無人機信息化服務平臺在植保中的應用分析

楊 妍，沈寶國，王松濤，朱云陽

（江蘇航空職業技術學院，江蘇 鎮江212134）

0 引言

隨著農業技術的進步，我國對新型農業植保機械的需求越來越旺盛，據業內統計，2016年國內市場植保無人機數量大約是6000多架，到2017年超過1萬架。無人機信息化服務平臺通過采用地理信息系統、監控管理系統，實現植保無人機高精度定位與全自助航線飛行，從而進行無人機的精準噴灑、高效作業、平臺化管理、安全可靠的植保服務。該系統平臺是現代精準農業和農業大數據的基礎核心環節，對各類農業植保公司、農機服務合作社以及農化廠商等行業用戶具有極高的實用價值。

1 我國植保現狀分析

1.1 植保無人機產業概述

目前我國無人機植保尚未形成一套科學完善的判別標準和對不同作物、不同噴施劑型進行航空噴施時的作業時機、作業環境、飛行高度、飛行速度、航線規劃與導航控制等參數的優化選擇，以及滿足噴施作業要求所需要的沉積量、霧滴粒徑、霧滴沉積分布密度、農藥濃度等作業指標。

1.2 植保發展的趨勢

無人機植保應用是一個綜合學科、系統工程，需要有關科研單位、無人機生產企業和農藥及藥械企業密切配合，通過產、學、研結合，加大創新研發力度。一方面，要加大無人機研發力度，不斷改進、提高無人機性能，提高無人機的防治效率，降低防治成本[1]。另一方面，加強配套技術研究。針對不同低空、超低量施藥器械，研發與之相匹配的藥液，力爭在藥劑霧化、噴灑技術等方面爭取有所突破。

隨著無人機在植保領域的應用，未來將有大批無人機飛行員，成為農業技術型人才，不僅能夠操作無人機，還需掌握相應的植保知識和施藥技術。

2 無人機信息化服務平臺

2.1 無人機信息化服務平臺的架構

無人機信息化服務平臺是針對當前現代精準農業的實際需求，在農業植保細分領域進行的基礎開發。該平臺系統可在各種植保設備上即插即用且高度兼容。其不僅可實現噴施速度和藥劑流量的精準匹配、靈活調節，而且可存儲并實時回傳噴施流量、作業面積和作業軌跡數據，實現植保作業遠程管理、監控，同時智能流量計還可雙向鏈路、遠距回傳數據，在后臺大數據管理平臺中進行統計分析和海量數據處理后[2]，讓最終用戶、植保服務管理者通過手機、電腦等多終端自主、實時獲取、掌控所需的植保數據信息，其中無人機信息化服務平臺的架構如下圖1所示。

圖1 無人機信息化服務平臺的架構

同時，采用分布式架構，結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]，實現了無人機姿態穩定和控制無人機任務設備管理以及應急控制三大功能，有效解決了飛控中抗干擾和穩定性的問題。

2.2 無人機信息化服務平臺的實現原理

在無人機信息化服務平臺中，具有無人機綜合在線管控系統，由專用飛行控制系統以及無人機綜合管控平臺組成，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據實時獲取、飛行數據及航線云端共享、飛行平臺及載荷模塊遠程控制、高空實時測距、正射圖像合成對比、無人機與飛行團隊管理等功能[4]，可以滿足用戶日益增長的遠程協作與數字化管理等需求。

此外，智能流量計可實現高度兼容性，對各類型、各品牌空中、地面的無人植保機械均可做到即插即用、精準計量控制。此外，智能流量計可實現噴施速度和流量的精準匹配[5]，當設定好每畝農田所需的噴施量后，不管設備以何種方式、速度作業，最后每畝田的實際噴施量均可精準達到預先設定值，誤差小于千分之五，實現農田植保作業遠程管理、監控和信息化。每個農業植保行業用戶均可在后臺大數據平臺上獲得一個獨立、加密的子系統平臺，用戶自己的相關植保數據只上傳到自己的子系統平臺，專供自己查詢、調閱和使用。

