無人機(jī)信息化服務(wù)平臺在植保中的應(yīng)用分析

楊 妍，沈?qū)殗?，王松濤，朱云?/p>

（江蘇航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江212134）

0 引言

隨著農(nóng)業(yè)技術(shù)的進(jìn)步，我國對新型農(nóng)業(yè)植保機(jī)械的需求越來越旺盛，據(jù)業(yè)內(nèi)統(tǒng)計，2016年國內(nèi)市場植保無人機(jī)數(shù)量大約是6000多架，到2017年超過1萬架。無人機(jī)信息化服務(wù)平臺通過采用地理信息系統(tǒng)、監(jiān)控管理系統(tǒng)，實現(xiàn)植保無人機(jī)高精度定位與全自助航線飛行，從而進(jìn)行無人機(jī)的精準(zhǔn)噴灑、高效作業(yè)、平臺化管理、安全可靠的植保服務(wù)。該系統(tǒng)平臺是現(xiàn)代精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)和農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)核心環(huán)節(jié)，對各類農(nóng)業(yè)植保公司、農(nóng)機(jī)服務(wù)合作社以及農(nóng)化廠商等行業(yè)用戶具有極高的實用價值。

1 我國植?，F(xiàn)狀分析

1.1 植保無人機(jī)產(chǎn)業(yè)概述

目前我國無人機(jī)植保尚未形成一套科學(xué)完善的判別標(biāo)準(zhǔn)和對不同作物、不同噴施劑型進(jìn)行航空噴施時的作業(yè)時機(jī)、作業(yè)環(huán)境、飛行高度、飛行速度、航線規(guī)劃與導(dǎo)航控制等參數(shù)的優(yōu)化選擇，以及滿足噴施作業(yè)要求所需要的沉積量、霧滴粒徑、霧滴沉積分布密度、農(nóng)藥濃度等作業(yè)指標(biāo)。

1.2 植保發(fā)展的趨勢

無人機(jī)植保應(yīng)用是一個綜合學(xué)科、系統(tǒng)工程，需要有關(guān)科研單位、無人機(jī)生產(chǎn)企業(yè)和農(nóng)藥及藥械企業(yè)密切配合，通過產(chǎn)、學(xué)、研結(jié)合，加大創(chuàng)新研發(fā)力度。一方面，要加大無人機(jī)研發(fā)力度，不斷改進(jìn)、提高無人機(jī)性能，提高無人機(jī)的防治效率，降低防治成本[1]。另一方面，加強(qiáng)配套技術(shù)研究。針對不同低空、超低量施藥器械，研發(fā)與之相匹配的藥液，力爭在藥劑霧化、噴灑技術(shù)等方面爭取有所突破。

隨著無人機(jī)在植保領(lǐng)域的應(yīng)用，未來將有大批無人機(jī)飛行員，成為農(nóng)業(yè)技術(shù)型人才，不僅能夠操作無人機(jī)，還需掌握相應(yīng)的植保知識和施藥技術(shù)。

2 無人機(jī)信息化服務(wù)平臺

2.1 無人機(jī)信息化服務(wù)平臺的架構(gòu)

無人機(jī)信息化服務(wù)平臺是針對當(dāng)前現(xiàn)代精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的實際需求，在農(nóng)業(yè)植保細(xì)分領(lǐng)域進(jìn)行的基礎(chǔ)開發(fā)。該平臺系統(tǒng)可在各種植保設(shè)備上即插即用且高度兼容。其不僅可實現(xiàn)噴施速度和藥劑流量的精準(zhǔn)匹配、靈活調(diào)節(jié)，而且可存儲并實時回傳噴施流量、作業(yè)面積和作業(yè)軌跡數(shù)據(jù)，實現(xiàn)植保作業(yè)遠(yuǎn)程管理、監(jiān)控，同時智能流量計還可雙向鏈路、遠(yuǎn)距回傳數(shù)據(jù)，在后臺大數(shù)據(jù)管理平臺中進(jìn)行統(tǒng)計分析和海量數(shù)據(jù)處理后[2]，讓最終用戶、植保服務(wù)管理者通過手機(jī)、電腦等多終端自主、實時獲取、掌控所需的植保數(shù)據(jù)信息，其中無人機(jī)信息化服務(wù)平臺的架構(gòu)如下圖1所示。

