淺談?dòng)?jì)算機(jī)在植保無(wú)人機(jī)系統(tǒng)中的應(yīng)用

胡善君

摘 要：伴隨國(guó)家對(duì)糧食安全的重視程度日益加深，植保無(wú)人機(jī)作為“耕種管收”中一種先進(jìn)生產(chǎn)力的代表，受到政府、農(nóng)資、無(wú)人機(jī)研發(fā)機(jī)構(gòu)以及農(nóng)戶的關(guān)注，但是想要發(fā)揮其高科技優(yōu)勢(shì)，除了要解決無(wú)人機(jī)自身的硬件結(jié)構(gòu)等問(wèn)題，還要將植保各利益相關(guān)方融入到一個(gè)合理的系統(tǒng)平臺(tái)中。

關(guān)鍵詞：植保無(wú)人機(jī)；飛控；地面站；RTK；監(jiān)管平臺(tái)

截止2016年10月，全國(guó)植保無(wú)人機(jī)6000架，平均5萬(wàn)農(nóng)民擁有一架，每143萬(wàn)畝次防治才有一架無(wú)人機(jī)，但是無(wú)人機(jī)植保的效率，根據(jù)實(shí)際測(cè)算大致是人工植保的60倍以上，在農(nóng)村勞動(dòng)力稀缺的今天，采用無(wú)人機(jī)植保將在相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間成為高效植保的代名詞。

2017年在“全國(guó)農(nóng)機(jī)工作會(huì)”上，政府發(fā)言人表明將繼續(xù)穩(wěn)步實(shí)施農(nóng)機(jī)新產(chǎn)品補(bǔ)貼試點(diǎn)，擴(kuò)大農(nóng)機(jī)新產(chǎn)品補(bǔ)貼試點(diǎn)范圍，促進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)急需的農(nóng)機(jī)科技創(chuàng)新成果轉(zhuǎn)化應(yīng)用，允許在適宜地區(qū)開(kāi)展植保無(wú)人飛機(jī)補(bǔ)貼試點(diǎn)。從政策角度可以反映國(guó)家對(duì)植保無(wú)人機(jī)本身對(duì)提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率的認(rèn)可。

1 植保平臺(tái)現(xiàn)狀以及必要性

植保無(wú)人機(jī)目前現(xiàn)狀是已經(jīng)可以進(jìn)行小規(guī)模作業(yè)，但大規(guī)模作業(yè)依舊缺乏必要的要素，其中最重要的因素就是缺乏作業(yè)管理平臺(tái)；另外作為生產(chǎn)資料提供方的無(wú)人機(jī)廠商由于缺乏和市場(chǎng)的對(duì)接以及研發(fā)能力局限，無(wú)法撐起農(nóng)業(yè)科技化的大旗，集中表現(xiàn)為：

（1）缺少精確結(jié)算依據(jù)：飛防隊(duì)與客戶之間；飛防隊(duì)與飛手之間；飛防隊(duì)與飛機(jī)擁有人之間。

（2）飛機(jī)利用率不高：無(wú)法將無(wú)人機(jī)這一重要生產(chǎn)資料，合理有序地在全國(guó)范圍內(nèi)調(diào)度，以最少成本產(chǎn)生更大價(jià)值。

（3）飛防隊(duì)無(wú)法快速?gòu)?fù)制：缺少有效管理、監(jiān)控手段。

（4）植保知識(shí)無(wú)法快速傳達(dá)至一線作業(yè)人員：目前只能靠口口相傳。

（5）現(xiàn)有作業(yè)模式對(duì)操作人員要求過(guò)高，大多采用手控，而非自主飛行。

基于這樣一個(gè)作業(yè)管理平臺(tái)，可以在無(wú)人機(jī)作業(yè)過(guò)程中收集農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)，建立農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)植保團(tuán)隊(duì)、設(shè)備的高效運(yùn)轉(zhuǎn)，從而降低運(yùn)營(yíng)成本提高植保效率。

2 植保平臺(tái)建設(shè)的主要需求方以及利益訴求

植保需求提出方：擁有較少耕地的一般農(nóng)民/擁有較多耕地的農(nóng)場(chǎng)主或組織。

其他利益相關(guān)方：擁有有飛手以及無(wú)人機(jī)的專業(yè)防治組織。

監(jiān)管者：政府農(nóng)業(yè)相關(guān)部門(mén)。

需求各方側(cè)重均不同：

一般農(nóng)民：按時(shí)保質(zhì)完成植保噴灑；提供植保報(bào)告。

農(nóng)場(chǎng)主：按時(shí)保質(zhì)完成植保噴灑；能提供相關(guān)植保數(shù)據(jù)，包括漏噴、誤噴以及多噴的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)；有增值服務(wù)（比如可以提前一年提交定制需求，預(yù)定第二年的植保服務(wù)或者有專職的客戶經(jīng)理負(fù)責(zé)管理下年度的播種/植保/收割/銷售計(jì)劃）。

