基于大数据技术的高尔夫球场草坪智能质量监测管理系统

张军惺

中图分类号：G818.2   文献标识：A     文章编号：1009-9328（2021）11-120-02

摘  要  高尔夫球运动随着我国人民生活水平的提高受到大众的追捧，高尔夫球场的植保作业问题逐渐凸显。为分析植保无人机喷施作业智能控制系统的可行性，本文从无人机关键技术，智能控制算法的发展和应用进行阐述，通过对国内外的植保无人机技术发研究调查，探索并討论了我国无人机在高尔夫球场植保喷施作业应用的可行性，并对高尔夫球场植保无人机智能控制系统的发展前景作出展望。

关键词  高尔夫球场  植保作业  无人机技术  智能控制

高尔夫球运动作为继足球、网球之后的第三大体育运动项目，有着丰富的文化内涵以及亲近自然的运动方式，在欧美国家拥有巨大的受众群体。随着我国经济的发展，高尔夫球运动也逐渐在我国大众之间流行开来，成为一项重要的室外运动项目[1]。高尔夫球场的地形、土壤、草坪密度、高度等会对球的运动状态和轨迹造成影响，因此需要对草坪的植被进行日常的维护和保养[2]。为了保证高尔夫球场良好的植被条件，草坪保养过程中需要进行农药和肥料的喷施，而高尔夫球场通常占地面积较大，养护过程需要防止对草坪造成严重损伤，因此高规格的高尔夫球场存在养护成本较高、养护困难等问题[2]。植保喷施作业具有劳动强度大、劳动周期长的特点，人力喷施作业效率低、人力成本较高，而基于地面动力机械的喷雾机存在作业成本高，药剂利用率较低，喷洒不均等问题，而且对于高尔夫球场等全覆盖型的植被，容易造成植被、土壤以及地形的破坏。为了降低草坪保养难度，提高维护效率，航空植保器械开始大量应用在植保作业中[3]。

一、植保无人机技术

（一）植保无人机的应用和发展

植保喷施作业具有劳动强度大、劳动周期长的特点，为了降低植保喷洒作业人力成本，提高工作效率，人力器械、地面动力器械及航空植保器械等相继应用植保作业中。人力喷施作业效率低、人力成本较高，而基于地面动力机械的喷雾机存在作业成本高，药剂利用率较低，喷洒不均等问题，而且对于高尔夫球场等全覆盖型的植被，容易造成植被、土壤以及地形的破坏。农用航空植保器械的出现有效克服了人力器械和地面动力器械的缺陷，有着成本低、作业效率高、漂移量少等优势。无人机本身三维运动空间提供的灵活性和操控性为智能控制算法的结合提供了便利性。

航空植保最先由德国提出，使用飞机从空中喷洒农药防治森林病虫害。之后，美国、苏联等发达国家开始在农业生产中使用飞机施药，从而促进了航空施药技术的飞速发展[4]。

我国航空喷施技术起步较晚，早期主要以单旋翼载人直升机为主。到20世纪90年代，我国开发出了专用于植保作业的轻型飞机。1995年，北京科源轻型飞机实业有限公司研发适用于农田、林区病虫害防治的“蓝鹰AD200N”植保作业飞机;1999年中国林业科学研究院首次尝试在广西省病虫害防治工作中使用“海燕650B”型无人机，为其搭载导航系统和低容量喷施装置进行多次实验研究。近年来，随着我国自主研发的新型无人机“天鹰3”“大疆MG1”“3WSZ-15”等在农业领域的应用。我国各类型植保无人机达到178种，能够适应不同的喷施作业需求[5]。

（二）植保无人机施药技术研究进展

植保无人机核心功能和研究重点是航空施药技术，主要研究内容可细分为以下三个方面：（1）无人机喷药路径规划不完善，导致重喷和漏喷;（2）药液雾滴不可控，雾滴雾化能力差，导致施药不均匀，施药量不可控;（3）雾滴飘移会造成施药不均匀，环境污染，土壤环境破坏以及安全性问题。

二、植保无人机智能控制系统

智能控制系统是植保无人机实现喷施作业的关键，植保无人机智能控制主要分为飞行控制系统和喷施作业控制系统两部分。其中飞行控制系统主要通过调整无人机飞行姿态和速度实现对飞行过程的控制。而智能喷施作业控制系统是植保无人机区别于其他无人机类型的关键，能够结合无人机的飞行状态和作业环境信息实现雾化性能、喷施量的自适应控制，提高喷施作业的精准性、快速性和均匀性。

