農(nóng)業(yè)無人機(jī)飛行管控系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)分析*

李西峰

（陜西國(guó)防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710300）

我國(guó)早期無人機(jī)技術(shù)主要應(yīng)用在軍事領(lǐng)域，近年來在技術(shù)快速發(fā)展的過程中，無人機(jī)技術(shù)已經(jīng)開始應(yīng)用到安防領(lǐng)域、農(nóng)業(yè)領(lǐng)域和電力領(lǐng)域，小型無人機(jī)飛行器甚至已經(jīng)成為人們航拍或娛樂的工具。我國(guó)作為農(nóng)業(yè)大國(guó)，每年在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中會(huì)噴灑大量的農(nóng)藥，農(nóng)情分析和監(jiān)測(cè)工作量也很大，而采用農(nóng)業(yè)無人機(jī)技術(shù)就能夠精準(zhǔn)地進(jìn)行農(nóng)情監(jiān)測(cè)、合理地進(jìn)行農(nóng)藥噴灑[1-2]。因此，在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中應(yīng)重視無人機(jī)的應(yīng)用，采用先進(jìn)技術(shù)重點(diǎn)構(gòu)建農(nóng)業(yè)無人機(jī)飛行管控系統(tǒng)，增強(qiáng)農(nóng)業(yè)無人機(jī)飛行管控效果，從而使得無人機(jī)與農(nóng)業(yè)良好整合，推動(dòng)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)的健康穩(wěn)定發(fā)展。

1 無人機(jī)與農(nóng)業(yè)結(jié)合的價(jià)值

1.1 有助于精準(zhǔn)噴灑農(nóng)藥

目前，我國(guó)農(nóng)業(yè)植保無人機(jī)的類型很多，主要使用高效化的無刷電機(jī)設(shè)備當(dāng)作動(dòng)力來源，設(shè)備所產(chǎn)生的振動(dòng)力很小，能夠搭載精密的儀器設(shè)備，使農(nóng)藥的噴灑更為精確。并且，農(nóng)業(yè)無人機(jī)在應(yīng)用的過程中，對(duì)地形條件所提出的要求較低，系統(tǒng)的作業(yè)不會(huì)受到海拔因素的限制，即使在新疆和西藏的高海拔區(qū)域也能正常運(yùn)行。無人機(jī)設(shè)備的起飛調(diào)整和校正時(shí)間很短，工作的效率和出勤效率很高，再加上設(shè)備存在高速運(yùn)行的離心噴頭部件，除了能夠有效進(jìn)行藥物噴灑速度的控制，還能根據(jù)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)情況調(diào)整藥物滴落的大小，將藥滴規(guī)格控制在100 μm左右，增強(qiáng)農(nóng)業(yè)噴藥的精準(zhǔn)性。另外，將無人機(jī)設(shè)備應(yīng)用到農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中，還能利用螺旋機(jī)翼的部件帶動(dòng)農(nóng)作物搖晃，使得農(nóng)藥可以精準(zhǔn)、均勻地噴灑到農(nóng)作物的莖葉背面位置，發(fā)揮藥物的藥效，增強(qiáng)防治病蟲害、去除雜草的效果，提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的產(chǎn)量和質(zhì)量。

