張軍惺

中圖分類(lèi)號(hào)：G818.2 ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)：A ? ? 文章編號(hào)：1009-9328（2021）11-120-02

摘 ?要 ?高爾夫球運(yùn)動(dòng)隨著我國(guó)人民生活水平的提高受到大眾的追捧，高爾夫球場(chǎng)的植保作業(yè)問(wèn)題逐漸凸顯。為分析植保無(wú)人機(jī)噴施作業(yè)智能控制系統(tǒng)的可行性，本文從無(wú)人機(jī)關(guān)鍵技術(shù)，智能控制算法的發(fā)展和應(yīng)用進(jìn)行闡述，通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外的植保無(wú)人機(jī)技術(shù)發(fā)研究調(diào)查，探索并討論了我國(guó)無(wú)人機(jī)在高爾夫球場(chǎng)植保噴施作業(yè)應(yīng)用的可行性，并對(duì)高爾夫球場(chǎng)植保無(wú)人機(jī)智能控制系統(tǒng)的發(fā)展前景作出展望。

關(guān)鍵詞 ?高爾夫球場(chǎng) ?植保作業(yè) ?無(wú)人機(jī)技術(shù) ?智能控制

高爾夫球運(yùn)動(dòng)作為繼足球、網(wǎng)球之后的第三大體育運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目，有著豐富的文化內(nèi)涵以及親近自然的運(yùn)動(dòng)方式，在歐美國(guó)家擁有巨大的受眾群體。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，高爾夫球運(yùn)動(dòng)也逐漸在我國(guó)大眾之間流行開(kāi)來(lái)，成為一項(xiàng)重要的室外運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目[1]。高爾夫球場(chǎng)的地形、土壤、草坪密度、高度等會(huì)對(duì)球的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和軌跡造成影響，因此需要對(duì)草坪的植被進(jìn)行日常的維護(hù)和保養(yǎng)[2]。為了保證高爾夫球場(chǎng)良好的植被條件，草坪保養(yǎng)過(guò)程中需要進(jìn)行農(nóng)藥和肥料的噴施，而高爾夫球場(chǎng)通常占地面積較大，養(yǎng)護(hù)過(guò)程需要防止對(duì)草坪造成嚴(yán)重?fù)p傷，因此高規(guī)格的高爾夫球場(chǎng)存在養(yǎng)護(hù)成本較高、養(yǎng)護(hù)困難等問(wèn)題[2]。植保噴施作業(yè)具有勞動(dòng)強(qiáng)度大、勞動(dòng)周期長(zhǎng)的特點(diǎn)，人力噴施作業(yè)效率低、人力成本較高，而基于地面動(dòng)力機(jī)械的噴霧機(jī)存在作業(yè)成本高，藥劑利用率較低，噴灑不均等問(wèn)題，而且對(duì)于高爾夫球場(chǎng)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(yǎng)難度，提高維護(hù)效率，航空植保器械開(kāi)始大量應(yīng)用在植保作業(yè)中[3]。

一、植保無(wú)人機(jī)技術(shù)

（一）植保無(wú)人機(jī)的應(yīng)用和發(fā)展

植保噴施作業(yè)具有勞動(dòng)強(qiáng)度大、勞動(dòng)周期長(zhǎng)的特點(diǎn)，為了降低植保噴灑作業(yè)人力成本，提高工作效率，人力器械、地面動(dòng)力器械及航空植保器械等相繼應(yīng)用植保作業(yè)中。人力噴施作業(yè)效率低、人力成本較高，而基于地面動(dòng)力機(jī)械的噴霧機(jī)存在作業(yè)成本高，藥劑利用率較低，噴灑不均等問(wèn)題，而且對(duì)于高爾夫球場(chǎng)等全覆蓋型的植被，容易造成植被、土壤以及地形的破壞。農(nóng)用航空植保器械的出現(xiàn)有效克服了人力器械和地面動(dòng)力器械的缺陷，有著成本低、作業(yè)效率高、漂移量少等優(yōu)勢(shì)。無(wú)人機(jī)本身三維運(yùn)動(dòng)空間提供的靈活性和操控性為智能控制算法的結(jié)合提供了便利性。

