無人植保機的安全性與防控措施探究

劉 格

（華南農業大學，廣東 廣州 510642）

隨著農業技術的不斷進步，無人植保機的應用越來越廣泛。無人植保機以其高效、精準的特點，成為現代農業生產的重要工具。然而，隨之而來的是安全性問題。在無人植保機飛防作業中，可能存有環境、信號、視野、漂移物、突發故障等影響因素，影響植保機作業安全，可能導致人身和經濟損失出現。因此，研究無人植保機的安全性與防控措施非常重要。

1 無人植保機構成

1）機身結構。無人植保機機身結構設計通常采用模塊化方式，方便拆卸、維修和更換配件。無人植保機的機身上還會安裝各種重要配件，包括傳感器、攝像頭、噴灑設備等。傳感器用于獲取環境信息和飛行狀態數據，如氣溫、濕度、光照等。攝像頭用于實時監測作業情況，獲取農田圖像等數據[1]。噴灑設備是無人植保機的關鍵組成部分，負責噴灑農藥或其他農業用品，進行精確的農田作業。

2）飛控系統。無人植保機配有飛行控制系統，用于控制飛行器的姿態、飛行軌跡和自動化操作。飛控系統通常包括主控板以及陀螺儀、加速度計、氣壓計等傳感器，并通過飛行控制算法實現對無人機的穩定飛行和操作。

3）導航系統。無人植保機導航系統用于確定其在空中的位置和航線規劃。導航系統通常包括GPS（全球定位系統）、慣性導航系統等，可以提供精確的位置信息和導航指引。

4）傳感器與監測設備。無人植保機常配備多種傳感器和監測設備，用于實時感知農田環境和植物狀況。如溫濕度傳感器、光照傳感器、土壤濕度傳感器等，可以收集關鍵的農田數據，為精準植保提供依據[2]。

5）噴霧設備。噴霧設備用于在飛行過程中釋放農藥或其他防治劑，通常由噴頭、液路、泵等組成，通過控制噴霧量和噴灑方式，實現對農田的精確噴霧。

6）數據處理與控制系統。無人植保機會搜集大量的農田數據，包括各種傳感器的測量數據、航行軌跡等信息。數據處理與控制系統可以對這些數據進行分析、存儲和實時處理，從而幫助決策者優化植物保護措施[3]。

2 無人植保機存在的主要安全問題

1）飛行安全。無人植保機在飛行過程中可能面臨飛行失控、碰撞障礙物、失去信號等風險。這些問題可能源于飛行控制系統故障、導航系統錯誤、環境變化等原因。必須確保無人植保機具備穩定的飛行控制系統和可靠的導航系統，通過合理的飛行規劃和監測，減少飛行事故的發生。

2）數據安全。無人植保機搜集的農田數據包含敏感信息，如農作物生長狀態、土壤質量等。這些數據需要得到妥善保護，避免被未經授權的人獲取和濫用。必須采取加密、權限控制和安全傳輸等手段，確保無人植保機搜集的數據在存儲和傳輸過程中不被泄露或篡改。

3）電池安全。無人植保機的電池組是提供動力的重要組成部分，但電池在充放電過程中存在一定的安全風險[4]。如過滿充電可能導致電池短路、過熱等，過度放電可能導致電池損壞甚至起火。必須采用高品質的電池組，并進行嚴格的充放電管理，確保電池的安全使用。

4）作業區域安全。無人植保機在進行植保作業時，可能需要飛越農田、河流、道路等復雜環境。這可能導致飛行器與障礙物發生碰撞，對周圍環境和人身安全產生威脅。必須合理進行作業規劃、飛行區域劃定和風險評估，確保作業區域的安全性。

5）操作人員安全。無人植保機的操作人員受過專門訓練，但操作人員在操作過程中也可能面臨一些安全風險，如誤操作導致事故、長時間操作引起疲勞等。必須加強對操作人員的培訓和安全意識教育，建立完善的操作規程和緊急響應機制，提高操作人員的安全意識和應急處理能力。

3 無人植保機安全作業的主要防控措施

3.1 安全操作規程培訓

1）針對無人植保機的操作人員，應當設立培訓計劃。這一計劃需要詳細制定培訓的內容，包括理論知識和實際操作的培訓。理論知識方面，操作人員需要了解無人植保機的結構、原理、飛行操作和緊急處理等方面的知識。實際操作方面，操作人員需要進行實操培訓，以熟悉無人植保機的操作方法和技巧。