1.2 有助于減少農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本

我國(guó)地域遼闊，各個(gè)地區(qū)的地形不同，氣候環(huán)境復(fù)雜，導(dǎo)致部分地形條件不良的地區(qū)，農(nóng)業(yè)噴藥和農(nóng)情監(jiān)測(cè)方面的難度大、成本高，不利于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)效益的提高。而在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中，采用先進(jìn)的無人機(jī)設(shè)備，就可以精準(zhǔn)地進(jìn)行農(nóng)藥噴灑和農(nóng)情監(jiān)測(cè)，無論農(nóng)業(yè)生產(chǎn)地區(qū)的地形條件多么復(fù)雜，都可以按照地形特點(diǎn)和氣候特點(diǎn)等進(jìn)行農(nóng)情監(jiān)測(cè)分析和農(nóng)藥噴灑，降低工作難度，提升經(jīng)濟(jì)效益水平。與此同時(shí)，通過無人機(jī)設(shè)備還能全面了解農(nóng)田的土壤養(yǎng)分、含水率等情況，使得農(nóng)戶或農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理人員明確農(nóng)業(yè)生產(chǎn)期間農(nóng)作物需澆灌水分的數(shù)量和施肥的數(shù)量，這樣不僅能夠提升農(nóng)業(yè)灌溉、施肥的精確性，還能避免出現(xiàn)水資源、肥料資源浪費(fèi)的問題，避免出現(xiàn)經(jīng)濟(jì)損失，降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本。另外，運(yùn)用先進(jìn)的無人機(jī)設(shè)備，還能通過對(duì)農(nóng)作物缺水率的監(jiān)測(cè)分析、養(yǎng)分缺失情況的監(jiān)測(cè)分析、病蟲害與雜草情況的監(jiān)測(cè)分析等，預(yù)測(cè)不同季節(jié)農(nóng)作物生長(zhǎng)過程中可能會(huì)發(fā)生的病蟲草害問題與水肥需求量，使得農(nóng)戶能夠按照預(yù)測(cè)的信息制定完善的決策方案，準(zhǔn)確開展農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)。

而農(nóng)業(yè)無人機(jī)飛行管控系統(tǒng)，是無人機(jī)應(yīng)用過程中的核心部分，能夠?qū)o人機(jī)各類系統(tǒng)進(jìn)行有效控制，增強(qiáng)系統(tǒng)功能的完整性，合理構(gòu)建和完善農(nóng)業(yè)無人機(jī)飛行管控系統(tǒng)，不僅能夠有效進(jìn)行飛行安全性和精確度的控制，還能預(yù)防出現(xiàn)無人機(jī)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中應(yīng)用的問題，具有重要意義[3]。

2 農(nóng)業(yè)無人機(jī)飛行管控系統(tǒng)的構(gòu)建

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)的設(shè)計(jì)

2.1.1 架構(gòu)層次的設(shè)計(jì)

農(nóng)業(yè)無人機(jī)飛行管控系統(tǒng)的構(gòu)建，應(yīng)根據(jù)用戶的需求和嵌入式設(shè)備接口情況，設(shè)計(jì)軟件環(huán)境和硬件環(huán)境，將整體的飛行管控平臺(tái)分成硬件層次、通信層次、環(huán)境層次、數(shù)據(jù)處理層次、信息處理層次、信息共享層次和業(yè)務(wù)管理層次。1）信息共享層次。該層次是系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)信息共享的核心部分，能夠全面發(fā)布、共享無人機(jī)飛行信息，提供通信接口。2）業(yè)務(wù)管理層次。在整體飛行管控系統(tǒng)中，業(yè)務(wù)管理層次需要設(shè)計(jì)GIS系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、信息管理系統(tǒng)，有效執(zhí)行農(nóng)業(yè)無人機(jī)飛行業(yè)務(wù)的管控工作[4]。3）信息處理層次。為確保飛行管控系統(tǒng)具備較高的信息處理能力，在該層次應(yīng)重點(diǎn)完善無人機(jī)監(jiān)控信息處理模式、信息分析模式、空間信息的研究模式和信息統(tǒng)計(jì)報(bào)表模式，進(jìn)一步提高信息處理效果。4）數(shù)據(jù)處理層次。該層次主要用來進(jìn)行文本數(shù)據(jù)、圖片數(shù)據(jù)、人工數(shù)據(jù)和視頻數(shù)據(jù)的有效存儲(chǔ)處理。5）硬件層次。在硬件層次中應(yīng)設(shè)計(jì)服務(wù)器硬件、數(shù)據(jù)信息存儲(chǔ)硬件、通信硬件、安全管理硬件。6）通信層次。農(nóng)業(yè)無人機(jī)飛行管控系統(tǒng)的通信層主要負(fù)責(zé)接入無人機(jī)數(shù)據(jù)信息、進(jìn)行無線通信處理、提供數(shù)據(jù)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)，合理進(jìn)行平臺(tái)數(shù)據(jù)信息的傳輸。7）環(huán)境層次。該層次應(yīng)完善平臺(tái)中心系統(tǒng)環(huán)境，引進(jìn)現(xiàn)代化的手持移動(dòng)終端設(shè)備。整體的農(nóng)業(yè)無人機(jī)飛行管控系統(tǒng)由七個(gè)層次組合而成，在系統(tǒng)應(yīng)用的過程中，工作人員可在地面站的位置向無人機(jī)發(fā)送控制方面的指令，利用4G或5G數(shù)據(jù)鏈路，將數(shù)據(jù)信息傳送到機(jī)載嵌入式設(shè)備，然后發(fā)送到飛行控制系統(tǒng)，相應(yīng)地，飛行控制系統(tǒng)也能夠借助機(jī)載嵌入式設(shè)備向地面控制站發(fā)送無人機(jī)的信息，便于工作人員合理進(jìn)行飛行控制。

