楊 妍，沈?qū)殗?guó)，王松濤，朱云陽(yáng)

（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(guó)對(duì)新型農(nóng)業(yè)植保機(jī)械的需求越來(lái)越旺盛，據(jù)業(yè)內(nèi)統(tǒng)計(jì)，2016年國(guó)內(nèi)市場(chǎng)植保無(wú)人機(jī)數(shù)量大約是6000多架，到2017年超過(guò)1萬(wàn)架。無(wú)人機(jī)信息化服務(wù)平臺(tái)通過(guò)采用地理信息系統(tǒng)、監(jiān)控管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)植保無(wú)人機(jī)高精度定位與全自助航線飛行，從而進(jìn)行無(wú)人機(jī)的精準(zhǔn)噴灑、高效作業(yè)、平臺(tái)化管理、安全可靠的植保服務(wù)。該系統(tǒng)平臺(tái)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(duì)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(shí)用價(jià)值。

1 我國(guó)植?，F(xiàn)狀分析

1.1 植保無(wú)人機(jī)產(chǎn)業(yè)概述

目前我國(guó)無(wú)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(duì)不同作物、不同噴施劑型進(jìn)行航空噴施時(shí)的作業(yè)時(shí)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(shì)

無(wú)人機(jī)植保應(yīng)用是一個(gè)綜合學(xué)科、系統(tǒng)工程，需要有關(guān)科研單位、無(wú)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(guò)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(wú)人機(jī)研發(fā)力度，不斷改進(jìn)、提高無(wú)人機(jī)性能，提高無(wú)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(duì)不同低空、超低量施藥器械，研發(fā)與之相匹配的藥液，力爭(zhēng)在藥劑霧化、噴灑技術(shù)等方面爭(zhēng)取有所突破。

隨著無(wú)人機(jī)在植保領(lǐng)域的應(yīng)用，未來(lái)將有大批無(wú)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(wú)人機(jī)，還需掌握相應(yīng)的植保知識(shí)和施藥技術(shù)。

2 無(wú)人機(jī)信息化服務(wù)平臺(tái)

2.1 無(wú)人機(jī)信息化服務(wù)平臺(tái)的架構(gòu)

無(wú)人機(jī)信息化服務(wù)平臺(tái)是針對(duì)當(dāng)前現(xiàn)代精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的實(shí)際需求，在農(nóng)業(yè)植保細(xì)分領(lǐng)域進(jìn)行的基礎(chǔ)開(kāi)發(fā)。該平臺(tái)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(shí)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(chǔ)并實(shí)時(shí)回傳噴施流量、作業(yè)面積和作業(yè)軌跡數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)植保作業(yè)遠(yuǎn)程管理、監(jiān)控，同時(shí)智能流量計(jì)還可雙向鏈路、遠(yuǎn)距回傳數(shù)據(jù)，在后臺(tái)大數(shù)據(jù)管理平臺(tái)中進(jìn)行統(tǒng)計(jì)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(guò)手機(jī)、電腦等多終端自主、實(shí)時(shí)獲取、掌控所需的植保數(shù)據(jù)信息，其中無(wú)人機(jī)信息化服務(wù)平臺(tái)的架構(gòu)如下圖1所示。

圖1 無(wú)人機(jī)信息化服務(wù)平臺(tái)的架構(gòu)

同時(shí)，采用分布式架構(gòu)，結(jié)合無(wú)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(shí)現(xiàn)了無(wú)人機(jī)姿態(tài)穩(wěn)定和控制無(wú)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(wèn)題。

2.2 無(wú)人機(jī)信息化服務(wù)平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)原理

在無(wú)人機(jī)信息化服務(wù)平臺(tái)中，具有無(wú)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(wú)人機(jī)綜合管控平臺(tái)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(tái)具備飛行平臺(tái)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)獲取、飛行數(shù)據(jù)及航線云端共享、飛行平臺(tái)及載荷模塊遠(yuǎn)程控制、高空實(shí)時(shí)測(cè)距、正射圖像合成對(duì)比、無(wú)人機(jī)與飛行團(tuán)隊(duì)管理等功能[4]，可以滿足用戶日益增長(zhǎng)的遠(yuǎn)程協(xié)作與數(shù)字化管理等需求。

此外，智能流量計(jì)可實(shí)現(xiàn)高度兼容性，對(duì)各類型、各品牌空中、地面的無(wú)人植保機(jī)械均可做到即插即用、精準(zhǔn)計(jì)量控制。此外，智能流量計(jì)可實(shí)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(shí)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(shí)現(xiàn)農(nóng)田植保作業(yè)遠(yuǎn)程管理、監(jiān)控和信息化。每個(gè)農(nóng)業(yè)植保行業(yè)用戶均可在后臺(tái)大數(shù)據(jù)平臺(tái)上獲得一個(gè)獨(dú)立、加密的子系統(tǒng)平臺(tái)，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(tái)，專供自己查詢、調(diào)閱和使用。

