徐 嵐

(沈陽城市建設學院,遼寧 沈陽 110167)

0 引言

近年來,我國植保無人機保有量呈逐年增多趨勢,相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示,2016年,我國植保無人機保有量為6 500架,截至2019年12月,我國生產(chǎn)各類植保無人機總計達到170余種,保有量5.5萬余架,作業(yè)面積突破8.5億畝次。2020年,我國植保無人機數(shù)量達到10萬架,2021年達到16萬架[1]。隨著科技的不斷進步和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需求的不斷增長,農(nóng)業(yè)無人機技術(shù)逐漸得到了廣泛應用。農(nóng)業(yè)無人機使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)工作變得更加安全、高效和環(huán)保,但是在實際應用中也存在一些短板和挑戰(zhàn),需要進一步研究和解決。

1 農(nóng)業(yè)無人機技術(shù)現(xiàn)狀分析

1.1 技術(shù)發(fā)展水平

農(nóng)業(yè)無人機在傳感器、自動化操作、數(shù)據(jù)處理和分析等方面已經(jīng)取得了顯著的進展。

在傳感器技術(shù)方面,目前,應用于農(nóng)業(yè)的無人機大多數(shù)搭載了多光譜、紅外、熱像等傳感器,可以獲取高分辨率的圖像和數(shù)據(jù),實現(xiàn)對農(nóng)田和作物的精準監(jiān)測和分析。多光譜傳感器可以測量不同波長的光線,從而獲取農(nóng)田的植被指數(shù)、土壤含水量、氮素含量等信息,以此幫助農(nóng)民掌握農(nóng)田、果園、葡萄園和森林等不同農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的作物生長情況,調(diào)整作物的施肥、灌溉和病蟲害防治措施,提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的效率和質(zhì)量;紅外傳感器可以測量農(nóng)田的溫度分布,從而判斷作物的生長情況和病蟲害的發(fā)生情況,該技術(shù)的應用可以幫助農(nóng)民及時發(fā)現(xiàn)作物的異常情況,采取相應的措施進行治理,避免作物的死亡和損失;熱成像傳感器可以準確地捕捉各種農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境中的熱量分布,并且進行植物病害診斷、水資源管理、灌溉調(diào)控,及時發(fā)現(xiàn)和定位農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境中的問題,為農(nóng)民提供決策依據(jù)。

在自動化操作方面,現(xiàn)在的無人機已經(jīng)可以做到通過預設的航線和任務參數(shù),根據(jù)農(nóng)田的形狀和大小,自動計算最優(yōu)的飛行路徑,并考慮飛行高度、飛行速度等因素,通過飛行控制系統(tǒng)實現(xiàn)自動起飛和降落;可以配備噴灑和施肥設備,實現(xiàn)自動化的植保和施肥操作,并根據(jù)農(nóng)田的需求和作物的生長情況,自動調(diào)整噴灑和施肥的劑量和方式;可以通過激光雷達、超聲波傳感器等技術(shù),實現(xiàn)自動懸停和懸停穩(wěn)定性,并且可以檢測障礙物和自動避開障礙物。

在數(shù)據(jù)處理和分析方面,現(xiàn)在的農(nóng)業(yè)無人機已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)圖像處理、數(shù)據(jù)分析和模型建立等功能,通過獲取的大量圖像和數(shù)據(jù)需要進行處理和分析,來提取有用的信息對作物的生長狀態(tài)、病蟲害情況等進行準確的評估和預測。

1.2 應用場景

目前,在中國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中,很多農(nóng)村地區(qū)都在采用人工作業(yè)和機器設備作業(yè)方式來進行農(nóng)作物病蟲害防治,小巧靈活的無人機在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)應用中的優(yōu)勢逐漸凸顯[2]。