圖1 無人機(jī)信息化服務(wù)平臺的架構(gòu)

同時，采用分布式架構(gòu)，結(jié)合無損卡爾曼濾波算法、魯棒伺服LQR飛控算法、故障診斷與故障隔離算法、余度管理算法等多種算法[3]，實現(xiàn)了無人機(jī)姿態(tài)穩(wěn)定和控制無人機(jī)任務(wù)設(shè)備管理以及應(yīng)急控制三大功能，有效解決了飛控中抗干擾和穩(wěn)定性的問題。

2.2 無人機(jī)信息化服務(wù)平臺的實現(xiàn)原理

在無人機(jī)信息化服務(wù)平臺中，具有無人機(jī)綜合在線管控系統(tǒng)，由專用飛行控制系統(tǒng)以及無人機(jī)綜合管控平臺組成，為植保用戶提供便捷高效的一站式飛行管理方案。管控平臺具備飛行平臺數(shù)據(jù)實時獲取、飛行數(shù)據(jù)及航線云端共享、飛行平臺及載荷模塊遠(yuǎn)程控制、高空實時測距、正射圖像合成對比、無人機(jī)與飛行團(tuán)隊管理等功能[4]，可以滿足用戶日益增長的遠(yuǎn)程協(xié)作與數(shù)字化管理等需求。

此外，智能流量計可實現(xiàn)高度兼容性，對各類型、各品牌空中、地面的無人植保機(jī)械均可做到即插即用、精準(zhǔn)計量控制。此外，智能流量計可實現(xiàn)噴施速度和流量的精準(zhǔn)匹配[5]，當(dāng)設(shè)定好每畝農(nóng)田所需的噴施量后，不管設(shè)備以何種方式、速度作業(yè)，最后每畝田的實際噴施量均可精準(zhǔn)達(dá)到預(yù)先設(shè)定值，誤差小于千分之五，實現(xiàn)農(nóng)田植保作業(yè)遠(yuǎn)程管理、監(jiān)控和信息化。每個農(nóng)業(yè)植保行業(yè)用戶均可在后臺大數(shù)據(jù)平臺上獲得一個獨立、加密的子系統(tǒng)平臺，用戶自己的相關(guān)植保數(shù)據(jù)只上傳到自己的子系統(tǒng)平臺，專供自己查詢、調(diào)閱和使用。

3 無人機(jī)信息化服務(wù)平臺在植保中的應(yīng)用

全自主高精度飛行技術(shù)可為無人機(jī)農(nóng)業(yè)植保用戶提供精準(zhǔn)飛行自主作業(yè)的方案，基于統(tǒng)一時空基準(zhǔn)的動態(tài)高精度定位能力，并整合飛行控制系統(tǒng)、硬件終端、通訊模組等多項關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)植保無人機(jī)標(biāo)準(zhǔn)化自主精準(zhǔn)作業(yè)，大幅提升作業(yè)效率，降低作業(yè)門檻，實現(xiàn)植保無人機(jī)的自動化作業(yè)，提高植保作業(yè)的效率。在西北地區(qū)，為了讓市場進(jìn)一步了解植保無人機(jī)的使用優(yōu)勢，帶著植保利器高科S40第四代智能農(nóng)用無人機(jī)、高科M23全天候作業(yè)10L農(nóng)用無人機(jī)及HY-B-15L經(jīng)典16升電動單旋翼植保無人機(jī)穿梭飛行在玉米、杏樹、甜葉菊等農(nóng)田，此時無人機(jī)自主飛行是根據(jù)事先嵌入的算法自主進(jìn)行飛行判斷，同時通過信息化服務(wù)平臺遠(yuǎn)程實現(xiàn)對無人機(jī)的控制，實時掌握無人機(jī)的飛行狀態(tài)[6]。通過飛行控制系統(tǒng)可獲取準(zhǔn)確的地理邊界信息，將航線精度從米級提升至厘米級，且不需要人工遙控，這樣就可以實現(xiàn)全自主飛行和噴灑，同時讓無人機(jī)自動避開房屋、樹木、電纜等障礙物，避免了碰撞和炸機(jī)事故。

