基于大數(shù)據(jù)的施藥平臺農(nóng)藥噴灑定量分析研究

曾新洲

(長沙商貿(mào)旅游職業(yè)技術(shù)學(xué)院 軟件學(xué)院,長沙 410116)

0 引言

1911年,德國人最早提出應(yīng)用飛機噴撒化學(xué)藥劑,控制森林害蟲的計劃;1918年,美國用雙翼飛機噴藥防治牧草害蟲取得成功,1922年,用JN-6軍用飛機的改良型噴灑棉花,同年蘇聯(lián)用飛機噴灑農(nóng)藥撲滅了蝗蟲。第二次世界大戰(zhàn)后,大量軍用飛機和駕駛員轉(zhuǎn)向農(nóng)業(yè),促使農(nóng)業(yè)航空迅速發(fā)展。由于采用無人化作業(yè),無人機在作業(yè)過程中需要對作業(yè)情況進行實時監(jiān)測,并根據(jù)實時情況的反饋,調(diào)整噴藥設(shè)備的參數(shù),以達到定量噴藥的目的。因此,該技術(shù)需要無人機控制系統(tǒng)具有農(nóng)藥噴灑定量分析的能力,如果將大數(shù)據(jù)分析技術(shù)引入到控制系統(tǒng)的設(shè)計上,對于提高無人噴藥設(shè)備的噴藥準確性具有重要的意義。

1 基于云平臺的農(nóng)藥定量噴灑大數(shù)據(jù)分析

在大面積農(nóng)作物產(chǎn)地,為了提高農(nóng)藥的噴施效率往往采用無人機作業(yè)。無人機噴施農(nóng)業(yè)作業(yè)具有很多優(yōu)點,首先,無需安裝和飛行員有關(guān)的設(shè)備,可以節(jié)省空間,并留出足夠的空間來攜帶農(nóng)藥噴施設(shè)備;其次,作業(yè)過程中只需要地面遠程操作人員發(fā)出指令來控制無人機的動作,操控簡單;還有非常重要的一點是采用無人機作業(yè),可以降低人中毒的概率,還可以采用超低空飛行,減少霧滴在非噴藥作業(yè)區(qū)域的漂移。采用無人機噴施農(nóng)業(yè)設(shè)備,可以滿足現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)自動化生產(chǎn)作業(yè)的需求,為了提高噴藥的準確性,還需要對無人機噴藥裝置的控制系統(tǒng)進行智能設(shè)計,以滿足其自主作業(yè)的需求。

噴藥作業(yè)時,為了實現(xiàn)農(nóng)藥的定量噴灑,需要設(shè)計數(shù)據(jù)實時分析處理平臺,一方面對噴藥過程中噴藥的質(zhì)量進行監(jiān)測,另一方面根據(jù)監(jiān)測和反饋信息,對噴藥裝置發(fā)出控制指令,以實現(xiàn)自動化和定量噴藥。在噴藥過程中,特別是多臺噴藥機械同時作業(yè)時,會產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù),可以借助云技術(shù)開發(fā)大數(shù)據(jù)分析平臺,其總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 農(nóng)藥噴灑實時海量數(shù)據(jù)平臺體系架構(gòu)

在農(nóng)藥噴灑過程中,為了實現(xiàn)定量噴灑,需要對噴灑過程的實時數(shù)據(jù)進行采集,由于實時數(shù)據(jù)采集的信息量較大,特別是同時采集多臺噴藥裝置時,可以采用云平臺體系對數(shù)據(jù)進行處理,利用并行計算技術(shù)實現(xiàn)大數(shù)據(jù)的挖掘。為了構(gòu)建云平臺體系,可以采用Web服務(wù)器,構(gòu)建圖形化界面,實現(xiàn)計算資源的共享,其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 基于Web服務(wù)器的云平臺架構(gòu)

基于Web服務(wù)器和網(wǎng)頁技術(shù),包括SERVLET、XML和JSP等,可以開發(fā)云平臺的可視化頁面,然后通過聯(lián)網(wǎng)的形式將計算資源進行整合,對噴藥裝置采集的數(shù)據(jù)進行處理,挖掘出與噴藥量相關(guān)的信息。噴藥信息利用反饋系統(tǒng)反饋給控制中心,然后根據(jù)實際噴藥需求,對噴藥量進行調(diào)整,最后達到要求的噴藥量。

2 施藥平臺農(nóng)藥噴灑定量分析

當(dāng)前農(nóng)用無人植保機主要以小型無人直升機為主,主要用于東北、新疆和內(nèi)蒙等大面積作業(yè)區(qū)域,無人機噴灑農(nóng)業(yè)過程屬于無人自動化作業(yè),因此其噴藥量的控制非常關(guān)鍵。在無人機農(nóng)業(yè)噴灑過程中,可以對作業(yè)過程的信息進行實時采集,然后遠程端根據(jù)作業(yè)環(huán)境、噴藥量需求和作業(yè)實際情況對無人噴藥機發(fā)出控制指令,控制噴頭的壓力,來實現(xiàn)農(nóng)藥定量噴灑。

