基于大數據技術的高爾夫球場草坪智能質量監測管理系統

張軍惺

中圖分類號：G818.2 ? 文獻標識：A ? ? 文章編號：1009-9328（2021）11-120-02

摘 ?要 ?高爾夫球運動隨著我國人民生活水平的提高受到大眾的追捧，高爾夫球場的植保作業問題逐漸凸顯。為分析植保無人機噴施作業智能控制系統的可行性，本文從無人機關鍵技術，智能控制算法的發展和應用進行闡述，通過對國內外的植保無人機技術發研究調查，探索并討論了我國無人機在高爾夫球場植保噴施作業應用的可行性，并對高爾夫球場植保無人機智能控制系統的發展前景作出展望。

關鍵詞 ?高爾夫球場 ?植保作業 ?無人機技術 ?智能控制

高爾夫球運動作為繼足球、網球之后的第三大體育運動項目，有著豐富的文化內涵以及親近自然的運動方式，在歐美國家擁有巨大的受眾群體。隨著我國經濟的發展，高爾夫球運動也逐漸在我國大眾之間流行開來，成為一項重要的室外運動項目[1]。高爾夫球場的地形、土壤、草坪密度、高度等會對球的運動狀態和軌跡造成影響，因此需要對草坪的植被進行日常的維護和保養[2]。為了保證高爾夫球場良好的植被條件，草坪保養過程中需要進行農藥和肥料的噴施，而高爾夫球場通常占地面積較大，養護過程需要防止對草坪造成嚴重損傷，因此高規格的高爾夫球場存在養護成本較高、養護困難等問題[2]。植保噴施作業具有勞動強度大、勞動周期長的特點，人力噴施作業效率低、人力成本較高，而基于地面動力機械的噴霧機存在作業成本高，藥劑利用率較低，噴灑不均等問題，而且對于高爾夫球場等全覆蓋型的植被，容易造成植被、土壤以及地形的破壞。為了降低草坪保養難度，提高維護效率，航空植保器械開始大量應用在植保作業中[3]。

一、植保無人機技術

（一）植保無人機的應用和發展

植保噴施作業具有勞動強度大、勞動周期長的特點，為了降低植保噴灑作業人力成本，提高工作效率，人力器械、地面動力器械及航空植保器械等相繼應用植保作業中。人力噴施作業效率低、人力成本較高，而基于地面動力機械的噴霧機存在作業成本高，藥劑利用率較低，噴灑不均等問題，而且對于高爾夫球場等全覆蓋型的植被，容易造成植被、土壤以及地形的破壞。農用航空植保器械的出現有效克服了人力器械和地面動力器械的缺陷，有著成本低、作業效率高、漂移量少等優勢。無人機本身三維運動空間提供的靈活性和操控性為智能控制算法的結合提供了便利性。

航空植保最先由德國提出，使用飛機從空中噴灑農藥防治森林病蟲害。之后，美國、蘇聯等發達國家開始在農業生產中使用飛機施藥，從而促進了航空施藥技術的飛速發展[4]。

我國航空噴施技術起步較晚，早期主要以單旋翼載人直升機為主。到20世紀90年代，我國開發出了專用于植保作業的輕型飛機。1995年，北京科源輕型飛機實業有限公司研發適用于農田、林區病蟲害防治的“藍鷹AD200N”植保作業飛機;1999年中國林業科學研究院首次嘗試在廣西省病蟲害防治工作中使用“海燕650B”型無人機，為其搭載導航系統和低容量噴施裝置進行多次實驗研究。近年來，隨著我國自主研發的新型無人機“天鷹3”“大疆MG1”“3WSZ-15”等在農業領域的應用。我國各類型植保無人機達到178種，能夠適應不同的噴施作業需求[5]。

（二）植保無人機施藥技術研究進展

植保無人機核心功能和研究重點是航空施藥技術，主要研究內容可細分為以下三個方面：（1）無人機噴藥路徑規劃不完善，導致重噴和漏噴;（2）藥液霧滴不可控，霧滴霧化能力差，導致施藥不均勻，施藥量不可控;（3）霧滴飄移會造成施藥不均勻，環境污染，土壤環境破壞以及安全性問題。

二、植保無人機智能控制系統

智能控制系統是植保無人機實現噴施作業的關鍵，植保無人機智能控制主要分為飛行控制系統和噴施作業控制系統兩部分。其中飛行控制系統主要通過調整無人機飛行姿態和速度實現對飛行過程的控制。而智能噴施作業控制系統是植保無人機區別于其他無人機類型的關鍵，能夠結合無人機的飛行狀態和作業環境信息實現霧化性能、噴施量的自適應控制，提高噴施作業的精準性、快速性和均勻性。

