旋翼因?yàn)楣收贤＾D(zhuǎn)后，飛機(jī)依然能夠維持較為穩(wěn)定的飛行姿態(tài)完成飛行任務(wù)。因此本研究中，飛行器采用了如圖2所示的八旋翼I型機(jī)架[10]。

在圖2所示的機(jī)架中，機(jī)臂和飛行器中心板采用碳纖維復(fù)合材料，各種支撐用零部件，如電機(jī)支撐座，機(jī)臂固定環(huán)等采用鋁合金材料。8個(gè)動(dòng)力電機(jī)圍繞飛行器中心板均勻?qū)ΨQ地分布在8個(gè)方向上，相鄰電機(jī)轉(zhuǎn)向相反，用以平衡各個(gè)電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的力矩。電機(jī)上方安裝有可快速拆卸碳纖維槳葉，在農(nóng)田作業(yè)環(huán)境中能實(shí)現(xiàn)槳葉的快速拆卸以及檢修更換。飛控系統(tǒng)通過(guò)實(shí)時(shí)控制8個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速變化實(shí)現(xiàn)控制飛機(jī)的姿態(tài)與飛行動(dòng)作[11]。

飛行器前向與機(jī)臂重合。飛控系統(tǒng)布置在飛行器中心板頂板的中心位，底部設(shè)計(jì)有四個(gè)減震球組成的減震裝置，以減小飛行器震動(dòng)對(duì)飛控系統(tǒng)的影響[12]。任務(wù)設(shè)備與飛行器剛性連接，固定于中心板正下方，從而形成一套完整的無(wú)人機(jī)系統(tǒng)。

2.1.2? 飛控系統(tǒng)

在飛行器中，飛控系統(tǒng)的主要功能是控制飛行器姿態(tài)的穩(wěn)定、管理無(wú)人機(jī)飛行和任務(wù)設(shè)備以及無(wú)人機(jī)應(yīng)急處置等。其中，飛控系統(tǒng)的核心部件—飛控計(jì)算機(jī)主要由STM32F427芯片構(gòu)成。飛控系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示。

飛控系統(tǒng)中的傳感器元件包括全球衛(wèi)星定位模塊、慣性導(dǎo)航單元、電子羅盤和氣壓高度傳感器。

全球衛(wèi)星定位模塊采用NEO-M8N模塊，在鋁合金支架的支撐下，布置于高于飛行器中心板頂板10cm處，以獲得良好的衛(wèi)星定位信號(hào)。定位模塊可同時(shí)接收GPS衛(wèi)星信號(hào)和GLONASS衛(wèi)星信號(hào)，最多可接收到20顆以上衛(wèi)星的定位信號(hào)，并利用串口將數(shù)據(jù)傳回飛控計(jì)算機(jī)。飛控系統(tǒng)可支持2個(gè)全球衛(wèi)星定位模塊同時(shí)輸入數(shù)據(jù)，在一個(gè)模塊失效的情況下，另一模塊可以隨時(shí)代替工作，提高飛行的安全性。

慣性導(dǎo)航單元采用MPU6000芯片，能測(cè)算出飛行器各個(gè)方向上的線加速度和角加速度信息，從而計(jì)算出飛行器的飛行姿態(tài)與相對(duì)位置[13]。電子羅盤模塊LSM303D與飛控計(jì)算機(jī)利用I2C接口相連，提供飛行器當(dāng)前的航向角信息[14]。氣壓高度傳感器MS5611-01BA利用在大氣對(duì)流層內(nèi)氣壓隨高度增大而減小的原理，計(jì)算得出當(dāng)前的飛行器高度[15]。另外，飛控系統(tǒng)具備實(shí)時(shí)存儲(chǔ)功能，能將飛行器各項(xiàng)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)記錄，用于后期分析。

此外，飛控系統(tǒng)板提供了13路PWM輸出接口、4路TTL串口、1路I2C接口、1路SPI接口和1路CAN總線接口。除GPS模塊需要單獨(dú)拉高以獲得良好的信號(hào)環(huán)境以外，飛控計(jì)算機(jī)與導(dǎo)航系統(tǒng)所需的各種傳感器集成于同一塊電路板上，前后采用2組帶固定螺釘?shù)乃欧B接器與其他必要的元器件連接，可靠性更好，集成度高，并且能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)板的整體替換，便于田間維修。

