潘長天 ， 陳 娜 ， 韋英明 ， 賈亞威

（青島恒星科技學(xué)院，山東 青島 266100）

1 植保無人機發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 國外植保無人機發(fā)展現(xiàn)狀

美國是農(nóng)業(yè)無人機應(yīng)用技術(shù)最成熟的國家之一，現(xiàn)已形成較為完善的農(nóng)業(yè)無人機產(chǎn)業(yè)體系，不僅在機型方面多種多樣，而且在無人機的硬件方面也開展相應(yīng)的研發(fā)創(chuàng)新。美國植保無人機大部分是液壓型噴嘴，能夠保證噴灑相對均勻且操作簡單，容易保養(yǎng)，使用壽命長。美國所有無人機操控員必須獲得駕駛員資格和駕駛農(nóng)業(yè)航空的證書，每年參加技能測試或者無人機操控培訓(xùn)。

俄羅斯耕地面積廣，擁有數(shù)目龐大的農(nóng)用飛機作業(yè)隊伍，數(shù)量高達2.5萬架，作業(yè)機型以人工駕駛的固定翼飛機為主，年作業(yè)量約占總耕地面積45%以上。在俄羅斯，之所以不用或少用植保無人機是由于其農(nóng)場主擁有的耕地面積廣大，而大多數(shù)植保無人機所能承載的農(nóng)藥質(zhì)量不足以完成噴灑整片農(nóng)場，故而植保無人機在俄羅斯的市場占有率較低，大多是政府機構(gòu)派遣公用的直升機或固定翼飛機進行大面積的統(tǒng)一噴灑。

日本農(nóng)戶人均耕地面積較小，地形多山，不適合有人駕駛的小型農(nóng)用飛機作業(yè)，因此日本農(nóng)業(yè)航空也多用植保無人機或者直升機進行噴灑作業(yè)。韓國于2003年首次引進直升機用于農(nóng)業(yè)航空作業(yè)，農(nóng)業(yè)航空作業(yè)面積逐年增加，截至2020年，全國共有農(nóng)用直升機465架(其中農(nóng)用無人機201架，年植保作業(yè)面積65480 hm2，有人駕駛直升機20架，年植保作業(yè)面積36520 hm2)，約80%的飛機歸地方農(nóng)協(xié)所有，個人購買的植保無人機占少數(shù)。

1.2 國內(nèi)無人機發(fā)展現(xiàn)狀

中國農(nóng)業(yè)航空的應(yīng)用水平和發(fā)達國家相比還是有一定差距，其主要表現(xiàn)在兩方面：一是中國的農(nóng)用飛機數(shù)量少(僅占世界農(nóng)用飛機總數(shù)的0.13%)，致使農(nóng)業(yè)航空年處理耕地面積小(約占總耕地面積的1.70%)；二是農(nóng)業(yè)航空配套技術(shù)及政策體系不完善，國家尚沒有制定專門的植保無人機相關(guān)政策，也沒有關(guān)注無人機農(nóng)業(yè)方面的發(fā)展情況，影響了農(nóng)業(yè)航空產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。

制約中國農(nóng)業(yè)航空植保產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要問題包括：國家沒有頒布完善的農(nóng)業(yè)航空政策法規(guī)，沒有系統(tǒng)規(guī)劃農(nóng)業(yè)航空的發(fā)展戰(zhàn)略，對于農(nóng)業(yè)航空的核心科學(xué)技術(shù)研究不足，導(dǎo)致科研人員對于農(nóng)用飛機制造及配套的噴施技術(shù)等基礎(chǔ)科學(xué)的研究和核心技術(shù)的研發(fā)滯后，致使農(nóng)用無人機機型較少，產(chǎn)能不足，更新能力差，無法形成規(guī)模效益，從而導(dǎo)致價格、維護成本偏高，而成本又反作用到銷售，導(dǎo)致需求量減少，反過來影響生產(chǎn)規(guī)模，由此形成惡性循環(huán)[1]。此外，植保無人機配套的噴施設(shè)備性能也比較差，噴出的霧滴譜寬，對植物的有效作用小，資源利用率低。