農(nóng)業(yè)無人機已經(jīng)廣泛應用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的各個環(huán)節(jié),可以搭載多光譜、紅外等傳感器,獲取農(nóng)田的地形、植被、土壤質(zhì)量等信息對農(nóng)田進行勘測和土壤分析;可以定期飛行并拍攝農(nóng)田的高分辨率圖像,通過圖像處理和分析技術(shù),對作物的生長狀態(tài)、病蟲害情況等進行監(jiān)測和評估;可以搭載噴霧設備,對農(nóng)田進行精確的病蟲害防治或施肥和噴藥;可以搭載多光譜傳感器,對農(nóng)田的植被覆蓋和土壤濕度進行監(jiān)測,通過數(shù)據(jù)分析和處理,實現(xiàn)農(nóng)田的灌溉管理;可以搭載氣象傳感器和空氣采樣設備,對農(nóng)田的氣象條件、空氣質(zhì)量等進行監(jiān)測。

1.3 技術(shù)優(yōu)勢

在科學技術(shù)不斷發(fā)展的過程中,無人機遙感技術(shù)開始發(fā)揮出其優(yōu)勢,現(xiàn)階段,已將無人機應用到多個項目的研究中。在實踐期間,主要利用遙感來實現(xiàn)對無人機的控制,并且依托計算機技術(shù)、圖像攝影技術(shù)等完成測量工作,在這種模式下,可展現(xiàn)出無人機技術(shù)的安全性和可靠性[3]。

農(nóng)業(yè)無人機具有高效性。農(nóng)業(yè)無人機的速度可以使其在較短的時間內(nèi)覆蓋大面積的農(nóng)田完成農(nóng)業(yè)作業(yè);自動化操作技術(shù)可以代替大部分人工操作,為農(nóng)業(yè)工作人員節(jié)省時間;農(nóng)業(yè)無人機可以通過其搭載的多光譜傳感器和數(shù)據(jù)處理分析功能來實現(xiàn)精準灌溉、施肥和噴灑農(nóng)藥,以此來避免農(nóng)業(yè)資源的浪費。

農(nóng)業(yè)無人機具有精確性。農(nóng)業(yè)無人機可以根據(jù)預定航線和任務進行飛行,并在指定時間到達指定的位置執(zhí)行相應的農(nóng)業(yè)操作,這樣可以保證農(nóng)田被充分覆蓋;農(nóng)業(yè)無人機可以通過其搭載的各種傳感器來實時采集和記錄農(nóng)作物生長情況、土壤質(zhì)量、空氣質(zhì)量和病害蟲情況等農(nóng)田信息;根據(jù)采集到的信息,農(nóng)業(yè)無人機可以通過其數(shù)據(jù)處理和分析功能來對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計、比對和模型分析,給農(nóng)業(yè)工作人員提供準確的結(jié)論和決策。

農(nóng)業(yè)無人機具有環(huán)保性。農(nóng)業(yè)無人機可以通過精準施肥噴藥來減少化學農(nóng)藥和化學肥料的使用,減少對土地的破壞和對土壤的侵蝕,提高農(nóng)業(yè)資源的利用率,使農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

2 農(nóng)業(yè)無人機技術(shù)存在的短板

2.1 飛行時間和荷載能力存在不足

農(nóng)業(yè)無人機存在的飛行時間和荷載能力不足是當前技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)之一。飛行時間不足會造成無人機在單次飛行作業(yè)中覆蓋范圍小、作業(yè)效率低等問題。荷載能力不足則會導致無人機農(nóng)業(yè)資源攜帶量少、可搭載的傳感器種類少。造成飛行時間不足和荷載能力不足的主要原因是供能不足,不能支持無人機進行長時間高荷載的運動。目前的無人機的供能方式主要分為電動、油動和光動3種,電動無人機占據(jù)了主流位置,原因是農(nóng)業(yè)無人機的工作環(huán)境大多都較為嚴苛,油動無人機很難在嚴苛的環(huán)境下工作,而光動無人機則是因為轉(zhuǎn)化效率不高,并且會增加無人機的重量。歸根結(jié)底供能不足還是因為電池技術(shù)不行。

2.2 數(shù)據(jù)處理分析能力不足

由于農(nóng)業(yè)無人機可以通過搭載多種傳感器來采集多種農(nóng)田數(shù)據(jù),這不可避免地會造成農(nóng)業(yè)無人機采集到的數(shù)據(jù)量大且復雜,但是因為農(nóng)業(yè)無人機的計算資源有限,不具備高效快速地處理這么龐大且復雜的數(shù)據(jù)的能力。并且農(nóng)業(yè)無人機數(shù)據(jù)處理和分析算法相對簡單,往往只能進行一些基本的數(shù)據(jù)處理和圖像分析,無法進行更復雜的數(shù)據(jù)挖掘和模型建立,也無法進行更深更廣的數(shù)據(jù)處理和分析,這些都會導致其無法提供更精準的信息和及時的決策輔助。

