基于農(nóng)作物數(shù)據(jù)分析實(shí)現(xiàn)無人機(jī)自動(dòng)化作業(yè)系統(tǒng)研究

摘? 要：無人機(jī)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用可以提高農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化水平，完成噴灑農(nóng)藥、生長劑等操作。該文將對基于農(nóng)作物數(shù)據(jù)分析的無人機(jī)自動(dòng)化作業(yè)系統(tǒng)進(jìn)行研究，首先介紹農(nóng)業(yè)無人機(jī)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，探討大數(shù)據(jù)技術(shù)在農(nóng)業(yè)無人機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用;在此基礎(chǔ)上，研究無人機(jī)自動(dòng)化作業(yè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案，以期促進(jìn)無人機(jī)技術(shù)的應(yīng)用推廣。

關(guān)鍵詞：農(nóng)作物;數(shù)據(jù)分析;無人機(jī);自動(dòng)化作業(yè)

中圖分類號(hào)：V279;TP278? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2019）23-0121-03

Research on UAV Automated Operation System Based on Crop Data Analysis

TAO Jing

（Wuhu Institute of Technology，Wuhu? 241003，China）

Abstract：The application of UAV in agriculture can improve the level of agricultural modernization and complete the operations of spraying pesticides and growth agents. This paper will study the automatic operation system of UAV based on crop data analysis. Firstly，it introduces the development status of agricultural UAV technology and discusses the application of big data technology in the field of agricultural UAV. On this basis，the research on the implementation of the UAV automatic operation system is studied to promote the application and promotion of the UAV technology.

Keywords：crops;data analysis;UAV;automated operation

0? 引? 言

無人機(jī)技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用具有多方面優(yōu)勢，例如利用無人機(jī)噴灑農(nóng)藥，工作效率是人工的幾十倍[1]，而且噴灑方式更加科學(xué)合理，可以降低成本，確保施藥安全性。因此，無人機(jī)技術(shù)的研究和應(yīng)用受到了重視，目前國內(nèi)已經(jīng)有無人機(jī)產(chǎn)品在農(nóng)業(yè)植保中得到應(yīng)用，因此，對其自動(dòng)化作業(yè)系統(tǒng)進(jìn)行研究具有重要意義。

1? 農(nóng)業(yè)無人機(jī)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

無人機(jī)在幾年前還屬于新鮮產(chǎn)物，經(jīng)過短短幾年的研究與應(yīng)用，人們對無人機(jī)已經(jīng)不再陌生，在各個(gè)領(lǐng)域都可以看到無人機(jī)的應(yīng)用。其中，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)是無人機(jī)技術(shù)的一個(gè)重要應(yīng)用領(lǐng)域。在2015年時(shí)，我國大疆創(chuàng)新科技有限公司成功研制出一款農(nóng)業(yè)噴灑智能化無人機(jī)[2]，隨后國內(nèi)涌現(xiàn)出許多優(yōu)秀農(nóng)業(yè)無人機(jī)制造商，目前產(chǎn)品類型較為豐富。最具有影響力的仍然是“大疆創(chuàng)新”系列無人機(jī)，該品牌目前占有全球74%的無人機(jī)市場份額，榮獲最受美國歡迎的中國制造商稱號(hào)。但繼華為之后，大疆創(chuàng)新也被美國列入“危害國家安全”名單，而這也能夠從一定程度上說明大疆創(chuàng)新在無人機(jī)領(lǐng)域的地位和影響力。無人機(jī)技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用具有多重價(jià)值，適應(yīng)于農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展趨勢，可以自動(dòng)完成施肥、撒藥、病蟲害防治等作業(yè)任務(wù)。相比于傳統(tǒng)人工作業(yè)方式，無人機(jī)不僅效率更高，而且可以突破地形、自然環(huán)境等方面的限制。對于一些易倒伏和果實(shí)易掉落的品種，采用無人機(jī)作業(yè)也可以獲得更好的效果。為了推廣無人機(jī)技術(shù)的應(yīng)用，應(yīng)積極研究其自動(dòng)化作業(yè)系統(tǒng)，對無人機(jī)功能進(jìn)行完善，進(jìn)一步提高其運(yùn)行穩(wěn)定性。

2? 大數(shù)據(jù)技術(shù)在農(nóng)業(yè)無人機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用

