基于大數(shù)據(jù)技術(shù)的高爾夫球場草坪智能質(zhì)量監(jiān)測管理系統(tǒng)

張軍惺

中圖分類號：G818.2 ? 文獻(xiàn)標(biāo)識：A ? ? 文章編號：1009-9328（2021）11-120-02

摘 ?要 ?高爾夫球運動隨著我國人民生活水平的提高受到大眾的追捧，高爾夫球場的植保作業(yè)問題逐漸凸顯。為分析植保無人機(jī)噴施作業(yè)智能控制系統(tǒng)的可行性，本文從無人機(jī)關(guān)鍵技術(shù)，智能控制算法的發(fā)展和應(yīng)用進(jìn)行闡述，通過對國內(nèi)外的植保無人機(jī)技術(shù)發(fā)研究調(diào)查，探索并討論了我國無人機(jī)在高爾夫球場植保噴施作業(yè)應(yīng)用的可行性，并對高爾夫球場植保無人機(jī)智能控制系統(tǒng)的發(fā)展前景作出展望。

關(guān)鍵詞 ?高爾夫球場 ?植保作業(yè) ?無人機(jī)技術(shù) ?智能控制

高爾夫球運動作為繼足球、網(wǎng)球之后的第三大體育運動項目，有著豐富的文化內(nèi)涵以及親近自然的運動方式，在歐美國家擁有巨大的受眾群體。隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，高爾夫球運動也逐漸在我國大眾之間流行開來，成為一項重要的室外運動項目[1]。高爾夫球場的地形、土壤、草坪密度、高度等會對球的運動狀態(tài)和軌跡造成影響，因此需要對草坪的植被進(jìn)行日常的維護(hù)和保養(yǎng)[2]。為了保證高爾夫球場良好的植被條件，草坪保養(yǎng)過程中需要進(jìn)行農(nóng)藥和肥料的噴施，而高爾夫球場通常占地面積較大，養(yǎng)護(hù)過程需要防止對草坪造成嚴(yán)重?fù)p傷，因此高規(guī)格的高爾夫球場存在養(yǎng)護(hù)成本較高、養(yǎng)護(hù)困難等問題[2]。植保噴施作業(yè)具有勞動強(qiáng)度大、勞動周期長的特點，人力噴施作業(yè)效率低、人力成本較高，而基于地面動力機(jī)械的噴霧機(jī)存在作業(yè)成本高，藥劑利用率較低，噴灑不均等問題，而且對于高爾夫球場等全覆蓋型的植被，容易造成植被、土壤以及地形的破壞。為了降低草坪保養(yǎng)難度，提高維護(hù)效率，航空植保器械開始大量應(yīng)用在植保作業(yè)中[3]。

一、植保無人機(jī)技術(shù)

（一）植保無人機(jī)的應(yīng)用和發(fā)展

植保噴施作業(yè)具有勞動強(qiáng)度大、勞動周期長的特點，為了降低植保噴灑作業(yè)人力成本，提高工作效率，人力器械、地面動力器械及航空植保器械等相繼應(yīng)用植保作業(yè)中。人力噴施作業(yè)效率低、人力成本較高，而基于地面動力機(jī)械的噴霧機(jī)存在作業(yè)成本高，藥劑利用率較低，噴灑不均等問題，而且對于高爾夫球場等全覆蓋型的植被，容易造成植被、土壤以及地形的破壞。農(nóng)用航空植保器械的出現(xiàn)有效克服了人力器械和地面動力器械的缺陷，有著成本低、作業(yè)效率高、漂移量少等優(yōu)勢。無人機(jī)本身三維運動空間提供的靈活性和操控性為智能控制算法的結(jié)合提供了便利性。

航空植保最先由德國提出，使用飛機(jī)從空中噴灑農(nóng)藥防治森林病蟲害。之后，美國、蘇聯(lián)等發(fā)達(dá)國家開始在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中使用飛機(jī)施藥，從而促進(jìn)了航空施藥技術(shù)的飛速發(fā)展[4]。