3 無人機信息化服務平臺在植保中的應用

全自主高精度飛行技術可為無人機農業植保用戶提供精準飛行自主作業的方案，基于統一時空基準的動態高精度定位能力，并整合飛行控制系統、硬件終端、通訊模組等多項關鍵技術，實現植保無人機標準化自主精準作業，大幅提升作業效率，降低作業門檻，實現植保無人機的自動化作業，提高植保作業的效率。在西北地區，為了讓市場進一步了解植保無人機的使用優勢，帶著植保利器高科S40第四代智能農用無人機、高科M23全天候作業10L農用無人機及HY-B-15L經典16升電動單旋翼植保無人機穿梭飛行在玉米、杏樹、甜葉菊等農田，此時無人機自主飛行是根據事先嵌入的算法自主進行飛行判斷，同時通過信息化服務平臺遠程實現對無人機的控制，實時掌握無人機的飛行狀態[6]。通過飛行控制系統可獲取準確的地理邊界信息，將航線精度從米級提升至厘米級，且不需要人工遙控，這樣就可以實現全自主飛行和噴灑，同時讓無人機自動避開房屋、樹木、電纜等障礙物，避免了碰撞和炸機事故。

3.1 自動規劃作業的算法

在自動規劃作業，需要具備高精度的定位能力，為植保無人機控制系統提供精準位置數據支撐，實現全自主作業，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，實現了自動規劃作業。在此過程中需要選擇適當的噴施濃度，葉面施肥濃度直接關系到噴施的效果，濃度過低沒效果，濃度高了易灼傷葉片。在應用中要因肥、因作物不同，因地制宜對癥配制。通過該區域中的多基站組網解算、網格化數據分析，從而可以避免單站電臺播發、網絡播發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據服務保障[7]，為自主規劃作業提供了可靠的數據支撐。另外在進行作業的過程，通過植保作業數據進行有效地分析與管理，實現基于數據的在線作業規劃、實施、管理。

在對飛行路線的實際規劃應用中，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的實際距離，并將結果顯示在測距線旁邊。此外，無人機信息化服務平臺支持飛行數據及航線云端共享，飛行器可使用航線規劃功能進行任務作用，可將飛行航線共享至存儲系統或云端共享平臺[8]，任一個系統內無人機均可實現相同航線路徑的再次飛行任務，可大幅提高作業的規范化、流程化。

3.2 無人機與平臺系統傳輸鏈路的研究

無人機綜合在線管控平臺可以將無人機實時圖像、地理位置、飛行航線、載荷單元信息等進行共享，并可通過操作搖桿系統以及管控平臺，直接跨區域控制云臺相機的角度和變焦功能[9]，管理人員現場操作指揮，查看目標細節，擺脫復雜流程，提升工作效率，并可實現植保軌跡高效使用和無人機飛行歷史數據可復用，保證標準化精準植保作業。如傳統上梨樹促授粉使用的是擔架式噴霧機，即拉管子用噴槍進行打藥，一天4、5個人作業也不超過100畝地。而現在使用無人機來打藥，2個人一天可以作業200畝地，大大提高了作業效率。無人機在進行作業的過程中，需要保證無人機與平臺系統保持實時通信連接和數據傳輸，此時在無人機中安裝了飛行數據紀錄傳輸模塊，該模塊可通過互聯網與植保無人機信息化平臺對接，能實時監控每一架農業無人機的運行狀態，實現統一登記和監管。

3.3 藥量檢測技術

以無人機農林植保服務為切入，搭建一個智慧農業合作平臺，其中在進行噴灑作業的過程中，需要進行藥量檢測，以對整個噴灑作業過程進行指導。玉米是高桿作物，且種植密集，而葉面吸收養分穿透率低，吸收數量少，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。而高科新農無人機旋翼產生的下壓風場集中穩定，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。據統計，當時作業環境的風力達到4～5級，高科新農無人機依然平穩飛行，精準高效地完成了任務。在無人機中設置了藥量檢測模塊，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送給主控計算機，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送給主控計算機，實現對藥量的檢測[10]，從而保證了無人機自主進行噴灑作業的可靠性和準確性。

4 應用效果分析及展望

當前無人機在各個行業的應用發展迅速，在植保領域中可以構建無人機信息化服務平臺。該平臺中的管理控制系統不僅可以精準的引導它們按各自的航線飛行直至降落到指定機位，同時還可以對每架無人機即時進行姿態和航線的變更、調整，以應對植保中各種復雜多變的突發狀況。用無人機技術來實現農業噴灑作業，可以大大提高農藥的利用率，具有較好的應用效果，未來在植保領域中無人機的應用范圍將會進一步擴大。

5 結論

科技是推動農業產業升級的重要方式，利用無人機研發打造科技助農新場景，利用大數據管理為農民提供智慧化、信息化服務。無人機信息化服務平臺不僅將以平臺形式統籌全國農業耕地，實現產業整合和資源對接，還將通過對全行業作業的大數據分析，為政府相關部門提供氣象地理、病蟲災害等有效監控和決策服務。