劉雨豪 , 那 彤
(燕京理工學院,河北 廊坊 065201)
華北平原是我國小麥、玉米、棉花的集中產(chǎn)區(qū)。以河北省為例,河北盛產(chǎn)的農(nóng)作物主要有玉米、小麥等,因其種植范圍廣,會產(chǎn)生大量作物秸稈。秸稈,即作物在收獲籽實后的剩余部分。冬小麥一般在9月中下旬至10月上旬播種,經(jīng)過拔節(jié)、抽穗等生長環(huán)節(jié)到翌年5月底至6月中下旬成熟。每年的5—6月為夏收時節(jié),小麥秸稈會在此時段產(chǎn)生,小麥收割完成后,便開展玉米輪作種植。待到玉米收獲的9—10月,玉米秸稈也隨之產(chǎn)生。資料顯示,秸稈產(chǎn)量近10年來穩(wěn)定在8億噸/年左右,因此,如何安全快速地對秸稈進行處理,成為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)新的聚焦點。
農(nóng)作物秸稈具有量大面廣、性質(zhì)復雜的特性[1]。秸稈作為生物質(zhì)農(nóng)業(yè)廢棄物,其主要特點是集中在農(nóng)田中,是作物的莖葉部分,同時具有植物纖維。由于收割或采摘后快速干枯,具有較高的可燃性,且草木灰中的成分對土地有一定的養(yǎng)分,因此,焚燒成為快速處理秸稈的最有效方式。傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)廢棄物處理方式及存在的問題如表1所示。
表1 傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)廢棄物處理方式及存在的問題
以往傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)小農(nóng)經(jīng)濟自給自足的生產(chǎn)方式,形成了一定的農(nóng)業(yè)廢棄物處理方式,秸稈除了在農(nóng)田焚燒外,還可作為家庭燒火做飯取暖的燃料[2]。但隨著我國農(nóng)村基礎(chǔ)設(shè)施特別是生產(chǎn)性配套設(shè)施的不斷完善,村村通路、通電、通氣,居民生活品質(zhì)得到了極大提高,不再需要大量地燃燒秸稈取暖燒飯,秸稈焚燒現(xiàn)象又逐漸增多,秸稈廢棄物的處理方式又成為新的問題。
以京津冀地區(qū)為例,夏秋時節(jié)霧霾天氣多發(fā),一部分可以歸結(jié)為由燃燒秸稈引發(fā)的大氣污染,助推了霧霾天氣的發(fā)生。由于農(nóng)田廣袤,秸稈的焚燒行為同時也造成了火災隱患。秸稈焚燒還會造成巨大的能源浪費,我國每年因無法利用而被焚燒或廢棄的秸稈超過總量的50%[3]。目前,我國農(nóng)業(yè)廢棄物的主要發(fā)展方向分為肥料化利用、飼料化利用、材料化利用三大方向,其中大范圍的方向可將秸稈作為建筑材料、工業(yè)品原料和生產(chǎn)清潔能源原料,而小范圍對農(nóng)業(yè)廢棄物的再利用有利于當?shù)厝藗兩a(chǎn)、生活,如將秸稈制成隔熱材料或用作種植真菌的培養(yǎng)基等,也成為農(nóng)業(yè)廢棄物利用的新方向。但是,秸稈產(chǎn)生也有其特性,在兩輪耕作期間,茬口期較短,間隔僅為十幾天,需要快速對秸稈進行處理,以便將土地用作下一輪種植[4]。因此,如何監(jiān)測秸稈范圍,組織快速收集,預防秸稈焚燒形成火災險情,顯得尤為重要。
固定翼飛機主要應用于農(nóng)田信息采集和農(nóng)田遙感,具有載量大、飛行速度快、作業(yè)效率高等特點,應用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有以下優(yōu)點:一是大面積的農(nóng)田不利于穿行,而空中區(qū)域沒有任何阻礙;二是空中視野極好,便于監(jiān)測作物長勢;三是播種或噴灑農(nóng)藥時,飛機能夠大面積快速作業(yè),節(jié)省了勞動時間。但是這種飛機作業(yè)也有缺點,需要在農(nóng)田附近提供機場,也需要專業(yè)的飛機駕駛員等。無人機的出現(xiàn)正好彌補了這些不足,機身小巧、隨時起飛,操作性能上以多旋翼為代表的小型無人機有更好的操作性,比農(nóng)用飛機更加靈活。同時,無人機在飛行上還可以針對性地做出懸停、環(huán)繞飛行等智能飛行動作,可更好地滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需要[5]。
無人機使用無線電傳輸技術(shù),將控制信號以電磁波形式傳入飛機進行控制,同時以圖像的形式給飛手展示空中景象,且可以通過飛機多角度觀察。農(nóng)村地區(qū)因沒有障礙物遮擋或其他信號干擾,使用無人機有著極大的優(yōu)勢。在飛行監(jiān)測同時,無人機還可以實時觀測數(shù)據(jù),通過基站網(wǎng)絡,實時傳遞給相關(guān)人員,對田地情況進行準確判斷。無人機更可根據(jù)衛(wèi)星定位,對需要掃描區(qū)域的路線進行自動規(guī)劃,完成后自動返航,極大地降低了使用者的使用門檻[6]。
