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高原植保無(wú)人機(jī)的需求分析與研究

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近幾年來(lái)，農(nóng)作物病蟲害機(jī)械化防治和突發(fā)性大面積病蟲害防控引起了國(guó)家主管部門的高度重視。在低空施藥技術(shù)及規(guī)范和無(wú)人機(jī)平臺(tái)技術(shù)等方面取得了長(zhǎng)足的發(fā)展，并且取得了許多重大成果，無(wú)人機(jī)示范與宣傳，促進(jìn)了無(wú)人機(jī)施藥技術(shù)與服務(wù)體系不斷發(fā)展與完善，科研力量與科研平臺(tái)不斷加強(qiáng)

無(wú)人機(jī)；機(jī)械化防治

一、國(guó)內(nèi)市場(chǎng)現(xiàn)狀與需求分析

多年來(lái)，我國(guó)農(nóng)業(yè)及植保專家展開了大量對(duì)無(wú)人機(jī)植保技術(shù)的深入研究。2010年第一架商用的植保無(wú)人機(jī)交付市場(chǎng)，正式掀啟了中國(guó)植保無(wú)人機(jī)產(chǎn)業(yè)化的序幕。2013年，全國(guó)性的無(wú)人機(jī)植保展示、表演更是方興未艾，但營(yíng)利性的飛防組織還比較少。農(nóng)用無(wú)人機(jī)的生產(chǎn)和加工大都從航模生產(chǎn)加工企業(yè)發(fā)展而來(lái)，具備一定的自主研發(fā)能力，但技術(shù)保障有待提高。目前進(jìn)入微小型農(nóng)用無(wú)人機(jī)領(lǐng)域的企業(yè)約10余家，常見(jiàn)機(jī)型10余種。實(shí)際上，真正能大規(guī)模用于農(nóng)業(yè)農(nóng)林植保的只有3-5家。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，截至2015年底，我國(guó)投入使用的農(nóng)用無(wú)人機(jī)已超過(guò)750臺(tái)，飛控手人數(shù)達(dá)1100多人，大部分集中在種植大戶及小型農(nóng)場(chǎng)中。雖然我國(guó)農(nóng)用無(wú)人機(jī)的總量依然很低，實(shí)際應(yīng)用面積依然很少，但由于其在施肥、施藥、授粉等方面的巨大優(yōu)勢(shì)，發(fā)展前景廣闊。

預(yù)計(jì)我國(guó)農(nóng)林植保無(wú)人機(jī)將進(jìn)入快速增長(zhǎng)，市場(chǎng)空間超過(guò)千億。我國(guó)耕地森林幅員遼闊，僅以土地流轉(zhuǎn)的5.9億畝來(lái)計(jì)算，單憑一項(xiàng)農(nóng)藥噴灑業(yè)務(wù)，如果每年噴灑5次，每畝作業(yè)10元錢，每年將貢獻(xiàn)超過(guò)300億元的作業(yè)收入，而按照我國(guó)18億畝耕地紅線測(cè)算，我國(guó)農(nóng)林植保無(wú)人機(jī)作業(yè)市場(chǎng)空間超過(guò)千億。

二、青海及周邊市場(chǎng)現(xiàn)狀與需求分析

根據(jù)我們的團(tuán)隊(duì)走訪了解，在青海及周邊地區(qū)，目前本地植保無(wú)人機(jī)市場(chǎng)還是一片空白，有待開發(fā)。青海主要以山地為主，土地耕種面積主要集中在海東地區(qū)與海西、海北和海南等地廣大草原和部分森林。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)主要以小麥、青稞、土豆和菜籽為主，適合本項(xiàng)目研發(fā)的高原植保無(wú)人機(jī)飛防作業(yè)。