2.1? 數(shù)據(jù)分析需求

在無人機(jī)自動(dòng)化作業(yè)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)過程中，首先要解決農(nóng)作物數(shù)據(jù)分析問題。農(nóng)作物數(shù)據(jù)規(guī)模龐大，類型眾多，而且伴隨著農(nóng)作物生產(chǎn)以及自然環(huán)境的變化，具有動(dòng)態(tài)性特征。在數(shù)據(jù)獲取和分析過程中，需要發(fā)揮大數(shù)據(jù)技術(shù)的作用，確保數(shù)據(jù)分析的及時(shí)性與可靠性。無人機(jī)在飛行作業(yè)過程中，也會(huì)產(chǎn)生大量的虛擬性數(shù)據(jù)，采用傳統(tǒng)數(shù)據(jù)分析和處理技術(shù)，難以滿足無人機(jī)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理的需求。在大數(shù)據(jù)技術(shù)的應(yīng)用下，可以隨時(shí)對無人機(jī)作業(yè)信息進(jìn)行存儲(chǔ)和分析，提取有價(jià)值的信息，并與農(nóng)作物數(shù)據(jù)結(jié)合起來，確保無人機(jī)作業(yè)的合理性。在數(shù)據(jù)獲取過程中，可以通過在無人機(jī)設(shè)備上搭載傳感器、高清攝像設(shè)備等，實(shí)時(shí)采集和傳輸農(nóng)作物數(shù)據(jù)，完成相關(guān)測繪工作。然后根據(jù)數(shù)據(jù)分析結(jié)果，制定無人機(jī)飛行計(jì)劃以及農(nóng)業(yè)植保作業(yè)計(jì)劃。大數(shù)據(jù)技術(shù)在處理圖像信息方面也有突出的應(yīng)用優(yōu)勢，可以解決航拍和遙感數(shù)據(jù)的處理問題，利用Hadoop平臺(tái)完成數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和處理工作，具有良好的數(shù)據(jù)可維護(hù)性。因此，大數(shù)據(jù)技術(shù)是實(shí)現(xiàn)無人機(jī)自動(dòng)化作業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)。

2.2? 大數(shù)據(jù)處理流程

在大數(shù)據(jù)技術(shù)的應(yīng)用過程中，需要根據(jù)大數(shù)據(jù)技術(shù)平臺(tái)的特點(diǎn)以及實(shí)際應(yīng)用需求，構(gòu)建數(shù)據(jù)處理流程，對各種類型的海量信息數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，提取其中有價(jià)值的信息。在無人機(jī)作業(yè)過程中，需要在獲取實(shí)時(shí)信息的基礎(chǔ)上，通過采用網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議，建立數(shù)據(jù)聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換功能。可以基于IEEE1588時(shí)間同步協(xié)議確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?，同時(shí)減小交換試驗(yàn)，確保數(shù)據(jù)的及時(shí)傳輸。受目前無人機(jī)搭載設(shè)備的限制，在無人機(jī)采集到農(nóng)作物數(shù)據(jù)后，無法在本平臺(tái)上完成數(shù)據(jù)分析和處理工作，需要通過網(wǎng)絡(luò)傳輸方式將數(shù)據(jù)傳回地面基站，由地面基站的大數(shù)據(jù)平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。因此，數(shù)據(jù)傳輸效率對于整個(gè)作業(yè)流程有重要影響，需要盡可能采用先進(jìn)的通訊技術(shù)，提高數(shù)據(jù)傳輸效率。地面基站在獲取無人機(jī)傳回的數(shù)據(jù)后，需要按照標(biāo)準(zhǔn)流程進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，包括數(shù)據(jù)格式處理、存儲(chǔ)等，為后續(xù)分析處理工作的開展奠定基礎(chǔ)。針對大數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化、半結(jié)構(gòu)化、非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)并存的特點(diǎn)，還需要利用到并行處理技術(shù)，提高數(shù)據(jù)處理效率。在此基礎(chǔ)上，通過綜合利用數(shù)據(jù)挖掘等技術(shù)手段，完成數(shù)據(jù)處理任務(wù)，為無人機(jī)自動(dòng)化作業(yè)提供支持。