2.1.3? ?電氣系統(tǒng)

電氣系統(tǒng)主要包括用電器、電源和配電系統(tǒng)。在電源選擇方面，鋰聚合物電池由于目前質(zhì)能比高，安全性好，被廣泛應(yīng)用于多旋翼無(wú)人機(jī)中。而由于飛機(jī)需要搭載的載荷重量較大，所以選擇標(biāo)稱電壓為22.2V的電池進(jìn)行供電。飛行器采用的供電電源參數(shù)如表1所示。

由于飛控系統(tǒng)的工作電壓為5V，且各個(gè)電子調(diào)速器需要電池以20V以上的電壓直接供電，所以配電系統(tǒng)將電池供電分為兩路，一路將電壓降低至5V供飛控系統(tǒng)和其他外部設(shè)備使用，另一路直接供應(yīng)給8個(gè)電機(jī)使用，以保證飛行器的正常工作。

2.1.4? ?農(nóng)情采集任務(wù)設(shè)備

選用索尼公司生產(chǎn)的Nex-7相機(jī)（Sony corporation， Japan）采集農(nóng)田圖像信息，可采集可見光波段下的圖像數(shù)據(jù)，分辨率為6000×4000px。在使用25mm焦距鏡頭的條件下，從距離地面25m的高度采集圖像數(shù)據(jù)，其正射影的地面分辨率可達(dá)到0.39cm。

相機(jī)安裝在三軸無(wú)刷電機(jī)自穩(wěn)云臺(tái)上。慣性導(dǎo)航單元布置云臺(tái)上，可以實(shí)時(shí)采集相機(jī)的姿態(tài)數(shù)據(jù)。云臺(tái)控制系統(tǒng)對(duì)接收到的姿態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算后發(fā)出信號(hào)控制各軸電機(jī)，從而使相機(jī)光軸在飛行器姿態(tài)調(diào)整的過(guò)程中盡可能保持垂直于地面[16]。

相機(jī)觸發(fā)信號(hào)由相機(jī)內(nèi)部電路板引出，與飛控系統(tǒng)的控制開關(guān)相連。當(dāng)飛行器輸出的PWM信號(hào)占空比高于一定值時(shí)，開關(guān)兩端短接，相機(jī)快門被觸發(fā)并采集單幀圖像數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)由飛控計(jì)算機(jī)直接控制任務(wù)設(shè)備，使得飛機(jī)與任務(wù)設(shè)備協(xié)調(diào)工作。同時(shí)觸發(fā)的還有為Nex-7相機(jī)配套設(shè)計(jì)的相機(jī)位置與姿態(tài)采集裝置（Position and Orientation System，POS）和照度傳感器[17]，前者主要集成了全球衛(wèi)星定位模塊、慣性導(dǎo)航單元、電子羅盤和氣壓傳感器，后者則主要實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)獲取環(huán)境光照強(qiáng)度信息。當(dāng)飛行器到達(dá)拍攝點(diǎn)，飛控系統(tǒng)發(fā)出信號(hào)觸發(fā)相機(jī)時(shí)，上述兩個(gè)裝置同時(shí)被觸發(fā)，記錄下飛行器當(dāng)前的經(jīng)緯度坐標(biāo)、飛行高度、拍攝照片時(shí)的環(huán)境光照強(qiáng)度以及相機(jī)拍攝時(shí)云臺(tái)的俯仰角（Pitch）、橫滾角（Roll）和航向角（Yaw）等信息，并與飛行器本身實(shí)時(shí)記錄的觸發(fā)相機(jī)時(shí)的飛行數(shù)據(jù)能夠進(jìn)行逐一對(duì)應(yīng)分析，以供后期遙感圖像的處理。

