白耀博 程義

摘? ?要：分析了極飛農(nóng)業(yè)無(wú)人機(jī)的應(yīng)用特點(diǎn)和成本，并對(duì)發(fā)展方式和趨勢(shì)做了分析，以期為相關(guān)領(lǐng)域的深入研究提供參考。

關(guān)鍵詞：農(nóng)業(yè)無(wú)人機(jī);發(fā)展;應(yīng)用

2019年10月，極飛科技發(fā)布2020款新品。極飛植保無(wú)人機(jī)自P系列推出以來(lái)不斷創(chuàng)新，不僅可以噴藥、播種，還能撒肥、投飼，植保無(wú)人機(jī)的功能越來(lái)越豐富多樣，使用場(chǎng)景大大增加，使得植保無(wú)人機(jī)逐漸演變?yōu)檗r(nóng)業(yè)無(wú)人機(jī)。本文從實(shí)際出發(fā)，分析農(nóng)業(yè)無(wú)人機(jī)的作業(yè)效率和效果以及發(fā)展演變，以期為相關(guān)領(lǐng)域的深入研究提供參考。

1? ?農(nóng)業(yè)無(wú)人機(jī)的要求

（1）無(wú)人機(jī)的模塊化設(shè)計(jì)。有了模塊化的設(shè)計(jì)，更換零配件會(huì)比較方便，如果出現(xiàn)一些損壞，也可以快速維修、便捷保養(yǎng)，不耽誤作業(yè)時(shí)間，所以模塊化設(shè)計(jì)是農(nóng)業(yè)無(wú)人機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)配置。

（2）IP67的防護(hù)等級(jí)。在作業(yè)環(huán)境中往往會(huì)有農(nóng)藥、灰塵附著在機(jī)身上，會(huì)影響設(shè)備配件的正常使用，如果無(wú)人機(jī)有IP67 的防護(hù)等級(jí)，就可以將其泡在水里清洗，保持整潔，延長(zhǎng)使用壽命。

（3）高強(qiáng)度的機(jī)身結(jié)構(gòu)。運(yùn)輸過(guò)程比較顛簸，無(wú)人機(jī)會(huì)有一些磕碰，如果無(wú)人機(jī)剛性不夠、強(qiáng)度不夠則非常容易損壞，有了高強(qiáng)度的機(jī)身，才能保證農(nóng)業(yè)無(wú)人機(jī)皮實(shí)耐用，保證作業(yè)效果。

（4）強(qiáng)勁的動(dòng)力和較大的負(fù)載能力。越大的載重就意味著農(nóng)業(yè)無(wú)人機(jī)有越高的作業(yè)效率以及越大的單次作業(yè)面積，所以強(qiáng)勁的動(dòng)力是農(nóng)業(yè)無(wú)人機(jī)需要具備的特性。

（5）可獨(dú)立控制的泵和不會(huì)堵塞的噴頭。農(nóng)業(yè)無(wú)人機(jī)最主要的應(yīng)用場(chǎng)景是植保，如果噴頭不夠精準(zhǔn)、泵不能獨(dú)立控制，則無(wú)法進(jìn)行精準(zhǔn)施藥。同時(shí)，因?yàn)檗r(nóng)藥有粉劑、懸浮劑等各種劑型，如果用傳統(tǒng)的壓力噴頭很容易堵塞，作業(yè)效率會(huì)大打折扣，所以不堵塞的噴頭也是農(nóng)業(yè)無(wú)人機(jī)非常重要的一個(gè)特性。

（6）靈活滿足不同的作業(yè)環(huán)境。北方作業(yè)面積非常大，需要攜帶大的藥箱一次作業(yè)，這樣作業(yè)成本也更低;而南方由于地形復(fù)雜、地塊分散，需要選擇小藥箱、小負(fù)載，這樣耗電量不會(huì)過(guò)大，也能得到非常不錯(cuò)的作業(yè)效果。所以不同載荷、靈活選配也是農(nóng)業(yè)無(wú)人機(jī)需要具備的特性。

2? ?作業(yè)效率與質(zhì)量

2.1? ?無(wú)人機(jī)的作業(yè)效率主要取決于無(wú)人機(jī)的飛行速度和噴幅

飛行速度乘以噴幅，就等于單位作業(yè)面積，飛速越快或噴幅越大，無(wú)人機(jī)的作業(yè)效率就越高。極飛P系列植保無(wú)人機(jī)擁有12 m/s最大飛行速度，當(dāng)然不是所有的農(nóng)業(yè)作業(yè)都適合用這么快的速度，大部分是5～6 m/s，有一些特殊的作業(yè)環(huán)境可以升到12 m/s，可根據(jù)實(shí)際需要來(lái)調(diào)整優(yōu)化[1]。

