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基于GNSS与视觉融合的山地果园无人机航迹控制
资料介绍
为精准控制无人机航迹稳定、准确进行山地果园的航空植保作业,以四旋翼无人机为载体,设计了基于GNSS与视觉导航融合的山地果园无人机植保航迹控制系统。该系统由无人机飞行平台和地面控制站两部分组成。其中,无人机平台由四旋翼无人机、内环飞控、GNSS移动站、RGB相机、无线视频发射模块和电子罗盘组成;控制站由GNSS基站、飞行控制模块、便携式计算机、无线视频接收模块和视频采集模块组成。基于Python语言,结合Open CV库,设计了果树行识别算法。采用线性组合算法提取目标行作业区域,利用最小二乘法对作业区域中心点进行拟合,得到果树行趋势线,进而计算出偏航角,以实现无人机作业航迹控制。山地苹果园的导航控制试验结果表明,当无人机飞行速度为2 m/s,距离果树冠层高度约2 m,相机倾角为46°,视觉导航控制率为2次/s时,该系统航迹控制误差范围为-47～42 cm,平均误差为-9 cm,系统控制精度较高,可满足无人机对山地果园植保作业的要求。
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4
农 业 机 械 学 报
50
4
卷 第 期
年
月
第
doi: 10． 6041 /j． issn． 1000-1298． 2019． 04． 002
GNSS
基于
与视觉融合的山地果园无人机航迹控制
1，2
1，2
1，2
1
1，2
1，3
王 东
范叶满
薛金儒
袁 端 沈楷程
张海辉
( 1．
，
西北农林科技大学机械与电子工程学院 陕西杨凌
712100; 2．
，
农业农村部农业物联网重点实验室 陕西杨凌
712100;
3．
，
陕西省农业信息感知与智能服务重点实验室 陕西杨凌
712100)
: 、 ， ，
摘要 为精准控制无人机航迹稳定 准确进行山地果园的航空植保作业 以四旋翼无人机为载体 设计了基于
GNSS
。
与视觉导航融合的山地果园无人机植保航迹控制系统 该系统由无人机飞行平台和地面控制站两部分组成
。
其
，
、
、GNSS 、RGB
、
;
中 无人机平台由四旋翼无人机 内环飞控
移动站
基站 飞行控制模块 便携式计算机 无线视频接收模块和视频采集模块组成 基于
OpenCV
相机 无线视频发射模块和电子罗盘组成 控制站由
GNSS
、
、
、
。
Python
，
语言 结合
，
。
，
库 设计了果树行识别算法 采用线性组合算法提取目标行作业区域 利用最小二乘法对作业区域中心点
， ， ， 。
进行拟合 得到果树行趋势线 进而计算出偏航角 以实现无人机作业航迹控制 山地苹果园的导航控制试验结果
，
表明 当无人机飞行速度为
2 m/s，
距离果树冠层高度约
2 m，
相机倾角为
46°，
视觉导航控制率为
2
/s ，
时 该系统
次
－47 ～42 cm，
平均误差为
－9 cm，
，
系统控制精度较高 可满足无人机对山地果园植保作业的要求
。
航迹控制误差范围为
:
;
;
;
;
; GNSS
关键词 山地果园 航空植保 无人机 航迹控制 机器视觉
导航
: 1000-1298( 2019) 04-0020-09
文章编号
+
: V249. 32 8
: A
中图分类号
文献标识码
Flight Path Control of UAV in Mountain Orchards Based on
Fusion of GNSS and Machine Vision
1，2
1，2
1，2
1
1，2
1，3
WANG Dong
FAN Yeman
XUE Jinru
YUAN Duan SHEN Kaicheng
ZHANG Haihui
( 1． College of Mechanical and Electronic Engineering，Northwest A＆F University，Yangling，Shaanxi 712100，China
2． Key Laboratory of Agricultural Internet of Things，Ministry of Agriculture and Rural Affairs，Yangling，Shaanxi 712100，China
3． Shaanxi Key Laboratory of Agricultural Information Perception and Intelligent Service，Yangling，Shaanxi 712100，China)
Abstract: Precise path control of unmanned aerial vehicle ( UAV) is the key technology to realize
aviation plant protection in mountain orchards． In order to carry out the plant protection operation stably