與市面上常用的大疆公司的Phantom系列等消費(fèi)級(jí)航拍無(wú)人機(jī)相比，該無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的任務(wù)設(shè)備能夠在提供圖像信息的同時(shí)提供圖像的地理位置信息和照度信息，便于后期生成精準(zhǔn)的作業(yè)處方圖，指導(dǎo)農(nóng)民根據(jù)地理位置來(lái)執(zhí)行精細(xì)農(nóng)業(yè)作業(yè)。任務(wù)設(shè)備采用獨(dú)立電源進(jìn)行供電，防止云臺(tái)故障影響飛行器正常飛行，其系統(tǒng)架構(gòu)如圖4所示。

2.2? 控制站與通訊鏈路設(shè)計(jì)

在農(nóng)情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，控制站與通訊鏈路結(jié)合，形成了一套對(duì)于飛行器的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與控制體系。通訊鏈路采用了一對(duì)X-tend無(wú)線傳輸模塊?？刂普局袆t包括了一套獨(dú)立的手動(dòng)遙控器，遙控器可以通過(guò)向飛控計(jì)算機(jī)發(fā)送控制信號(hào)手動(dòng)操控飛行器的前進(jìn)、后退、自轉(zhuǎn)、側(cè)移等基本動(dòng)作。另外，控制站還包括了一臺(tái)與通訊鏈路設(shè)備相連的便攜式計(jì)算機(jī)。在計(jì)算機(jī)上預(yù)先規(guī)劃好任務(wù)航線上傳后，飛行器也可以在自動(dòng)飛行模式下，執(zhí)行全自動(dòng)飛行巡航任務(wù)。飛行器通過(guò)通訊鏈路按照MAVlink協(xié)議[18]實(shí)時(shí)發(fā)回的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)解析后顯示在屏幕上，如圖5所示。

在自動(dòng)工作模式中（如圖6所示），控制站根據(jù)飛行高度、相機(jī)焦距、傳感器大小等參數(shù)計(jì)算出單張圖像能覆蓋的區(qū)域尺寸，之后再根據(jù)事先設(shè)定的相鄰兩張圖像的航向重疊率與旁向重疊率，自動(dòng)計(jì)算出擬觸發(fā)相機(jī)采集圖像的飛行器經(jīng)緯度坐標(biāo)，生成飛行路徑并通過(guò)通訊鏈路上傳至飛控系統(tǒng)。在實(shí)際作業(yè)中，航向重疊率需要在60%以上，旁向重疊率要在30%以上[19]。飛控系統(tǒng)控制飛機(jī)按圖上的順序到達(dá)指定位置后依次發(fā)出控制信號(hào)控制任務(wù)設(shè)備進(jìn)行工作，從而實(shí)現(xiàn)任務(wù)設(shè)備與飛機(jī)之間的協(xié)調(diào)工作。

3? 性能測(cè)試方案

飛行器的飛行性能和任務(wù)完成質(zhì)量是評(píng)價(jià)無(wú)人機(jī)農(nóng)情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)性能的重要指標(biāo)。因此，課題組選取浙江省諸暨市一塊長(zhǎng)方形油菜田（起飛點(diǎn)坐標(biāo)：東經(jīng)120°6'9.14"、北緯29°31'4.54"）進(jìn)行了6次無(wú)人機(jī)系統(tǒng)飛行測(cè)試，其飛行高度為25m，飛行速度2.5m/s，飛機(jī)為自動(dòng)航行模式，并設(shè)計(jì)航拍點(diǎn)，設(shè)置航向重疊率75%，旁向重疊率為60%。單次飛行計(jì)劃拍攝229張航片。

在飛行結(jié)束后，收集飛控系統(tǒng)實(shí)時(shí)記錄的飛行數(shù)據(jù)和POS裝置生成的照片拍攝云臺(tái)位置與姿態(tài)數(shù)據(jù)，就可以分析得到農(nóng)情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作的飛機(jī)姿態(tài)與云臺(tái)姿態(tài)的穩(wěn)定性、實(shí)際拍攝位置精確度以及是否漏拍重拍等信息。單次巡航飛行計(jì)劃如圖7所示，圖中在農(nóng)田內(nèi)部的黃色坐標(biāo)點(diǎn)為設(shè)定拍攝的飛行器位置。

