浅谈计算机在植保无人机系统中的应用

胡善君

摘 要：伴随国家对粮食安全的重视程度日益加深，植保无人机作为“耕种管收”中一种先进生产力的代表，受到政府、农资、无人机研发机构以及农户的关注，但是想要发挥其高科技优势，除了要解决无人机自身的硬件结构等问题，还要将植保各利益相关方融入到一个合理的系统平台中。

关键词：植保无人机；飞控；地面站；RTK；监管平台

截止2016年10月，全国植保无人机6000架，平均5万农民拥有一架，每143万亩次防治才有一架无人机，但是无人机植保的效率，根据实际测算大致是人工植保的60倍以上，在农村劳动力稀缺的今天，采用无人机植保将在相当长时间成为高效植保的代名词。

2017年在“全国农机工作会”上，政府发言人表明将继续稳步实施农机新产品补贴试点，扩大农机新产品补贴试点范围，促进农业生产急需的农机科技创新成果转化应用，允许在适宜地区开展植保无人飞机补贴试点。从政策角度可以反映国家对植保无人机本身对提高农业生产效率的认可。

1 植保平台现状以及必要性

植保无人机目前现状是已经可以进行小规模作业，但大规模作业依旧缺乏必要的要素，其中最重要的因素就是缺乏作业管理平台；另外作为生产资料提供方的无人机厂商由于缺乏和市场的对接以及研发能力局限，无法撑起农业科技化的大旗，集中表现为：

（1）缺少精确结算依据：飞防队与客户之间；飞防队与飞手之间；飞防队与飞机拥有人之间。

（2）飞机利用率不高：无法将无人机这一重要生产资料，合理有序地在全国范围内调度，以最少成本产生更大价值。

（3）飞防队无法快速复制：缺少有效管理、监控手段。

（4）植保知识无法快速传达至一线作业人员：目前只能靠口口相传。

（5）现有作业模式对操作人员要求过高，大多采用手控，而非自主飞行。

基于这样一个作业管理平台，可以在无人机作业过程中收集农业数据，建立农业大数据平台，实现植保团队、设备的高效运转，从而降低运营成本提高植保效率。

2 植保平台建设的主要需求方以及利益诉求

植保需求提出方：拥有较少耕地的一般农民/拥有较多耕地的农场主或组织。

其他利益相关方：拥有有飞手以及无人机的专业防治组织。

监管者：政府农业相关部门。

需求各方侧重均不同：

一般农民：按时保质完成植保喷洒；提供植保报告。

農场主：按时保质完成植保喷洒；能提供相关植保数据，包括漏喷、误喷以及多喷的数据统计；有增值服务（比如可以提前一年提交定制需求，预定第二年的植保服务或者有专职的客户经理负责管理下年度的播种/植保/收割/销售计划）。

监管者：对所属行政区域中纳入统防统治的地块全程追踪，并

对植保数据统计上报；可调度空闲无人机群跨区域协助完成植保。

3 平台架构以及各组件功能介绍

除了无人机这个基本组件，一个完整的植保平台一般由云服务器、地面站/地面站软件、微信服务号系统、监管平台组成，云服务器用来存储数据以及响应系统其它各端数据请求；地面站/地面站软件直接和无人机通信，用以控制/获取无人机以及喷洒系统的实时数据；微信服务号系统用来将整个植保任务串联起来，从生成到结束，并提供实时查看追踪任务的功能；监管平台用来给管理员/监管者了解全国范围植保全局，提供实施合理有效调度的依据。

云服务器：存储植保任务中所有数据，包括任务信息、以及需求提出方、飞防大队、飞手、无人机所有者详细信息；也包括由地面站上传的无人机参数，包括型号、功率、实时轨迹等数据。

