無人機在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用現(xiàn)狀分析.pdf

48 農(nóng)機使用與維修 2022 年第 12 期 無人機在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用現(xiàn)狀分析 唐永海 東豐縣黃河鎮(zhèn)綜合服務(wù)中心 農(nóng)機站 吉林 東豐 136321 摘 要 無人機具有結(jié)構(gòu)簡單 成本較低 操控方便等優(yōu)勢 在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中主要用于植保飛防與地面遙感等技術(shù) 方向 可以進行航空植保 種子播撒 肥料噴灑等 對于病蟲害防治 實現(xiàn)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè) 保證農(nóng)業(yè)生產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展具 有重要意義 在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用與發(fā)展 基于植保無人機的主要發(fā)展特點 系統(tǒng)論述了農(nóng)用無人機 在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中的主要應(yīng)用現(xiàn)狀及核心技術(shù) 提出農(nóng)用植保無人機的主要發(fā)展方向 對農(nóng)業(yè)無人機在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)生 產(chǎn)中的主要應(yīng)用案例進行分析 關(guān)鍵詞 農(nóng)用無人機 精準(zhǔn)農(nóng)業(yè) 精準(zhǔn)降落 作物長勢監(jiān)測 變量噴施 中圖分類號 S127 文獻標(biāo)識碼 A doi 10 14031 j cnki njwx 2022 12 014 Analysis on The Application Status of UAV in Precision Agriculture TANG Yonghai Comprehensive Service Center of Huanghe Town Dongfeng County Agricultural machinery station Dongfeng 136321 China Abstract UAV has simple structure low cost and easy to control and other advantages mainly in the agricultural pro duction in plant protection flying and ground remote sensing technology can undertake air spraying plant protection seeds fertilizer etc for the prevention and control of plant diseases and insect pests implementing precision agricul ture to ensure the sustainable development of agricultural production is of great significance has been widely used in agricultural production and development Based on the main development characteristics of plant protection UAV this paper systematically discusses the main application status and core technologies of agricultural UAV in precision agricul ture puts forward the main development direction of agricultural plant protection UAV and analyzes the main applica tion cases of agricultural UAV in precision agriculture production Key words agricultural UAV precision agriculture precision landing crop growth monitoring variable spraying 作者簡介 唐永海 1976 男 吉林東豐人 本科 高級工程 師 研究方向為農(nóng)機技術(shù)推廣 0 引言 近年來隨著科技快速發(fā)展 農(nóng)業(yè)機械裝備已經(jīng) 發(fā)生了快速的改變 尤其是隨著農(nóng)用無人機技術(shù)的 