2.3? 大數(shù)據(jù)技術(shù)選擇

在本次研究中，主要采用Hadoop大數(shù)據(jù)技術(shù)為無人機(jī)自動(dòng)化作業(yè)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)提供支持。Hadoop是目前使用較為廣泛的大數(shù)據(jù)框架之一，基于Java分布式大數(shù)據(jù)處理軟件實(shí)現(xiàn)，包含通用模塊和分布式文件等幾個(gè)部分，在分布式文件系統(tǒng)下有集群文件存儲(chǔ)組件，可以在特定節(jié)點(diǎn)建立分布式文件架構(gòu)。在Hadoop框架支持下，可通過構(gòu)建簡單的并行計(jì)算模型，解決大數(shù)據(jù)分析處理問題，具有較強(qiáng)的擴(kuò)展性和容錯(cuò)性，因此適用范圍廣泛。在無人機(jī)自動(dòng)化作業(yè)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)過程中，也可以采用Hadoop技術(shù)實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物數(shù)據(jù)處理以及航線規(guī)劃分析等功能。根據(jù)農(nóng)作物數(shù)據(jù)分析結(jié)果，判斷飛行路徑的合理性，并對無人機(jī)作業(yè)任務(wù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。具體可采用方格路徑算法等，按照一定原則完成初始路徑規(guī)劃，然后再根據(jù)農(nóng)作物數(shù)據(jù)分析結(jié)果，對無人機(jī)作業(yè)任務(wù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，確保其可以滿足實(shí)際作業(yè)需求。此外，在大數(shù)據(jù)處理過程中，根據(jù)無人機(jī)作業(yè)的實(shí)際情況，需要完成大量的圖像處理工作。可以采用顏色特征閾值分割方法，對圖像進(jìn)行識(shí)別。將圖像色彩空間中的各個(gè)分量做最大類間方差分析，然后進(jìn)行二值化處理，獲得最大閾值，通過閾值分割，確定目標(biāo)區(qū)域和背景區(qū)域，從而提取有價(jià)值的信息。

3? 基于農(nóng)作物數(shù)據(jù)分析實(shí)現(xiàn)的無人機(jī)自動(dòng)化作業(yè)系統(tǒng)

3.1? 無人機(jī)平臺(tái)搭建

在上述農(nóng)作物數(shù)據(jù)分析處理技術(shù)的應(yīng)用下，具體設(shè)計(jì)無人機(jī)自動(dòng)化作業(yè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)植保功能。首先在硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)方面，無人機(jī)主要由機(jī)架部分、動(dòng)力系統(tǒng)、噴灑系統(tǒng)等部分組成，需要保證無人機(jī)平臺(tái)具有足夠的飛行穩(wěn)定性和續(xù)航時(shí)間，能夠滿足設(shè)計(jì)載荷標(biāo)準(zhǔn)下的植保作業(yè)要求。在無人機(jī)機(jī)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，應(yīng)考慮整體架構(gòu)選擇的合理性，否則容易影響飛行控制效果和作業(yè)穩(wěn)定性。本次研究采用四軸八旋翼機(jī)架結(jié)構(gòu)，整體采用碳纖維材料制作，強(qiáng)度高、質(zhì)量輕。四個(gè)機(jī)械臂設(shè)計(jì)為空心結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步減輕無人機(jī)重量，并減少電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)可能對飛行控制產(chǎn)生的振動(dòng)影響[3]。在動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面，無人機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)主要由電機(jī)、調(diào)速器和螺旋槳組成[4]。

其中，電機(jī)帶動(dòng)旋翼的旋轉(zhuǎn)為無人機(jī)提供驅(qū)動(dòng)力，需要確保電機(jī)性能優(yōu)良，滿足無人機(jī)負(fù)載能力、續(xù)航能力等方面的要求。在電機(jī)選擇過程中，還要參考KV值指標(biāo)，即電機(jī)電壓每升高1V時(shí)轉(zhuǎn)速值增加量，KV值決定著電機(jī)扭力大小，KV值越高，電機(jī)能帶動(dòng)的旋翼尺寸越小，需要充分考慮二者匹配的問題。在螺旋槳選擇時(shí)，主要考慮直徑、螺距等關(guān)鍵參數(shù)，確保旋翼與電機(jī)相互匹配，提升動(dòng)力系統(tǒng)性能。此外，還要做好調(diào)速器的選擇，根據(jù)電機(jī)型號(hào)選擇電子調(diào)速器，確保其具有足夠快的反應(yīng)速度和較好的適應(yīng)能力。

