摘 要：文章從無(wú)人機(jī)在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用難點(diǎn)入手，分析當(dāng)前階段內(nèi)影響無(wú)人機(jī)應(yīng)用質(zhì)量的基本要素。通過(guò)對(duì)大載荷無(wú)人直升機(jī)技術(shù)、自動(dòng)跟蹤飛行控制技術(shù)、施藥航跡自動(dòng)規(guī)劃技術(shù)、精準(zhǔn)自主流控技術(shù)的詳細(xì)介紹，重點(diǎn)闡述無(wú)人機(jī)在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中的關(guān)鍵技術(shù)與具體應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：無(wú)人機(jī);精準(zhǔn)農(nóng)業(yè);關(guān)鍵技術(shù)

引言：隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)的穩(wěn)定發(fā)展，科學(xué)技術(shù)也在不斷優(yōu)化。無(wú)人機(jī)應(yīng)用范圍逐漸擴(kuò)大，在各行各業(yè)中均有所體現(xiàn)。其中無(wú)人機(jī)作業(yè)形式在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用，具有較高的作業(yè)性能，噴灑效果良好。一般借助超低空作業(yè)來(lái)實(shí)現(xiàn)，可在其漂移過(guò)程中，逐步減少空氣中農(nóng)藥含量。

一、無(wú)人機(jī)在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用難點(diǎn)

當(dāng)無(wú)人直升機(jī)距離農(nóng)作物飛行高度保持在三至四米，此時(shí)進(jìn)行的藥液噴灑才能真正發(fā)揮作用[1]。無(wú)人直升機(jī)低空飛行時(shí)，與地面距離較近，主旋翼周?chē)鷼饬髦饾u作用于農(nóng)作物。該類(lèi)氣流屬于下洗氣流，在一定程度上有利于農(nóng)藥沉積，但一旦氣流過(guò)強(qiáng)，則農(nóng)作物會(huì)陸續(xù)出現(xiàn)倒伏現(xiàn)象，非但阻礙了農(nóng)作物的正常生長(zhǎng)，同時(shí)還大大降低了噴灑效果。

無(wú)人機(jī)超低高度飛行中，往往會(huì)出現(xiàn)地面效應(yīng)，不利于飛機(jī)本體姿態(tài)的科學(xué)控制，上方藥液噴灑裝置無(wú)法水平進(jìn)行藥物噴灑，存在著噴施不均勻的情況，加大漂移幅度。我國(guó)農(nóng)田面積較大，且耕地農(nóng)場(chǎng)存在略微差別，支持無(wú)人直升機(jī)植保，利用不同類(lèi)型噴頭裝載一定劑量的藥物，結(jié)合農(nóng)作物生長(zhǎng)特性，選取符合工作要求的飛行路線，防止無(wú)人直升機(jī)受到航時(shí)與載藥量影響，最終出現(xiàn)反復(fù)起降，在提升作業(yè)效率的同時(shí)，減少生產(chǎn)與運(yùn)維成本。與無(wú)人直升機(jī)植保相關(guān)的制度標(biāo)準(zhǔn)并不健全，甚至可以說(shuō)是一片空白，致使現(xiàn)階段無(wú)人機(jī)作業(yè)規(guī)程不明確，對(duì)其大規(guī)模應(yīng)用于精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)起到制約作用。

二、農(nóng)業(yè)無(wú)人機(jī)機(jī)體特點(diǎn)

機(jī)身振動(dòng)性較弱，能夠配合精密儀器一同使用，農(nóng)藥噴灑精準(zhǔn)均勻，對(duì)地形要求不高，無(wú)論是在平原地區(qū)，還是西藏、新疆等高海拔區(qū)域內(nèi)均可。起飛調(diào)校短，作業(yè)效率高且可用時(shí)間長(zhǎng)，無(wú)廢氣產(chǎn)生，不會(huì)對(duì)大氣環(huán)境造成嚴(yán)重污染，符合我國(guó)可持續(xù)發(fā)展的基本理念。保養(yǎng)與維護(hù)便捷，消耗成本低，飛機(jī)機(jī)體尺寸小，重量輕，便于攜帶。具備農(nóng)作物圖像實(shí)時(shí)傳輸、作物生長(zhǎng)情況實(shí)時(shí)監(jiān)控功能，同時(shí)兼具自穩(wěn)定性能，不考慮其他因素，其噴灑與地面基本上垂直?？蓪?shí)現(xiàn)半自主起降，將原有模式調(diào)整為姿態(tài)模式、GPS姿勢(shì)模式下，僅需油門(mén)桿操作便可展開(kāi)作業(yè)，如若無(wú)人機(jī)失控，與遙控信號(hào)斷開(kāi)連接，無(wú)人直升機(jī)可自動(dòng)停留在原處，直至信號(hào)恢復(fù)，具有較強(qiáng)的可靠性與靈活性。