應(yīng)用與發(fā)展 給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中病蟲害防治 精準(zhǔn)作業(yè) 等提供了巨大的幫助 農(nóng)用無人機具有結(jié)構(gòu)簡單 成本較低 操控方便等優(yōu)勢 1 3 在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中主要 進行植保飛防與地面遙感等應(yīng)用 可以完成航空植 保 種子播撒 肥料噴灑等作業(yè) 在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中得到 了更加廣闊的應(yīng)用 農(nóng)用無人機在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中 可以攜帶高清 攝像裝備執(zhí)行航空拍攝任務(wù) 彌補傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中 遙感衛(wèi)星測量精度較低的問題 在農(nóng)田環(huán)境監(jiān)測 病蟲害分析 作物長勢分析等方面具有顯著優(yōu)勢 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者可以借助無人機進行低空航拍及時獲 得農(nóng)作物長勢情況 及時調(diào)整農(nóng)業(yè)生產(chǎn)措施 保證 農(nóng)作物高產(chǎn) 穩(wěn)產(chǎn) 4 5 1 農(nóng)用無人機優(yōu)點 1 1 適應(yīng)性及通用性較強 農(nóng)用無人機可以在環(huán)境惡劣 污染較為嚴(yán)重的 區(qū)域執(zhí)行生產(chǎn)任務(wù) 可以替代人工進行繁重 危險 的工作任務(wù) 隨著農(nóng)業(yè)集約化 大型化發(fā)展 農(nóng)業(yè)耕 地逐漸集中 當(dāng)大面積耕地出現(xiàn)病蟲害 無法依靠 人力進行快速防治 而使用農(nóng)業(yè)植保無人機可以在 最短的時間內(nèi)解決大面積病蟲害的問題 提高作業(yè) 效率 對于實現(xiàn)糧食高產(chǎn) 穩(wěn)產(chǎn)具有重要意義 1 2 體積小 操作靈活 應(yīng)用較為安全 植保無人機操作簡單 起降方便 且對操作人 員的培訓(xùn)周期短 對人員專業(yè)知識要求不高 利用 植保無人機進行防治工作 可以保持人員遠離作業(yè) 區(qū)域 保證工作人員的身體健康 還可以減少農(nóng)藥 殘留造成的土壤 水流環(huán)境污染等問題 對實現(xiàn)精 準(zhǔn)農(nóng) 業(yè) 發(fā) 展 推動現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)進程具有重要 意義 6 2 精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)相關(guān)概念及發(fā)展意義 精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)又被稱為 精確農(nóng)業(yè) 或 精細農(nóng)業(yè) 2022 年第 12 期 農(nóng)機使用與維修 49 是 20 世紀(jì) 80 年代末由美國農(nóng)業(yè)科學(xué)部門提出的 屬于一種以高新現(xiàn)代管理技術(shù)為基礎(chǔ)的農(nóng)業(yè)微觀 管理方式 根據(jù)不同地區(qū)的農(nóng)作物實際需要進行投 入與管理 精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)是以農(nóng)業(yè)信息技術(shù)為支撐 根 據(jù)農(nóng)業(yè)空間變化 定位 定時 定量地實施一整套現(xiàn) 代化農(nóng)事操作與管理的系統(tǒng) 屬于一種綜合集成的 高科技農(nóng)業(yè)應(yīng)用系統(tǒng) 精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)主要包括全球定 位系統(tǒng) 農(nóng)田信息采集系統(tǒng) 農(nóng)業(yè)遙感監(jiān)測系統(tǒng) 農(nóng) 田地理信息管理系統(tǒng) 農(nóng)業(yè)專家管理系統(tǒng) 智能化 農(nóng)機裝備系統(tǒng) 農(nóng)田環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng) 系統(tǒng)集成 網(wǎng)絡(luò) 化管理系統(tǒng)和培訓(xùn)系統(tǒng) 精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)可以將遙感 地理信息系統(tǒng) 全球定 位系統(tǒng) 計算機技術(shù) 通訊和網(wǎng)絡(luò)技術(shù) 