農(nóng)業(yè)無人機飛行管控系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)分析*

李西峰

（陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院，陜西 西安 710300）

我國早期無人機技術(shù)主要應用在軍事領(lǐng)域，近年來在技術(shù)快速發(fā)展的過程中，無人機技術(shù)已經(jīng)開始應用到安防領(lǐng)域、農(nóng)業(yè)領(lǐng)域和電力領(lǐng)域，小型無人機飛行器甚至已經(jīng)成為人們航拍或娛樂的工具。我國作為農(nóng)業(yè)大國，每年在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中會噴灑大量的農(nóng)藥，農(nóng)情分析和監(jiān)測工作量也很大，而采用農(nóng)業(yè)無人機技術(shù)就能夠精準地進行農(nóng)情監(jiān)測、合理地進行農(nóng)藥噴灑[1-2]。因此，在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中應重視無人機的應用，采用先進技術(shù)重點構(gòu)建農(nóng)業(yè)無人機飛行管控系統(tǒng)，增強農(nóng)業(yè)無人機飛行管控效果，從而使得無人機與農(nóng)業(yè)良好整合，推動農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)的健康穩(wěn)定發(fā)展。

1 無人機與農(nóng)業(yè)結(jié)合的價值

1.1 有助于精準噴灑農(nóng)藥

目前，我國農(nóng)業(yè)植保無人機的類型很多，主要使用高效化的無刷電機設備當作動力來源，設備所產(chǎn)生的振動力很小，能夠搭載精密的儀器設備，使農(nóng)藥的噴灑更為精確。并且，農(nóng)業(yè)無人機在應用的過程中，對地形條件所提出的要求較低，系統(tǒng)的作業(yè)不會受到海拔因素的限制，即使在新疆和西藏的高海拔區(qū)域也能正常運行。無人機設備的起飛調(diào)整和校正時間很短，工作的效率和出勤效率很高，再加上設備存在高速運行的離心噴頭部件，除了能夠有效進行藥物噴灑速度的控制，還能根據(jù)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)情況調(diào)整藥物滴落的大小，將藥滴規(guī)格控制在100 μm左右，增強農(nóng)業(yè)噴藥的精準性。另外，將無人機設備應用到農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中，還能利用螺旋機翼的部件帶動農(nóng)作物搖晃，使得農(nóng)藥可以精準、均勻地噴灑到農(nóng)作物的莖葉背面位置，發(fā)揮藥物的藥效，增強防治病蟲害、去除雜草的效果，提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的產(chǎn)量和質(zhì)量。

1.2 有助于減少農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本

我國地域遼闊，各個地區(qū)的地形不同，氣候環(huán)境復雜，導致部分地形條件不良的地區(qū)，農(nóng)業(yè)噴藥和農(nóng)情監(jiān)測方面的難度大、成本高，不利于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)濟效益的提高。而在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中，采用先進的無人機設備，就可以精準地進行農(nóng)藥噴灑和農(nóng)情監(jiān)測，無論農(nóng)業(yè)生產(chǎn)地區(qū)的地形條件多么復雜，都可以按照地形特點和氣候特點等進行農(nóng)情監(jiān)測分析和農(nóng)藥噴灑，降低工作難度，提升經(jīng)濟效益水平。與此同時，通過無人機設備還能全面了解農(nóng)田的土壤養(yǎng)分、含水率等情況，使得農(nóng)戶或農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理人員明確農(nóng)業(yè)生產(chǎn)期間農(nóng)作物需澆灌水分的數(shù)量和施肥的數(shù)量，這樣不僅能夠提升農(nóng)業(yè)灌溉、施肥的精確性，還能避免出現(xiàn)水資源、肥料資源浪費的問題，避免出現(xiàn)經(jīng)濟損失，降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本。另外，運用先進的無人機設備，還能通過對農(nóng)作物缺水率的監(jiān)測分析、養(yǎng)分缺失情況的監(jiān)測分析、病蟲害與雜草情況的監(jiān)測分析等，預測不同季節(jié)農(nóng)作物生長過程中可能會發(fā)生的病蟲草害問題與水肥需求量，使得農(nóng)戶能夠按照預測的信息制定完善的決策方案，準確開展農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動。