成熟完全可靠的無(wú)人直升機(jī)數(shù)量不多，部分廠家為了獲得更多的經(jīng)濟(jì)效益，容易忽視農(nóng)業(yè)作業(yè)的特殊要求，質(zhì)量與效率無(wú)法得到保證。農(nóng)業(yè)種植人員由于受到專業(yè)素質(zhì)的限制，往往會(huì)盲目購(gòu)買(mǎi)，對(duì)不同類(lèi)型的無(wú)人直升機(jī)了解不足，后期操作與維修均相對(duì)困難。加上農(nóng)民對(duì)專業(yè)藥劑知識(shí)掌握不夠，僅憑借以往經(jīng)驗(yàn)擅自盲目的勾兌藥劑，一旦處理不當(dāng)，則會(huì)致使農(nóng)藥超標(biāo)、殘留、應(yīng)用效果差。諸如此類(lèi)因素均在制約著無(wú)人機(jī)在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中的使用。

三、實(shí)際案例

早在2012年，中科院人士便展開(kāi)了農(nóng)業(yè)無(wú)人機(jī)試驗(yàn)，陸續(xù)對(duì)蘇州、新疆伊犁、遼寧法庫(kù)處的水稻、棉花、玉米進(jìn)行農(nóng)藥噴灑，將無(wú)人機(jī)在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中的作業(yè)能力充分呈現(xiàn)出來(lái)，實(shí)現(xiàn)了農(nóng)業(yè)無(wú)人機(jī)的技術(shù)定型與轉(zhuǎn)型。一年后，分別于四川成都、新疆佳木斯、陜西西安等地，先后實(shí)行農(nóng)業(yè)應(yīng)用展示，榮獲“后稷特別獎(jiǎng)”，為后續(xù)研究提供了強(qiáng)有力支持。

四、無(wú)人機(jī)在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中的關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用

（一）大載荷無(wú)人直升機(jī)技術(shù)

精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中的無(wú)人直升機(jī)結(jié)合了國(guó)際上先進(jìn)的主動(dòng)式無(wú)人直升機(jī)設(shè)計(jì)理念，飛行控制人員、直升機(jī)設(shè)計(jì)人員積極配合，一共研發(fā)飛行動(dòng)力數(shù)學(xué)模型，而后參考對(duì)應(yīng)的機(jī)械構(gòu)造，達(dá)到系統(tǒng)設(shè)計(jì)的預(yù)期目標(biāo)。根據(jù)相關(guān)實(shí)驗(yàn)顯示，無(wú)人直升機(jī)的各方面參數(shù)，與其他國(guó)家相比更具合理性，無(wú)人機(jī)處于低空狀態(tài)下，以低速飛行則會(huì)具備更強(qiáng)的穩(wěn)定性。

無(wú)人機(jī)主旋翼優(yōu)先使用OA翼型系列中的一種，油箱為雙油箱，盡可能的將油耗對(duì)飛機(jī)重心造成的影響降到最小，發(fā)動(dòng)機(jī)為汽油機(jī)，安裝在飛機(jī)重心周?chē)?，一般采用消音器后置的方式展開(kāi)設(shè)計(jì)，對(duì)應(yīng)的排氣口需處于遠(yuǎn)離攝像系統(tǒng)位置上，防止無(wú)人機(jī)廢氣對(duì)攝像系統(tǒng)造成污染。攝像系統(tǒng)選擇前置，確保在特定范圍內(nèi)不存在干涉構(gòu)件。旋翼系統(tǒng)為蹺蹺板式，變距鉸為自潤(rùn)滑軸承。在最大限度上降低操縱系統(tǒng)載荷，通過(guò)對(duì)小翼轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的適當(dāng)控制，全面提升無(wú)人機(jī)在空中飛行的穩(wěn)定性。減速箱、主輸出軸中間位置上設(shè)有超越離合器，無(wú)人機(jī)飛行過(guò)程中如若出現(xiàn)停留情況，主旋翼氣動(dòng)自旋，實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)的安全穩(wěn)定著陸。

（二）自動(dòng)跟蹤飛行控制技術(shù)

考慮到無(wú)人機(jī)在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用特點(diǎn)，如施肥、施藥、澆灌等，結(jié)合作業(yè)農(nóng)田真實(shí)地形不平坦的特點(diǎn)，圍繞飛機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)、飛行控制系統(tǒng)兩個(gè)方面，展開(kāi)對(duì)飛機(jī)的有效改造，做到無(wú)人直升機(jī)在一定高度處的自動(dòng)跟蹤飛行控制。從導(dǎo)航系統(tǒng)角度來(lái)講，借助差分全球定位系統(tǒng)，確保相關(guān)數(shù)據(jù)測(cè)量的精準(zhǔn)性，將定位精度控制縮小至厘米級(jí)。從飛行控制系統(tǒng)的角度來(lái)講，格外注意超低空環(huán)境下強(qiáng)地效影響、紊亂氣流影響[2]。建立在線逆動(dòng)力學(xué)模型，對(duì)地效影響進(jìn)行實(shí)時(shí)考察，在線收集并分析氣流影響，根據(jù)辨識(shí)結(jié)果最終確定前饋控制量。