（一）飛行控制系統

在無人機植保作業中，為了提高藥液的對靶率和利用率，避免重噴、漏噴、噴灑不均勻以及造成水土污染，要求對無人機飛行姿態和位置進行精準控制。飛行控制的核心是建立自適應控制模型，通過陀螺儀等傳感器和GPS系統獲取無人機當前的位置和狀態，根據規劃好的路徑和噴施作業點計算位置偏差，將位置偏差和飛行速度參數作為控制模型的輸入，獲得目標俯仰角、橫滾角及所需的電機動力參數。姿態控制環根據模型輸出參數與實際參數的偏差對電機和飛行角度進行調整，進而實現位置控制[6]。

近年來，隨著人工智能技術的發展，神經網絡、深度強化學習等智能控制模型也相繼應用于植保無人機，進一步提高了植保無人機的控制性能和抗干擾性[7]。

（二）智能噴施作業控制系統

無人機未進入作業區域或折返時，要求噴施裝置關閉，避免重噴、錯噴。對于病蟲害嚴重或者養分較差的作物區域則需要適當增加噴藥量。為實現作物的按需、精準施藥，國內外專家研發了可以搭載在植保無人機上的智能變量噴施系統[8]。智能噴施系統主要根據植保無人機位置、飛行狀態及植被需藥量對噴施裝置進行自適應調控，控制噴嘴的霧化效果和施藥量，進而實現按需、精準施藥。

三、前景展望

對于高爾夫球場植保無人機智能控制系統的發展趨勢，本文認為主要集中在以下三個方面。

（一）植保無人機航空監測系統

美國日本等發達國家已經通過在無人機搭載航空遙感相機、多光譜相機、衛星遙感等技術實現對植被、作物的航空監測和管理。通過無人機對植被的生長趨勢、土壤參數、受藥情況進行監測，規劃新的植保方案[9]。由于植被、土壤參數隨著時間、氣候的變化在不同時段有著較大的差異，研究人員對無人機航空植保作業提出了實時監測的新需求。隨著卷積神經網絡等人工智能技術以及遙感監測技術的發展，實時圖像處理技術在植保無人機領域的應用成為了可能，如此能夠提高植保管理人員對作業對象參數變化的認知，繪制更加精準、有效的噴施作業地圖，提高植保質量。

（二）多傳感器融合技術

傳統的作為信息感知技術受傳感器本身特性、質量的影響，感知信息存在一定的偏差。多傳感器融合技術能通過多個傳感器對高爾夫球場的采光情況、環境數據、受藥情況進行多維的監測，獲得高質量、高分辨率的采樣數據，降低樣本參數的不確定性，形成更加完整的感知描述，提高植被監測系統決策、規劃的快速性和正確性。

（三）一體化智能化噴施控制系統

目前航空變量噴施系統獨立于飛行控制系統，飛控系統需要根據噴施需求規劃作業路徑和飛行姿態，變量噴施系統主要根據作物參數調整霧化效果和施藥量。在智能控制算法方面，神經網絡、機器學習模型逐漸成熟，以深度強化學習為代表的控制算法具有無需先驗模型、對模型精確參數要求低等優勢，為植保無人機智能噴施控制系統的一體化提供了理論支撐。

四、結語

通過對無人機關鍵技術、智能控制算法的發展和應用、國內外的植保無人機技術的深入研究調查可知，高爾夫球場植保無人機智能控制系統隨著人工智能技術以及遙感監測技術的發展、多傳感器融合技術大規模應用及智能控制算法的深入研究，必將飛速發展起來。

參考文獻：

[1]張新萍，武東海，尚瑞花.大學體育新興運動項目教程[M].廣州：中山大學出版社，2018.

[2]盧軍.擁抱“生態友好型高爾夫球場”[J].可持續發展經濟導刊，2019（05）：29-31.

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[4]WANG Chang-ling， HE Xiong-kui， LIU Ya-jia， et al. The Small Single- and Multi-rotor Unmanned Aircraft Vehicles Chemical Application Techniques and Control for Rice Fields in China[C]//Aspects of Applied Biology 132， International Advances in Pesticide Application，2016：73-81.

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[6]王大帥，李偉，張俊雄，等.基于多傳感器融合的無人機精準自主飛行控制方法[J].農業機械學報，2019，50（12）：98-106.

[7]Liu H， Li D， Zuo Z， et al.Robust three-loop trajectory tracking control foe quadrotors with mulitiple[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics.2016，63（04），2263-2274.

[8]李繼輝，白越，裴信彪，等.基于深度學習的農用無人機自主避障研究[J].農機化研究，2021，43（03）：1-7.

[9]胡浩偉.植保無人機施藥量控制系統研究[D].石河子：石河子大學，2019.