監(jiān)管者：對(duì)所屬行政區(qū)域中納入統(tǒng)防統(tǒng)治的地塊全程追蹤，并

對(duì)植保數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)上報(bào)；可調(diào)度空閑無(wú)人機(jī)群跨區(qū)域協(xié)助完成植保。

3 平臺(tái)架構(gòu)以及各組件功能介紹

除了無(wú)人機(jī)這個(gè)基本組件，一個(gè)完整的植保平臺(tái)一般由云服務(wù)器、地面站/地面站軟件、微信服務(wù)號(hào)系統(tǒng)、監(jiān)管平臺(tái)組成，云服務(wù)器用來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)以及響應(yīng)系統(tǒng)其它各端數(shù)據(jù)請(qǐng)求；地面站/地面站軟件直接和無(wú)人機(jī)通信，用以控制/獲取無(wú)人機(jī)以及噴灑系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)；微信服務(wù)號(hào)系統(tǒng)用來(lái)將整個(gè)植保任務(wù)串聯(lián)起來(lái)，從生成到結(jié)束，并提供實(shí)時(shí)查看追蹤任務(wù)的功能；監(jiān)管平臺(tái)用來(lái)給管理員/監(jiān)管者了解全國(guó)范圍植保全局，提供實(shí)施合理有效調(diào)度的依據(jù)。

云服務(wù)器：存儲(chǔ)植保任務(wù)中所有數(shù)據(jù)，包括任務(wù)信息、以及需求提出方、飛防大隊(duì)、飛手、無(wú)人機(jī)所有者詳細(xì)信息；也包括由地面站上傳的無(wú)人機(jī)參數(shù)，包括型號(hào)、功率、實(shí)時(shí)軌跡等數(shù)據(jù)。

地面站/地面站軟件：業(yè)內(nèi)起步較早的無(wú)人機(jī)廠商以及飛控廠商已經(jīng)實(shí)現(xiàn)該功能，不過(guò)該功能的實(shí)現(xiàn)是需要擁有軟/硬件研發(fā)能力為前提，由飛控廠商開(kāi)放協(xié)議并選擇合適的飛行器配合開(kāi)發(fā)，所以該功能的實(shí)現(xiàn)還算是有門(mén)檻準(zhǔn)入條件的，不過(guò)在技術(shù)上是可行的。飛手通過(guò)指紋/RFID卡/二維碼掃描等方式登陸地面站軟件，綁定無(wú)人機(jī)后，才可啟動(dòng)飛控對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行植保操作；地面站軟件主要提供植保任務(wù)中飛手與無(wú)人機(jī)綁定功能，并實(shí)時(shí)記錄當(dāng)前任務(wù)農(nóng)藥類型、經(jīng)緯度、噴灑面積等信息；以上信息通過(guò)2G/3G/4G/wifi實(shí)時(shí)傳送到云服務(wù)器，在無(wú)網(wǎng)絡(luò)情況下，數(shù)據(jù)保存在地面站。

微信服務(wù)號(hào)系統(tǒng)：鑒于微信端操作便捷性，植保需求提出方/飛手/管理員均方便接入，各個(gè)角色成功注冊(cè)后，農(nóng)戶提交任務(wù)申請(qǐng)，管理員通過(guò)實(shí)地或者委托第三方甄別需求真實(shí)性，給予任務(wù)審核通過(guò)或者無(wú)效的判斷；對(duì)于通過(guò)審核的任務(wù)單，管理員將其分配給空閑或者附近的飛手/飛防組織；接單后的飛手開(kāi)始具體實(shí)施植保作業(yè)直至完成任務(wù)；需求提出方/飛手/管理員均可通過(guò)微信端差點(diǎn)當(dāng)前任務(wù)的完成進(jìn)度；任務(wù)完成后飛手通過(guò)微信端提請(qǐng)關(guān)閉當(dāng)前任務(wù)，需求提出方現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn)后，給予關(guān)閉確認(rèn)，任務(wù)結(jié)束。