目前國(guó)家正大力發(fā)展農(nóng)業(yè)信息農(nóng)業(yè)，科技農(nóng)業(yè)，并對(duì)土地集約化，土地流轉(zhuǎn)行為釋放了更多利好信號(hào)。我國(guó)為了快捷、規(guī)范地土地流轉(zhuǎn)而出臺(tái)了一系列相關(guān)法律法規(guī)，也為大面積飛防作業(yè)提供了更廣闊的空間。

三、研究目標(biāo)

總體目標(biāo)：本項(xiàng)目根據(jù)國(guó)家對(duì)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展規(guī)劃中對(duì)主要農(nóng)作物病蟲害專業(yè)化統(tǒng)防統(tǒng)治，加快推進(jìn)農(nóng)業(yè)機(jī)械化需求，圍繞糧食生產(chǎn)中對(duì)高效施藥機(jī)械產(chǎn)品的重大需求，針對(duì)我國(guó)目前施藥技術(shù)落后、農(nóng)藥有效利用率低、施藥效率低、勞動(dòng)量消耗巨大、高效施藥機(jī)械缺乏等關(guān)鍵問(wèn)題，開展農(nóng)業(yè)電動(dòng)無(wú)人機(jī)施藥技術(shù)裝備與應(yīng)用的研究，突破高效低污染安全航空施藥技術(shù)、高效穩(wěn)定的施藥搭載平臺(tái)技術(shù)、 施藥作業(yè)過(guò)程自動(dòng)控制技術(shù)、精準(zhǔn)施藥技術(shù)等核心技術(shù)，切實(shí)提高農(nóng)藥的有效利用率、減少農(nóng)藥使用量，解放勞動(dòng)力，降低農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境污染，實(shí)現(xiàn)施藥的精量化、機(jī)械化、自動(dòng)化和安全化。

四、項(xiàng)目主要研究?jī)?nèi)容

1、突破無(wú)人駕駛電動(dòng)農(nóng)用無(wú)人機(jī)平臺(tái)技術(shù)

依據(jù)航空施藥作業(yè)要求無(wú)人機(jī)低空、低速、平穩(wěn)飛行，加之作業(yè)周期內(nèi)使用頻繁，操作人員素質(zhì)參差不齊，還需要解決無(wú)人機(jī)耐用性、操作簡(jiǎn)易性及經(jīng)濟(jì)性的問(wèn)題。本項(xiàng)目針對(duì)目前我國(guó)的無(wú)人機(jī)平臺(tái)，從低空穩(wěn)定性控制、傻瓜化操控、機(jī)體動(dòng)力系統(tǒng)改造、發(fā)動(dòng)機(jī)增壽等方面進(jìn)行無(wú)人機(jī)平臺(tái)的農(nóng)業(yè)適應(yīng)性研究改造，使之能夠更好的應(yīng)用于農(nóng)業(yè)植保。無(wú)人機(jī)超低空飛行，首先，由于地面反彈氣流的存在，使得旋翼下方氣流混亂，氣壓高度計(jì)數(shù)值波動(dòng)劇烈，目前我國(guó)的無(wú)人機(jī)平臺(tái)，多數(shù)存在低空控制盲區(qū);其次，GPS衛(wèi)星定位信號(hào)也會(huì)隨著地面溫度、云層變化、氣流流動(dòng)等因素產(chǎn)生整體漂移。本項(xiàng)目根據(jù)高原氣候特點(diǎn)擬以消減地面效應(yīng)影響，增加低空定位精度為研究目標(biāo)，對(duì)目前我國(guó)的無(wú)人機(jī)平臺(tái)做進(jìn) 一步的研究改造。

2、完成無(wú)人駕駛電動(dòng)農(nóng)用無(wú)人機(jī)平臺(tái)與施藥裝備

根據(jù)農(nóng)用電動(dòng)無(wú)人機(jī)航空施藥方式與方法，重點(diǎn)研究施藥過(guò)程全程自動(dòng)控制技術(shù)，針對(duì)我國(guó)的無(wú)人機(jī)平臺(tái)，研究設(shè)計(jì)開發(fā)新型的精準(zhǔn)施藥系統(tǒng)與GPS導(dǎo)航系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)噴灑精確對(duì)接、定點(diǎn)施藥、自動(dòng)導(dǎo)航、高效自主作業(yè)，避免施藥過(guò)程中重噴漏噴現(xiàn)象，解決施藥操控問(wèn)題。