4? 結(jié)果與討論

4.1? 云臺(tái)穩(wěn)定效果測(cè)試

在飛行過(guò)程中，飛行器的飛行姿態(tài)會(huì)時(shí)刻變化。由于多旋翼無(wú)人機(jī)在飛行過(guò)程中需要對(duì)抗外部風(fēng)場(chǎng)以及空氣阻力的干擾，其飛行姿態(tài)相對(duì)于水平面通常都是呈一定角度傾斜，且會(huì)隨著外部環(huán)境的變化而實(shí)時(shí)調(diào)整。由于相機(jī)拍攝對(duì)于姿態(tài)穩(wěn)定性有一定要求，所以在該無(wú)人機(jī)系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了自穩(wěn)云臺(tái)來(lái)維持相機(jī)拍攝角度的穩(wěn)定。

描述飛行器與水平面以及相機(jī)與水平面之間的傾斜姿態(tài)主要有兩個(gè)指標(biāo)：俯仰角（Pitch）和橫滾角（Roll）。正值俯仰角表示飛行器或相機(jī)以水平面為起點(diǎn)繞橫軸沿順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，反之則為負(fù)。正值橫滾角表示飛行器或相機(jī)以水平面為起點(diǎn)繞飛行器縱軸順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，反之則為負(fù)。以第1次巡航試驗(yàn)飛行數(shù)據(jù)結(jié)果為例，通過(guò)讀取飛行器的俯仰角的分布與相機(jī)搭載的POS裝置記錄的相機(jī)俯仰角的分布，繪制如圖8所示的俯仰角波動(dòng)對(duì)比圖。

在第1次巡航試驗(yàn)中，飛行器的橫滾角與POS裝置記錄的相機(jī)橫滾角的對(duì)比分布如圖9所示。

經(jīng)過(guò)對(duì)圖8和圖9數(shù)據(jù)分析得出，飛行器在飛行航點(diǎn)采集圖像的過(guò)程中，飛行器俯仰角以及橫滾角的波動(dòng)范圍遠(yuǎn)大于云臺(tái)的俯仰角與橫滾角波動(dòng)范圍，將6次實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可以得到如表2結(jié)果。

綜上所述，由上表可知，在飛機(jī)拍攝圖片期間云臺(tái)俯仰角與橫滾角的變化劇烈程度明顯小于飛機(jī)的俯仰角與橫滾角的變化劇烈程度。這表明與直接將相機(jī)與飛機(jī)綁定的系統(tǒng)集成方式相比，將相機(jī)安裝在自穩(wěn)云臺(tái)上使得相機(jī)在多旋翼飛機(jī)抵抗外部干擾和調(diào)整飛機(jī)姿態(tài)的過(guò)程中能以更穩(wěn)定的姿態(tài)采集地面農(nóng)情信息，便于后期對(duì)遙感圖像進(jìn)行處理與分析。

4.2 飛行器實(shí)際拍攝位置與計(jì)劃位置偏差

無(wú)人機(jī)采用的全球衛(wèi)星定位模塊在靜止的情況下，輸出的經(jīng)緯度坐標(biāo)位置會(huì)在半徑數(shù)米內(nèi)的圓內(nèi)隨機(jī)波動(dòng)[20]。因此，為了保證飛行器能夠正常進(jìn)入拍攝點(diǎn)進(jìn)行拍攝，飛控系統(tǒng)在執(zhí)行飛行計(jì)劃時(shí)并不需要飛行器準(zhǔn)確到達(dá)拍攝點(diǎn)才觸發(fā)相機(jī)，而是當(dāng)飛行器進(jìn)入了以預(yù)先設(shè)定的拍照點(diǎn)為圓心、一定半徑的圓形區(qū)域范圍內(nèi)即會(huì)觸發(fā)相機(jī)快門。所以，相機(jī)實(shí)際觸發(fā)位置與計(jì)劃觸發(fā)位置之間的偏差可以用于評(píng)估無(wú)人機(jī)農(nóng)情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的任務(wù)完成質(zhì)量。在6次巡航飛行中，將計(jì)劃中飛控系統(tǒng)發(fā)出觸發(fā)信號(hào)的經(jīng)緯度坐標(biāo)點(diǎn)與飛行器記錄的實(shí)際觸發(fā)的坐標(biāo)點(diǎn)投影到同一地圖坐標(biāo)系上。以坐標(biāo)點(diǎn)東經(jīng)120°6'3.72"，北緯29°31'3.58"為原點(diǎn)，南北方向?yàn)榭v軸（北向?yàn)檎|西方向?yàn)闄M軸（東向?yàn)檎┙⒅苯亲鴺?biāo)系。當(dāng)坐標(biāo)變化范圍在不超過(guò)±1'的情況下可以根據(jù)如下的公式計(jì)算其在直角坐標(biāo)系的坐標(biāo)值[21]。