為了實現(xiàn)農(nóng)藥噴灑的定量控制,可以采用PID控制的方式。PID具有信息反饋機制,可以提高農(nóng)藥噴灑的控制精度,在農(nóng)藥定量噴灑時,可以利用壓力反應(yīng)機制來控制噴頭的流量,實現(xiàn)定量噴灑。PID控制示意圖如圖3所示。

圖3 農(nóng)藥定量噴灑PID控制示意圖

圖3中,假設(shè)噴頭噴出農(nóng)藥的壓力為p(s),實際噴藥的量為r(s),實際與期望施藥的偏差為e,v(s)表示反饋值,則噴藥壓力的傳遞函數(shù)為

p1(s)=0.2v1(s)

(1)

PID壓力反饋值系數(shù)為

v=Kp實+b

(2)

當(dāng)輸出電壓穩(wěn)定后的值為0～10V,噴頭最大壓力值為5MPa,則有

(3)

傳遞的延遲函數(shù)為

(4)

對各式進行PID壓力反應(yīng),可得

r=kv+m

(5)

(6)

(7)

(8)

各項參數(shù)求出后,根據(jù)噴頭壓力的監(jiān)測信息,利用實際噴藥量和期望噴藥量的偏差值來對噴灑藥量進行分析,利用大數(shù)據(jù)分析平臺分析后采用PID反應(yīng)壓力機制對噴藥量進行調(diào)節(jié),最后實現(xiàn)精準噴藥,其總體流程如圖4所示。

圖4 施藥量定量分析和控制總體流程

在對施藥量進行定量分析之前,首先利用傳感器等數(shù)據(jù)采集機構(gòu)對環(huán)境信息進行采集,對噴頭壓力數(shù)據(jù)、流量數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計,然后將數(shù)據(jù)傳送給遠程端大數(shù)據(jù)分析平臺,通過對數(shù)據(jù)反饋信息的處理,確定實際施藥和期望施藥的偏差值,最后遠程端發(fā)出指令對噴藥量進行控制,并利用反饋調(diào)節(jié)的方式使誤差逐漸縮小,達到精準施藥的目的。

3 施藥平臺農(nóng)藥定量噴灑測試

隨著農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展,我國無人自動化施藥機械被逐步使用到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中,非常典型的有博航聯(lián)合公司研發(fā)的BH330系列農(nóng)用噴藥直升機,配備綜合遙控器、計算機輔助人工導(dǎo)航系統(tǒng)及智能化農(nóng)藥噴灑系統(tǒng),作業(yè)智能化程度高。與人力操控直升機有所不同,無人機在作業(yè)過程中無需人力操作,依靠自動化系統(tǒng)可以完成作業(yè),其作業(yè)過程示意圖如圖5所示。

圖5 無人自動化施藥機作業(yè)示意圖

在無人機自動化施藥過程中,由于是無人化作業(yè),所以作業(yè)質(zhì)量的監(jiān)測及噴藥量的控制非常關(guān)鍵,本次采用數(shù)據(jù)遠程分析控制的方式,將噴藥端采集的信息傳送給大數(shù)據(jù)分析平臺,分析平臺的配置詳細列表如表1所示。

表1 大數(shù)據(jù)分析平臺配置列表

為了驗證大數(shù)據(jù)分析平臺的可靠性,對其數(shù)據(jù)分析能力進行了測試,將分析20次的數(shù)據(jù)量取平均值后,與傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析服務(wù)器進行了對比,得到了如表2所示的統(tǒng)計結(jié)果。

表2 數(shù)據(jù)分析測試對比結(jié)果

由表2可以看出:采用云平臺大數(shù)據(jù)分析服務(wù)器,所需時間明顯要比傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析服務(wù)器少,說明大數(shù)據(jù)分析服務(wù)器分析速度快,可以更快地完成數(shù)據(jù)的實時分析任務(wù)。

如表3所示,為了進一步驗證無人機施藥定量分析系統(tǒng)的可靠性,對其施藥的準確性進行了測試,首先對人工施藥的著藥準確率進行測試,作為對比參考數(shù)據(jù),然后對無人機施藥準確率進行了測試,得到了如表4所示的結(jié)果。

表3 人工施藥實際著藥準確率測試結(jié)果

表4 無人機噴藥著藥率結(jié)果

將無人機噴藥著藥的準確性和人工施藥著藥的準確性進行對比發(fā)現(xiàn):采用無人機噴藥的準確率和人工噴藥的準確率相當(dāng),甚至比人工噴藥準率更高,說明無人機噴藥定量分析系統(tǒng)發(fā)揮了重要作用。

4 結(jié)論

為了提高無人機噴藥設(shè)備定量噴藥能力和噴藥的準確率,在無人噴藥機控制系統(tǒng)的設(shè)計上引入了大數(shù)據(jù)分析平臺,通過對噴藥過程中實時數(shù)據(jù)的采集和分析,利用PID壓力調(diào)節(jié)機制對噴藥量進行調(diào)節(jié),實現(xiàn)了精細化噴藥控制。為了驗證方案的可行性,對數(shù)據(jù)分析平臺的可靠性和噴藥的準確性分別進行了測試,結(jié)果表明:采用大數(shù)據(jù)分析平臺具有較快的數(shù)據(jù)處理能力,噴藥的準確性也較高,無論是規(guī)則性植物還是不規(guī)則形狀的植物,都具有較高的噴藥準確性。