現(xiàn)有的植保無人機，大多需要專業(yè)的飛行員控制，通過遙控器進行手動的噴灑植保作業(yè)，此類植保無人機的保養(yǎng)費用高且對飛行員的技術(shù)水平要求頗高，因此這類植保無人機在經(jīng)濟方面對于一些中、小型農(nóng)業(yè)個體戶不太友好，而且不易普及，無法真正使“智慧”農(nóng)業(yè)走進千家萬戶，所以現(xiàn)如今為了提高我國航空植保作業(yè)的適應(yīng)性，需要多機型、多作業(yè)方式并舉的智能化植保無人機。

2 智能植保無人機的優(yōu)勢

2.1 無人機的裝備配備

1）硬件方面。優(yōu)化外形結(jié)構(gòu)的設(shè)計，提高抗風(fēng)能力（提高高空作業(yè)的適應(yīng)性），智能植保無人機全身大體積零件均采用碳纖維打造，可以一定程度上減輕無人機的重量，增加無人機的續(xù)航時間和飛行距離；更高的續(xù)航能力、低能耗（智能植保無人機采用了兩塊電池同時充電的方法，相比較于傳統(tǒng)無人機充電時間可以節(jié)約一半以上）；搭載新型減震腳，現(xiàn)有的緩沖支架，絕大部分都利用彈簧使支撐腿能上下移動進行緩沖，但還是會存在震動情況，在碰到地面凹凸不平時，使得兩個支撐腿最底部傾斜有一定的高度差，極易出現(xiàn)翻機現(xiàn)象，通過對緩沖臂的傾斜安裝，并配合減震件的緩沖，可使無人機在降落時能夠起到一個緩沖防震效果，同時在緩沖臂底部設(shè)置的兩個穩(wěn)定件調(diào)節(jié)，使得其在凹凸不平地面停放時，能夠自動進行重心的調(diào)節(jié)，避免無人機傾斜過大，出現(xiàn)傾倒現(xiàn)象，增加無人機的適應(yīng)環(huán)境，延長使用壽命。無人機底部示意圖如圖1所示。

圖1 無人機底部示意圖

2）智能控制方面。通過液位傳感器實時測量藥儲量，當藥物儲量低于一定程度，自動以最短的路徑返回藥物儲藏地；增添電壓測量模塊，可以使無人機實時檢測所剩電量，在電量不足時，該模塊會反饋信息給CPU，通過與攝像頭模塊以及TI-A飛控模塊的結(jié)合，自動尋找最近的落地點；配備WiFi模塊，可與手機端進行連接控制，使用人員只需在手機端進行簡單的操作便能夠驅(qū)動智能植保無人機在大棚或農(nóng)田內(nèi)給定的路線上進行植保作業(yè)，更易于被大眾接受（全自動化、極易操作）；增加MCU模塊，提高飛行姿態(tài)穩(wěn)定性，增加IO口，拓展其他模塊（Zigbee無線傳輸、MPU6050三軸陀螺儀、ATK1218-BD北斗GPS雙定位）。此外，智能植保無人機將由單一化的植保作業(yè)功能向多元化、多功能化發(fā)展，比如軍用偵查、滅火、載物運輸?shù)取?/p>

綜上所述，在傳統(tǒng)無人機的基礎(chǔ)上打造了一款新式的智能植保無人機，其具有作業(yè)高度低(部分機型可貼作物冠層飛行)、環(huán)境污染小、可空中懸停、飄移少等特點，并且可與GPS系統(tǒng)配合實現(xiàn)較高精度的位置定位，旋翼能夠產(chǎn)生增加霧流對作物穿透性的向下氣流，可以提高防治效果，其運行成本低、靈活性高、在非管制空域可隨時起降，不需要專用機場起飛以及駕駛員進行實時操作，不受農(nóng)田四周電線桿、防護林等限制性條件的影響[2]。在植保作業(yè)時可在田間地頭進行起降、維護保養(yǎng)、加油、加注藥液等一系列工作，大大降低了往返機場飛行的時間及燃料的消耗，節(jié)省資源，如果再配備智能化控制系統(tǒng)，無需作業(yè)機組人員進行實地操作，便能夠在給定的路線上進行自動噴灑作業(yè)。