監(jiān)管平臺(tái)：采用B/S架構(gòu)，主機(jī)連入云服務(wù)器，可實(shí)時(shí)查看到各地區(qū)正在作業(yè)的無(wú)人機(jī)信息，包括當(dāng)前地塊無(wú)人機(jī)歷史噴灑記錄，無(wú)人機(jī)類型/數(shù)量、飛手信息、農(nóng)作物、農(nóng)藥類型的統(tǒng)計(jì)信息，提供大數(shù)據(jù)分析及無(wú)人機(jī)調(diào)度使用；該平臺(tái)還可以增加電子圍欄功能，對(duì)監(jiān)管層關(guān)切的植?？沼虬踩峁╊A(yù)警或者控制；為了便于演示還可以接入大屏幕，分屏顯示。

4 應(yīng)用無(wú)人機(jī)的痛點(diǎn)分析

目前植保無(wú)人機(jī)離完美接管人類活動(dòng)，還有以下若干痛點(diǎn)待解決。

4.1 飛控本身

當(dāng)前大部分植保無(wú)人機(jī)的飛控是基于傳統(tǒng)的航模、航拍轉(zhuǎn)型而來(lái)，在未深入植保行業(yè)進(jìn)行調(diào)研，分辨農(nóng)民真實(shí)需求的情況下，完成的很多功能都可能是雞肋，在實(shí)際作業(yè)中并沒(méi)不會(huì)體現(xiàn)太高價(jià)值。

4.2 精度不夠

目前大多數(shù)植保無(wú)人機(jī)出于性價(jià)比的考慮，定位是采用免費(fèi)的GPS定位系統(tǒng)，誤差往往達(dá)到數(shù)米以上，在地塊足夠大且周圍環(huán)境理想化的情況下，或許問(wèn)題不是太大，只會(huì)出現(xiàn)漏噴或者誤噴的情況，但實(shí)際農(nóng)村土地周邊地勢(shì)復(fù)雜，一般都有水渠或者電線桿，在定位有較大誤差的情況下極易發(fā)生碰撞或者炸機(jī)事故，對(duì)無(wú)人機(jī)以及周邊安全帶來(lái)極大隱患。有部分無(wú)人機(jī)廠商開(kāi)始在采用RTK模塊輔助定位以及測(cè)畝等調(diào)試，這在實(shí)際操作上確實(shí)可以解決精度的問(wèn)題，但是推高了其整套系統(tǒng)的價(jià)格，比如采用北斗雙模RTK價(jià)格大致會(huì)在1000左右，還未算上研發(fā)的投入。

4.3 避障功能待改進(jìn)

無(wú)人機(jī)目前在遇到如農(nóng)田作物冠層結(jié)構(gòu)而造成或者梯田種植的復(fù)雜環(huán)境，仍缺乏完整有效的技術(shù)應(yīng)對(duì)，碰到不同的海拔、高低桿作物混種的情況，氣壓高度計(jì)若采用定高或者仿地飛行都是不合理的；另外比如超視距飛行仍面臨數(shù)傳缺乏足夠的有效控制距離受到制約，同時(shí)遇到意外事件時(shí)，缺乏完整的應(yīng)對(duì)方案。針對(duì)何時(shí)采取制動(dòng)，目前有自動(dòng)避障技術(shù)在研發(fā)測(cè)試中，采用聲學(xué)或者光學(xué)雷達(dá)，但前者對(duì)障礙物的反射面大小有要求，容易受到現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜環(huán)境影響，導(dǎo)致精度下降，后者在仿地飛行時(shí)由于有效感知范圍極窄，可能無(wú)法識(shí)別到障礙物導(dǎo)致功能失效。所以在復(fù)雜地理環(huán)境中自動(dòng)避障功能是必須具備的，這樣可以在地面站失去其對(duì)飛機(jī)控制時(shí)可以自動(dòng)避開(kāi)障礙物完成任務(wù)。

除了以上三點(diǎn)，其它諸如關(guān)鍵模塊的質(zhì)量不過(guò)關(guān)、配件價(jià)格較貴等問(wèn)題都是制約植保無(wú)人機(jī)系統(tǒng)推廣的因素，不過(guò)未來(lái)隨著相關(guān)工業(yè)技術(shù)成熟以及采用鎂合金等新材料，無(wú)人機(jī)將在硬件結(jié)構(gòu)上不再脆弱，會(huì)極大提升用戶體驗(yàn)。

隨著計(jì)算機(jī)與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的進(jìn)步，在解決了無(wú)人機(jī)硬件結(jié)構(gòu)等已知缺陷后，繼續(xù)建設(shè)和完善植保無(wú)人機(jī)平臺(tái)建設(shè)，解決植保無(wú)人機(jī)生態(tài)系統(tǒng)從無(wú)到有，從有到精，配合國(guó)家對(duì)農(nóng)業(yè)植保的相關(guān)政策，逐步將植保無(wú)人機(jī)平臺(tái)推廣至全國(guó)應(yīng)用也就指日可待。