研究開發(fā)新型施藥控制系統(tǒng)，使用嵌入式系統(tǒng)技術(shù)，完成變量控制、無(wú)線電通訊、信號(hào)處理、功率分配等模塊化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)施藥裝備遠(yuǎn)程變量控制與工作參數(shù)遙測(cè)反饋等功能。

3、完成無(wú)人駕駛電動(dòng)農(nóng)用直無(wú)人機(jī)平臺(tái)，無(wú)人機(jī)控制系統(tǒng)的高度與速度誤差小于5%，具備自動(dòng)駕駛與傻瓜式操控功能；

我國(guó)的無(wú)人機(jī)平臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)的遙控器上，裝有2搖桿、4微調(diào)以及其他10余個(gè)按鈕，操作人員需要從總距、橫滾、俯仰、航向8方向控制姿態(tài)調(diào)整，人工培訓(xùn)僅無(wú)人機(jī)操作上就需要經(jīng)歷軟件模擬—航模練習(xí)—真機(jī)操控3個(gè)階段，培訓(xùn)周期歷時(shí)3個(gè)月，另一方面，我國(guó)飛機(jī)農(nóng)業(yè)作業(yè)人員素質(zhì)參差不齊，無(wú)法在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到專業(yè)人員水平。因此，本項(xiàng)目針對(duì)以上情況，結(jié)合無(wú)人機(jī)的飛行控制系統(tǒng)與操控界面，研究控制策略與算法改進(jìn)，開發(fā)新型遙控裝備，實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)平臺(tái)的傻瓜化操作，大幅降低操作難度，縮短人員培訓(xùn)時(shí)間，提高無(wú)人機(jī)田間作業(yè)的靈活性和工作效率。

4、新型航空施藥藥劑研究

實(shí)驗(yàn)證明，使用普通藥液于5m高度噴施，在旋翼氣流與外部環(huán)境因素綜合影響下，10%-20%的藥劑在空中蒸發(fā)彌漫在空氣中，嚴(yán)重影響施藥效果，污染生態(tài)環(huán)境。本項(xiàng)目擬開展農(nóng)藥藥劑成分、劑型、添加劑等方面研究，開發(fā)多種適用于航空噴灑的超低量農(nóng)藥劑型。

五、技術(shù)指標(biāo)

通過(guò)開展低空低量施藥技術(shù)、航空施藥飄移控制技術(shù)、飄移檢測(cè)及安全評(píng)估研究，創(chuàng)制農(nóng)業(yè)電動(dòng)無(wú)人機(jī)施藥技術(shù)裝備，建立農(nóng)業(yè)航空施藥技術(shù)服務(wù)體系。為農(nóng)作物、低灌木、喬木、草地病蟲防治提供技術(shù)支持，提高國(guó)家對(duì)突發(fā)性大面積病蟲害防治水平，保障國(guó)家農(nóng)業(yè)安全。通過(guò)項(xiàng)目的實(shí)施，填補(bǔ)國(guó)內(nèi)高原地區(qū)航空靜電噴霧技術(shù)及裝備的缺陷，降低農(nóng)藥使用量，提高病蟲害防治水平，減少對(duì)環(huán)境的污染；通過(guò)航空噴嘴模型、飄移預(yù)測(cè)模型、航空噴灑質(zhì)量評(píng)估研究，形成我國(guó)自主航空施藥研究體系，探索適合我國(guó)國(guó)情的航空施藥技術(shù)服務(wù)體系，服務(wù)于我國(guó)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化。