無人機應(yīng)用的廣度與深度[2]

邢強

農(nóng)業(yè)無人機是無人機民用領(lǐng)域應(yīng)用的一個重要組成部分。同時，這種無人機也是一種離人們?nèi)粘Ｉ畋容^近的現(xiàn)代化生產(chǎn)設(shè)備。如今，我們在超市買到的一些水果蔬菜正是因為得到了農(nóng)業(yè)無人機中植保機的精心照顧才能夠有甜美的味道。而在大農(nóng)業(yè)、云農(nóng)業(yè)等概念的推動下，農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)進入云端成為大數(shù)據(jù)一部分的嘗試已經(jīng)在緊鑼密鼓地進行當(dāng)中。農(nóng)業(yè)無人機中的農(nóng)業(yè)勘測無人機在發(fā)揮著越來越重要的作用。

需求廣泛 市場廣闊

我國的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)手段與航空領(lǐng)域技術(shù)的親密接觸并不算晚。早在20世紀(jì)50年代，我國就使用有人駕駛的航空器對農(nóng)作物實施過作業(yè)任務(wù)。1951年，江蘇省爆發(fā)蝗災(zāi)，成群的蝗蟲啃噬著農(nóng)作物的莖葉，嚴(yán)重影響了當(dāng)?shù)氐淖魑锂a(chǎn)量，如果不及時消減災(zāi)情，當(dāng)?shù)刈魑锞兔媾R著顆粒無收的危險。我國政府果斷命令空軍派出波-2活塞式輕型多用途飛機在泗洪等地播撒滅蝗藥物。這些藥物被準(zhǔn)確地投放到蘆葦蕩的深處，把地面人員難以深入地帶的蝗蟲規(guī)?？刂圃诹撕侠淼姆秶鷥?nèi)。投放作業(yè)5天后，四齡、五齡跳蝗和飛蝗的死亡率在70%以上。后來，滅蝗機隊在河北黃驊、山東壽光等地也發(fā)揮了重要的作用。1956 年，中國民用航空局專門成立了針對農(nóng)業(yè)的航空機構(gòu)，以便管理多種航空器開展農(nóng)業(yè)航空業(yè)務(wù)。

今天，農(nóng)用機械在我國已經(jīng)得到了大規(guī)模的應(yīng)用，各地保有的農(nóng)機農(nóng)具有35個種類、近6 000萬具。然而，我國的地形地貌等地理特征并未因生產(chǎn)工具現(xiàn)代化程度的提高而發(fā)生顯著變化。以河北黃驊為例：該地面臨渤海、地勢低洼，土壤中的鹽堿含量較高，蘆葦面積和濕地面積仍有一定的規(guī)模。雖然從環(huán)境保護的角度來看，這樣的濕地環(huán)境有利于生態(tài)建設(shè)。但這種地理環(huán)境使得該地的防蝗壓力依然存在。

如今，世界上很多地塊的農(nóng)作物藥物已經(jīng)不再依賴于大型有人駕駛飛機播撒了，這得益于農(nóng)業(yè)無人機的快速發(fā)展。1987年，日本出現(xiàn)了第一架專用的農(nóng)業(yè)無人機。雅馬哈公司受日本農(nóng)林水產(chǎn)省的委托研制了R-50植保無人機。這款20kg級無人直升機的誕生標(biāo)志著農(nóng)業(yè)無人機這種全新的飛行器從此登上航空歷史的舞臺。2006年，在中國農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)機化所的推動下，我國開始嘗試進行農(nóng)業(yè)作業(yè)的無人機試點工程。

相對于日本大量依賴無人機操作員以便在小塊田地上空進行代替人力的植保作業(yè)的需求而言，我國對植保無人機和無人機操作員的市場要大得多。中國是一個農(nóng)業(yè)大國，地域遼闊，氣候條件南北差異巨大，地貌特征東西區(qū)別明顯。而大部分地塊的植保作業(yè)仍依賴于手持農(nóng)業(yè)機具。我國70%以上地塊的農(nóng)作物病蟲害防治是由人力來完成的。隨著我國農(nóng)業(yè)人口的持續(xù)減少，農(nóng)業(yè)植保的用人壓力將會越來越顯著。這就需要有大量的農(nóng)業(yè)無人機來填補今后的農(nóng)業(yè)作業(yè)人員的用工缺口。