我國航空噴施技術(shù)起步較晚，早期主要以單旋翼載人直升機(jī)為主。到20世紀(jì)90年代，我國開發(fā)出了專用于植保作業(yè)的輕型飛機(jī)。1995年，北京科源輕型飛機(jī)實業(yè)有限公司研發(fā)適用于農(nóng)田、林區(qū)病蟲害防治的“藍(lán)鷹AD200N”植保作業(yè)飛機(jī);1999年中國林業(yè)科學(xué)研究院首次嘗試在廣西省病蟲害防治工作中使用“海燕650B”型無人機(jī)，為其搭載導(dǎo)航系統(tǒng)和低容量噴施裝置進(jìn)行多次實驗研究。近年來，隨著我國自主研發(fā)的新型無人機(jī)“天鷹3”“大疆MG1”“3WSZ-15”等在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用。我國各類型植保無人機(jī)達(dá)到178種，能夠適應(yīng)不同的噴施作業(yè)需求[5]。

（二）植保無人機(jī)施藥技術(shù)研究進(jìn)展

植保無人機(jī)核心功能和研究重點是航空施藥技術(shù)，主要研究內(nèi)容可細(xì)分為以下三個方面：（1）無人機(jī)噴藥路徑規(guī)劃不完善，導(dǎo)致重噴和漏噴;（2）藥液霧滴不可控，霧滴霧化能力差，導(dǎo)致施藥不均勻，施藥量不可控;（3）霧滴飄移會造成施藥不均勻，環(huán)境污染，土壤環(huán)境破壞以及安全性問題。

二、植保無人機(jī)智能控制系統(tǒng)

智能控制系統(tǒng)是植保無人機(jī)實現(xiàn)噴施作業(yè)的關(guān)鍵，植保無人機(jī)智能控制主要分為飛行控制系統(tǒng)和噴施作業(yè)控制系統(tǒng)兩部分。其中飛行控制系統(tǒng)主要通過調(diào)整無人機(jī)飛行姿態(tài)和速度實現(xiàn)對飛行過程的控制。而智能噴施作業(yè)控制系統(tǒng)是植保無人機(jī)區(qū)別于其他無人機(jī)類型的關(guān)鍵，能夠結(jié)合無人機(jī)的飛行狀態(tài)和作業(yè)環(huán)境信息實現(xiàn)霧化性能、噴施量的自適應(yīng)控制，提高噴施作業(yè)的精準(zhǔn)性、快速性和均勻性。

（一）飛行控制系統(tǒng)

在無人機(jī)植保作業(yè)中，為了提高藥液的對靶率和利用率，避免重噴、漏噴、噴灑不均勻以及造成水土污染，要求對無人機(jī)飛行姿態(tài)和位置進(jìn)行精準(zhǔn)控制。飛行控制的核心是建立自適應(yīng)控制模型，通過陀螺儀等傳感器和GPS系統(tǒng)獲取無人機(jī)當(dāng)前的位置和狀態(tài)，根據(jù)規(guī)劃好的路徑和噴施作業(yè)點計算位置偏差，將位置偏差和飛行速度參數(shù)作為控制模型的輸入，獲得目標(biāo)俯仰角、橫滾角及所需的電機(jī)動力參數(shù)。姿態(tài)控制環(huán)根據(jù)模型輸出參數(shù)與實際參數(shù)的偏差對電機(jī)和飛行角度進(jìn)行調(diào)整，進(jìn)而實現(xiàn)位置控制[6]。

近年來，隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)等智能控制模型也相繼應(yīng)用于植保無人機(jī)，進(jìn)一步提高了植保無人機(jī)的控制性能和抗干擾性[7]。

（二）智能噴施作業(yè)控制系統(tǒng)

無人機(jī)未進(jìn)入作業(yè)區(qū)域或折返時，要求噴施裝置關(guān)閉，避免重噴、錯噴。對于病蟲害嚴(yán)重或者養(yǎng)分較差的作物區(qū)域則需要適當(dāng)增加噴藥量。為實現(xiàn)作物的按需、精準(zhǔn)施藥，國內(nèi)外專家研發(fā)了可以搭載在植保無人機(jī)上的智能變量噴施系統(tǒng)[8]。智能噴施系統(tǒng)主要根據(jù)植保無人機(jī)位置、飛行狀態(tài)及植被需藥量對噴施裝置進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)控，控制噴嘴的霧化效果和施藥量，進(jìn)而實現(xiàn)按需、精準(zhǔn)施藥。

三、前景展望

對于高爾夫球場植保無人機(jī)智能控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，本文認(rèn)為主要集中在以下三個方面。

（一）植保無人機(jī)航空監(jiān)測系統(tǒng)