2）開發相關的培訓教材和課件。培訓教材和課件應包括無人植保機的使用說明、操作手冊、飛行原理和安全注意事項等內容，以便操作人員學習和參考[5]。這些教材和課件應該具備易懂、系統性強的特點，能夠幫助操作人員全面學習和掌握相關知識。

3）設置理論和實操培訓環節。操作人員需要通過學習無人植保機的理論知識和進行實際操作訓練來提高技能水平。在理論培訓中，應注重對無人植保機相關知識的傳授，使操作人員對其有全面的了解。在實操培訓中，應提供模擬操作場景，并進行反復訓練，以確保操作人員能夠熟練掌握無人植保機的操作方法和技巧。

4）對操作人員進行考核，發放相應證書。考核環節可以包括理論知識的筆試和實際操作的模擬訓練。通過考核，可以評估操作人員對無人植保機的掌握程度，并為合格者頒發證書。在無人植保機的作業過程中，還應制定詳細的操作規程。操作規程應根據國家相關規定和實際情況，明確作業流程、禁飛區域、飛行高度、避障原則等，以幫助操作人員規范作業行為，確保無人植保機的安全作業。

3.2 飛行控制系統和導航系統

1）飛行控制系統需要采用穩定可靠的硬件設備，包括飛行控制器、姿態傳感器、電機控制器等。飛行控制器是無人植保機的大腦，負責接收和處理來自傳感器的數據，控制電機的轉速和姿態調整，以保持飛行穩定性和操控性能[6]。姿態傳感器用于檢測無人植保機的姿態，如俯仰角、橫滾角和偏航角等，為飛行控制器提供準確的姿態信息。電機控制器則根據飛行控制器的指令，調整電機的轉速和輸出功率，實現無人植保機的懸停、起飛和降落等操作。

2）無人植保機的導航系統需要配備精準的全球定位系統（GPS）和慣性導航系統（INS）。GPS可以通過衛星信號定位無人植保機的位置，提供準確的經緯度和海拔等信息。INS則通過慣性傳感器感知和記錄無人植保機的加速度、角速度和姿態變化等數據，并結合起飛時的初始位置和姿態信息，實現高精度的導航和定位功能。通過GPS和INS的協同工作，可以確保無人植保機在作業過程中準確飛行，并及時糾正姿態偏差。

3）飛行控制系統還應具備自動避障功能。通過搭載傳感器（如激光雷達、超聲波傳感器或視覺傳感器）和先進的避障算法，飛行控制系統能夠實時感知周圍環境，并根據避障策略調整飛行軌跡，避免與障礙物碰撞。這樣可以最大程度地減少事故的發生，保證作業過程的安全性。

4）飛行控制系統應具備傳感器監測功能[7]。通過添加適當的傳感器，如氣壓計、加速度計、陀螺儀等，可實時監測無人植保機的狀態參數，如高度、速度、姿態、電池電量等。當發現異常情況時，飛行控制系統能夠及時采取相應措施，如調整姿態、報警或自動返航等，以確保作業過程的安全性。

3.3 數據加密和權限控制

1）數據加密可以在數據存儲和傳輸過程中保護數據的機密性。對于無人植保機搜集的農田數據，可以采用加密算法將其進行加密存儲，以防止非法訪問者獲取敏感數據。同時，在數據傳輸過程中，也可以使用加密協議，如SSL/TLS，確保數據在傳輸過程中不被竊取或篡改。

2）通過設置權限控制機制，只有經過授權的人員才能訪問和操作相關數據。可以通過建立用戶賬戶和角色管理系統，為不同的人員分配不同的權限，以確保數據僅被授權的人員訪問和操作。此外，還可以采用多層次的權限控制，對不同的數據進行細粒度的權限管理，以確保數據的安全性。

3）建立數據備份與恢復系統，定期備份農田數據，可以防止因意外事件導致的數據丟失。備份數據存儲在安全的位置，可以在數據損壞或丟失時進行恢復，以確保數據的可用性和完整性。

4）網絡安全保護是保障數據安全性和完整性的重要方面，采用網絡安全技術，如防火墻、入侵檢測系統和安全認證等，可以防范黑客攻擊和惡意軟件感染。同時，還可以定期進行安全性評估和漏洞掃描，及時發現和修補系統中的安全漏洞，確保網絡環境的安全。

3.4 電池管理和監測

無人植保機的電池是其供電的重要組成部分，電池管理和監測是保障安全作業的關鍵。

1）正確選擇電池是確保電池壽命長、容量穩定的關鍵。為了保證無人植保機的正常運行，應選擇高品質、穩定性好的電池組。這些電池應具有長壽命、高能量密度和低自放電率等特點，以確保電池的穩定性和可靠性。此外，還應根據無人植保機的工作環境和需求來選擇合適的電池類型，如鋰離子電池或鉛酸電池等。

