农业无人机飞行管控系统中的关键技术分析*

李西峰

（陕西国防工业职业技术学院，陕西 西安 710300）

我国早期无人机技术主要应用在军事领域，近年来在技术快速发展的过程中，无人机技术已经开始应用到安防领域、农业领域和电力领域，小型无人机飞行器甚至已经成为人们航拍或娱乐的工具。我国作为农业大国，每年在农业生产中会喷洒大量的农药，农情分析和监测工作量也很大，而采用农业无人机技术就能够精准地进行农情监测、合理地进行农药喷洒[1-2]。因此，在农业领域中应重视无人机的应用，采用先进技术重点构建农业无人机飞行管控系统，增强农业无人机飞行管控效果，从而使得无人机与农业良好整合，推动农业产业的健康稳定发展。

1 无人机与农业结合的价值

1.1 有助于精准喷洒农药

目前，我国农业植保无人机的类型很多，主要使用高效化的无刷电机设备当作动力来源，设备所产生的振动力很小，能够搭载精密的仪器设备，使农药的喷洒更为精确。并且，农业无人机在应用的过程中，对地形条件所提出的要求较低，系统的作业不会受到海拔因素的限制，即使在新疆和西藏的高海拔区域也能正常运行。无人机设备的起飞调整和校正时间很短，工作的效率和出勤效率很高，再加上设备存在高速运行的离心喷头部件，除了能够有效进行药物喷洒速度的控制，还能根据农业生产情况调整药物滴落的大小，将药滴规格控制在100 μm左右，增强农业喷药的精准性。另外，将无人机设备应用到农业领域中，还能利用螺旋机翼的部件带动农作物摇晃，使得农药可以精准、均匀地喷洒到农作物的茎叶背面位置，发挥药物的药效，增强防治病虫害、去除杂草的效果，提升农业生产的产量和质量。

1.2 有助于减少农业生产成本

我国地域辽阔，各个地区的地形不同，气候环境复杂，导致部分地形条件不良的地区，农业喷药和农情监测方面的难度大、成本高，不利于农业生产经济效益的提高。而在农业领域中，采用先进的无人机设备，就可以精准地进行农药喷洒和农情监测，无论农业生产地区的地形条件多么复杂，都可以按照地形特点和气候特点等进行农情监测分析和农药喷洒，降低工作难度，提升经济效益水平。与此同时，通过无人机设备还能全面了解农田的土壤养分、含水率等情况，使得农户或农业生产管理人员明确农业生产期间农作物需浇灌水分的数量和施肥的数量，这样不仅能够提升农业灌溉、施肥的精确性，还能避免出现水资源、肥料资源浪费的问题，避免出现经济损失，降低农业生产成本。另外，运用先进的无人机设备，还能通过对农作物缺水率的监测分析、养分缺失情况的监测分析、病虫害与杂草情况的监测分析等，预测不同季节农作物生长过程中可能会发生的病虫草害问题与水肥需求量，使得农户能够按照预测的信息制定完善的决策方案，准确开展农业生产活动。

而农业无人机飞行管控系统，是无人机应用过程中的核心部分，能够对无人机各类系统进行有效控制，增强系统功能的完整性，合理构建和完善农业无人机飞行管控系统，不仅能够有效进行飞行安全性和精确度的控制，还能预防出现无人机在农业领域中应用的问题，具有重要意义[3]。