無(wú)人機(jī)的噴幅也是影響效率的一個(gè)非常重要的指標(biāo)。當(dāng)無(wú)人機(jī)飛行在空中的時(shí)候，通過(guò)螺旋槳產(chǎn)生的氣流會(huì)有一個(gè)下壓力，在螺旋槳正下方4～4.5 m寬的區(qū)域，借助此壓力噴灑農(nóng)藥會(huì)更好地穿透在農(nóng)作物的中下層，作物上會(huì)有15個(gè)/m2藥液霧滴，這個(gè)區(qū)域叫做精噴區(qū)，防治效果最好。在病蟲(chóng)草害嚴(yán)重的情況下使用精噴的方式來(lái)防治。精噴區(qū)的兩側(cè)還有快噴區(qū)，就是飛行時(shí)氣流卷起來(lái)的區(qū)域，對(duì)于一般的病蟲(chóng)草害，可以通過(guò)快噴進(jìn)行快速有效防治，但快噴并沒(méi)有精噴的穿透力，其主要是噴灑在作物表面，大約至少有5個(gè)/m2藥液霧滴。

2.2? ?作業(yè)質(zhì)量是由滲透霧化和噴頭共同決定

極飛無(wú)人機(jī)使用的是離心霧化噴頭，這種噴頭有非常好的覆蓋率，一個(gè)噴頭相當(dāng)于幾個(gè)普通噴頭的工作效率，整個(gè)噴藥過(guò)程都可以精準(zhǔn)控制、自動(dòng)調(diào)節(jié)、變量施藥，同時(shí)不影響霧化顆粒的大小。以極飛無(wú)人機(jī)測(cè)定，在用藥量為800 mL/667 m2、飛行高度2.5 m、飛行速度6 m/s、噴幅4.5 m的條件下，其精噴效率是9.67 hm2/h，而以7 m/s的飛行速度、7 m的噴幅來(lái)計(jì)算快噴效率，最大能達(dá)到17.6 hm2/h。這是用來(lái)衡量無(wú)人機(jī)的基本飛行性能的指標(biāo)，屬理論作業(yè)效率，不代表實(shí)際作業(yè)效率。最終的實(shí)際作業(yè)效率是由無(wú)人機(jī)的基本性能和實(shí)際作業(yè)能力共同決定。比如轉(zhuǎn)場(chǎng)速度夠不夠快、電池夠不夠用，或者能不能很好地判斷病蟲(chóng)草害情況，一些小故障能不能及時(shí)解決，這些都會(huì)影響實(shí)際作業(yè)效率。所以，理論作業(yè)效率只是決定無(wú)人機(jī)的基本性能，而最終的實(shí)際效率還要由自身實(shí)際作業(yè)的情況來(lái)決定。

3? ?發(fā)展方向和趨勢(shì)

在過(guò)去5年時(shí)間里，無(wú)人機(jī)的農(nóng)業(yè)應(yīng)用發(fā)展很快，從原來(lái)只能載6 L的藥量到今天20 L容量，機(jī)體結(jié)構(gòu)越做越大，基本性能越來(lái)越好。而在未來(lái)的幾年里，無(wú)人機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)方面可變的空間比較小，體積會(huì)更大、結(jié)構(gòu)再?gòu)?qiáng)化一些，但無(wú)人機(jī)的整體結(jié)構(gòu)以及發(fā)展方向不會(huì)有很大的變化。

3.1? ?全自主、全地形飛行

首先需要通過(guò)一個(gè)航測(cè)的無(wú)人機(jī)（比如極俠），提前把環(huán)境的數(shù)據(jù)信息采集好，這樣農(nóng)業(yè)無(wú)人機(jī)在作業(yè)時(shí)，就能像人一樣知道前面的地是有起伏的，以便提前規(guī)劃飛行航線，調(diào)整飛行姿態(tài)，然后就可以在各種復(fù)雜地形下安全、高效地飛行作業(yè)，完全不需要自身的傳感器來(lái)輔助，同時(shí)也能達(dá)到最優(yōu)的作業(yè)效率。

3.2? ?自動(dòng)識(shí)別、躲避障礙

無(wú)人機(jī)能否在地里躲避障礙物、能不能更好地繼續(xù)飛行，都會(huì)影響作業(yè)效率。未來(lái)幾年，無(wú)人機(jī)在這件事情上會(huì)快速變化，越來(lái)越完善。

3.3? ?精準(zhǔn)飛行作業(yè)