2.1.2 邏輯結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

農(nóng)業(yè)無人機(jī)飛行管控系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，主要有以下3點(diǎn)：1）打造業(yè)務(wù)管理平臺(tái)。在該平臺(tái)中設(shè)計(jì)GIS系統(tǒng)、MAP系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)信息管理系統(tǒng)，確保能夠有效進(jìn)行業(yè)務(wù)管理。2）設(shè)計(jì)通信接口。農(nóng)業(yè)無人機(jī)飛行管控系統(tǒng)應(yīng)同時(shí)設(shè)計(jì)無人機(jī)與平臺(tái)數(shù)據(jù)信息的通信接口、基礎(chǔ)地圖與業(yè)務(wù)管理數(shù)據(jù)庫(kù)的通信接口等兩個(gè)層次的通信接口，與此同時(shí)還需在系統(tǒng)中設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)信息共享的通信接口，確保能夠滿足飛行管控系統(tǒng)的應(yīng)用需求。3）合理設(shè)計(jì)物理層的設(shè)備。引進(jìn)現(xiàn)代化網(wǎng)絡(luò)管理設(shè)備、服務(wù)器設(shè)備與綜合硬件設(shè)備，滿足飛行管控系統(tǒng)的應(yīng)用需求[5]。

2.2 完善系統(tǒng)功能模塊

農(nóng)業(yè)無人機(jī)飛行管控系統(tǒng)的構(gòu)建過程中，應(yīng)重點(diǎn)完善系統(tǒng)的功能模塊：1）實(shí)時(shí)性狀態(tài)監(jiān)督控制的功能模塊。動(dòng)態(tài)化了解無人機(jī)飛行速度和具體方位，在地圖中將無人機(jī)位置坐標(biāo)顯示出來，使得工作人員在地面站內(nèi)采集和傳輸相應(yīng)的信息，農(nóng)戶或農(nóng)業(yè)工作者也能獲得農(nóng)田的信息，準(zhǔn)確了解無人機(jī)飛行的狀態(tài)，對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。2）完善系統(tǒng)中的無人機(jī)啟動(dòng)監(jiān)控功能和實(shí)時(shí)查詢功能。及時(shí)將無人機(jī)啟動(dòng)的時(shí)間信息傳輸?shù)较到y(tǒng)中心，以數(shù)據(jù)信息為基礎(chǔ)，按照規(guī)范制度進(jìn)行飛行管控，提高無人機(jī)應(yīng)用的規(guī)范性管理效果。同時(shí)，工作人員也可以利用系統(tǒng)全面查詢和了解無人機(jī)的位置信息、速度信息、方向信息、終端設(shè)備狀態(tài)信息和報(bào)警信息等，了解無人機(jī)飛行情況。3）完善系統(tǒng)的報(bào)警功能。首先，在系統(tǒng)中設(shè)置速度報(bào)警的功能，按照無人機(jī)飛行的時(shí)間和路線情況，明確限速的最高標(biāo)準(zhǔn)和最低標(biāo)準(zhǔn)，一旦無人機(jī)飛行速度超過預(yù)先設(shè)定的閾值，系統(tǒng)就會(huì)利用聲光提醒的方式進(jìn)行報(bào)警，同時(shí)還能詳細(xì)將超速時(shí)間信息、速度信息和位置信息記錄下來，便于工作人員有效進(jìn)行無人機(jī)飛行的管控。其次，完善系統(tǒng)的飛行超時(shí)報(bào)警功能，自動(dòng)化記錄與提醒無人機(jī)連續(xù)性飛行的時(shí)間和長(zhǎng)度，一旦出現(xiàn)飛行超時(shí)的現(xiàn)象就會(huì)報(bào)警，以免因?yàn)殡娏坎蛔愣l(fā)生事故。最后，完善系統(tǒng)的設(shè)防報(bào)警功能，用戶在無人機(jī)設(shè)備停機(jī)的狀態(tài)下進(jìn)行設(shè)防，若在設(shè)防期間出現(xiàn)飛行或移動(dòng)的現(xiàn)象，就能夠自動(dòng)化報(bào)警。另外，還需完善系統(tǒng)的進(jìn)出點(diǎn)報(bào)警功能，如果無人機(jī)進(jìn)入或者離開某個(gè)指定地點(diǎn)，系統(tǒng)就能夠自動(dòng)化報(bào)警，使監(jiān)控中心按照實(shí)際情況作出處理。4）完善系統(tǒng)的飛行路線設(shè)置功能。在農(nóng)業(yè)無人機(jī)離開地面站所規(guī)定的范圍后，相關(guān)的飛行管控系統(tǒng)會(huì)發(fā)出報(bào)警信息，系統(tǒng)也能自動(dòng)化記錄相應(yīng)的信息，便于工作人員進(jìn)行查詢[6]。