從耕地面積占國土總面積的比例上來說，我國又是一個耕地稀缺的國家。我國平原面積只占國土總面積的12%，而如果只計算耕地面積的話，其比例僅在10%左右。另外，在我國的南方丘陵地帶，大量的梯田和小地塊土地不適合有人駕駛的航空器進行作業(yè)，甚至連中小型的地面農(nóng)用機械也很難排上用場。這就需要有專門的農(nóng)業(yè)無人機來實施噴灑農(nóng)藥、播撒肥料、輔助授粉等任務(wù)。

而且，土地流轉(zhuǎn)目前已經(jīng)成為我國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的一個重要舉措，專業(yè)農(nóng)民、種糧大戶以及家庭農(nóng)場將會成為我國未來農(nóng)業(yè)發(fā)展的一個新形態(tài)。這種由少數(shù)人來管理大片土地的作業(yè)方式在面臨突發(fā)性和普遍性農(nóng)業(yè)病蟲害的時候，往往會措手不及。而且，隨著個人耕種土地面積的不斷增大，普通農(nóng)用工具在施藥效率、人員安全和勞動強度等方面的指標(biāo)將越來越難以符合現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的需求。這就需要有專業(yè)的農(nóng)業(yè)無人機解決方案來對家庭農(nóng)場式的作業(yè)進行保障：平時使用可以減輕勞動負(fù)擔(dān)，當(dāng)防治病蟲害應(yīng)急啟用時還可以及時挽回大量的經(jīng)濟損失。

目前，我國對各個冬小麥主產(chǎn)區(qū)實施“一噴三防”的植保手段。其中，“一噴”是指在冬小麥生長期使用殺菌劑、殺蟲劑、葉面肥、微肥、植物生長調(diào)節(jié)劑等混合配劑噴霧實施噴灑作業(yè)?！叭馈敝傅氖峭ㄟ^噴灑作業(yè)，能夠達到防病蟲害、防干熱風(fēng)、防倒伏的效果?！耙粐娙馈蹦苁苟←溤隽Ｔ鲋?、確保增產(chǎn)，但需要有專門能夠在大面積冬小麥農(nóng)田上空進行持續(xù)噴灑作業(yè)的大型農(nóng)業(yè)無人機。同時，這也啟動了一個專業(yè)化比較強的農(nóng)業(yè)無人機操作員的培訓(xùn)市場。

國際無人機系統(tǒng)協(xié)會指出，在無人機商業(yè)化的第一個十年里，該產(chǎn)業(yè)將創(chuàng)造820億美元的經(jīng)濟效益，其中由農(nóng)業(yè)無人機創(chuàng)造的經(jīng)濟效益將達750億美元，占整個商業(yè)無人機產(chǎn)業(yè)總量的91.5%。

尖端技術(shù) 精細(xì)農(nóng)業(yè)

農(nóng)業(yè)無人機的大量需求是由我國農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀和未來規(guī)劃決定的。而農(nóng)業(yè)無人機的任務(wù)特點則要求其總體布局和自動駕駛儀（俗稱飛控）有專門的設(shè)計方案和良好的實用效果進行支撐。

從總體布局的角度來說，采用旋翼布局的無人機在實施噴灑作業(yè)時有一定優(yōu)勢。旋翼無人機能夠垂直起降，因此不需要專門的作業(yè)機場，特別適合在梯田、茶園、果林等地使用。旋翼無人機可以懸停的飛行特征能使其完成一些需要定點操作的任務(wù)。而旋翼下方的氣流則非常有利于藥霧的混合與擴散，并且可以借助無人機卷起的氣流把農(nóng)藥霧滴投送到第二層葉片上面，這是手持噴霧器難以做到的。以現(xiàn)有的技術(shù)水平來看，相對于手持農(nóng)用機具而言，用農(nóng)業(yè)旋翼無人機進行藥物噴灑作業(yè)時能夠節(jié)約90%的水和50%的農(nóng)藥。當(dāng)專供無人機使用的農(nóng)藥、農(nóng)肥的技術(shù)進一步發(fā)展以后，這樣的優(yōu)勢還會更加明顯。另外，這些操作都可以由無人機自主完成或由相關(guān)的操作員在相對比較遠(yuǎn)的地方遙控完成，使得人員與農(nóng)藥之間拉開了很大的距離，在很大程度上減少了農(nóng)藥對農(nóng)民的傷害。