and accurately in mountain orchards，based on the four-rotor UAV，the flight path control system and
method of UAV for plant protection by fusing GNSS and machine vision were designed． The system
consisted of two parts，i． e． ，UAV flight platform and ground control station． The former consisted of a
four-rotor UAV，an inner-ring flight control module，a GNSS moving station，a RGB camera，a wireless
video transmission module and an electronic compass． The latter consisted of a GNSS base station，a
flight control module，a laptop and a video capture module． A fruit tree row recognition algorithm was
proposed based on Python language combined with OpenCV library． In this algorithm， a linear
combinatorial algorithm was used to extract the target area，and the least squares method was used to fit
the central point of target area to obtain the row trend of fruit tree． Then the yaw angle was calculated to
realize the path control． In the working process，the UAV was controlled by the visual navigation method
when flying over the fruit tree，while controlled by the GNSS navigation method when it needed to switch
between rows of different operation fruit trees． The developed system and proposed method was tested in
mountain apple orchard． The results showed that when the flight speed was 2 m/s，the height of UAV
from fruit tree canopy was about 2 m，the camera's dip angle was 46° and the image navigation control
rate was 2 times/s，the absolute path control error of the system was － 47 ～ 42 cm，and the average
absolute error was － 9 cm． The high control precision indicated that the system could meet the
: 2019-01-20
: 2019-02-16
修回日期
收稿日期
:
基金项目 国家自然科学基金项目
( 31701326)
( 2018YFD0701102)
和国家重点研发计划项目
:
作者简介 王东
( 1982—) ， ， ， ，E-mail: wangdong510@ 163． com
男 副教授 主要从事农业自动化技术研究
:
通信作者 张海辉
( 1977—) ， ， ， ， ，E-mail: zhanghh@ nwsuaf． edu． cn
男 教授 博士生导师 主要从事农业物联网技术研究
4
:
王东 等 基于
GNSS
与视觉融合的山地果园无人机航迹控制
21
第
期
requirements of UAV for plant protection operation in mountain orchards． The research provided a new
method for path control of UAV on plant protection in mountain orchards．
Key words: mountain orchard; aviation plant protection; unmanned aerial vehicle; flight path control;