無人機作為一種智能設(shè)備,如今已廣泛應用于各種場景,其因小巧靈活的造型和強勁的通過性,成為多種行業(yè)的重要工具。因無人機集合了飛行技術(shù)、遙控技術(shù)、通信技術(shù)、定位技術(shù)等多種手段,也漸漸地從單一的集成設(shè)備轉(zhuǎn)換成了適應各場景的載具平臺。僅農(nóng)業(yè)領(lǐng)域,無人機就有播種、打藥、作物生長監(jiān)測等多種用途[7]。此外,無人機還發(fā)展出了“一機多用”“多機并用”的使用模式,更好地發(fā)揮了無人機的智能特性。
綜上所述,對于如何快速對農(nóng)業(yè)廢棄物的數(shù)量及種類進行監(jiān)測,擬采用無人機技術(shù)利用圖像和氣味源的偵測與定位,對秸稈焚燒進行防范。確定位置及數(shù)量,判斷種類,同時做好防火防災預警,及時制止焚燒行為,保障農(nóng)村生活品質(zhì),助力美麗鄉(xiāng)村建設(shè)。
通過調(diào)研分析,了解需求,結(jié)合技術(shù)手段,對方案進行推演,確定了產(chǎn)品基礎(chǔ)造型。無人機外觀涂裝如圖1所示,無人機結(jié)構(gòu)分布如圖2所示。
圖1 無人機外觀涂裝
圖2 無人機結(jié)構(gòu)分布
農(nóng)用無人機目前多用于針對作物病蟲害的農(nóng)藥噴灑,因其要攜帶大量農(nóng)藥藥液,需保證較大的起飛重量,同時其工作范圍普遍超過40 hm2,因此,農(nóng)藥噴灑無人機直徑多為1 m~2 m,結(jié)構(gòu)6~8旋翼,來保證其工作中的穩(wěn)定性。相比較于農(nóng)用噴灑無人機的較大體積,基于秸稈燃燒監(jiān)測的無人機在設(shè)計上沒有較大、較重的部件,因此,靈活性和機動性成為主要的設(shè)計因素?;诖?,采用六旋翼的小型無人機機身設(shè)計,其大小尺寸在0.6 m內(nèi),便于工作人員控制、攜帶與采集信息。
在造型方面,在產(chǎn)品偵測模塊上進行了切割,形成了兩個把手,便于更換快速拆卸,這樣一來便節(jié)省了很多內(nèi)部空間。并在中心區(qū)域采用了頂部與底部卡扣設(shè)計,使兩端緊緊把電池設(shè)備箱固定在無人機上。對底部攝像設(shè)備以及探頭設(shè)置了轉(zhuǎn)軸,使觀察偵測的圖像能夠旋轉(zhuǎn),可以進行360°全方位的田間觀測。
無人機架的上下側(cè)板全部采用了鏤空型設(shè)計,在盡可能保證自身剛性結(jié)構(gòu)和機械強度設(shè)計的基礎(chǔ)上,同時又盡可能有效地減輕重量,起落架采用了外右傾75°角的八字形設(shè)計,以盡量增加機架和下方地面的有效載重和空間。無人機的分布為前方監(jiān)測器、中部電池機及電控設(shè)備、后部氣味探測的相關(guān)結(jié)構(gòu),整個設(shè)備排布呈直線形式,較好地保證了飛行時的平衡。以此為中心,兩側(cè)各分布了3只旋翼支架,搭載高轉(zhuǎn)速無刷電機,為無人機的飛行提供動力。對稱布局能夠防止飛機在飛行中因兩側(cè)受力不同產(chǎn)生的翻覆。六旋翼能提供較大的升力,在飛行中也更加穩(wěn)定,因圖像偵測需要,飛行穩(wěn)定性會對成像效果和數(shù)據(jù)分析產(chǎn)生較大影響。無人機圖像采集設(shè)備如圖3所示,無人機底部探頭如圖4所示。
圖3 無人機圖像采集設(shè)備
圖4 無人機底部探頭
秸稈焚燒監(jiān)測的無人機的主要功能是由搭載在無人機上的各個傳感器來實現(xiàn)的。首先無人機下方的探測器能夠靈活地對飛機下部區(qū)域進行航拍觀測,經(jīng)過無人機微型主機計算后,通過顏色光譜識別農(nóng)田中的秸稈數(shù)量并標記和統(tǒng)計,通過對作物種類判斷和收割完成后地面剩余梗、葉的面積來統(tǒng)計秸稈范圍[8-9]。此外在無人機背部還具有煙霧監(jiān)測裝置,檢測到秸稈焚燒煙霧能夠立即向飛手反饋并報警[10],同時機身還搭載了實時傳輸技術(shù),可以將信息匯總于統(tǒng)計中心,對作物廢棄物進行統(tǒng)一規(guī)劃和集中處理。此外,無人機還搭載了熱傳感器,可以捕捉農(nóng)田中的熱力圖,偵測農(nóng)田中的火災隱患,及時發(fā)現(xiàn)違法的秸稈焚燒活動。
本研究以河北地區(qū)為樣本,通過對農(nóng)業(yè)秸稈廢棄物的產(chǎn)生方式及處理方式進行調(diào)研,將無人機作為載體,形成集秸稈探測及火災預防功能的農(nóng)業(yè)秸稈焚燒監(jiān)測無人機造型設(shè)計方案。本研究致力于提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境保護的力度,更好地促成農(nóng)業(yè)生產(chǎn)生態(tài)的良性循環(huán),以推進農(nóng)村人居環(huán)境整治,助力美麗鄉(xiāng)村建設(shè)。