淺談計算機在植保無人機系統中的應用

胡善君

摘 要：伴隨國家對糧食安全的重視程度日益加深，植保無人機作為“耕種管收”中一種先進生產力的代表，受到政府、農資、無人機研發機構以及農戶的關注，但是想要發揮其高科技優勢，除了要解決無人機自身的硬件結構等問題，還要將植保各利益相關方融入到一個合理的系統平臺中。

關鍵詞：植保無人機；飛控；地面站；RTK；監管平臺

截止2016年10月，全國植保無人機6000架，平均5萬農民擁有一架，每143萬畝次防治才有一架無人機，但是無人機植保的效率，根據實際測算大致是人工植保的60倍以上，在農村勞動力稀缺的今天，采用無人機植保將在相當長時間成為高效植保的代名詞。

2017年在“全國農機工作會”上，政府發言人表明將繼續穩步實施農機新產品補貼試點，擴大農機新產品補貼試點范圍，促進農業生產急需的農機科技創新成果轉化應用，允許在適宜地區開展植保無人飛機補貼試點。從政策角度可以反映國家對植保無人機本身對提高農業生產效率的認可。

1 植保平臺現狀以及必要性

植保無人機目前現狀是已經可以進行小規模作業，但大規模作業依舊缺乏必要的要素，其中最重要的因素就是缺乏作業管理平臺；另外作為生產資料提供方的無人機廠商由于缺乏和市場的對接以及研發能力局限，無法撐起農業科技化的大旗，集中表現為：

（1）缺少精確結算依據：飛防隊與客戶之間；飛防隊與飛手之間；飛防隊與飛機擁有人之間。

（2）飛機利用率不高：無法將無人機這一重要生產資料，合理有序地在全國范圍內調度，以最少成本產生更大價值。

（3）飛防隊無法快速復制：缺少有效管理、監控手段。

（4）植保知識無法快速傳達至一線作業人員：目前只能靠口口相傳。

（5）現有作業模式對操作人員要求過高，大多采用手控，而非自主飛行。

基于這樣一個作業管理平臺，可以在無人機作業過程中收集農業數據，建立農業大數據平臺，實現植保團隊、設備的高效運轉，從而降低運營成本提高植保效率。

2 植保平臺建設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民/擁有較多耕地的農場主或組織。

其他利益相關方：擁有有飛手以及無人機的專業防治組織。

監管者：政府農業相關部門。

需求各方側重均不同：

一般農民：按時保質完成植保噴灑；提供植保報告。

農場主：按時保質完成植保噴灑；能提供相關植保數據，包括漏噴、誤噴以及多噴的數據統計；有增值服務（比如可以提前一年提交定制需求，預定第二年的植保服務或者有專職的客戶經理負責管理下年度的播種/植保/收割/銷售計劃）。

監管者：對所屬行政區域中納入統防統治的地塊全程追蹤，并

對植保數據統計上報；可調度空閑無人機群跨區域協助完成植保。

3 平臺架構以及各組件功能介紹

除了無人機這個基本組件，一個完整的植保平臺一般由云服務器、地面站/地面站軟件、微信服務號系統、監管平臺組成，云服務器用來存儲數據以及響應系統其它各端數據請求；地面站/地面站軟件直接和無人機通信，用以控制/獲取無人機以及噴灑系統的實時數據；微信服務號系統用來將整個植保任務串聯起來，從生成到結束，并提供實時查看追蹤任務的功能；監管平臺用來給管理員/監管者了解全國范圍植保全局，提供實施合理有效調度的依據。

云服務器：存儲植保任務中所有數據，包括任務信息、以及需求提出方、飛防大隊、飛手、無人機所有者詳細信息；也包括由地面站上傳的無人機參數，包括型號、功率、實時軌跡等數據。