3.1 自動規(guī)劃作業(yè)的算法

在自動規(guī)劃作業(yè)，需要具備高精度的定位能力，為植保無人機(jī)控制系統(tǒng)提供精準(zhǔn)位置數(shù)據(jù)支撐，實現(xiàn)全自主作業(yè)，噴灑不重不漏。在西北某30畝玉米噴灑葉面肥，換藥加飛防不到20 min完成作業(yè)，實現(xiàn)了自動規(guī)劃作業(yè)。在此過程中需要選擇適當(dāng)?shù)膰娛舛龋~面施肥濃度直接關(guān)系到噴施的效果，濃度過低沒效果，濃度高了易灼傷葉片。在應(yīng)用中要因肥、因作物不同，因地制宜對癥配制。通過該區(qū)域中的多基站組網(wǎng)解算、網(wǎng)格化數(shù)據(jù)分析，從而可以避免單站電臺播發(fā)、網(wǎng)絡(luò)播發(fā)因長基線所造成的定位精度衰減，這樣就可以提供高精度的數(shù)據(jù)服務(wù)保障[7]，為自主規(guī)劃作業(yè)提供了可靠的數(shù)據(jù)支撐。另外在進(jìn)行作業(yè)的過程，通過植保作業(yè)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效地分析與管理，實現(xiàn)基于數(shù)據(jù)的在線作業(yè)規(guī)劃、實施、管理。

在對飛行路線的實際規(guī)劃應(yīng)用中，具備高空實時測距的功能，通過在手持終端的屏幕上進(jìn)行指點，可選定測距的起點、測距的終點，由軟件自動求解測距線對應(yīng)的實際距離，并將結(jié)果顯示在測距線旁邊。此外，無人機(jī)信息化服務(wù)平臺支持飛行數(shù)據(jù)及航線云端共享，飛行器可使用航線規(guī)劃功能進(jìn)行任務(wù)作用，可將飛行航線共享至存儲系統(tǒng)或云端共享平臺[8]，任一個系統(tǒng)內(nèi)無人機(jī)均可實現(xiàn)相同航線路徑的再次飛行任務(wù)，可大幅提高作業(yè)的規(guī)范化、流程化。

3.2 無人機(jī)與平臺系統(tǒng)傳輸鏈路的研究

無人機(jī)綜合在線管控平臺可以將無人機(jī)實時圖像、地理位置、飛行航線、載荷單元信息等進(jìn)行共享，并可通過操作搖桿系統(tǒng)以及管控平臺，直接跨區(qū)域控制云臺相機(jī)的角度和變焦功能[9]，管理人員現(xiàn)場操作指揮，查看目標(biāo)細(xì)節(jié)，擺脫復(fù)雜流程，提升工作效率，并可實現(xiàn)植保軌跡高效使用和無人機(jī)飛行歷史數(shù)據(jù)可復(fù)用，保證標(biāo)準(zhǔn)化精準(zhǔn)植保作業(yè)。如傳統(tǒng)上梨樹促授粉使用的是擔(dān)架式噴霧機(jī)，即拉管子用噴槍進(jìn)行打藥，一天4、5個人作業(yè)也不超過100畝地。而現(xiàn)在使用無人機(jī)來打藥，2個人一天可以作業(yè)200畝地，大大提高了作業(yè)效率。無人機(jī)在進(jìn)行作業(yè)的過程中，需要保證無人機(jī)與平臺系統(tǒng)保持實時通信連接和數(shù)據(jù)傳輸，此時在無人機(jī)中安裝了飛行數(shù)據(jù)紀(jì)錄傳輸模塊，該模塊可通過互聯(lián)網(wǎng)與植保無人機(jī)信息化平臺對接，能實時監(jiān)控每一架農(nóng)業(yè)無人機(jī)的運行狀態(tài)，實現(xiàn)統(tǒng)一登記和監(jiān)管。

