系留無人機在農(nóng)業(yè)植保中的應用

近年來，我國大力推進農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化、智能化的發(fā)展，大量先進科學技術(shù)應用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，用于減少農(nóng)業(yè)成本投入、提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率和效益。無人機因體積小、機動性強、靈活度高等優(yōu)點逐步應用于災情勘察、農(nóng)業(yè)植保、航拍等諸多領(lǐng)域，同時推動了相關(guān)行業(yè)的發(fā)展。農(nóng)用無人機不僅作業(yè)效果優(yōu)于人工作業(yè)，且在作業(yè)效率、安全性保障等方面也具有較大優(yōu)勢。目前，農(nóng)用無人機在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應用主要體現(xiàn)在植保作業(yè)、林業(yè)監(jiān)測、作物授粉及牧群定位等方面。

傳統(tǒng)的手工、機械式植保作業(yè)不僅效率低下、耗時費工，還不能保證較好的作業(yè)效果，并存在著一定的安全問題和隱患。農(nóng)用無人機作業(yè)能適應多種地形環(huán)境，作業(yè)效果優(yōu)于地面機械和人工作業(yè)。當氣候、地形變化時，無人機能代替地面機械進行農(nóng)事生產(chǎn)，對農(nóng)作物開展施藥施肥，保證農(nóng)作物長勢，并有效提高其品質(zhì)。多旋翼無人機工作時產(chǎn)生的下洗氣流，能提高霧流對作物的穿透性，保證正反葉面均能著肥著藥，還具有殺除作物生長環(huán)境中的病菌和害蟲的效果，為作物提供良好的生長環(huán)境。

我國是一個農(nóng)業(yè)大國，發(fā)展高效、安全的現(xiàn)代生態(tài)農(nóng)業(yè)是中國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化建設的重要目標。另外，對我國而言，糧食安全是保障經(jīng)濟安全、國家安全的基礎。在作物生長過程中，防治病蟲害是保證作物良好生長、促進糧食增產(chǎn)增收的關(guān)鍵手段，直接影響糧食食品安全。因此，作為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的重要組成部分和反映農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化水平的重要標志之一，農(nóng)業(yè)航空在中國現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展中發(fā)揮著重要作用。

農(nóng)用無人機的發(fā)展現(xiàn)狀

世界上第一臺農(nóng)用無人機于1987年出現(xiàn)在日本，經(jīng)過近30年的發(fā)展，目前日本擁有2400多架已注冊的農(nóng)用無人直升機，駕駛員14000多人，成為世界上農(nóng)用無人機應用第一大國。除此之外，美國、俄羅斯、加拿大及韓國等國的農(nóng)用無人機發(fā)展也較為迅速，技術(shù)體系也較為完善。我國農(nóng)用無人機發(fā)展起步較晚，起初主要是依靠國家資助，一些科研院所、高校進行農(nóng)用無人機的研究，但我國已日益重視農(nóng)用無人機的發(fā)展及研究。

現(xiàn)階段農(nóng)用無人機按照動力系統(tǒng)的不同可分為電池動力和燃油動力兩類。以電力為動力的無人機能起降迅速，并具有操作靈活的優(yōu)點，但單次飛行時間一般只有10～15min；燃油動力系統(tǒng)無人機以燃油發(fā)動機為動力，機身大，靈活性相對較差，需要一定的起降時間，且維護較為復雜，但單次飛行時間可超過1h。

農(nóng)用無人機按氣動布局的不同可分為固定翼式、單旋翼式及多旋翼式。固定翼無人機由機翼產(chǎn)生升力，機翼位置和掠角等參數(shù)在飛行過程中保持不變；單旋翼無人機由主槳切割空氣產(chǎn)生推力，尾槳保證平衡，可垂直起降和穩(wěn)定地懸停；多旋翼無人機以4個或者偶數(shù)個對稱非共軸螺旋槳產(chǎn)生推力上升，以各個螺旋槳轉(zhuǎn)速改變帶來的飛行平面傾斜實現(xiàn)前進、后退和左右運動，以螺旋槳轉(zhuǎn)速次序變化實現(xiàn)自轉(zhuǎn)垂直起飛降落，場地限制小，可在空中穩(wěn)定地懸停。

目前，農(nóng)用無人機普遍存在的不足是承載質(zhì)量小而且航時相對較短。隨著單位面積噴灑收入的提升及土地流轉(zhuǎn)的增加，高載藥量、高效率、長航時無人機的需求度會逐步顯現(xiàn)出來。提高無人機的農(nóng)業(yè)植?；瘜W制劑的攜帶重量以及增加無人機的飛行時長，研發(fā)長航時農(nóng)用無人機將有利于無人機在農(nóng)業(yè)植保領(lǐng)域的大規(guī)模推廣和廣泛使用。