3 無(wú)人機(jī)信息化服務(wù)平臺(tái)在植保中的應(yīng)用

全自主高精度飛行技術(shù)可為無(wú)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(shí)空基準(zhǔn)的動(dòng)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(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)植保無(wú)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(shí)現(xiàn)植保無(wú)人機(jī)的自動(dòng)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(chǎng)進(jìn)一步了解植保無(wú)人機(jī)的使用優(yōu)勢(shì)，帶著植保利器高科S40第四代智能農(nóng)用無(wú)人機(jī)、高科M23全天候作業(yè)10L農(nóng)用無(wú)人機(jī)及HY-B-15L經(jīng)典16升電動(dòng)單旋翼植保無(wú)人機(jī)穿梭飛行在玉米、杏樹、甜葉菊等農(nóng)田，此時(shí)無(wú)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(shí)通過(guò)信息化服務(wù)平臺(tái)遠(yuǎn)程實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)人機(jī)的控制，實(shí)時(shí)掌握無(wú)人機(jī)的飛行狀態(tài)[6]。通過(guò)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(jí)提升至厘米級(jí)，且不需要人工遙控，這樣就可以實(shí)現(xiàn)全自主飛行和噴灑，同時(shí)讓無(wú)人機(jī)自動(dòng)避開(kāi)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(dòng)規(guī)劃作業(yè)的算法

在自動(dòng)規(guī)劃作業(yè)，需要具備高精度的定位能力，為植保無(wú)人機(jī)控制系統(tǒng)提供精準(zhǔn)位置數(shù)據(jù)支撐，實(shí)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(shí)現(xiàn)了自動(dòng)規(guī)劃作業(yè)。在此過(guò)程中需要選擇適當(dāng)?shù)膰娛舛?，葉面施肥濃度直接關(guān)系到噴施的效果，濃度過(guò)低沒(méi)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(duì)癥配制。通過(guò)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(tái)播發(fā)、網(wǎng)絡(luò)播發(fā)因長(zhǎng)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(guò)程，通過(guò)植保作業(yè)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效地分析與管理，實(shí)現(xiàn)基于數(shù)據(jù)的在線作業(yè)規(guī)劃、實(shí)施、管理。

在對(duì)飛行路線的實(shí)際規(guī)劃應(yīng)用中，具備高空實(shí)時(shí)測(cè)距的功能，通過(guò)在手持終端的屏幕上進(jìn)行指點(diǎn)，可選定測(cè)距的起點(diǎn)、測(cè)距的終點(diǎn)，由軟件自動(dòng)求解測(cè)距線對(duì)應(yīng)的實(shí)際距離，并將結(jié)果顯示在測(cè)距線旁邊。此外，無(wú)人機(jī)信息化服務(wù)平臺(tái)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(chǔ)系統(tǒng)或云端共享平臺(tái)[8]，任一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)無(wú)人機(jī)均可實(shí)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(wú)人機(jī)與平臺(tái)系統(tǒng)傳輸鏈路的研究

無(wú)人機(jī)綜合在線管控平臺(tái)可以將無(wú)人機(jī)實(shí)時(shí)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(guò)操作搖桿系統(tǒng)以及管控平臺(tái)，直接跨區(qū)域控制云臺(tái)相機(jī)的角度和變焦功能[9]，管理人員現(xiàn)場(chǎng)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(shí)現(xiàn)植保軌跡高效使用和無(wú)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(gè)人作業(yè)也不超過(guò)100畝地。而現(xiàn)在使用無(wú)人機(jī)來(lái)打藥，2個(gè)人一天可以作業(yè)200畝地，大大提高了作業(yè)效率。無(wú)人機(jī)在進(jìn)行作業(yè)的過(guò)程中，需要保證無(wú)人機(jī)與平臺(tái)系統(tǒng)保持實(shí)時(shí)通信連接和數(shù)據(jù)傳輸，此時(shí)在無(wú)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(guò)互聯(lián)網(wǎng)與植保無(wú)人機(jī)信息化平臺(tái)對(duì)接，能實(shí)時(shí)監(jiān)控每一架農(nóng)業(yè)無(wú)人機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一登記和監(jiān)管。

3.3 藥量檢測(cè)技術(shù)

以無(wú)人機(jī)農(nóng)林植保服務(wù)為切入，搭建一個(gè)智慧農(nóng)業(yè)合作平臺(tái)，其中在進(jìn)行噴灑作業(yè)的過(guò)程中，需要進(jìn)行藥量檢測(cè)，以對(duì)整個(gè)噴灑作業(yè)過(guò)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(dòng)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(wú)人機(jī)旋翼產(chǎn)生的下壓風(fēng)場(chǎng)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(chǎng)景作業(yè)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，當(dāng)時(shí)作業(yè)環(huán)境的風(fēng)力達(dá)到4～5級(jí)，高科新農(nóng)無(wú)人機(jī)依然平穩(wěn)飛行，精準(zhǔn)高效地完成了任務(wù)。在無(wú)人機(jī)中設(shè)置了藥量檢測(cè)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(hào)通過(guò)信號(hào)輸入電路發(fā)送給主控計(jì)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(hào)通過(guò)信號(hào)輸入電路發(fā)送給主控計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)藥量的檢測(cè)[10]，從而保證了無(wú)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(wú)人機(jī)在各個(gè)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(wú)人機(jī)信息化服務(wù)平臺(tái)。該平臺(tái)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(shí)還可以對(duì)每架無(wú)人機(jī)即時(shí)進(jìn)行姿態(tài)和航線的變更、調(diào)整，以應(yīng)對(duì)植保中各種復(fù)雜多變的突發(fā)狀況。用無(wú)人機(jī)技術(shù)來(lái)實(shí)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(lái)在植保領(lǐng)域中無(wú)人機(jī)的應(yīng)用范圍將會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大。

5 結(jié)論

科技是推動(dòng)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)升級(jí)的重要方式，利用無(wú)人機(jī)研發(fā)打造科技助農(nóng)新場(chǎng)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(wú)人機(jī)信息化服務(wù)平臺(tái)不僅將以平臺(tái)形式統(tǒng)籌全國(guó)農(nóng)業(yè)耕地，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)整合和資源對(duì)接，還將通過(guò)對(duì)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)。