（三）施藥航跡自動(dòng)規(guī)劃技術(shù)

為了盡可能的減輕工作量，減少作業(yè)流程，無(wú)人直升機(jī)有必要實(shí)行系統(tǒng)升級(jí)與優(yōu)化，保證其能夠判定施藥環(huán)境自主調(diào)整航跡，實(shí)施科學(xué)規(guī)劃，經(jīng)過(guò)合理引導(dǎo)后完成設(shè)定任務(wù)。農(nóng)田形狀通常為四邊形，操作人員實(shí)行地面控制，地面控制站位置處確定農(nóng)田相應(yīng)的GPS點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)無(wú)人直升機(jī)每次作業(yè)面積，結(jié)合該區(qū)域農(nóng)田的實(shí)際作業(yè)需求，利用控制器實(shí)現(xiàn)無(wú)人直升機(jī)自動(dòng)航跡規(guī)劃，達(dá)成既定目標(biāo)。

（四）精準(zhǔn)自主流控技術(shù)

低空噴霧作業(yè)過(guò)程中，急需解決的問(wèn)題就是藥液霧化，必須采取針對(duì)性措施增強(qiáng)藥液霧化，降低霧滴漂移可能性，提升霧滴在農(nóng)作物中的穿透性、沉積率，從根本上提高藥劑利用率。密切注意無(wú)人機(jī)在空中的飛行軌跡與狀態(tài)，收集相應(yīng)信息，構(gòu)建精量噴霧決策模型，利用無(wú)人機(jī)獲取的作物生長(zhǎng)信息作出噴灑決策。對(duì)噴灑各參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，包括噴嘴流量、壓力、高壓靜電參數(shù)，盡量取得最佳噴施效果。參照無(wú)人直升機(jī)飛行高度、速度，根據(jù)施藥的具體要求，準(zhǔn)確計(jì)算出噴灑流量。借助PI控制的方式實(shí)現(xiàn)科學(xué)流量控制，維持作業(yè)區(qū)域內(nèi)的藥劑噴灑均勻。

（五）農(nóng)田長(zhǎng)勢(shì)分析技術(shù)

農(nóng)作物生長(zhǎng)過(guò)程中容易受到病蟲(chóng)害侵襲，以小麥植株為例，蚜蟲(chóng)感染小麥后，會(huì)快速吸收小麥汁液，葉片葉綠素明顯下降。另外，蚜蟲(chóng)分泌出的蜜露中含有大量的灰塵與污穢物質(zhì)，長(zhǎng)此以往，小麥葉片呈現(xiàn)出黑亮狀態(tài)，嚴(yán)重阻礙了植株光合作用的進(jìn)行。無(wú)人直升機(jī)飛行期間能夠?qū)Υ祟?lèi)信息全面收集，為后續(xù)治理提供可靠數(shù)據(jù)。為了進(jìn)一步明確蚜蟲(chóng)對(duì)小麥作物的危害性，技術(shù)人員從相應(yīng)數(shù)據(jù)中提取有效信息，比對(duì)蚜蟲(chóng)不同危害程度下的小麥光譜，最終得出結(jié)論：蚜蟲(chóng)危害程度越深，小麥可見(jiàn)光波光譜反射率越小。以此為前提，查找小麥冠層光譜變化規(guī)律，得出蚜蟲(chóng)危害下的光譜指數(shù)，分析不同波段內(nèi)的貢獻(xiàn)大小及其權(quán)重，最終建立并升級(jí)蚜害等級(jí)遙感反演模型，得出結(jié)論：蚜蟲(chóng)病害光譜指數(shù)與蚜蟲(chóng)病害程度具有正相關(guān)關(guān)系。

結(jié)論：綜上所述，無(wú)人機(jī)在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用取得效果較顯著，不但降低了人力消耗、勞動(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)也符合綠色發(fā)展的環(huán)保理念，噴灑農(nóng)藥過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生污染，有利于農(nóng)田的良好生長(zhǎng)。相關(guān)人員應(yīng)掌握無(wú)人機(jī)使用特點(diǎn)，明確精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中無(wú)人機(jī)應(yīng)用的難點(diǎn)，充分發(fā)揮出效果。

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作者簡(jiǎn)介：

林振球 （1984年4月 ）男，籍貫：廣西陸川人，漢族，現(xiàn)職稱：注冊(cè)咨詢工程師（投資），人力資源管理經(jīng)濟(jì)師，學(xué)歷：本科，研究方向：農(nóng)業(yè)機(jī)械化推廣管理和農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)。