而農(nóng)業(yè)無人機飛行管控系統(tǒng)，是無人機應用過程中的核心部分，能夠?qū)o人機各類系統(tǒng)進行有效控制，增強系統(tǒng)功能的完整性，合理構(gòu)建和完善農(nóng)業(yè)無人機飛行管控系統(tǒng)，不僅能夠有效進行飛行安全性和精確度的控制，還能預防出現(xiàn)無人機在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中應用的問題，具有重要意義[3]。

2 農(nóng)業(yè)無人機飛行管控系統(tǒng)的構(gòu)建

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)的設計

2.1.1 架構(gòu)層次的設計

農(nóng)業(yè)無人機飛行管控系統(tǒng)的構(gòu)建，應根據(jù)用戶的需求和嵌入式設備接口情況，設計軟件環(huán)境和硬件環(huán)境，將整體的飛行管控平臺分成硬件層次、通信層次、環(huán)境層次、數(shù)據(jù)處理層次、信息處理層次、信息共享層次和業(yè)務管理層次。1）信息共享層次。該層次是系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)信息共享的核心部分，能夠全面發(fā)布、共享無人機飛行信息，提供通信接口。2）業(yè)務管理層次。在整體飛行管控系統(tǒng)中，業(yè)務管理層次需要設計GIS系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、信息管理系統(tǒng)，有效執(zhí)行農(nóng)業(yè)無人機飛行業(yè)務的管控工作[4]。3）信息處理層次。為確保飛行管控系統(tǒng)具備較高的信息處理能力，在該層次應重點完善無人機監(jiān)控信息處理模式、信息分析模式、空間信息的研究模式和信息統(tǒng)計報表模式，進一步提高信息處理效果。4）數(shù)據(jù)處理層次。該層次主要用來進行文本數(shù)據(jù)、圖片數(shù)據(jù)、人工數(shù)據(jù)和視頻數(shù)據(jù)的有效存儲處理。5）硬件層次。在硬件層次中應設計服務器硬件、數(shù)據(jù)信息存儲硬件、通信硬件、安全管理硬件。6）通信層次。農(nóng)業(yè)無人機飛行管控系統(tǒng)的通信層主要負責接入無人機數(shù)據(jù)信息、進行無線通信處理、提供數(shù)據(jù)移動通信網(wǎng)絡的業(yè)務，合理進行平臺數(shù)據(jù)信息的傳輸。7）環(huán)境層次。該層次應完善平臺中心系統(tǒng)環(huán)境，引進現(xiàn)代化的手持移動終端設備。整體的農(nóng)業(yè)無人機飛行管控系統(tǒng)由七個層次組合而成，在系統(tǒng)應用的過程中，工作人員可在地面站的位置向無人機發(fā)送控制方面的指令，利用4G或5G數(shù)據(jù)鏈路，將數(shù)據(jù)信息傳送到機載嵌入式設備，然后發(fā)送到飛行控制系統(tǒng)，相應地，飛行控制系統(tǒng)也能夠借助機載嵌入式設備向地面控制站發(fā)送無人機的信息，便于工作人員合理進行飛行控制。

2.1.2 邏輯結(jié)構(gòu)的設計

農(nóng)業(yè)無人機飛行管控系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)的設計，主要有以下3點：1）打造業(yè)務管理平臺。在該平臺中設計GIS系統(tǒng)、MAP系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)信息管理系統(tǒng)，確保能夠有效進行業(yè)務管理。2）設計通信接口。農(nóng)業(yè)無人機飛行管控系統(tǒng)應同時設計無人機與平臺數(shù)據(jù)信息的通信接口、基礎地圖與業(yè)務管理數(shù)據(jù)庫的通信接口等兩個層次的通信接口，與此同時還需在系統(tǒng)中設計數(shù)據(jù)信息共享的通信接口，確保能夠滿足飛行管控系統(tǒng)的應用需求。3）合理設計物理層的設備。引進現(xiàn)代化網(wǎng)絡管理設備、服務器設備與綜合硬件設備，滿足飛行管控系統(tǒng)的應用需求[5]。