2 农业无人机飞行管控系统的构建

2.1 系统架构的设计

2.1.1 架构层次的设计

农业无人机飞行管控系统的构建，应根据用户的需求和嵌入式设备接口情况，设计软件环境和硬件环境，将整体的飞行管控平台分成硬件层次、通信层次、环境层次、数据处理层次、信息处理层次、信息共享层次和业务管理层次。1）信息共享层次。该层次是系统进行数据信息共享的核心部分，能够全面发布、共享无人机飞行信息，提供通信接口。2）业务管理层次。在整体飞行管控系统中，业务管理层次需要设计GIS系统、监控系统、信息管理系统，有效执行农业无人机飞行业务的管控工作[4]。3）信息处理层次。为确保飞行管控系统具备较高的信息处理能力，在该层次应重点完善无人机监控信息处理模式、信息分析模式、空间信息的研究模式和信息统计报表模式，进一步提高信息处理效果。4）数据处理层次。该层次主要用来进行文本数据、图片数据、人工数据和视频数据的有效存储处理。5）硬件层次。在硬件层次中应设计服务器硬件、数据信息存储硬件、通信硬件、安全管理硬件。6）通信层次。农业无人机飞行管控系统的通信层主要负责接入无人机数据信息、进行无线通信处理、提供数据移动通信网络的业务，合理进行平台数据信息的传输。7）环境层次。该层次应完善平台中心系统环境，引进现代化的手持移动终端设备。整体的农业无人机飞行管控系统由七个层次组合而成，在系统应用的过程中，工作人员可在地面站的位置向无人机发送控制方面的指令，利用4G或5G数据链路，将数据信息传送到机载嵌入式设备，然后发送到飞行控制系统，相应地，飞行控制系统也能够借助机载嵌入式设备向地面控制站发送无人机的信息，便于工作人员合理进行飞行控制。

2.1.2 逻辑结构的设计

农业无人机飞行管控系统逻辑结构的设计，主要有以下3点：1）打造业务管理平台。在该平台中设计GIS系统、MAP系统、监控系统、数据信息管理系统，确保能够有效进行业务管理。2）设计通信接口。农业无人机飞行管控系统应同时设计无人机与平台数据信息的通信接口、基础地图与业务管理数据库的通信接口等两个层次的通信接口，与此同时还需在系统中设计数据信息共享的通信接口，确保能够满足飞行管控系统的应用需求。3）合理设计物理层的设备。引进现代化网络管理设备、服务器设备与综合硬件设备，满足飞行管控系统的应用需求[5]。

2.2 完善系统功能模块

农业无人机飞行管控系统的构建过程中，应重点完善系统的功能模块：1）实时性状态监督控制的功能模块。动态化了解无人机飞行速度和具体方位，在地图中将无人机位置坐标显示出来，使得工作人员在地面站内采集和传输相应的信息，农户或农业工作者也能获得农田的信息，准确了解无人机飞行的状态，对其进行实时监控。2）完善系统中的无人机启动监控功能和实时查询功能。及时将无人机启动的时间信息传输到系统中心，以数据信息为基础，按照规范制度进行飞行管控，提高无人机应用的规范性管理效果。同时，工作人员也可以利用系统全面查询和了解无人机的位置信息、速度信息、方向信息、终端设备状态信息和报警信息等，了解无人机飞行情况。3）完善系统的报警功能。首先，在系统中设置速度报警的功能，按照无人机飞行的时间和路线情况，明确限速的最高标准和最低标准，一旦无人机飞行速度超过预先设定的阈值，系统就会利用声光提醒的方式进行报警，同时还能详细将超速时间信息、速度信息和位置信息记录下来，便于工作人员有效进行无人机飞行的管控。其次，完善系统的飞行超时报警功能，自动化记录与提醒无人机连续性飞行的时间和长度，一旦出现飞行超时的现象就会报警，以免因为电量不足而发生事故。最后，完善系统的设防报警功能，用户在无人机设备停机的状态下进行设防，若在设防期间出现飞行或移动的现象，就能够自动化报警。另外，还需完善系统的进出点报警功能，如果无人机进入或者离开某个指定地点，系统就能够自动化报警，使监控中心按照实际情况作出处理。4）完善系统的飞行路线设置功能。在农业无人机离开地面站所规定的范围后，相关的飞行管控系统会发出报警信息，系统也能自动化记录相应的信息，便于工作人员进行查询[6]。