2）充放電管理是電池管理的重要環節。應制定電池的充放電管理制度，確保在標準電壓和電流下進行充放電。在充電過程中，要避免電池過充，以免影響電池壽命和安全性。在放電過程中，要避免電池過放，以防止電池電壓過低導致電池損壞。同時，還應注意控制充放電速率，避免過快充電或放電，以保證電池的安全性和穩定性[8]。

3）實時監測是保障電池安全的重要措施。可以通過安裝電池監測傳感器，實時監測電池的電量、溫度和性能等指標。通過監測電池的電量，可以合理安排充電和換電計劃，以保證無人植保機的正常運行。通過監測電池的溫度，可以及時發現電池過熱情況，并采取相應措施，如停機降溫或更換電池，以防止電池發生安全事故。同時，還可以監測電池的性能，如內阻和容量等，以及時發現電池老化或損壞的情況，及時進行維護或更換。

4）電池更換與維護是保障電池穩定供電的重要環節。應定期檢查電池，包括檢查電池的外觀和連接情況，以及測量電池的電壓和內阻等指標。如發現電池老化、容量下降或出現故障的情況，應及時更換電池，以保證無人植保機能夠正常供電。

3.5 風險評估和作業規劃

風險評估和作業規劃是無人植保機作業前必須進行的重要步驟，能夠識別潛在的危險和障礙物，并制定相應的控制措施，以確保作業的安全進行。

1）風險評估是進行無人植保機作業前的重要步驟。在風險評估中，應對作業區域進行綜合評估，包括對地形、氣象條件、飛行障礙物等因素的分析和評估。通過風險評估，可以識別潛在的風險和危險，如高樓大廈、電線桿、高壓線等障礙物，以及惡劣的天氣條件。根據評估結果，制定相應的風險管控措施，如避免飛行在惡劣天氣條件下，設定安全作業高度等。

2）禁飛區域設定是保障飛行安全的重要措施。根據相關規定，禁止無人植保機進入特定區域，如機場、軍事基地、民用航空限制區等。在作業規劃中，應將這些禁飛區域納入考慮，并嚴格遵守相關規定，以確保飛行安全。

3）作業高度和安全距離的設定是保證飛行安全的重要措施。在作業規劃中，應設定無人植保機的作業高度，并確保與障礙物（如建筑物、人群等）之間保持安全距離[9-10]。通過設定作業高度和安全距離，可以避免無人植保機與障礙物發生碰撞或安全事故，保障飛行安全。

4）作業流程規劃是確保作業過程安全有序的重要環節。在作業規劃中，應制定詳細的作業流程，包括起飛、飛行、噴灑、返航等環節的具體要求。在每個環節中，應明確操作人員的職責和要求，以確保作業過程安全有序進行。此外，應急預案是應對突發事件和緊急情況的重要措施。在作業規劃中，應制定應急預案，明確操作人員在發生突發事件和緊急情況時的應對措施和流程。

3.6 實時監測和遠程控制

通過實時監測和遠程控制，能夠及時發現問題并采取措施，以保障無人植保機的安全作業。

1）實時監測。安裝傳感器和攝像頭等設備，對無人植保機進行實時監測，包括飛行狀態、作業進展、傳感器數據等，及時發現異常情況。

2）監控系統建設。建立監控中心，配備專門的監控人員，對多臺無人植保機進行遠 程監控，全面掌握運行狀態和作業情況。

3）遠程控制系統。建立遠程控制系統，可以實現對無人植保機的遠程操作和指揮，根據實時情況進行調整和管理，確保安全作業。

4）故障預警和報警系統。設置故障預警和報警系統，對無人植保機的異常情況進行監測，并及時發出報警信號，通知操作人員采取應急措施。

4 結語

采用植保無人機進行飛防作業，能夠較大程度上降低人工、時間等資源成本，病蟲害防治更徹底、效率更高、效果也更好。然而，安全問題始終是無人植保機面臨的重要挑戰。筆者通過分析無人植保機的安全性問題，有針對性地提出了一系列的防控措施。在未來的發展中，需要進一步加強對無人植保機的安全性研究，并根據實際情況不斷完善和優化防控措施。只有確保無人植保機的安全穩定運行，才能真正發揮其在農業生產中的作用，為現代農業的發展作出更大的貢獻。