2.2 完善系統(tǒng)功能模塊

農(nóng)業(yè)無人機飛行管控系統(tǒng)的構(gòu)建過程中，應重點完善系統(tǒng)的功能模塊：1）實時性狀態(tài)監(jiān)督控制的功能模塊。動態(tài)化了解無人機飛行速度和具體方位，在地圖中將無人機位置坐標顯示出來，使得工作人員在地面站內(nèi)采集和傳輸相應的信息，農(nóng)戶或農(nóng)業(yè)工作者也能獲得農(nóng)田的信息，準確了解無人機飛行的狀態(tài)，對其進行實時監(jiān)控。2）完善系統(tǒng)中的無人機啟動監(jiān)控功能和實時查詢功能。及時將無人機啟動的時間信息傳輸?shù)较到y(tǒng)中心，以數(shù)據(jù)信息為基礎，按照規(guī)范制度進行飛行管控，提高無人機應用的規(guī)范性管理效果。同時，工作人員也可以利用系統(tǒng)全面查詢和了解無人機的位置信息、速度信息、方向信息、終端設備狀態(tài)信息和報警信息等，了解無人機飛行情況。3）完善系統(tǒng)的報警功能。首先，在系統(tǒng)中設置速度報警的功能，按照無人機飛行的時間和路線情況，明確限速的最高標準和最低標準，一旦無人機飛行速度超過預先設定的閾值，系統(tǒng)就會利用聲光提醒的方式進行報警，同時還能詳細將超速時間信息、速度信息和位置信息記錄下來，便于工作人員有效進行無人機飛行的管控。其次，完善系統(tǒng)的飛行超時報警功能，自動化記錄與提醒無人機連續(xù)性飛行的時間和長度，一旦出現(xiàn)飛行超時的現(xiàn)象就會報警，以免因為電量不足而發(fā)生事故。最后，完善系統(tǒng)的設防報警功能，用戶在無人機設備停機的狀態(tài)下進行設防，若在設防期間出現(xiàn)飛行或移動的現(xiàn)象，就能夠自動化報警。另外，還需完善系統(tǒng)的進出點報警功能，如果無人機進入或者離開某個指定地點，系統(tǒng)就能夠自動化報警，使監(jiān)控中心按照實際情況作出處理。4）完善系統(tǒng)的飛行路線設置功能。在農(nóng)業(yè)無人機離開地面站所規(guī)定的范圍后，相關(guān)的飛行管控系統(tǒng)會發(fā)出報警信息，系統(tǒng)也能自動化記錄相應的信息，便于工作人員進行查詢[6]。

3 農(nóng)業(yè)無人機飛行管控系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)路線

為確保農(nóng)業(yè)無人機飛行管控系統(tǒng)的良好運行和應用，需要重點完善關(guān)鍵技術(shù)路線，確保能夠增強系統(tǒng)的構(gòu)建和應用效果。

3.1 搭建服務器

從本質(zhì)層面而言，對網(wǎng)絡服務器設備進行衡量的標準就是通信的安全穩(wěn)定性與信息轉(zhuǎn)發(fā)效率。因此，在農(nóng)業(yè)無人機飛行管控系統(tǒng)中構(gòu)建服務器，應重點進行通信穩(wěn)定性的論證與轉(zhuǎn)發(fā)效率的分析，科學選擇相應的協(xié)議與優(yōu)化性架構(gòu)，確保在網(wǎng)絡發(fā)生中斷的情況下可以重新傳輸數(shù)據(jù)信息，快速將網(wǎng)絡恢復到正常狀態(tài)，避免對飛行管控系統(tǒng)的正常應用、良好運行造成不良影響[7]。

3.2 完善系統(tǒng)細節(jié)