2.3 飛行高度精度不足

農(nóng)業(yè)無人機在飛行過程中,通常使用氣壓傳感器或GPS高度測量模塊來獲取飛行高度。但是這會存在一些誤差,如果是在嚴苛的環(huán)境下,這個問題將會更加凸顯。必須密切關(guān)注氣象條件,避免在強風、降雨、大霧等惡劣天氣下進行無人機航攝,不良氣象條件會影響無人機的穩(wěn)定性和圖像質(zhì)量,可能導致測量數(shù)據(jù)的不準確[4]。并且農(nóng)業(yè)無人機的飛行控制系統(tǒng)性能一般,會導致其在飛行過程中出現(xiàn)一些波動,而這些波動將會直接導致農(nóng)業(yè)無人機采集到的數(shù)據(jù)不夠精準。

2.4 高昂的成本和技術(shù)門檻

目前,農(nóng)業(yè)無人機技術(shù)還在快速發(fā)展的階段,難免會有一些生產(chǎn)技術(shù)不夠成熟,這也導致了無人機本身以及相關(guān)配件價格的提高,如傳感器和數(shù)據(jù)處理分析軟件等。想要實現(xiàn)農(nóng)業(yè)無人機極致的穩(wěn)定飛行能力、數(shù)據(jù)采集能力和數(shù)據(jù)處理分析能力,這不可避免地會拉高成本,并且由于農(nóng)業(yè)無人機的工作環(huán)境比較苛刻,所以維修保養(yǎng)的成本也是一筆不可忽視的開支。農(nóng)業(yè)無人機還存在著不低的技術(shù)門檻,要求操作人員掌握一定的飛行技術(shù)和飛行安全規(guī)范來保證農(nóng)業(yè)無人機的安全工作,還要求操作人員掌握數(shù)據(jù)處理分析軟件的應用,這些限制會導致很多農(nóng)民對此望而卻步。

3 解決農(nóng)業(yè)無人機技術(shù)上不足的對策

3.1 改進電池技術(shù),改用更輕的材料制作無人機

目前無人機一般使用的是鋰離子電池,但是鋰離子電池存在能量密度低、續(xù)航時間長和需要頻繁更換等問題,所以可以改用鋰聚合物電池。鋰聚合物電池對比鋰離子電池具有高能量密度、輕量化和可再生等優(yōu)點,這意味著鋰聚合物電池可以儲存更多能量和減輕無人機重量。但是值得注意的是,鋰聚合物電池的壽命較短,且會在充放電過程中發(fā)熱,存在一定火災隱患。其次,也可以選擇鎂離子電池,鎂離子電池具有高能量密度、環(huán)?？沙掷m(xù)、快速充電和耐高溫的性能,但是同樣也存在一些缺點,例如:鎂離子電池技術(shù)還是一個相對較新的技術(shù),商業(yè)化不足,生產(chǎn)成本高,并且穩(wěn)定性不足;體積較大、較重,會加重無人機的重量;電壓輸出較低,與當前無人機系統(tǒng)不適配。在無人機電池方面還需要更加深入的探索,并且對無人機進行合理的飛行規(guī)劃,使得無人機能夠在最小的飛行能耗內(nèi)完成數(shù)據(jù)收集[5]。在農(nóng)業(yè)無人機的結(jié)構(gòu)材料方面,可以采用碳纖維復合材料來代替金屬材料,用鈦合金來制作關(guān)鍵部件以達到抗風耐用的效果。

高轉(zhuǎn)化效率、高集成度的氫燃料電池技術(shù)的開發(fā)和高儲氫密度、輕量化的儲氫材料的研發(fā),是無人機用氫燃料電池未來的重點研究方向;通過無人機飛行過程中燃料電池管理系統(tǒng)的智能優(yōu)化, 根據(jù)無人機飛行任務設定合理的無人機飛行路線及輸出功率,同時建立移動無人機機巢方便其換電過程,是未來提升燃料電池無人機續(xù)航能力的研究方向[6]。