自動化技術(shù) 等高新技術(shù)與地理學(xué) 農(nóng)學(xué) 生態(tài)學(xué) 植物生理學(xué) 土壤學(xué)等基礎(chǔ)學(xué)科有機地結(jié)合起來 實現(xiàn)在當(dāng)前農(nóng) 業(yè)生產(chǎn)中 對作物耕 種 收 加工 銷售等進行全程 模擬 監(jiān)測 判斷與預(yù)測等 從而實現(xiàn)提高農(nóng)業(yè)資源 利用效率 降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本 改進農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式 及生態(tài)環(huán)境的目的 是實現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展的必經(jīng) 之路 3 無人機在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用 3 1 無人機自主精準(zhǔn)降落方法研究 無人機自主精準(zhǔn)降落是實現(xiàn)農(nóng)用無人機精準(zhǔn) 作業(yè)的基礎(chǔ)與必備條件 要實現(xiàn)農(nóng)用無人機的自 主 精準(zhǔn)降落 需要在傳統(tǒng)無人機執(zhí)行平臺的基礎(chǔ) 上增加圖像采集裝備及計算機控制系統(tǒng) 通過圖 像采集裝備實時采集無人機飛行圖像 基于視覺識 別技術(shù)實現(xiàn)無人機精準(zhǔn)降落與實時定位 主要結(jié)構(gòu) 示意圖如圖 1 所示 圖 1 無人機自主精準(zhǔn)降落系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成 無人機自主精準(zhǔn)降落系統(tǒng)的主要工作過程主 要分為四個主要步驟 主要工作流程如下 1 初始化模塊 首先對農(nóng)用無人機各個模塊 進行檢查 確保無人機各個組成部分都能正常工 作 檢查無誤后開始無人機操作 2 無人機起飛 按照無人機操作流程實施無 人機飛行任務(wù)并執(zhí)行工作 3 自主識別與定位 無人機在開始執(zhí)行飛防 任務(wù)后 依據(jù)高清攝像裝置等捕獲無人機圖像 并 通過計算機控制系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)處理與決策 進而實 現(xiàn)對無人機飛行器的控制 4 自主降落 當(dāng)無人機執(zhí)行完畢相關(guān)工作任 務(wù)后 開始確定無人機降落點 不斷降低飛行高度 當(dāng)降落到一定高度時 確保與降落點對齊后進行快 速降落 主要工作流程如圖 2 所示 圖 2 無人機自主精準(zhǔn)降落系統(tǒng)工作流程圖 計算機控制系統(tǒng)是無人機精準(zhǔn)降落的重要技 術(shù)之一 是實現(xiàn)農(nóng)用無人機精準(zhǔn)作業(yè)的重要保障 其計算機控制核心主要為分層控制 環(huán)環(huán)相扣 主 要控制原理圖入圖 3 所示 3 2 無人機遙感下作物長勢監(jiān)測技術(shù) 對農(nóng)作物實現(xiàn)動態(tài)長勢監(jiān)測 實時調(diào)整農(nóng)業(yè)管 理措施 是保證糧食高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的重要條件 其中 作物的光合作用及葉綠素含量是保證作物生長發(fā) 育的重要基礎(chǔ) 直接決定著作物的產(chǎn)量與健康狀 態(tài) 同時可以反映出作物的營養(yǎng)狀況 是指導(dǎo)農(nóng)業(yè) 生產(chǎn)管理措施的重要指標(biāo)與控制策略 農(nóng)作物病 蟲害是威脅農(nóng)業(yè)生產(chǎn)安全的重要因素之一 也是制 約農(nóng)業(yè)發(fā)展及糧食產(chǎn)量提高的第一大自然災(zāi)害 病 蟲害一旦發(fā)生就會迅速蔓延 導(dǎo)致大面積作物感染 50 農(nóng)機使用與維修 2022 年第 12 期 圖 3 無人機精準(zhǔn)飛行控制工作原理圖 發(fā)病 會造成糧食減產(chǎn)與經(jīng)濟損失 因此 高效 快 速 科學(xué)地獲取作物相關(guān)長勢參數(shù)及病蟲害檢測模 型 對于實現(xiàn)作物精準(zhǔn)管理 精準(zhǔn)施藥及保障國家 糧食安全具有重要意義 基于農(nóng)業(yè)無人機的遙感 采集數(shù)據(jù)系統(tǒng)主要由無人機飛行平臺 各類傳感器 技術(shù)及地面控制系統(tǒng)組成 無人機飛行平臺主要 是搭載無人機飛行的主要載體 以目前常見的無人 機飛行平臺 DJI Matric 600 Pro 為例進行相關(guān)技術(shù) 參數(shù)介紹與分析 該飛行平臺配備傳感器系統(tǒng)及 全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng) 