地面站/地面站软件：业内起步较早的无人机厂商以及飞控厂商已经实现该功能，不过该功能的实现是需要拥有软/硬件研发能力为前提，由飞控厂商开放协议并选择合适的飞行器配合开发，所以该功能的实现还算是有门槛准入条件的，不过在技术上是可行的。飞手通过指纹/RFID卡/二维码扫描等方式登陆地面站软件，绑定无人机后，才可启动飞控对无人机进行植保操作；地面站软件主要提供植保任务中飞手与无人机绑定功能，并实时记录当前任务农药类型、经纬度、喷洒面积等信息；以上信息通过2G/3G/4G/wifi实时传送到云服务器，在无网络情况下，数据保存在地面站。

微信服务号系统：鉴于微信端操作便捷性，植保需求提出方/飞手/管理员均方便接入，各个角色成功注册后，农户提交任务申请，管理员通过实地或者委托第三方甄别需求真实性，给予任务审核通过或者无效的判断；对于通过审核的任务单，管理员将其分配给空闲或者附近的飞手/飞防组织；接单后的飞手开始具体实施植保作业直至完成任务；需求提出方/飞手/管理员均可通过微信端差点当前任务的完成进度；任务完成后飞手通过微信端提请关闭当前任务，需求提出方现场确认后，给予关闭确认，任务结束。

监管平台：采用B/S架构，主机连入云服务器，可实时查看到各地区正在作业的无人机信息，包括当前地块无人机历史喷洒记录，无人机类型/数量、飞手信息、农作物、农药类型的统计信息，提供大数据分析及无人机调度使用；该平台还可以增加电子围栏功能，对监管层关切的植保空域安全提供预警或者控制；为了便于演示还可以接入大屏幕，分屏显示。

4 应用无人机的痛点分析

目前植保无人机离完美接管人类活动，还有以下若干痛点待解决。

4.1 飞控本身

当前大部分植保无人机的飞控是基于传统的航模、航拍转型而来，在未深入植保行业进行调研，分辨农民真实需求的情况下，完成的很多功能都可能是鸡肋，在实际作业中并没不会体现太高价值。

4.2 精度不够

目前大多数植保无人机出于性价比的考虑，定位是采用免费的GPS定位系统，误差往往达到数米以上，在地块足够大且周围环境理想化的情况下，或许问题不是太大，只会出现漏喷或者误喷的情况，但实际农村土地周边地势复杂，一般都有水渠或者电线杆，在定位有较大误差的情况下极易发生碰撞或者炸机事故，对无人机以及周边安全带来极大隐患。有部分无人机厂商开始在采用RTK模块辅助定位以及测亩等调试，这在实际操作上确实可以解决精度的问题，但是推高了其整套系统的价格，比如采用北斗双模RTK价格大致会在1000左右，还未算上研发的投入。

4.3 避障功能待改进

无人机目前在遇到如农田作物冠层结构而造成或者梯田种植的复杂环境，仍缺乏完整有效的技术应对，碰到不同的海拔、高低杆作物混种的情况，气压高度计若采用定高或者仿地飞行都是不合理的；另外比如超视距飞行仍面临数传缺乏足够的有效控制距离受到制约，同时遇到意外事件时，缺乏完整的应对方案。针对何时采取制动，目前有自动避障技术在研发测试中，采用声学或者光学雷达，但前者对障碍物的反射面大小有要求，容易受到现场复杂环境影响，导致精度下降，后者在仿地飞行时由于有效感知范围极窄，可能无法识别到障碍物导致功能失效。所以在复杂地理环境中自动避障功能是必须具备的，这样可以在地面站失去其对飞机控制时可以自动避开障碍物完成任务。

除了以上三点，其它诸如关键模块的质量不过关、配件价格较贵等问题都是制约植保无人机系统推广的因素，不过未来随着相关工业技术成熟以及采用镁合金等新材料，无人机将在硬件结构上不再脆弱，会极大提升用户体验。

随着计算机与互联网技术的进步，在解决了无人机硬件结构等已知缺陷后，继续建设和完善植保无人机平台建设，解决植保无人机生态系统从无到有，从有到精，配合国家对农业植保的相关政策，逐步将植保无人机平台推广至全国应用也就指日可待。