美國日本等發(fā)達(dá)國家已經(jīng)通過在無人機(jī)搭載航空遙感相機(jī)、多光譜相機(jī)、衛(wèi)星遙感等技術(shù)實現(xiàn)對植被、作物的航空監(jiān)測和管理。通過無人機(jī)對植被的生長趨勢、土壤參數(shù)、受藥情況進(jìn)行監(jiān)測，規(guī)劃新的植保方案[9]。由于植被、土壤參數(shù)隨著時間、氣候的變化在不同時段有著較大的差異，研究人員對無人機(jī)航空植保作業(yè)提出了實時監(jiān)測的新需求。隨著卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等人工智能技術(shù)以及遙感監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展，實時圖像處理技術(shù)在植保無人機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用成為了可能，如此能夠提高植保管理人員對作業(yè)對象參數(shù)變化的認(rèn)知，繪制更加精準(zhǔn)、有效的噴施作業(yè)地圖，提高植保質(zhì)量。

（二）多傳感器融合技術(shù)

傳統(tǒng)的作為信息感知技術(shù)受傳感器本身特性、質(zhì)量的影響，感知信息存在一定的偏差。多傳感器融合技術(shù)能通過多個傳感器對高爾夫球場的采光情況、環(huán)境數(shù)據(jù)、受藥情況進(jìn)行多維的監(jiān)測，獲得高質(zhì)量、高分辨率的采樣數(shù)據(jù)，降低樣本參數(shù)的不確定性，形成更加完整的感知描述，提高植被監(jiān)測系統(tǒng)決策、規(guī)劃的快速性和正確性。

（三）一體化智能化噴施控制系統(tǒng)

目前航空變量噴施系統(tǒng)獨立于飛行控制系統(tǒng)，飛控系統(tǒng)需要根據(jù)噴施需求規(guī)劃作業(yè)路徑和飛行姿態(tài)，變量噴施系統(tǒng)主要根據(jù)作物參數(shù)調(diào)整霧化效果和施藥量。在智能控制算法方面，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、機(jī)器學(xué)習(xí)模型逐漸成熟，以深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)為代表的控制算法具有無需先驗?zāi)Ｐ?、對模型精確參數(shù)要求低等優(yōu)勢，為植保無人機(jī)智能噴施控制系統(tǒng)的一體化提供了理論支撐。

四、結(jié)語

通過對無人機(jī)關(guān)鍵技術(shù)、智能控制算法的發(fā)展和應(yīng)用、國內(nèi)外的植保無人機(jī)技術(shù)的深入研究調(diào)查可知，高爾夫球場植保無人機(jī)智能控制系統(tǒng)隨著人工智能技術(shù)以及遙感監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展、多傳感器融合技術(shù)大規(guī)模應(yīng)用及智能控制算法的深入研究，必將飛速發(fā)展起來。

參考文獻(xiàn)：

[1]張新萍，武東海，尚瑞花.大學(xué)體育新興運動項目教程[M].廣州：中山大學(xué)出版社，2018.

[2]盧軍.擁抱“生態(tài)友好型高爾夫球場”[J].可持續(xù)發(fā)展經(jīng)濟(jì)導(dǎo)刊，2019（05）：29-31.

[3]李廣碩.北京和海南高爾夫球場草坪草病害初步調(diào)查及病原真菌分類學(xué)研究[D].保定：河北大學(xué)，2019.

[4]WANG Chang-ling， HE Xiong-kui， LIU Ya-jia， et al. The Small Single- and Multi-rotor Unmanned Aircraft Vehicles Chemical Application Techniques and Control for Rice Fields in China[C]//Aspects of Applied Biology 132， International Advances in Pesticide Application，2016：73-81.

[5]王元桃，江武，匡小紅，等.植保無人機(jī)統(tǒng)防統(tǒng)治棉花蟲害的應(yīng)用探討[J].棉花科學(xué)，2017，39（05）：42-44+47.

[6]王大帥，李偉，張俊雄，等.基于多傳感器融合的無人機(jī)精準(zhǔn)自主飛行控制方法[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，2019，50（12）：98-106.

[7]Liu H， Li D， Zuo Z， et al.Robust three-loop trajectory tracking control foe quadrotors with mulitiple[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics.2016，63（04），2263-2274.

[8]李繼輝，白越，裴信彪，等.基于深度學(xué)習(xí)的農(nóng)用無人機(jī)自主避障研究[J].農(nóng)機(jī)化研究，2021，43（03）：1-7.

[9]胡浩偉.植保無人機(jī)施藥量控制系統(tǒng)研究[D].石河子：石河子大學(xué)，2019.