過(guò)去幾年RTK導(dǎo)航技術(shù)、離心噴頭、蠕動(dòng)泵等已經(jīng)應(yīng)用在無(wú)人機(jī)上，這些都是為了讓無(wú)人機(jī)更加精準(zhǔn)地飛行作業(yè)，厘米級(jí)的定位精度可以給每一株作物均勻地、變量地噴灑農(nóng)藥。未來(lái)幾年，無(wú)人機(jī)不僅更加精準(zhǔn)，還會(huì)擁有自主思考能力，比如與人工智能技術(shù)結(jié)合，會(huì)變得更加智能。通過(guò)極俠采集的三維地形數(shù)據(jù)，植保無(wú)人機(jī)對(duì)作業(yè)環(huán)境實(shí)時(shí)感知，靈活應(yīng)對(duì)起伏地形、自主躲避電線桿等障礙物，不管怎樣的地形、作物等因素，極飛無(wú)人機(jī)都可以進(jìn)行精準(zhǔn)、高效地噴藥作業(yè)。有一點(diǎn)還需要注意的是，無(wú)論雷達(dá)是全向感知還是四維感知，在精度上都還不能識(shí)別1 cm以下的障礙物，但極飛XP 2020款搭載 MIMO 4D 成相雷達(dá)，最多同時(shí)可探測(cè)128個(gè)障礙物，識(shí)別精度高達(dá) 1 cm，其無(wú)懼電線阻擋。

4? ?無(wú)人機(jī)的操控

目前所有的植保無(wú)人機(jī)都有全自主飛行的能力。因?yàn)橐粋€(gè)人看清百米外的無(wú)人機(jī)是不是精準(zhǔn)飛行幾乎不可能，所以只有先把地塊圈出來(lái)，用自主飛的方式才有可能精準(zhǔn)施藥。極飛認(rèn)為效果第一、效率第二，沒(méi)有好的效果，效率再高也是沒(méi)用的。另外，隨著無(wú)人機(jī)越來(lái)越普及，越來(lái)越多的小地塊也需要使用農(nóng)業(yè)無(wú)人機(jī)，比如一塊地只有30 m寬、50 m長(zhǎng)，那如何在這個(gè)小地方上作業(yè)，這時(shí)如果有一款好用的、簡(jiǎn)單的遙控器操控?zé)o人機(jī)打藥就方便了。所以一款好的農(nóng)業(yè)無(wú)人機(jī)要有遙控飛行能力，更要有自主飛行能力，以自主飛行為主、遙控飛行為輔，只有這樣的無(wú)人機(jī)才能滿足未來(lái)幾年無(wú)人機(jī)的發(fā)展要求。

小地塊作業(yè)不好打是因?yàn)殡m然有遙控器，但是不會(huì)用、用不好、容易炸機(jī)。雙手控制、帶2個(gè)搖桿的遙控器操作讓飛機(jī)飛起來(lái)是較為簡(jiǎn)單的，能夠非常輕松地應(yīng)對(duì)危機(jī)的各種操作，但是需要很長(zhǎng)時(shí)間來(lái)學(xué)習(xí)，甚至需要用炸機(jī)的操作事故才能換來(lái)經(jīng)驗(yàn)的成長(zhǎng)，所以很多人用這種遙控器是無(wú)法靈活操作無(wú)人機(jī)的。極飛設(shè)計(jì)出像電視遙控器一樣的單手遙控器，面板按鍵操作簡(jiǎn)單，短時(shí)間內(nèi)就能學(xué)會(huì)使用，一只手就可以非常輕松地遙控?zé)o人機(jī)前、后、左、右飛行。在小塊地作業(yè)時(shí)，不用測(cè)地也能直接手控飛行。同時(shí)在單手遙控器上附加了一個(gè)測(cè)繪模塊，把原來(lái)5 000 g的測(cè)繪桿變成了不到500 g重的設(shè)備，可以非常輕松地在農(nóng)田里面打點(diǎn)測(cè)繪。

5? ?無(wú)人機(jī)的主要成本

無(wú)人機(jī)成本包括3部分：購(gòu)機(jī)成本、維修保養(yǎng)成本、電池使用成本。首先定價(jià)便宜的無(wú)人機(jī)，僅是購(gòu)機(jī)成本不等于其總成本也低。因?yàn)闊o(wú)人機(jī)是工具，買(mǎi)完以后還要使用，如果使用成本很高，那所買(mǎi)的“便宜”最終還是“貴”，所以要選擇“使用成本”更低的無(wú)人機(jī)。