3.3 藥量檢測技術(shù)

以無人機(jī)農(nóng)林植保服務(wù)為切入，搭建一個智慧農(nóng)業(yè)合作平臺，其中在進(jìn)行噴灑作業(yè)的過程中，需要進(jìn)行藥量檢測，以對整個噴灑作業(yè)過程進(jìn)行指導(dǎo)。玉米是高桿作物，且種植密集，而葉面吸收養(yǎng)分穿透率低，吸收數(shù)量少，需要多次噴施，因而勞動量大，人工施藥不便，重噴漏噴影響施藥效果。而高科新農(nóng)無人機(jī)旋翼產(chǎn)生的下壓風(fēng)場集中穩(wěn)定，漂移小，沉降性好，霧滴分布均勻，不重噴不漏噴，十分適用于該場景作業(yè)。據(jù)統(tǒng)計，當(dāng)時作業(yè)環(huán)境的風(fēng)力達(dá)到4～5級，高科新農(nóng)無人機(jī)依然平穩(wěn)飛行，精準(zhǔn)高效地完成了任務(wù)。在無人機(jī)中設(shè)置了藥量檢測模塊，該模塊將獲取的噴灑裝置的藥液箱中的剩余藥液信號通過信號輸入電路發(fā)送給主控計算機(jī)，噴頭壓力傳感器將獲取的噴灑裝置的噴頭壓力信號通過信號輸入電路發(fā)送給主控計算機(jī)，實現(xiàn)對藥量的檢測[10]，從而保證了無人機(jī)自主進(jìn)行噴灑作業(yè)的可靠性和準(zhǔn)確性。

4 應(yīng)用效果分析及展望

當(dāng)前無人機(jī)在各個行業(yè)的應(yīng)用發(fā)展迅速，在植保領(lǐng)域中可以構(gòu)建無人機(jī)信息化服務(wù)平臺。該平臺中的管理控制系統(tǒng)不僅可以精準(zhǔn)的引導(dǎo)它們按各自的航線飛行直至降落到指定機(jī)位，同時還可以對每架無人機(jī)即時進(jìn)行姿態(tài)和航線的變更、調(diào)整，以應(yīng)對植保中各種復(fù)雜多變的突發(fā)狀況。用無人機(jī)技術(shù)來實現(xiàn)農(nóng)業(yè)噴灑作業(yè)，可以大大提高農(nóng)藥的利用率，具有較好的應(yīng)用效果，未來在植保領(lǐng)域中無人機(jī)的應(yīng)用范圍將會進(jìn)一步擴(kuò)大。

5 結(jié)論

科技是推動農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)升級的重要方式，利用無人機(jī)研發(fā)打造科技助農(nóng)新場景，利用大數(shù)據(jù)管理為農(nóng)民提供智慧化、信息化服務(wù)。無人機(jī)信息化服務(wù)平臺不僅將以平臺形式統(tǒng)籌全國農(nóng)業(yè)耕地，實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)整合和資源對接，還將通過對全行業(yè)作業(yè)的大數(shù)據(jù)分析，為政府相關(guān)部門提供氣象地理、病蟲災(zāi)害等有效監(jiān)控和決策服務(wù)。