技術(shù)參數(shù)如表 1 所示 常見的 飛行器高光譜成像系統(tǒng)采用 Nano Hyperspec 主要 技術(shù)參數(shù)入表 2 所示 表 1 DJI Matric 600 Pro 主要技術(shù)參數(shù) 工作指標(biāo) 技術(shù)參數(shù) 最大起飛質(zhì)量 kg 15 5 16 5 最大承受風(fēng)速 m s 1 7 5 9 5 滿載續(xù)航時間 min 18 最大水平飛行速度 km h 1 65 工作環(huán)境溫度 10 40 表 2 Nano Hyperspec 高光譜成像系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù) 工作指標(biāo) 技術(shù)參數(shù) 波長范圍 nm 400 1 000 每行像素數(shù) 個 640 波段數(shù) 個 270 光譜分辨率 nm 2 2 工作環(huán)境溫度 0 50 3 3 無人機精準(zhǔn)變量噴灑控制技術(shù)研究 精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)是未來農(nóng)業(yè)發(fā)展的主要方向與目標(biāo) 在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中 傳統(tǒng)農(nóng)藥噴灑管理方式主要是 依據(jù)農(nóng)戶經(jīng)驗判斷是否進行病蟲害防治及噴灑 另一方面 在進行農(nóng)藥噴灑過程中 依靠農(nóng)戶進行 噴灑會造成農(nóng)藥噴灑不均勻 容易造成環(huán)境污染 嚴(yán)重時還會危害農(nóng)戶身體健康 采用無人機進行 精準(zhǔn)農(nóng)藥噴灑 可以提高農(nóng)藥噴灑的安全性與可靠 性 無人機可以動態(tài)調(diào)節(jié)農(nóng)藥噴灑藥量 目前常見 的無人機精準(zhǔn)變量噴灑裝置主要基于 PWM 控制 系統(tǒng) 4 結(jié)論 隨著農(nóng)用無人機技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展 為農(nóng)業(yè)生 產(chǎn)中病蟲害防治 精準(zhǔn)作業(yè)等提供了巨大的幫助 農(nóng)用無人機具有結(jié)構(gòu)簡單 成本較低 操控方便等 優(yōu)勢 在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中主要進行植保飛防與地面遙感 等工作 可以進行航空植保 種子播撒 肥料噴灑 等 在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中得到了廣闊的應(yīng)用 是保證農(nóng)作 物高產(chǎn) 穩(wěn)產(chǎn)及發(fā)展精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的重要技術(shù)之一 本 研究基于無人機相關(guān)特點及精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的發(fā)展特征 系統(tǒng)闡述了目前農(nóng)用無人機在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中的主要 應(yīng)用范圍 主要包括農(nóng)用無人機精準(zhǔn)降落技術(shù) 作 物長勢監(jiān)測技術(shù)及精準(zhǔn)變量控制技術(shù)等研究結(jié)果 對于推動農(nóng)用無人機技術(shù)在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的發(fā)展提供 技術(shù)參考與理論借鑒 參考文獻 1 程建波 公丕臣 顧明成 等 植保無人機的應(yīng)用現(xiàn)狀 及發(fā)展趨勢 J 農(nóng)機使用與維修 2019 7 18 19 2 傅東興 黑龍江省農(nóng)用植保無人機的發(fā)展現(xiàn)狀及前景 展望 J 農(nóng)機使用與維修 2022 2 36 38 3 曹智 植保無人機避障噴霧路徑規(guī)劃的研究 D 鎮(zhèn) 江 江蘇大學(xué) 2021 4 倪弦之 胡一鴻 羅思荃 等 農(nóng)業(yè)植保無人機的發(fā)展 與應(yīng)用 J 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技 2022 11 99 102 5 張亞輝 多旋翼植保無人機懸停下洗氣流及大豆冠層 對霧滴運動規(guī)律影響研究 D 鄭州 河南農(nóng)業(yè)大 學(xué) 2021 6 成子怡 吳阿敏 王政浩 等 植保無人機的應(yīng)用及發(fā) 展 J 農(nóng)機使用與維修 2022 3 100 102 7 蘭智文 植保無人機飛行實驗平臺系統(tǒng)設(shè)計與噴灑性 能試驗研究 D 長春 吉林農(nóng)業(yè)大學(xué) 2021 05