我國農(nóng)業(yè)分布范圍很廣，不同地區(qū)的環(huán)境和氣候不同，農(nóng)業(yè)無人機飛行管控的條件也就存在差異，在此情況下為確保對農(nóng)業(yè)無人機進行有效的飛行管控，應重點提升管控系統(tǒng)的可靠性，使得農(nóng)業(yè)無人機可以在任何農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境中得到良好管控，安全穩(wěn)定運行。首先，在系統(tǒng)架構(gòu)設計、電路設計與接插件選型方面，以提高系統(tǒng)的抗干擾性、可靠性為目的，合理設計整體架構(gòu)，確保電路設計的可靠性，選擇最優(yōu)的接插件[8]。其次，應在系統(tǒng)中設置具備通用性特點的硬件設備，便于適應各種類型的無人機設備。同時，為預防分體式產(chǎn)品和過多系統(tǒng)設備相互連接而發(fā)生故障問題，提高用戶操作的便利性，應盡可能進行系統(tǒng)的一體化設計，對記錄儀等設備的結(jié)構(gòu)進行簡化。整體系統(tǒng)在運行過程中，以1 s間隔時間進行數(shù)據(jù)信息采集和飛行位置、飛行操作信息的記錄，一旦無人機設備出現(xiàn)超速現(xiàn)象，記錄儀就能及時報警，提醒飛行操作人員控制飛行速度。另外，在系統(tǒng)構(gòu)建的過程中應全程實時性監(jiān)控無人機、載荷及操作人員的情況，確保能夠高效進行無人機飛行管控。

3.3 合理設置硬件

由于無人機飛行器重量大，電池續(xù)航能力受到一定限制，因此在構(gòu)建飛行管控系統(tǒng)的過程中，應考慮系統(tǒng)對于硬件體積的要求和功能消耗的要求，合理進行硬件的選型與調(diào)試。根據(jù)飛行管控系統(tǒng)的特點與無人機運行的特點，做好電路硬件、芯片硬件、元器件等方面的選型，完善電路圖的布置布線方案，合理采用電路板的制作技術(shù)，結(jié)合無人機與飛行管控系統(tǒng)應用的各種影響制約因素，改進系統(tǒng)，從根本上優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[9]。

3.4 優(yōu)化協(xié)議

目前，無人機飛行器、地面站主要是利用微型空中飛行器鏈路通信協(xié)議進行通信，此類協(xié)議已經(jīng)經(jīng)過大量測試，是由能夠合理進行微型飛行器設計的頭文件組合而成的信息編組庫系統(tǒng)，可以利用串口高效進行C結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的封裝，將各類數(shù)據(jù)信息發(fā)送到地面控制站。雖然在傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)無人機中應用此類協(xié)議可以確保數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)目煽啃?，但是近年來，隨著我國信息技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)協(xié)議的設計變得非常臃腫，單位時間范圍內(nèi)所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息數(shù)量很大，另外，按照理論調(diào)查研究和實驗研究發(fā)現(xiàn)，這個協(xié)議在信道條件不良的環(huán)境中很容易出現(xiàn)通信延遲的問題。因此，在構(gòu)建農(nóng)業(yè)無人機飛行管控系統(tǒng)的過程中，應重點進行協(xié)議的優(yōu)化，合理裁剪數(shù)據(jù)信息，消除冗余數(shù)據(jù)，保留具有一定應用價值的數(shù)據(jù)包，避免出現(xiàn)通信過程中數(shù)據(jù)信息傳輸延遲的問題[10]。

4 結(jié)語

綜上所述，在我國無人機技術(shù)快速發(fā)展的過程中，不僅需要充分運用各類先進技術(shù)和指標，還需有效進行無人機飛行管控，確保無人機應用的高效性和安全性[11]。尤其是在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，要想更好地應用無人機設備進行精準化生產(chǎn)和農(nóng)情監(jiān)測，就必須合理構(gòu)建農(nóng)業(yè)無人機飛行管控系統(tǒng)，完善整體系統(tǒng)的層次架構(gòu)和邏輯結(jié)構(gòu)，重點優(yōu)化系統(tǒng)功能模塊，明確關(guān)鍵技術(shù)的路線，合理進行服務器的搭建、系統(tǒng)細節(jié)的完善、硬件的設置、協(xié)議的優(yōu)化，確保能夠利用飛行管控系統(tǒng)實時監(jiān)控農(nóng)業(yè)無人機的飛行狀態(tài)，準確采集飛行的數(shù)據(jù)信息，便于有效進行無人機的控制，充分發(fā)揮無人機設備在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中的作用。