（一）飞行控制系统

在无人机植保作业中，为了提高药液的对靶率和利用率，避免重喷、漏喷、喷洒不均匀以及造成水土污染，要求对无人机飞行姿态和位置进行精准控制。飞行控制的核心是建立自适应控制模型，通过陀螺仪等传感器和GPS系统获取无人机当前的位置和状态，根据规划好的路径和喷施作业点计算位置偏差，将位置偏差和飞行速度参数作为控制模型的输入，获得目标俯仰角、横滚角及所需的电机动力参数。姿态控制环根据模型输出参数与实际参数的偏差对电机和飞行角度进行调整，进而实现位置控制[6]。

近年来，随着人工智能技术的发展，神经网络、深度强化学习等智能控制模型也相继应用于植保无人机，进一步提高了植保无人机的控制性能和抗干扰性[7]。

（二）智能喷施作业控制系统

无人机未进入作业区域或折返时，要求喷施装置关闭，避免重喷、错喷。对于病虫害严重或者养分较差的作物区域则需要适当增加喷药量。为实现作物的按需、精准施药，国内外专家研发了可以搭载在植保无人机上的智能变量喷施系统[8]。智能喷施系统主要根据植保无人机位置、飞行状态及植被需药量对喷施装置进行自适应调控，控制喷嘴的雾化效果和施药量，进而实现按需、精准施药。

三、前景展望

对于高尔夫球场植保无人机智能控制系统的发展趋势，本文认为主要集中在以下三个方面。

（一）植保无人机航空监测系统

美国日本等发达国家已经通过在无人机搭载航空遥感相机、多光谱相机、卫星遥感等技术实现对植被、作物的航空监测和管理。通过无人机对植被的生长趋势、土壤参数、受药情况进行监测，规划新的植保方案[9]。由于植被、土壤参数随着时间、气候的变化在不同时段有着较大的差异，研究人员对无人机航空植保作业提出了实时监测的新需求。随着卷积神经网络等人工智能技术以及遥感监测技术的发展，实时图像处理技术在植保无人机领域的应用成为了可能，如此能够提高植保管理人员对作业对象参数变化的认知，绘制更加精准、有效的喷施作业地图，提高植保质量。

（二）多传感器融合技术

传统的作为信息感知技术受传感器本身特性、质量的影响，感知信息存在一定的偏差。多传感器融合技术能通过多个传感器对高尔夫球场的采光情况、环境数据、受药情况进行多维的监测，获得高质量、高分辨率的采樣数据，降低样本参数的不确定性，形成更加完整的感知描述，提高植被监测系统决策、规划的快速性和正确性。

（三）一体化智能化喷施控制系统

目前航空变量喷施系统独立于飞行控制系统，飞控系统需要根据喷施需求规划作业路径和飞行姿态，变量喷施系统主要根据作物参数调整雾化效果和施药量。在智能控制算法方面，神经网络、机器学习模型逐渐成熟，以深度强化学习为代表的控制算法具有无需先验模型、对模型精确参数要求低等优势，为植保无人机智能喷施控制系统的一体化提供了理论支撑。

四、结语

通过对无人机关键技术、智能控制算法的发展和应用、国内外的植保无人机技术的深入研究调查可知，高尔夫球场植保无人机智能控制系统随着人工智能技术以及遥感监测技术的发展、多传感器融合技术大规模应用及智能控制算法的深入研究，必将飞速发展起来。

参考文献：

[1]张新萍，武东海，尚瑞花.大学体育新兴运动项目教程[M].广州：中山大学出版社，2018.

[2]卢军.拥抱“生态友好型高尔夫球场”[J].可持续发展经济导刊，2019（05）：29-31.

[3]李广硕.北京和海南高尔夫球场草坪草病害初步调查及病原真菌分类学研究[D].保定：河北大学，2019.

[4]WANG Chang-ling， HE Xiong-kui， LIU Ya-jia， et al. The Small Single- and Multi-rotor Unmanned Aircraft Vehicles Chemical Application Techniques and Control for Rice Fields in China[C]//Aspects of Applied Biology 132， International Advances in Pesticide Application，2016：73-81.

[5]王元桃，江武，匡小红，等.植保无人机统防统治棉花虫害的应用探讨[J].棉花科学，2017，39（05）：42-44+47.

[6]王大帅，李伟，张俊雄，等.基于多传感器融合的无人机精准自主飞行控制方法[J].农业机械学报，2019，50（12）：98-106.

[7]Liu H， Li D， Zuo Z， et al.Robust three-loop trajectory tracking control foe quadrotors with mulitiple[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics.2016，63（04），2263-2274.

[8]李继辉，白越，裴信彪，等.基于深度学习的农用无人机自主避障研究[J].农机化研究，2021，43（03）：1-7.

[9]胡浩伟.植保无人机施药量控制系统研究[D].石河子：石河子大学，2019.