航空植保最先由德國(guó)提出，使用飛機(jī)從空中噴灑農(nóng)藥防治森林病蟲(chóng)害。之后，美國(guó)、蘇聯(lián)等發(fā)達(dá)國(guó)家開(kāi)始在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中使用飛機(jī)施藥，從而促進(jìn)了航空施藥技術(shù)的飛速發(fā)展[4]。

我國(guó)航空噴施技術(shù)起步較晚，早期主要以單旋翼載人直升機(jī)為主。到20世紀(jì)90年代，我國(guó)開(kāi)發(fā)出了專(zhuān)用于植保作業(yè)的輕型飛機(jī)。1995年，北京科源輕型飛機(jī)實(shí)業(yè)有限公司研發(fā)適用于農(nóng)田、林區(qū)病蟲(chóng)害防治的“藍(lán)鷹AD200N”植保作業(yè)飛機(jī);1999年中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院首次嘗試在廣西省病蟲(chóng)害防治工作中使用“海燕650B”型無(wú)人機(jī)，為其搭載導(dǎo)航系統(tǒng)和低容量噴施裝置進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)研究。近年來(lái)，隨著我國(guó)自主研發(fā)的新型無(wú)人機(jī)“天鷹3”“大疆MG1”“3WSZ-15”等在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用。我國(guó)各類(lèi)型植保無(wú)人機(jī)達(dá)到178種，能夠適應(yīng)不同的噴施作業(yè)需求[5]。

（二）植保無(wú)人機(jī)施藥技術(shù)研究進(jìn)展

植保無(wú)人機(jī)核心功能和研究重點(diǎn)是航空施藥技術(shù)，主要研究?jī)?nèi)容可細(xì)分為以下三個(gè)方面：（1）無(wú)人機(jī)噴藥路徑規(guī)劃不完善，導(dǎo)致重噴和漏噴;（2）藥液霧滴不可控，霧滴霧化能力差，導(dǎo)致施藥不均勻，施藥量不可控;（3）霧滴飄移會(huì)造成施藥不均勻，環(huán)境污染，土壤環(huán)境破壞以及安全性問(wèn)題。

二、植保無(wú)人機(jī)智能控制系統(tǒng)

智能控制系統(tǒng)是植保無(wú)人機(jī)實(shí)現(xiàn)噴施作業(yè)的關(guān)鍵，植保無(wú)人機(jī)智能控制主要分為飛行控制系統(tǒng)和噴施作業(yè)控制系統(tǒng)兩部分。其中飛行控制系統(tǒng)主要通過(guò)調(diào)整無(wú)人機(jī)飛行姿態(tài)和速度實(shí)現(xiàn)對(duì)飛行過(guò)程的控制。而智能?chē)娛┳鳂I(yè)控制系統(tǒng)是植保無(wú)人機(jī)區(qū)別于其他無(wú)人機(jī)類(lèi)型的關(guān)鍵，能夠結(jié)合無(wú)人機(jī)的飛行狀態(tài)和作業(yè)環(huán)境信息實(shí)現(xiàn)霧化性能、噴施量的自適應(yīng)控制，提高噴施作業(yè)的精準(zhǔn)性、快速性和均勻性。

（一）飛行控制系統(tǒng)

在無(wú)人機(jī)植保作業(yè)中，為了提高藥液的對(duì)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(duì)無(wú)人機(jī)飛行姿態(tài)和位置進(jìn)行精準(zhǔn)控制。飛行控制的核心是建立自適應(yīng)控制模型，通過(guò)陀螺儀等傳感器和GPS系統(tǒng)獲取無(wú)人機(jī)當(dāng)前的位置和狀態(tài)，根據(jù)規(guī)劃好的路徑和噴施作業(yè)點(diǎn)計(jì)算位置偏差，將位置偏差和飛行速度參數(shù)作為控制模型的輸入，獲得目標(biāo)俯仰角、橫滾角及所需的電機(jī)動(dòng)力參數(shù)。姿態(tài)控制環(huán)根據(jù)模型輸出參數(shù)與實(shí)際參數(shù)的偏差對(duì)電機(jī)和飛行角度進(jìn)行調(diào)整，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)位置控制[6]。

近年來(lái)，隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)等智能控制模型也相繼應(yīng)用于植保無(wú)人機(jī)，進(jìn)一步提高了植保無(wú)人機(jī)的控制性能和抗干擾性[7]。

