无人机农业应用中的农田信息获取技术

无人机农业应用中的农田信息获取技术

0 引言

无人机作为一种新型的信息获取载体被社会广泛关注。伴随着技术的逐渐成熟，无人机由于工作适应性好、操作灵活等优势已经在越来越多的领域得到了应用，并逐渐成为农业作业中的一种新型设备。

目前，获取农田信息的方式主要包括卫星遥感、大型飞机航拍、定点摄像、手持或车载式信息采集和无人机农田信息获取等[1]。传统的农田信息获取技术(如卫星遥感、大型飞机航拍等)获取的是宏观农田信息，由于其时效性较差且易受云雾的干扰，已难以满足现代农业生产和信息获取的需求。我国作物种植情况复杂，作物品种多样，农户规模较小，在较小范围内实现精准农业的情况下，农田信息获取技术尤为重要。因此，无人机的农田信息获取系统有着更好的发展前景。

1 国内外农用无人机的发展应用

农用无人机在美国、日本等发达国家早已使用，已经成为植保服务的主力军。欧美国家由于农场集中度高、作业面积大，适合使用重载高速远距飞机，固定翼飞机发展较快；日本耕作面积小并且分散，适合发展轻型低速近距飞机，小型无人直升机发展迅速，已有3000多架服务于农业植保，其中80%以上用于水稻农药喷洒，喷洒总面积占水稻种植面积的50%以上[2]，无人机喷洒已经成为日本农业植保技术的主流。

我国无人机处于起步阶段，在农业方面如小面积农田农药喷施等有了一些应用。由于智能农业的发展需要精准化的数据驱动和集约化的作业模式，而无人机在农业数据监测、信息采集、植保作业等方面具有突出的优势，无人机在悄无声息地改变着农业的生产作业方式的同时，农用无人机将引领现代农业的智能化发展之路。无人机在农业生产中的应用主要体现在农作物的播种（授粉）、洒药、施肥，以及对农作物长势和病虫害进行监测等方面。

2 农田信息获取技术

微小型无人机载农田信息获取系统的功能模型是：由地面站系统根据田问地块信息进行航迹规划，通过机载传感器对田间信息进行采集，所得的农田信息可直接存储，也可通过蓝牙、Wi-Fi或射频等无线传输方法将信息传至数据节点或终端。其核心结构是无人机载体、农田信息传感器、农田信息处理单元和无线数据传输模块等。

2.1 无人机飞行控制技术

无人机作为一种微型飞行器，是一个非线性、多变量、高度耦合及欠驱动系统，在其飞行过程中不仅同时受到多种物理效应的作用(如空气动力、重力、陀

螺效应和旋翼惯量矩等)，还很容易受到气流等外部环境的干扰，所以其姿态稳定控制结果对微型飞行平台飞行特性的影响至关重要。另外，由于飞行器的体积小、质量轻，飞行姿态控制多变，气流扰动和机体本身的振动对摄像与传输的质量有影响，还需适当采取减振措施，减少图像在传输过程中产生的抖动，消除拍摄中图像信号不稳定。为保证飞行器在各种环境下的飞行姿态，以及使其具有较强的抗干扰能力，飞行控制算法非常重要。目前，有多种四旋翼无人机飞行控制算法，如PID控制、LQ控制和鲁棒控制[3]等。

2.2 无人机航迹规划

航迹规划的主要功能是根据任务要求、无人机特性和燃料限制等进行航线设计，控制无人机的飞行高度、转弯半径和飞行距离等，解决好多任务数据处理、组合定位、综合显示和大容量记录等问题，满足飞行采集要求的最优飞行轨迹，以支持无人机在复杂环境中进行农田信息采集及传输。要求工作范围覆盖整个任务区域，并且尽量均匀不重叠。

无人机的航迹规划可分为在线自主航迹规划和飞行前由地面站系统进行的预规划两种。在线自主航迹规划涉及飞行力学、自动控制、导航、雷达、人工智能、运筹学、计算机和图像处理等多个学科与专业，是难度很大的综合性研究领域。在基于四旋翼无人机的农田信息获取系统中一般采用后者，即在起飞前由地面站系统根据农田信息采集的具体任务进行航

迹规划，而在农田信息采集过程中，无人机只需根据既定航迹飞行，不做自主航迹规划。

2.3 无人机的续航能力提升技术

无人机的质量是影响其续航能力的主要因素，而动力与能源装置在整机重量中占了很大比例。无人机可用的动力装置主要有内燃机、电动机组和微型涡轮机等[4]。化石燃料比锂电池具有更高的能量密度，但现有的小型内燃机效率太低，并且很难控制油量。微型涡轮机的前景比较好，但其技术目前尚不成熟。电动机具有运转可靠、转速可控和噪音小等优点，且价格低廉，一般采用锂电池或锂聚合物电池供电。目前，续航能力仅在10-30 min左右，且电能很大一部分都是被动力装置消耗。因此，研制更轻、更高效的动力与能源装置是进一步微小型化无人机和提高其续航能力的关键。

2.4 机载农田信息传感技术

农田中需要采集的信息较多，如土壤墒情、病虫害和作物长势等，考虑到飞行经济性和采集效率，一次飞行要尽可能完成多种信息的采集。

目前，每种农田信息都需要专门的信息采集技术，如土壤环境(墒情、养分等)多采用光谱传感技术，杂草识别多采用形状特征传感技术，作物长势监测多采用多时相影像采集技术。把多学科的相关理论和技术融合到农业信息采集技术研究，开发能够采集多种信息的一体化传感器、节省机载空间及质量、提高采集效率和降低数据采集成本，将是超低空农田信息获取系统的关键技术之一。

2.5 无线数据传输技术

无人机需要传输的信息包括无人机飞行姿态信息、航线拍摄图像以及各类传感器采集信息等[5]。对于实时性要求不高的数据(如作物长势等)可以不传输，而是采用大容量的存储卡进行存储；而对于实时性要求较高的数据(如无人机飞行信息等)，需及时传输，便于调节控制。基于无人机的图像无线传输技术，受到无人机本身特点的限制，不同于传统的视频传输，涉及到传输速度、数据传输抗干扰技术、传输系统节能化。

3 结论

无人机的农田信息获取系统是实时与快速监测农情参数变化的重要方法之一，随着相关研究进一步深入，预计在不久的将来无人机技术会逐步走向成熟与实用。飞行控制、GPs导航和无线信息传输等子系统将进一步健全和完善，使其具有自主起降和全天候抗干扰稳定飞行能力。它将逐步满足农田信息获取需求，监控农作物生长全过程，将推动农业数字化的迅速发展。对其稍加改进即可应用于资源勘探、地面测绘、城市规划和林业普查等行业。