整個(gè)使用過(guò)程中，電池是無(wú)人機(jī)最主要的成本，充電效率（充電時(shí)間）和電池使用壽命最終決定了電池使用成本。如果電池的充電效率非常低（充電時(shí)間長(zhǎng)），需要買(mǎi)很多的充電器，因此購(gòu)機(jī)成本變高;另一個(gè)是電池使用壽命，不管保障多少月、幾百次循環(huán)，在使用過(guò)程中，如果電池使用壽命終結(jié)成本就會(huì)很高。要快速充滿1組電池，降低電池成本，必須滿足3個(gè)條件。

5.1? ?充電倍率

必須有3倍率以上超充能力的電池。電池有個(gè)特性叫做充電倍率，1倍率充電就是1 h能充滿電，2倍率充電就是30 min能充滿電，3倍率充電就是20 min能充滿電，這里充滿是指從0%充100%。而實(shí)際使用無(wú)人機(jī)的時(shí)候往往會(huì)在還有30%電量時(shí)就降落，所以從30%充到95%，1倍率就是45 min，2倍率是22 min，3倍率是12 min。極飛新推出的B13860S超充電池就可以2倍率充電，并且擁有IP67防水性能，也就是說(shuō)這款超充智能電池，具備能夠12 min充滿電的特性，并且適用于極飛所有P系列的植保無(wú)人機(jī)。

5.2? ?充電設(shè)備

必須有足夠大功率的充電設(shè)備，在十幾分鐘內(nèi)充滿1個(gè)電池。2019年極飛推出的充電器能夠以2 500 W的功率輸出、15 min把電池從0%充到95%的電量。2 500 W是常見(jiàn)的插頭功率的最大值，在家里、酒店等環(huán)境下充電時(shí)，超過(guò)2 500 W的功率很有可能會(huì)燒掉插頭，產(chǎn)生安全問(wèn)題，所以2 500 W基本屬于這類充電器的極限功率。幾乎所有農(nóng)業(yè)無(wú)人機(jī)的用戶都需要買(mǎi)發(fā)電機(jī)，根據(jù)這個(gè)需求，極飛做了一款發(fā)電機(jī)叫燃油充電站，由1個(gè)發(fā)電機(jī)、2個(gè)充電器共同組成，這是汽油發(fā)電機(jī)，是目前市面上能買(mǎi)到的同級(jí)別中發(fā)電效率最高、體積最小、重量最輕的。其一，這款發(fā)電機(jī)重量只有26.5 kg，加滿油有30 kg，1個(gè)人可以很輕松地搬走。其二，其比傳統(tǒng)汽油發(fā)電機(jī)的發(fā)電效率高30%，同時(shí)有3 000 W的功率輸出，能夠用12 min把一塊B13860S超充電池從0%充至100%的電量，而從30%充到95%的電量，只需10 min即可。其三，要有足夠強(qiáng)的散熱能力，減少散熱等待時(shí)間。飛行、充電過(guò)程中電池會(huì)發(fā)熱，電池溫度散熱至45 ℃以下后才能充電。17年極飛產(chǎn)品都是自然散熱，通過(guò)飛行的氣流、地面上靜置，自然地跟空氣接觸進(jìn)行散熱，如果電池溫度過(guò)高，則需要40 min甚至更長(zhǎng)的散熱時(shí)間。2018年末推出風(fēng)能散熱，風(fēng)扇裝置20 min就能夠把電池內(nèi)部的熱量抽出來(lái)。而2019年B13860S超充電池引入水冷散熱，通過(guò)把電池放到水里來(lái)提高散熱效率，電池必須有IP67的防水性能，能夠泡在水里，一邊充電一邊散熱。

5.3? ?使用壽命

決定電池使用成本的除了上面所說(shuō)的充電效率以外，還有一個(gè)就是電池使用壽命。尤其需要注意的是，電池的保障循環(huán)次數(shù)和保障時(shí)間。如購(gòu)買(mǎi)4個(gè)電池，每個(gè)電池1年可能只用300次循環(huán)就過(guò)了保障時(shí)間，所以承諾再多的保障循環(huán)次數(shù)是沒(méi)有用的，因?yàn)楸Ｕ蠒r(shí)間是先到期的，保障循環(huán)次數(shù)是后到。極飛提供的保障循環(huán)次數(shù)是農(nóng)業(yè)無(wú)人機(jī)在滿載20 kg持續(xù)飛行下的數(shù)據(jù)，如果選擇配備2組極飛超充電池，按照正常作業(yè)來(lái)講，1組電池12個(gè)月內(nèi)是能用到超過(guò)500循環(huán)的，承諾保500循環(huán)或12個(gè)月才是有用的，只有物盡其用，成本才是最低。

參考文獻(xiàn)：

[ 1 ] 極飛科技.極飛科技P系列2019款植保無(wú)人機(jī)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械，2019（2）：124-125.