智能植保無人機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)市場分析

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摘要：通過對國內(nèi)外植保無人機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀的調(diào)研，在傳統(tǒng)無人機(jī)的基礎(chǔ)上開創(chuàng)一款運(yùn)行成本低、靈活性高、具有自動(dòng)巡航作業(yè)、自主避障、自行檢測藥儲(chǔ)量、自動(dòng)折返等功能，搭載實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)z像頭，與WiFi模塊和手機(jī)端連接，以此來實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制的智能化植保無人機(jī)。顯而易見，智能植保無人機(jī)更加適應(yīng)現(xiàn)在的“智慧”農(nóng)業(yè)，發(fā)展前景良好。

關(guān)鍵詞：植保無人機(jī)；PC控制；系統(tǒng)設(shè)計(jì)；市場分析

1植保無人機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀

1.1國外植保無人機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀

美國是農(nóng)業(yè)無人機(jī)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(jī)產(chǎn)業(yè)體系，不僅在機(jī)型方面多種多樣，而且在無人機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)作業(yè)隊(duì)伍，數(shù)量高達(dá)2.5萬架，作業(yè)機(jī)型以人工駕駛的固定翼飛機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)在俄羅斯的市場占有率較低，大多是政府機(jī)構(gòu)派遣公用的直升機(jī)或固定翼飛機(jī)進(jìn)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(jī)作業(yè)，因此日本農(nóng)業(yè)航空也多用植保無人機(jī)或者直升機(jī)進(jìn)行噴灑作業(yè)。韓國于2003年首次引進(jìn)直升機(jī)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(jī)465架(其中農(nóng)用無人機(jī)201架，年植保作業(yè)面積65 480 hm²，有人駕駛直升機(jī)20架，年植保作業(yè)面積36 520 hm²)，約80%的飛機(jī)歸地方農(nóng)協(xié)所有，個(gè)人購買的植保無人機(jī)占少數(shù)。

1.2國內(nèi)無人機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀

中國農(nóng)業(yè)航空的應(yīng)用水平和發(fā)達(dá)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(jī)數(shù)量少(僅占世界農(nóng)用飛機(jī)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(jī)相關(guān)政策，也沒有關(guān)注無人機(jī)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(jī)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(jī)機(jī)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(jià)格、維護(hù)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(jī)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?，F(xiàn)有的植保無人機(jī)，大多需要專業(yè)的飛行員控制，通過遙控器進(jìn)行手動(dòng)的噴灑植保作業(yè)，此類植保無人機(jī)的保養(yǎng)費(fèi)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(jī)在經(jīng)濟(jì)方面對于一些中、小型農(nóng)業(yè)個(gè)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(jìn)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(jī)型、多作業(yè)方式并舉的智能化植保無人機(jī)。

2智能植保無人機(jī)的優(yōu)勢

2.1無人機(jī)的裝備配備

1）硬件方面。優(yōu)化外形結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，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(jī)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(jī)的重量，增加無人機(jī)的續(xù)航時(shí)間和飛行距離；更高的續(xù)航能力、低能耗（智能植保無人機(jī)采用了兩塊電池同時(shí)充電的方法，相比較于傳統(tǒng)無人機(jī)充電時(shí)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(dòng)進(jìn)行緩沖，但還是會(huì)存在震動(dòng)情況，在碰到地面凹凸不平時(shí)，使得兩個(gè)支撐腿最底部傾斜有一定的高度差，極易出現(xiàn)翻機(jī)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(jī)在降落時(shí)能夠起到一個(gè)緩沖防震效果，同時(shí)在緩沖臂底部設(shè)置的兩個(gè)穩(wěn)定件調(diào)節(jié)，使得其在凹凸不平地面停放時(shí)，能夠自動(dòng)進(jìn)行重心的調(diào)節(jié)，避免無人機(jī)傾斜過大，出現(xiàn)傾倒現(xiàn)象，增加無人機(jī)的適應(yīng)環(huán)境，延長使用壽命。無人機(jī)底部示意圖如圖1所示。 2）智能控制方面。通過液位傳感器實(shí)時(shí)測量藥儲(chǔ)量，當(dāng)藥物儲(chǔ)量低于一定程度，自動(dòng)以最短的路徑返回藥物儲(chǔ)藏地；增添電壓測量模塊，可以使無人機(jī)實(shí)時(shí)檢測所剩電量，在電量不足時(shí)，該模塊會(huì)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(dòng)尋找最近的落地點(diǎn)；配備WiFi模塊，可與手機(jī)端進(jìn)行連接控制，使用人員只需在手機(jī)端進(jìn)行簡單的操作便能夠驅(qū)動(dòng)智能植保無人機(jī)在大棚或農(nóng)田內(nèi)給定的路線上進(jìn)行植保作業(yè)，更易于被大眾接受（全自動(dòng)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(jī)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(yùn)輸?shù)?。綜上所述，在傳統(tǒng)無人機(jī)的基礎(chǔ)上打造了一款新式的智能植保無人機(jī)，其具有作業(yè)高度低(部分機(jī)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(diǎn)，并且可與GPS系統(tǒng)配合實(shí)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(yùn)行成本低、靈活性高、在非管制空域可隨時(shí)起降，不需要專用機(jī)場起飛以及駕駛員進(jìn)行實(shí)時(shí)操作，不受農(nóng)田四周電線桿、防護(hù)林等限制性條件的影響[2]。在植保作業(yè)時(shí)可在田間地頭進(jìn)行起降、維護(hù)保養(yǎng)、加油、加注藥液等一系列工作，大大降低了往返機(jī)場飛行的時(shí)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(jī)組人員進(jìn)行實(shí)地操作，便能夠在給定的路線上進(jìn)行自動(dòng)噴灑作業(yè)。