3 農(nóng)業(yè)無人機(jī)飛行管控系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)路線

為確保農(nóng)業(yè)無人機(jī)飛行管控系統(tǒng)的良好運(yùn)行和應(yīng)用，需要重點(diǎn)完善關(guān)鍵技術(shù)路線，確保能夠增強(qiáng)系統(tǒng)的構(gòu)建和應(yīng)用效果。

3.1 搭建服務(wù)器

從本質(zhì)層面而言，對(duì)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器設(shè)備進(jìn)行衡量的標(biāo)準(zhǔn)就是通信的安全穩(wěn)定性與信息轉(zhuǎn)發(fā)效率。因此，在農(nóng)業(yè)無人機(jī)飛行管控系統(tǒng)中構(gòu)建服務(wù)器，應(yīng)重點(diǎn)進(jìn)行通信穩(wěn)定性的論證與轉(zhuǎn)發(fā)效率的分析，科學(xué)選擇相應(yīng)的協(xié)議與優(yōu)化性架構(gòu)，確保在網(wǎng)絡(luò)發(fā)生中斷的情況下可以重新傳輸數(shù)據(jù)信息，快速將網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)到正常狀態(tài)，避免對(duì)飛行管控系統(tǒng)的正常應(yīng)用、良好運(yùn)行造成不良影響[7]。

3.2 完善系統(tǒng)細(xì)節(jié)

我國(guó)農(nóng)業(yè)分布范圍很廣，不同地區(qū)的環(huán)境和氣候不同，農(nóng)業(yè)無人機(jī)飛行管控的條件也就存在差異，在此情況下為確保對(duì)農(nóng)業(yè)無人機(jī)進(jìn)行有效的飛行管控，應(yīng)重點(diǎn)提升管控系統(tǒng)的可靠性，使得農(nóng)業(yè)無人機(jī)可以在任何農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境中得到良好管控，安全穩(wěn)定運(yùn)行。首先，在系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)、電路設(shè)計(jì)與接插件選型方面，以提高系統(tǒng)的抗干擾性、可靠性為目的，合理設(shè)計(jì)整體架構(gòu)，確保電路設(shè)計(jì)的可靠性，選擇最優(yōu)的接插件[8]。其次，應(yīng)在系統(tǒng)中設(shè)置具備通用性特點(diǎn)的硬件設(shè)備，便于適應(yīng)各種類型的無人機(jī)設(shè)備。同時(shí)，為預(yù)防分體式產(chǎn)品和過多系統(tǒng)設(shè)備相互連接而發(fā)生故障問題，提高用戶操作的便利性，應(yīng)盡可能進(jìn)行系統(tǒng)的一體化設(shè)計(jì)，對(duì)記錄儀等設(shè)備的結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化。整體系統(tǒng)在運(yùn)行過程中，以1 s間隔時(shí)間進(jìn)行數(shù)據(jù)信息采集和飛行位置、飛行操作信息的記錄，一旦無人機(jī)設(shè)備出現(xiàn)超速現(xiàn)象，記錄儀就能及時(shí)報(bào)警，提醒飛行操作人員控制飛行速度。另外，在系統(tǒng)構(gòu)建的過程中應(yīng)全程實(shí)時(shí)性監(jiān)控?zé)o人機(jī)、載荷及操作人員的情況，確保能夠高效進(jìn)行無人機(jī)飛行管控。