地面站/地面站軟件：業內起步較早的無人機廠商以及飛控廠商已經實現該功能，不過該功能的實現是需要擁有軟/硬件研發能力為前提，由飛控廠商開放協議并選擇合適的飛行器配合開發，所以該功能的實現還算是有門檻準入條件的，不過在技術上是可行的。飛手通過指紋/RFID卡/二維碼掃描等方式登陸地面站軟件，綁定無人機后，才可啟動飛控對無人機進行植保操作；地面站軟件主要提供植保任務中飛手與無人機綁定功能，并實時記錄當前任務農藥類型、經緯度、噴灑面積等信息；以上信息通過2G/3G/4G/wifi實時傳送到云服務器，在無網絡情況下，數據保存在地面站。

微信服務號系統：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，各個角色成功注冊后，農戶提交任務申請，管理員通過實地或者委托第三方甄別需求真實性，給予任務審核通過或者無效的判斷；對于通過審核的任務單，管理員將其分配給空閑或者附近的飛手/飛防組織；接單后的飛手開始具體實施植保作業直至完成任務；需求提出方/飛手/管理員均可通過微信端差點當前任務的完成進度；任務完成后飛手通過微信端提請關閉當前任務，需求提出方現場確認后，給予關閉確認，任務結束。

監管平臺：采用B/S架構，主機連入云服務器，可實時查看到各地區正在作業的無人機信息，包括當前地塊無人機歷史噴灑記錄，無人機類型/數量、飛手信息、農作物、農藥類型的統計信息，提供大數據分析及無人機調度使用；該平臺還可以增加電子圍欄功能，對監管層關切的植保空域安全提供預警或者控制；為了便于演示還可以接入大屏幕，分屏顯示。

4 應用無人機的痛點分析

目前植保無人機離完美接管人類活動，還有以下若干痛點待解決。

4.1 飛控本身

當前大部分植保無人機的飛控是基于傳統的航模、航拍轉型而來，在未深入植保行業進行調研，分辨農民真實需求的情況下，完成的很多功能都可能是雞肋，在實際作業中并沒不會體現太高價值。

4.2 精度不夠

目前大多數植保無人機出于性價比的考慮，定位是采用免費的GPS定位系統，誤差往往達到數米以上，在地塊足夠大且周圍環境理想化的情況下，或許問題不是太大，只會出現漏噴或者誤噴的情況，但實際農村土地周邊地勢復雜，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生碰撞或者炸機事故，對無人機以及周邊安全帶來極大隱患。有部分無人機廠商開始在采用RTK模塊輔助定位以及測畝等調試，這在實際操作上確實可以解決精度的問題，但是推高了其整套系統的價格，比如采用北斗雙模RTK價格大致會在1000左右，還未算上研發的投入。

4.3 避障功能待改進

無人機目前在遇到如農田作物冠層結構而造成或者梯田種植的復雜環境，仍缺乏完整有效的技術應對，碰到不同的海拔、高低桿作物混種的情況，氣壓高度計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傳缺乏足夠的有效控制距離受到制約，同時遇到意外事件時，缺乏完整的應對方案。針對何時采取制動，目前有自動避障技術在研發測試中，采用聲學或者光學雷達，但前者對障礙物的反射面大小有要求，容易受到現場復雜環境影響，導致精度下降，后者在仿地飛行時由于有效感知范圍極窄，可能無法識別到障礙物導致功能失效。所以在復雜地理環境中自動避障功能是必須具備的，這樣可以在地面站失去其對飛機控制時可以自動避開障礙物完成任務。

除了以上三點，其它諸如關鍵模塊的質量不過關、配件價格較貴等問題都是制約植保無人機系統推廣的因素，不過未來隨著相關工業技術成熟以及采用鎂合金等新材料，無人機將在硬件結構上不再脆弱，會極大提升用戶體驗。

隨著計算機與互聯網技術的進步，在解決了無人機硬件結構等已知缺陷后，繼續建設和完善植保無人機平臺建設，解決植保無人機生態系統從無到有，從有到精，配合國家對農業植保的相關政策，逐步將植保無人機平臺推廣至全國應用也就指日可待。