2.2無人機(jī)技術(shù)應(yīng)用

1）主要運(yùn)用PC控制技術(shù)。利用PC控制技術(shù)，可在無人機(jī)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(shí)現(xiàn)寬視野遠(yuǎn)距離飛行。2）MCU系統(tǒng)LPC54606結(jié)合MPU6050對無人機(jī)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(jī)端，進(jìn)行實(shí)時(shí)視頻傳輸。4）利用ATK1218-BD北斗GPS雙定位模塊配合WINDOWS上位機(jī)對無人機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)定位。5）通過AUTO-CAD繪制無人機(jī)三維視圖、ALTIUM DESIGNER繪制MCU模塊電路板、MATLAB對無人機(jī)進(jìn)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(dá)（Terrain-following radar）模塊，用于實(shí)時(shí)探測植保機(jī)與農(nóng)作物之間的距離，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)避障功能。7）機(jī)身較小，更容易拆卸存放，相對于傳統(tǒng)無人機(jī)，減小了無人機(jī)高度，機(jī)臂設(shè)計(jì)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(jī)重心穩(wěn)定，保證無人機(jī)的正常起落。8）飛行功能包括區(qū)域飛行、自動(dòng)避障、AB點(diǎn)作業(yè)模式、低電報(bào)警及返航降落保護(hù)等內(nèi)置飛行功能。

3智能植保無人機(jī)市場分析

3.1適用范圍

智能植保無人機(jī)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(jī)飛行路線，對農(nóng)作物、樹木進(jìn)行定點(diǎn)定時(shí)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(jī)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(jī)識(shí)別模式中增加溫度識(shí)別系統(tǒng)，當(dāng)農(nóng)田或大棚內(nèi)發(fā)生意外火災(zāi)之時(shí)，可進(jìn)行快速滅火。

3.2推廣前景及經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測

隨著土地流轉(zhuǎn)的推進(jìn)，我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)越來越走向規(guī)?；⒓s化，越來越要求植保機(jī)器高效、安全、環(huán)保、適用，而傳統(tǒng)的植保機(jī)器難以滿足這些要求，市場迫切需要合適的植保機(jī)械，智能植保無人機(jī)的出現(xiàn)恰逢其時(shí)。國內(nèi)農(nóng)業(yè)植保無人機(jī)器目前還在起始階段，鮮有生產(chǎn)植保無人機(jī)的大型企業(yè)，智能植保無人機(jī)將有廣闊的發(fā)展空間[4]。隨著時(shí)代不斷發(fā)展，智能化、自動(dòng)化已經(jīng)成為國家的主流，在剛投入智能植保無人機(jī)的初期階段可能由于對產(chǎn)品的陌生和價(jià)格問題會(huì)受到一定阻礙，但經(jīng)過一段時(shí)間發(fā)展后，產(chǎn)品的好評會(huì)在農(nóng)戶間傳播，發(fā)展到中期就會(huì)有各個(gè)農(nóng)場主或農(nóng)商企業(yè)單位進(jìn)行批量購買，而且該無人機(jī)成本較低，擁有自主巡航、自動(dòng)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(jī)端進(jìn)行連接，農(nóng)戶便可進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，更加簡單易操作，不需要技術(shù)人員進(jìn)行操控，符合個(gè)體農(nóng)戶的基本需求，且該無人機(jī)機(jī)身較小，能夠進(jìn)行空中懸停以及自動(dòng)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(gè)體農(nóng)戶市場也占有一席之地。顯而易見，智能植保無人機(jī)更加適應(yīng)現(xiàn)在的“智慧”農(nóng)業(yè)，發(fā)展前景良好。

參考文獻(xiàn)：

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[2]許童羽，于豐華，曹英麗，等.粳稻多旋翼植保無人機(jī)霧滴沉積垂直分布研究[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2017，48(10)：101-107.

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[4]張夢龍，吳文明，李元應(yīng).植保無人機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)的改進(jìn)及試驗(yàn)研究[J].南方農(nóng)機(jī)，2019，50(5)：29-30.

作者：潘長天 陳娜 韋英明 賈亞威 單位：青島恒星科技學(xué)院