x-x0=Kx （Lon -Lon0）（1）

y-y0=Ky （Lat -Lat0）（2）

其中，x0與y0為直角坐標(biāo)系原點(diǎn)橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)，設(shè)定為0，m;Lon為待計(jì)算點(diǎn)的經(jīng)度值，rad; Lon0為原點(diǎn)的經(jīng)度值（東經(jīng)為正，西經(jīng)為負(fù)），rad;Lat0為待計(jì)算點(diǎn)的緯度值，rad; 為原點(diǎn)的緯度值（北緯為正，南緯為負(fù)），rad。另外，kx與ky的計(jì)算公式如公式（3）和（4）所示[21]：

Kx = （3）

（4）

其中，a為地球赤道半徑，6378153m;b為地球極半徑，6356750m。e的計(jì)算公式如（5）所示[21]：

e = ?（5）

計(jì)算得到的在直角坐標(biāo)系下的分布如圖10所示：

在圖10中，藍(lán)色點(diǎn)代表飛控系統(tǒng)發(fā)出指令控制相機(jī)的采集圖像的坐標(biāo)點(diǎn)，紅色點(diǎn)代表實(shí)際采集圖像的坐標(biāo)點(diǎn)。從中我們可以看出，飛控系統(tǒng)控制拍照的位置與實(shí)際相機(jī)拍攝的位置基本吻合。以第1次飛機(jī)巡航試驗(yàn)為例，計(jì)算上述兩個(gè)位置相差的距離可以得到如圖11所示的曲線。

經(jīng)計(jì)算得到在6次試驗(yàn)中，任務(wù)設(shè)備實(shí)際拍攝位置與飛控系統(tǒng)向任務(wù)設(shè)備發(fā)送指令的位置距離偏差如表3所示。

經(jīng)由上表可以看出，飛機(jī)在6次自動(dòng)巡航測(cè)試中，飛機(jī)實(shí)際拍照位置與飛控系統(tǒng)發(fā)出信號(hào)的位置偏差平均值在3m左右，基本滿足農(nóng)業(yè)作業(yè)的實(shí)際需求。

4.3? 圖像拼接

在6次飛行中，單次飛行計(jì)劃拍攝照片229張，實(shí)際飛行拍攝229張，系統(tǒng)無(wú)重拍、漏拍現(xiàn)象。將每次飛行采集存儲(chǔ)的圖片導(dǎo)入由Agisoft公司開發(fā)的Agisoft Photoscan三維重構(gòu)軟件

（Agisoft LLC， Russia）中進(jìn)行圖像拼接和校準(zhǔn)可以得到完整的農(nóng)田正射影圖像，實(shí)現(xiàn)了對(duì)于農(nóng)田的信息采集的功能。以第1次飛行試驗(yàn)為例，試驗(yàn)農(nóng)田25m高度低空正射影圖像，如圖12所示。

5? 結(jié)論

通過(guò)長(zhǎng)期產(chǎn)品試制與試驗(yàn)，最終搭建了一套用于農(nóng)情監(jiān)測(cè)的多旋翼無(wú)人機(jī)系統(tǒng)。經(jīng)過(guò)測(cè)試和使用對(duì)比，得出如下的結(jié)論：