從自動駕駛儀的角度來說，農(nóng)業(yè)無人機有別于其他無人機。在實施農(nóng)業(yè)植保作業(yè)時，無人機相對于農(nóng)作物以規(guī)劃好的路線和高度進行飛行。但是在丘陵地帶或梯田上空飛行的無人機難免會受到山間陣風(fēng)的擾動。因此，無人機需要有足夠的抗風(fēng)能力，以使其在橫風(fēng)干擾的情況下仍能有較好的作業(yè)姿態(tài)。另外，農(nóng)作物的高度和種植走向并非是一成不變的，而且作業(yè)高度的稍許變化就可能會使植保效能大打折扣。因此，植保無人機的自動駕駛儀應(yīng)該具有精確定高的能力。普通的消費級無人機的自動駕駛儀是難以滿足這些要求的。另外，農(nóng)業(yè)無人機的自動駕駛儀還應(yīng)該能夠提供其他的整體解決方案。以成都縱橫自動化技術(shù)有限公司研制的MP-201M自動駕駛儀為例：為了應(yīng)對突發(fā)的陣風(fēng)并提高整機的容錯性能，采用了L1自適應(yīng)飛行控制與導(dǎo)航算法；為了提高定位精度，不僅集成了高精度的MEMS慣性傳感器和高性能中央處理器，且集成了Novatel高精度實時差分GPS接收機，使其位置和高度的定位精度達到了厘米級（不同的農(nóng)作物有著不同的最佳作業(yè)高度，能夠以更好的精度在該高度上長久保持，才能有良好的作業(yè)效率和植保效果）；為了減輕農(nóng)業(yè)無人機操作員的作業(yè)壓力和工作強度，同時也為了節(jié)省培訓(xùn)成本，支持農(nóng)業(yè)無人機的全自主起降、一站控制多機、自動航線飛行等功能；而考慮到目前越來越復(fù)雜的電磁環(huán)境和農(nóng)業(yè)無人機的嚴(yán)酷工作環(huán)境，還專門有抗電磁干擾和抗振動能力的設(shè)計。

自動規(guī)劃、多機作業(yè)、斷點續(xù)噴、一鍵返航等功能都將是農(nóng)業(yè)無人機自動駕駛儀的發(fā)展方向。而這些精確的無人機控制技術(shù)將會推動農(nóng)業(yè)向精細(xì)化的方向快速發(fā)展。

云端數(shù)據(jù) 有助規(guī)劃

農(nóng)業(yè)無人機的發(fā)展除了要關(guān)注無人機本身的設(shè)計之外，還要關(guān)注農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)的采集和數(shù)據(jù)挖掘。

小面積的地塊可以借助農(nóng)業(yè)無人機實施精細(xì)作業(yè)，在減輕農(nóng)民勞動負(fù)擔(dān)的同時提高植保水平；大面積的地塊則能夠使用農(nóng)業(yè)無人機進行作物監(jiān)測和農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)采集。以冬小麥為例，這種作物的成長期可以分為5個典型階段。如果要預(yù)估其產(chǎn)量的話，之前需要派出大量技術(shù)人員在每個階段進行采樣和測試。而農(nóng)業(yè)無人機則能夠在冬小麥耕地上空飛行，采集相應(yīng)地塊所有小麥的生長情況。把這些數(shù)據(jù)上傳到云端，在與全國的農(nóng)作物生長情況進行數(shù)據(jù)分析之后，就可以對大型農(nóng)場的農(nóng)藥和化肥施用計劃提出建議，給農(nóng)業(yè)政策的制定和相關(guān)市場的調(diào)節(jié)計劃提供數(shù)據(jù)支撐，甚至可以發(fā)出全國性的農(nóng)業(yè)病蟲害預(yù)警信號，變被動治理為主動預(yù)防。

從近幾年的統(tǒng)計數(shù)據(jù)來看，我國農(nóng)業(yè)科技貢獻率剛剛超過56%，而發(fā)達國家的農(nóng)業(yè)科技貢獻率通常在70%至80%之間，德國、英國和法國的農(nóng)業(yè)科技貢獻率則都超過了90%。目前我國的農(nóng)作物耕種收綜合機械化率在60%左右，而農(nóng)業(yè)無人機的發(fā)展將會是一個契機，使我國能以一個較快的速度趕超發(fā)達國家的農(nóng)業(yè)水平，早日實現(xiàn)農(nóng)業(yè)的全程機械化、自動化和信息化。