（二）智能?chē)娛┳鳂I(yè)控制系統(tǒng)

無(wú)人機(jī)未進(jìn)入作業(yè)區(qū)域或折返時(shí)，要求噴施裝置關(guān)閉，避免重噴、錯(cuò)噴。對(duì)于病蟲(chóng)害嚴(yán)重或者養(yǎng)分較差的作物區(qū)域則需要適當(dāng)增加噴藥量。為實(shí)現(xiàn)作物的按需、精準(zhǔn)施藥，國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家研發(fā)了可以搭載在植保無(wú)人機(jī)上的智能變量噴施系統(tǒng)[8]。智能?chē)娛┫到y(tǒng)主要根據(jù)植保無(wú)人機(jī)位置、飛行狀態(tài)及植被需藥量對(duì)噴施裝置進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)控，控制噴嘴的霧化效果和施藥量，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)按需、精準(zhǔn)施藥。

三、前景展望

對(duì)于高爾夫球場(chǎng)植保無(wú)人機(jī)智能控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)，本文認(rèn)為主要集中在以下三個(gè)方面。

（一）植保無(wú)人機(jī)航空監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

美國(guó)日本等發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)通過(guò)在無(wú)人機(jī)搭載航空遙感相機(jī)、多光譜相機(jī)、衛(wèi)星遙感等技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)植被、作物的航空監(jiān)測(cè)和管理。通過(guò)無(wú)人機(jī)對(duì)植被的生長(zhǎng)趨勢(shì)、土壤參數(shù)、受藥情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，規(guī)劃新的植保方案[9]。由于植被、土壤參數(shù)隨著時(shí)間、氣候的變化在不同時(shí)段有著較大的差異，研究人員對(duì)無(wú)人機(jī)航空植保作業(yè)提出了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的新需求。隨著卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等人工智能技術(shù)以及遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展，實(shí)時(shí)圖像處理技術(shù)在植保無(wú)人機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用成為了可能，如此能夠提高植保管理人員對(duì)作業(yè)對(duì)象參數(shù)變化的認(rèn)知，繪制更加精準(zhǔn)、有效的噴施作業(yè)地圖，提高植保質(zhì)量。

（二）多傳感器融合技術(shù)

傳統(tǒng)的作為信息感知技術(shù)受傳感器本身特性、質(zhì)量的影響，感知信息存在一定的偏差。多傳感器融合技術(shù)能通過(guò)多個(gè)傳感器對(duì)高爾夫球場(chǎng)的采光情況、環(huán)境數(shù)據(jù)、受藥情況進(jìn)行多維的監(jiān)測(cè)，獲得高質(zhì)量、高分辨率的采樣數(shù)據(jù)，降低樣本參數(shù)的不確定性，形成更加完整的感知描述，提高植被監(jiān)測(cè)系統(tǒng)決策、規(guī)劃的快速性和正確性。

（三）一體化智能化噴施控制系統(tǒng)

目前航空變量噴施系統(tǒng)獨(dú)立于飛行控制系統(tǒng)，飛控系統(tǒng)需要根據(jù)噴施需求規(guī)劃作業(yè)路徑和飛行姿態(tài)，變量噴施系統(tǒng)主要根據(jù)作物參數(shù)調(diào)整霧化效果和施藥量。在智能控制算法方面，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、機(jī)器學(xué)習(xí)模型逐漸成熟，以深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)為代表的控制算法具有無(wú)需先驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?duì)模型精確參數(shù)要求低等優(yōu)勢(shì)，為植保無(wú)人機(jī)智能?chē)娛┛刂葡到y(tǒng)的一體化提供了理論支撐。

四、結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)無(wú)人機(jī)關(guān)鍵技術(shù)、智能控制算法的發(fā)展和應(yīng)用、國(guó)內(nèi)外的植保無(wú)人機(jī)技術(shù)的深入研究調(diào)查可知，高爾夫球場(chǎng)植保無(wú)人機(jī)智能控制系統(tǒng)隨著人工智能技術(shù)以及遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展、多傳感器融合技術(shù)大規(guī)模應(yīng)用及智能控制算法的深入研究，必將飛速發(fā)展起來(lái)。

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