3.3 合理設(shè)置硬件

由于無人機(jī)飛行器重量大，電池續(xù)航能力受到一定限制，因此在構(gòu)建飛行管控系統(tǒng)的過程中，應(yīng)考慮系統(tǒng)對(duì)于硬件體積的要求和功能消耗的要求，合理進(jìn)行硬件的選型與調(diào)試。根據(jù)飛行管控系統(tǒng)的特點(diǎn)與無人機(jī)運(yùn)行的特點(diǎn)，做好電路硬件、芯片硬件、元器件等方面的選型，完善電路圖的布置布線方案，合理采用電路板的制作技術(shù)，結(jié)合無人機(jī)與飛行管控系統(tǒng)應(yīng)用的各種影響制約因素，改進(jìn)系統(tǒng)，從根本上優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[9]。

3.4 優(yōu)化協(xié)議

目前，無人機(jī)飛行器、地面站主要是利用微型空中飛行器鏈路通信協(xié)議進(jìn)行通信，此類協(xié)議已經(jīng)經(jīng)過大量測(cè)試，是由能夠合理進(jìn)行微型飛行器設(shè)計(jì)的頭文件組合而成的信息編組庫(kù)系統(tǒng)，可以利用串口高效進(jìn)行C結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的封裝，將各類數(shù)據(jù)信息發(fā)送到地面控制站。雖然在傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)無人機(jī)中應(yīng)用此類協(xié)議可以確保數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)目煽啃裕墙陙恚S著我國(guó)信息技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)協(xié)議的設(shè)計(jì)變得非常臃腫，單位時(shí)間范圍內(nèi)所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息數(shù)量很大，另外，按照理論調(diào)查研究和實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，這個(gè)協(xié)議在信道條件不良的環(huán)境中很容易出現(xiàn)通信延遲的問題。因此，在構(gòu)建農(nóng)業(yè)無人機(jī)飛行管控系統(tǒng)的過程中，應(yīng)重點(diǎn)進(jìn)行協(xié)議的優(yōu)化，合理裁剪數(shù)據(jù)信息，消除冗余數(shù)據(jù)，保留具有一定應(yīng)用價(jià)值的數(shù)據(jù)包，避免出現(xiàn)通信過程中數(shù)據(jù)信息傳輸延遲的問題[10]。

4 結(jié)語

綜上所述，在我國(guó)無人機(jī)技術(shù)快速發(fā)展的過程中，不僅需要充分運(yùn)用各類先進(jìn)技術(shù)和指標(biāo)，還需有效進(jìn)行無人機(jī)飛行管控，確保無人機(jī)應(yīng)用的高效性和安全性[11]。尤其是在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，要想更好地應(yīng)用無人機(jī)設(shè)備進(jìn)行精準(zhǔn)化生產(chǎn)和農(nóng)情監(jiān)測(cè)，就必須合理構(gòu)建農(nóng)業(yè)無人機(jī)飛行管控系統(tǒng)，完善整體系統(tǒng)的層次架構(gòu)和邏輯結(jié)構(gòu)，重點(diǎn)優(yōu)化系統(tǒng)功能模塊，明確關(guān)鍵技術(shù)的路線，合理進(jìn)行服務(wù)器的搭建、系統(tǒng)細(xì)節(jié)的完善、硬件的設(shè)置、協(xié)議的優(yōu)化，確保能夠利用飛行管控系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控農(nóng)業(yè)無人機(jī)的飛行狀態(tài)，準(zhǔn)確采集飛行的數(shù)據(jù)信息，便于有效進(jìn)行無人機(jī)的控制，充分發(fā)揮無人機(jī)設(shè)備在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中的作用。