3 农业无人机飞行管控系统的关键技术路线

为确保农业无人机飞行管控系统的良好运行和应用，需要重点完善关键技术路线，确保能够增强系统的构建和应用效果。

3.1 搭建服务器

从本质层面而言，对网络服务器设备进行衡量的标准就是通信的安全稳定性与信息转发效率。因此，在农业无人机飞行管控系统中构建服务器，应重点进行通信稳定性的论证与转发效率的分析，科学选择相应的协议与优化性架构，确保在网络发生中断的情况下可以重新传输数据信息，快速将网络恢复到正常状态，避免对飞行管控系统的正常应用、良好运行造成不良影响[7]。

3.2 完善系统细节

我国农业分布范围很广，不同地区的环境和气候不同，农业无人机飞行管控的条件也就存在差异，在此情况下为确保对农业无人机进行有效的飞行管控，应重点提升管控系统的可靠性，使得农业无人机可以在任何农业生产环境中得到良好管控，安全稳定运行。首先，在系统架构设计、电路设计与接插件选型方面，以提高系统的抗干扰性、可靠性为目的，合理设计整体架构，确保电路设计的可靠性，选择最优的接插件[8]。其次，应在系统中设置具备通用性特点的硬件设备，便于适应各种类型的无人机设备。同时，为预防分体式产品和过多系统设备相互连接而发生故障问题，提高用户操作的便利性，应尽可能进行系统的一体化设计，对记录仪等设备的结构进行简化。整体系统在运行过程中，以1 s间隔时间进行数据信息采集和飞行位置、飞行操作信息的记录，一旦无人机设备出现超速现象，记录仪就能及时报警，提醒飞行操作人员控制飞行速度。另外，在系统构建的过程中应全程实时性监控无人机、载荷及操作人员的情况，确保能够高效进行无人机飞行管控。

3.3 合理设置硬件

由于无人机飞行器重量大，电池续航能力受到一定限制，因此在构建飞行管控系统的过程中，应考虑系统对于硬件体积的要求和功能消耗的要求，合理进行硬件的选型与调试。根据飞行管控系统的特点与无人机运行的特点，做好电路硬件、芯片硬件、元器件等方面的选型，完善电路图的布置布线方案，合理采用电路板的制作技术，结合无人机与飞行管控系统应用的各种影响制约因素，改进系统，从根本上优化系统结构[9]。

3.4 优化协议

目前，无人机飞行器、地面站主要是利用微型空中飞行器链路通信协议进行通信，此类协议已经经过大量测试，是由能够合理进行微型飞行器设计的头文件组合而成的信息编组库系统，可以利用串口高效进行C结构数据的封装，将各类数据信息发送到地面控制站。虽然在传统农业无人机中应用此类协议可以确保数据信息传输的可靠性，但是近年来，随着我国信息技术的发展，传统协议的设计变得非常臃肿，单位时间范围内所传输的数据信息数量很大，另外，按照理论调查研究和实验研究发现，这个协议在信道条件不良的环境中很容易出现通信延迟的问题。因此，在构建农业无人机飞行管控系统的过程中，应重点进行协议的优化，合理裁剪数据信息，消除冗余数据，保留具有一定应用价值的数据包，避免出现通信过程中数据信息传输延迟的问题[10]。

4 结语

综上所述，在我国无人机技术快速发展的过程中，不仅需要充分运用各类先进技术和指标，还需有效进行无人机飞行管控，确保无人机应用的高效性和安全性[11]。尤其是在农业生产领域，要想更好地应用无人机设备进行精准化生产和农情监测，就必须合理构建农业无人机飞行管控系统，完善整体系统的层次架构和逻辑结构，重点优化系统功能模块，明确关键技术的路线，合理进行服务器的搭建、系统细节的完善、硬件的设置、协议的优化，确保能够利用飞行管控系统实时监控农业无人机的飞行状态，准确采集飞行的数据信息，便于有效进行无人机的控制，充分发挥无人机设备在农业领域中的作用。