無人機(jī)的噴灑系統(tǒng)主要由水泵、噴頭等部分組成。水泵的選擇要確保運(yùn)轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性，具有較強(qiáng)的自吸能力，并支持長時(shí)間空轉(zhuǎn)運(yùn)行和長時(shí)間連續(xù)復(fù)雜運(yùn)轉(zhuǎn)。本次研究選擇的水泵額定功率為25W，最大壓力為0.65MPa，最大揚(yáng)程為10m。噴頭采用靜電離心霧化型噴頭，其霧化盤采用靜電材料制成，當(dāng)藥液通過時(shí)，經(jīng)過離心的藥液霧滴附帶碘離子，可以確保藥液噴霧能夠吸附到農(nóng)作物上，從而提高藥液利用率。此外，靜電的相互排斥作用還可以確保藥液在農(nóng)作物表面的均勻分布，產(chǎn)品性能較為突出。

3.2? 飛行自動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

在飛行自動(dòng)控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)過程中，考慮多旋翼無人機(jī)屬于靜態(tài)不穩(wěn)定飛行器，需要在其飛行過程中不斷對無人機(jī)飛行姿態(tài)進(jìn)行調(diào)整，從而確保無人機(jī)可以在期望狀態(tài)下運(yùn)行。為了實(shí)現(xiàn)飛行自動(dòng)控制功能，無人機(jī)需要采用雷達(dá)傳感器、差分GPS、避障傳感器等技術(shù)。對作業(yè)場景和農(nóng)作物信息進(jìn)行采集，經(jīng)過大數(shù)據(jù)分析后，對無人機(jī)飛行狀態(tài)進(jìn)行自動(dòng)控制。

其中，GPS定位和檢測裝置主要為無人機(jī)提供高精度導(dǎo)航信息，確?？刂葡到y(tǒng)能夠準(zhǔn)確捕捉無人機(jī)位置信息，防止因位置信息的誤差引發(fā)重噴、漏噴等情況[5]。

通過采用高精度GPS定位板卡，可以確保位置信息精度為厘米級(jí)，利用差分技術(shù)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位，即使在差分信號(hào)丟失的情況下，仍可以保證無人機(jī)的正確飛行。在無人機(jī)作業(yè)過程中，還要通過采用高精度檢測單元，利用傳感器技術(shù)對其飛行誤差進(jìn)行控制。GPS技術(shù)主要實(shí)現(xiàn)水平誤差控制，傳感器技術(shù)負(fù)責(zé)高度實(shí)時(shí)檢測和控制，滿足農(nóng)業(yè)無人機(jī)的超低空作業(yè)需求。具體可采用毫米波雷達(dá)傳感器，這種傳感器本身質(zhì)輕，具有多種通信接口，能夠在50ms內(nèi)實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)的準(zhǔn)確跟蹤定位，精確度也可以達(dá)到厘米級(jí)。

此外，為了保證無人機(jī)飛行的安全性，還要設(shè)計(jì)避障檢測單元，實(shí)施檢測無人機(jī)周圍障礙物，對其尺寸和位置等信息進(jìn)行采集，制定相應(yīng)的避障策略，確保無人機(jī)作業(yè)的順利進(jìn)行。在自動(dòng)避障主控模塊的設(shè)計(jì)過程中，需要采用先進(jìn)的工控機(jī)設(shè)備，內(nèi)部含有處理器，支持各種通信接口，具有較好的工作條件適應(yīng)性，而且能耗較低，可以滿足避障控制的機(jī)載設(shè)備使用需求。在避障傳感器選擇方面，也需要選擇質(zhì)輕、體積小，能夠在自然條件下完成障礙物識(shí)別的先進(jìn)傳感器設(shè)備?？紤]到無人機(jī)在作業(yè)過程中的飛行速度一般在4m/s左右，避障檢測要為無人機(jī)飛行控制留有一定的反應(yīng)時(shí)間，因此檢測距離應(yīng)在5m以上，檢測寬度略大于無人機(jī)自身寬度即可。在飛行自動(dòng)控制系統(tǒng)的應(yīng)用下，可以為無人機(jī)作業(yè)穩(wěn)定性提供保障。

3.3? 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在無人機(jī)自動(dòng)化作業(yè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)過程中，需要構(gòu)建基于農(nóng)作物數(shù)據(jù)分析流的作業(yè)控制策略，通過設(shè)計(jì)各個(gè)軟件功能模塊，對無人機(jī)的整個(gè)運(yùn)行過程進(jìn)行自動(dòng)化控制。具體應(yīng)實(shí)現(xiàn)的功能包括自動(dòng)起降、巡航、避障、斷點(diǎn)續(xù)飛和噴灑控制等。其中，自動(dòng)起降功能是采用插入航點(diǎn)法來實(shí)現(xiàn)的，通過設(shè)置無人機(jī)巡航作業(yè)飛行高度、起飛高度、home點(diǎn)、目標(biāo)航點(diǎn)、降落點(diǎn)等參數(shù)，通過軟件編程方式實(shí)現(xiàn)上述飛行控制系統(tǒng)的功能，從而確保無人機(jī)在啟動(dòng)后可以自動(dòng)完成農(nóng)業(yè)植保作業(yè)任務(wù)。