2.2 無人機技術(shù)應(yīng)用

1）主要運用PC控制技術(shù)。利用PC控制技術(shù)，可在無人機飛行過程中通過遙控器直接調(diào)整參數(shù)，亦可通過安卓設(shè)備操控，輕松實現(xiàn)寬視野遠距離飛行。

2）MCU系統(tǒng)LPC54606結(jié)合MPU6050對無人機飛行姿態(tài)形成二次閉環(huán)反饋。

3）利用Zigbee無線傳輸配合GOPRO高清攝像頭采集圖像，通過WiFi連接手機端，進行實時視頻傳輸。

4）利用ATK1218-BD北斗GPS雙定位模塊配合WINDOWS上位機對無人機進行實時定位。

5）通過AUTO-CAD繪制無人機三維視圖、ALTIUM DESIGNER繪制MCU模塊電路板、MATLAB對無人機進行仿真。

6）針對農(nóng)田、公園等起伏不平整的情況，T1-A提供了地形跟隨雷達（Terrain-following radar）模塊，用于實時探測植保機與農(nóng)作物之間的距離，從而實現(xiàn)自動避障功能。

7）機身較小，更容易拆卸存放，相對于傳統(tǒng)無人機，減小了無人機高度，機臂設(shè)計成二次折疊，增加自主研發(fā)的減震腳，能夠在崎嶇路面保持無人機重心穩(wěn)定，保證無人機的正常起落。

8）飛行功能包括區(qū)域飛行、自動避障、AB點作業(yè)模式、低電報警及返航降落保護等內(nèi)置飛行功能。

3 智能植保無人機市場分析

3.1 適用范圍

智能植保無人機主要工作在農(nóng)田之中，在中國南方梯田的復(fù)雜情況下也可以正常作業(yè)。通過網(wǎng)絡(luò)給定智能植保無人機飛行路線，對農(nóng)作物、樹木進行定點定時的巡航噴灑農(nóng)藥作業(yè)，并且擁有AI智能避障功能，可以適應(yīng)多種工作環(huán)境。智能植保無人機可噴灑各類液體類農(nóng)藥，既可根據(jù)農(nóng)戶需要噴施高濃度或低濃度的農(nóng)藥；也可噴殺蟲劑、殺菌劑、除草劑[3]。在無人機識別模式中增加溫度識別系統(tǒng)，當農(nóng)田或大棚內(nèi)發(fā)生意外火災(zāi)之時，可進行快速滅火。

3.2 推廣前景及經(jīng)濟效益預(yù)測

隨著土地流轉(zhuǎn)的推進，我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)越來越走向規(guī)模化、集約化，越來越要求植保機器高效、安全、環(huán)保、適用，而傳統(tǒng)的植保機器難以滿足這些要求，市場迫切需要合適的植保機械，智能植保無人機的出現(xiàn)恰逢其時。國內(nèi)農(nóng)業(yè)植保無人機器目前還在起始階段，鮮有生產(chǎn)植保無人機的大型企業(yè)，智能植保無人機將有廣闊的發(fā)展空間[4]。

隨著時代不斷發(fā)展，智能化、自動化已經(jīng)成為國家的主流，在剛投入智能植保無人機的初期階段可能由于對產(chǎn)品的陌生和價格問題會受到一定阻礙，但經(jīng)過一段時間發(fā)展后，產(chǎn)品的好評會在農(nóng)戶間傳播，發(fā)展到中期就會有各個農(nóng)場主或農(nóng)商企業(yè)單位進行批量購買，而且該無人機成本較低，擁有自主巡航、自動避障、自行噴灑的智能化功能，并且搭載WiFi智能模塊，可以與手機端進行連接，農(nóng)戶便可進行遠程控制，更加簡單易操作，不需要技術(shù)人員進行操控，符合個體農(nóng)戶的基本需求，且該無人機機身較小，能夠進行空中懸停以及自動避障，在環(huán)境復(fù)雜的大棚內(nèi)依然可以正常工作，因此在個體農(nóng)戶市場也占有一席之地。顯而易見，智能植保無人機更加適應(yīng)現(xiàn)在的“智慧”農(nóng)業(yè)，發(fā)展前景良好。