智能植保無人機系統(tǒng)設計市場分析
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摘要：通過對國內(nèi)外植保無人機發(fā)展現(xiàn)狀的調(diào)研，在傳統(tǒng)無人機的基礎上開創(chuàng)一款運行成本低、靈活性高、具有自動巡航作業(yè)、自主避障、自行檢測藥儲量、自動折返等功能，搭載實時監(jiān)控攝像頭，與WiFi模塊和手機端連接，以此來實現(xiàn)遠程控制的智能化植保無人機。顯而易見，智能植保無人機更加適應現(xiàn)在的“智慧”農(nóng)業(yè)，發(fā)展前景良好。
關鍵詞：植保無人機；PC控制；系統(tǒng)設計；市場分析
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)無人機應用技術最成熟的國家之一，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。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65 480 hm²，有人駕駛直升機20架，年植保作業(yè)面積36 520 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政策，也沒有關注無人機農(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)航空的核心科學技術研究不足，導致科研人員對于農(nóng)用飛機制造及配套的噴施技術等基礎科學的研究和核心技術的研發(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，從而導致價格、維護成本偏高，而成本又反作用到銷售，導致需求量減少，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，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)化外形結構的設計，提高抗風能力（提高高空作業(yè)的適應性），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，增加無人機的適應環(huán)境，延長使用壽命。無人機底部示意圖如圖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)?。綜上所述，在傳統(tǒng)無人機的基礎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無人機技術應用
1）主要運用PC控制技術。利用PC控制技術，可在無人機飛行過程中通過遙控器直接調(diào)整參數(shù)，亦可通過安卓設備操控，輕松實現(xiàn)寬視野遠距離飛行。2）MCU系統(tǒng)LPC54606結合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雜情況下也可以正常作業(yè)。通過網(wǎng)絡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)生意外火災之時，可進行快速滅火。
3.2推廣前景及經(jīng)濟效益預測
隨著土地流轉的推進，我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)越來越走向規(guī)?；?、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現(xiàn)在的“智慧”農(nóng)業(yè)，發(fā)展前景良好。
參考文獻：
[1]何玲，王國賓，胡韜，等.噴霧助劑及施液量對植保無人機噴霧霧滴在水稻冠層沉積分布的影響[J].植物保護學報，2017，44(6)：1046-1052.
[2]許童羽，于豐華，曹英麗，等.粳稻多旋翼植保無人機霧滴沉積垂直分布研究[J].農(nóng)業(yè)機械學報，2017，48(10)：101-107.
[3]楊新壘，劉曉慧，聶萬勝.一種可變飛行狀態(tài)的新型布局無人機[J].無人系統(tǒng)技術，2018，1(2)：55-61.
[4]張夢龍，吳文明，李元應.植保無人機動力系統(tǒng)的改進及試驗研究[J].南方農(nóng)機，2019，50(5)：29-30.
作者：潘長天 陳娜 韋英明 賈亞威 單位：青島恒星科技學院