（1）通過(guò)分析6次平行試驗(yàn)中飛行器與相機(jī)在采集圖像時(shí)的姿態(tài)信息可以發(fā)現(xiàn)，在飛行器自動(dòng)巡航飛行抵抗風(fēng)力和調(diào)整傾角的過(guò)程中，相機(jī)的俯仰角與橫滾角的標(biāo)準(zhǔn)偏差明顯小于飛行器的標(biāo)準(zhǔn)偏差。這說(shuō)明了與直接將相機(jī)與飛機(jī)綁定的系統(tǒng)集成方式相比，將相機(jī)安裝在自穩(wěn)云臺(tái)上能夠使相機(jī)以更穩(wěn)定的姿態(tài)采集地面農(nóng)情信息，便于后期對(duì)遙感圖像進(jìn)行處理與分析，滿足了實(shí)際農(nóng)情監(jiān)測(cè)需求。

（2）飛行器在6次飛行試驗(yàn)過(guò)程中，實(shí)際拍攝張數(shù)與設(shè)定的拍攝張數(shù)一致，實(shí)際拍攝位置與計(jì)劃拍攝位置距離偏差基本符合農(nóng)田作業(yè)的需求。導(dǎo)入到Agisoft Photoscan軟件中，經(jīng)過(guò)后期圖像拼接與校正，系統(tǒng)獲得了在可見光波段下農(nóng)田整體正射影圖像，說(shuō)明該系統(tǒng)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了根據(jù)設(shè)定飛行路徑自主飛行采集農(nóng)田圖像的功能，滿足了實(shí)際的作業(yè)需要。

（3）經(jīng)與市面上類似規(guī)格的商用無(wú)人機(jī)改裝的農(nóng)用無(wú)人機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比，本款飛機(jī)的飛控系統(tǒng)集成度高，可靠性好。以飛控系統(tǒng)為核心，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了飛機(jī)飛行和任務(wù)設(shè)備的協(xié)同控制。飛控系統(tǒng)與任務(wù)設(shè)備在工作過(guò)程中同時(shí)采集所有傳感器數(shù)據(jù)，為分析農(nóng)情提供更加完善的數(shù)據(jù)保障。此外，該系統(tǒng)有更多的開放接口，為進(jìn)一步安裝更多農(nóng)用任務(wù)設(shè)備與飛機(jī)導(dǎo)航設(shè)備提供了空間。在實(shí)際應(yīng)用中，操作者可以使用一架飛機(jī)迅速更換不同的任務(wù)設(shè)備開展作業(yè)，作業(yè)效率更高。

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Development and performance evaluation of a multi-rotor unmanned aircraft system for agricultural monitoring

Jiangpeng Zhu1，2， Haiyan Cen1，2， Liwen He1，2， Yong He1，2*

（1. College of Biosystems Engineering and Food Science， Zhejiang University， Hangzhou 310058， China;

2.Key Laboratory of Spectraoscopy Sensing， Ministry of Agriculture and Rural Affairs， Hangzhou? 310058， China）

Abstract： In modern agriculture production， to obtain real-time， accurate and comprehensive information of the farmlands is necessary for farmers. Unmanned Aircraft System （UAS） is one of the most popular platforms for agricultural information monitoring， especially the multi-rotor aircraft due to its simplicity of operation. It is easy to control the speed and altitude of multi-rotor aircraft， even at low altitude. The above features enable multi-rotor UAS to acquire high-resolution images at low altitudes by integrating different imaging sensors. The aim of this work was to develop an octocopter UAS for agricultural information monitoring. In order to obtain the high-resolution aerial images of the entire experimental field， the Sony Nex-7 camera was attached to the aircraft. According to the real-time position of the aircraft got from global position system （GPS） and inertial measurement unit （IMU）， the flight control system of the aircraft will send signals to control the camera to capture images at desired locations. Besides， position and orientation system （POS） and an illuminance sensor were loaded on the aircraft to get the location， shooting angle and ambient illumination information of each image. The system can be used to collect the remote sensing data of a field， and the performance was comprehensively evaluated in the field of oilseed rape experimental station in Zhuji， Zhejiang Province， China. The result shows that the system can keep the camera optical axis perpendicular to the ground during the operation. Because the effective communication was established between the mission equipment and the flight control system， the UAS can accurately acquire the images at the pre-defined locations， which improved the operation efficiency of the system. The images collected by the system can be mosaicked into an image of the whole field. In summary， the system can satisfy the demand for the agricultural information collection.

Key words： unmanned aircraft system; agricultural monitoring; remote sensing images; automatic flight; path planning; agricultural information acquisition