3.2 引入新技術(shù),優(yōu)化原有技術(shù)

優(yōu)化無人機的處理器和存儲設備、使用并行計算技術(shù)、采用高速數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)等方法來提高計算速度和存儲容量,這樣可以儲存更多的信息和更高效的處理數(shù)據(jù),進一步提高其在農(nóng)田監(jiān)測和作物管理中的應用效果;優(yōu)化無人機的數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)以減少數(shù)據(jù)處理的延遲,使用硬件加速技術(shù),通過在硬件上實現(xiàn)特定的計算任務,進一步提升數(shù)據(jù)處理速度;優(yōu)化數(shù)據(jù)儲存和管理系統(tǒng),使其能夠快速存取數(shù)據(jù)來提升數(shù)據(jù)挖掘和分析能力。引入更高效的數(shù)據(jù)挖掘算法,根據(jù)無人機的特點和需求針對性地開發(fā)算法,使算法更加適用、高效;引入機器學習和人工智能技術(shù),通過訓練來使無人機實現(xiàn)自動識別和分類采集到的有效信息。

3.3 優(yōu)化傳感器和飛行控制系統(tǒng)

使用更精密的傳感器并且優(yōu)化傳感器數(shù)據(jù)融合算法,通過濾波、融合算法和模型預測等技術(shù)提高傳感器數(shù)據(jù)的準確性和穩(wěn)定性,以此為飛行控制系統(tǒng)提供更精確的數(shù)據(jù)。開發(fā)自動飛行控制算法,通過分析傳感器傳回的數(shù)據(jù)自動調(diào)整飛行姿態(tài)和飛行路徑來彌補數(shù)據(jù)的延遲和人工操控的不足。引入避障技術(shù),通過雷達來避開障礙,使得無人機飛行更加安全,減少失控情況的發(fā)生。對系統(tǒng)進行調(diào)試和校準,優(yōu)化升級系統(tǒng),以此提高飛行控制系統(tǒng)和傳感器的性能。

3.4 保證性能的前提下,提升技術(shù),降低技術(shù)門檻和成本

首先,使用者可以通過租賃、共享等方式降低農(nóng)業(yè)無人機本身的成本,研發(fā)人員則可以通過研究更輕、更堅固和更經(jīng)濟的材料來降低無人機的制造成本,同時通過3 D打印、自動化組裝等技術(shù)來提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本,從源頭上降低農(nóng)業(yè)無人機的成本。其次,可以改進傳感器的性能,盡量用更少的成本來達到更高的性能。電池技術(shù)也需要繼續(xù)深入研究,目前的各種農(nóng)業(yè)無人機電池技術(shù)還存在著不少缺點,這需要繼續(xù)研究改進。同時,電池的壽命也需要延長,這能夠減少農(nóng)業(yè)無人機更換配件的附加費用。借助云計算和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),實現(xiàn)農(nóng)業(yè)無人機和信息處理設備的無縫連接和數(shù)據(jù)共享,以此來降低技術(shù)門檻和成本負擔。研發(fā)更智能可靠的自動飛行控制系統(tǒng)來降低對飛行控制技術(shù)的要求。最后,發(fā)布相關(guān)的培訓課程并引導更多人學習農(nóng)業(yè)無人機的基本操作養(yǎng)護知識,與農(nóng)業(yè)公司、農(nóng)民組織和政府組織建立合作關(guān)系,共同推進農(nóng)業(yè)無人機技術(shù)操作經(jīng)驗的共享和推廣。

4 結(jié)語

總的來說,雖然農(nóng)業(yè)無人機技術(shù)逐漸地被廣泛使用,但是各種技術(shù)還是存在一定的不足,目前農(nóng)業(yè)無人機的續(xù)航能力仍然是一個難點,還需要繼續(xù)在電池技術(shù)上攻堅克難,或者尋找更合適的供能方式。農(nóng)業(yè)無人機在飛行路徑規(guī)劃的算法上還需要進一步改進,保證無人機在飛行過程中的安全。農(nóng)業(yè)無人機技術(shù)還是存在門檻高的問題,導致推廣受阻,如何降低門檻、廣泛推廣也是一個不能忽視的問題。