自動(dòng)巡航與避障功能主要根據(jù)無人機(jī)采集到的農(nóng)作物數(shù)據(jù)以及作業(yè)場景數(shù)據(jù)，對無人機(jī)的飛行狀態(tài)進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)控，采取相應(yīng)的調(diào)控措施，確保無人機(jī)作業(yè)過程的穩(wěn)定性。在避障功能的實(shí)現(xiàn)過程中，需要通過軟件編程確定避障方向、制定避障策略。根據(jù)采集到的農(nóng)作物信息，優(yōu)先采用折線平移避障策略，如果平移距離超出10m，則采用爬升避障策略，躲過障礙物后再恢復(fù)正常作業(yè)高度。此外還可以根據(jù)避障策略執(zhí)行情況，插入臨時(shí)航點(diǎn)，對航線規(guī)劃進(jìn)行優(yōu)化。此外，還可以通過軟件編程方式，對噴灑作業(yè)的任務(wù)參數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，包括噴灑量、噴灑半徑等，確保無人機(jī)在航線調(diào)整過程中，仍可以實(shí)現(xiàn)預(yù)期的噴灑作業(yè)效果。

3.4? 主要功能測試

為了驗(yàn)證無人機(jī)自動(dòng)化作業(yè)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)效果，可以采用上述硬件使用要求，搭建無人機(jī)平臺(tái)，設(shè)計(jì)自主巡航作業(yè)任務(wù)，對無人機(jī)自動(dòng)化作業(yè)系統(tǒng)的功能進(jìn)行測試?？梢苑謩e選取兩個(gè)不同的農(nóng)作物場地進(jìn)行試飛，每個(gè)場地試飛50架次，記錄無人機(jī)作業(yè)任務(wù)的完成情況。在本次試驗(yàn)過程中主要檢驗(yàn)無人機(jī)的自動(dòng)起降、巡航和避障、斷點(diǎn)續(xù)飛功能。利用地面控制系統(tǒng)完成初始任務(wù)設(shè)置，上傳到機(jī)載控制系統(tǒng)中。其中，無人機(jī)正常巡航高度設(shè)置為3m，飛行速度為4m/s，水平避障及爬升避障的最大值為10m，如果超出這一距離仍無法實(shí)現(xiàn)避障，則設(shè)置斷點(diǎn)，重新規(guī)劃路線，并執(zhí)行斷點(diǎn)續(xù)費(fèi)任務(wù)，完成剩余作業(yè)。從本次試驗(yàn)結(jié)果來看，無人機(jī)能夠根據(jù)任務(wù)設(shè)定，自動(dòng)起飛到預(yù)設(shè)高度開始執(zhí)行任務(wù)。在巡航過程中，能夠根據(jù)農(nóng)作物數(shù)據(jù)分析結(jié)果，對飛行狀態(tài)進(jìn)行自動(dòng)控制，執(zhí)行避障指令，確保無人機(jī)運(yùn)行的安全性。完成所有任務(wù)后，返回降落點(diǎn)平穩(wěn)降落。整個(gè)過程不需要人工操作，作業(yè)效率非常高。

4? 結(jié)? 論

綜上所述，基于農(nóng)作物數(shù)據(jù)分析實(shí)現(xiàn)的無人機(jī)自動(dòng)化作業(yè)系統(tǒng)可根據(jù)農(nóng)作物實(shí)際情況，對無人機(jī)飛行作業(yè)過程進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，控制無人機(jī)航向、飛行路徑以及作業(yè)參數(shù)的改變，從而提高無人機(jī)作業(yè)效率及質(zhì)量。在此情況下，可以最大化地發(fā)揮無人機(jī)技術(shù)優(yōu)勢，帶動(dòng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率的提升。

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作者簡介：陶婧（1985.09-），女，漢族，安徽樅陽人，講師，數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)工程師，畢業(yè)于安徽工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院，本科，主要研究方向：軟件開發(fā)、數(shù)據(jù)庫及其應(yīng)用。