machine vision; GNSS navigation
GNSS
，
导航进行作业行间切换引导 使用机器视觉
0
引言
，
技术计算无人机与作业行中心线的偏航角 进而结
［1 － 2］
PID
，
控制算法调整无人机作业航迹 以实现山地
合
、
已经被广泛应用于农情监测
无人机技术
［3 － 11］
。
果园无人机植保作业航迹的高精度控制
。
，
相关研究表明 无人机的飞
农业植保等领域
、 、
行航迹 高度 速度等飞行参数对植保效果影响显
1
控制系统设计
［12 － 17］
。
著
1. 1
总体设计
飞行航迹的控制是无人机航空作业的关键问
［18］
GNSS
基于
与视觉融合的山地果园无人机植保
。
，
为
题
由于人工控制无人机飞行航迹精度较差
，
了提高无人机植保作业的效果 降低人为控制的误
航迹控制系统主要由无人机飞行平台和地面控制站
。 ，
两部分组成 其中无人机飞行平台中 除飞行器外
，
，
差 无人机航迹自主控制技术是近年来无人机航空
［19］
GNSS
、 、
移动站 内环飞控模块 电子罗盘模
搭载有
。FAICAL
植保作业的研究热点
等
提出了结合作
、 、
块 数传模块 云台
、RGB
、
相机 无线视频发射模块
;
物特征和无人机结构特征的微调设置以控制航迹
［20］
;
和电源 地面控制站包括
GNSS
、
基站 飞行控制模
GPS(
)
全球定位系统 和
GPRS
袁玉敏 设计的基于
、 、
块 便携式计算机 无线视频接收模块以及视频采集
(
) ，
通用分组无线服务技术 混合的定位算法 提高了
［21］
。 1
模块 其系统整体结构如图 所示
。
;
农业植保无人机的定位精度 卢璐等 基于实时动
整个控制系统是在无人机内环飞控实现其自身
( Real-time kinematic，RTK)
态差分技术
的北斗卫星
、 、 、
的稳定以及控制其俯仰 偏航 横滚 升降等动作的
，
导航系统优化了植保无人机飞控系统 大幅度提高
。GNSS
基础上运行的
移动站同时接收基站和卫星
。 ，
了作业航迹的精度 此外 也有将全球导航卫星系
， ， 2
信号 实时解算定位信息 并通过数传模块 发送至
( Global navigation satellite system，GNSS)
统
与惯性
。
地面控制站的飞行控制模块 飞行控制模块接收到
、
导航 视觉导航等技术相融合进行无人机航迹控制
［22 － 25］
无人机定位信息后计算并发送相应的控制指令给无
，
的研究
业开展的
我国丘陵山地约占国土面积的
但现有研究均是针对平原下大田块作
，
人机飞行平台 实现无人机的
GNSS
。RGB
相
导航
。
机采集视频信息并通过无线视频发射模块实时发
70% 。
同平原
， 。
送 经视频采集模块传输至便携式计算机 由便携
， ， 、
相比 丘陵山地不仅地形起伏多变 且田块碎小 形
式计算机对图像进行处理以得到作业果树行趋势线
。 ，
状各异 丘陵山地多以经济林果为主栽对象 果树
，
，
及偏航角 将偏航角信息发送给飞行控制模块 飞行
控制模块计算并发出控制指令实现无人机的视觉导
GNSS
， ，
沿坡地等高线种植 果树行多为曲线 同大田作物相
， ，
比覆盖率较低 因此 对航迹控制精度要求更高
。
在
。
，
导航进行果园作业行间切换
航
作业时由
GNSS
，
导航过程中 如果以果树行首尾位置的经纬
，
视觉导航进行行内无人机航迹控制 从而实现无人
，
度为定位点导航 无人机以两定位点之间的直线飞
。
， ，
行 则会错过其中不在直线航迹上的果树 无法实现
机山地果园作业时的航迹控制
1. 2
。 ，
植保作业的果树遍历飞行要求 相反 如果以单株
无人机飞行平台及地面控制站的搭建
本文使用四旋翼飞行器作为载体搭建无人机飞
X4108s-
， ，
果树为定位点 则定位点过密 同时受
GNSS
系统刷
。
:
，
新频率限制 以及无人机在飞行过程中受到的速度
、
行平台 搭建的四旋翼飞行器包括 朗宇
， ，
侧风等因素的干扰 极容易错过当前目标点 导致无
kv380
、
型电机 好盈
Platinum-30A-Pro OPTO
型电子
、DJI
。 ，
人机需要反复移动以到达目标点 因此 该方式极
、1555
、Tarot 650
型机架
调速器
NAZA
型碳纤螺旋桨
、FS-R6B ，
型控制信号接收机 对
， ，
易浪费作业时间和能量 降低作业效率 同时对无人
型内环飞控
，
机飞行轨迹控制算法的要求过高 在控制率以及控
650 mm。
角电机距离为
在无人机上搭建主要部件 并通过有机配合 组
: RGB
。
，
，
制精度上具有较高的挑战性
，
苹果是我国北方地区的主要经济林作物 仅陕
。
成无人机飞行平台 主要部件是
运动相机
型无线视频发射
) 、T-2D
2
100
hm 。
( HERO3 + ，GoPro， ) 、TS351
型 美国
甘宁地区的种植面积就已超过
万
本文以
RTK-
，
自然场景下的山地苹果园为研究对象 采用
(
模块 深圳市创兴科电子科技有限公司
型两
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