系留無人機在農(nóng)業(yè)植保中的應用可行性分析

系留無人機參考系留飛艇，通過將多旋翼無人機與系留綜合纜繩結(jié)合起來，利用地面固定或者移動的能源系統(tǒng)源源不斷地為無人機提供能源，可實現(xiàn)長航時飛行。同時，高分辨率和大流量的數(shù)據(jù)也可通過綜合線纜進行實時的傳輸，消除無人機平臺的控制和數(shù)據(jù)傳輸?shù)母蓴_。以色列航宇工業(yè)公司（IAI）的美國子公司，斯塔克航宇（Stark Aerospace）公司在2015年6月向一家美國政府客戶交付首架“懸停燈”（HoverLite）系留無人機。這種平臺使用涵道風扇，還帶有4個用于穩(wěn)定和控制的螺旋槳，可在離地面50m處懸停。斯塔克航宇公司表示該系統(tǒng)部署在一個帶有柴油發(fā)電機的自動機場基礎單元中，使用發(fā)電機自帶燃油可以留空20h以上，如果發(fā)電機可以加油，那么留空時間將更長。北京卓翼智能科技有限公司自主研發(fā)的“天樞”100涵道型系留無人機系統(tǒng)是異構(gòu)涵道無人機和系留電源供電系統(tǒng)深度集成的產(chǎn)品，能實現(xiàn)24h不間斷的空中懸停，具有優(yōu)良的飛行穩(wěn)定性，并能根據(jù)不同的應用工況搭載各類機載設備，可廣泛應用于應急通信、邊界監(jiān)視、新聞采訪、災難清理、森林消防等領(lǐng)域。

“天樞”100涵道型系留無人機

通過將常規(guī)多旋翼農(nóng)用無人機自身攜帶電源取消，用輕質(zhì)柔軟導線將無人機與地面移動機械或者固定導軌連接，從無人機地面起飛開始，動力源由地面大容量電源輕質(zhì)柔軟導線傳輸提供，可實現(xiàn)無人機長時穩(wěn)定飛行。與常規(guī)多旋翼農(nóng)用無人機相比，其主要優(yōu)點包括以下幾部分：

（1） 系留多旋翼無人機取消自身攜帶的電源后，無人機任務載荷增加，可有效提高無人機的載藥量，“天樞”100的基礎任務載荷為8kg，明顯大于同級別的旋翼無人機；

（2） 利用地面大容量電源持續(xù)不斷地為無人機供電，極大地延長了無人機的續(xù)航時間；

（3） 系留多旋翼無人機利用綜合線纜傳輸高分辨率圖像和控制數(shù)據(jù)，避免了植保作業(yè)過程中多架無人機互相干擾；

（4） 根據(jù)地形和農(nóng)作物植株的特點，系留無人機可以靈活地與地面移動機械或固定導軌相連，實現(xiàn)大范圍的植保區(qū)域覆蓋；

（5）系留無人機通過綜合線纜與地面相連，避免了無人機大風環(huán)境下失控或者飛丟等危險的發(fā)生。

系留無人機在農(nóng)業(yè)植保應用中尚存的問題

系留無人機通過綜合系留線纜與地面固定導軌或移動機械相連，可以有效提高無人機的載重量和航行時間，用于農(nóng)業(yè)植保具有明顯的優(yōu)勢，但同時仍有部分問題需要解決。

首先，系留線纜在植保作業(yè)過程中容易與農(nóng)田植株發(fā)生干涉，特別是對于果樹、玉米等相對較高的農(nóng)作物，一方面系留線纜破壞農(nóng)田作物的生長，另一方面農(nóng)田作物也會阻礙無人機的飛行。因此，系留無人機應盡量選擇在分壟成套的農(nóng)田中作業(yè)，且需要增加無人機自動避障控制的設計。

其次，系留無人機飛行高度受到系留線纜的限制，在作物植株生長高度不均的農(nóng)田，植保作業(yè)噴灑效果相對不均勻?？稍黾酉盗艟€纜的自動收放控制的設計，根據(jù)作物植株高度的不同，隨時自動收放線纜長短。

結(jié)束語

系留多旋翼無人機是隨著多旋翼無人機技術(shù)發(fā)展起來的一種新興航空飛行平臺，目前主要應用于通信中繼、地面?zhèn)刹旌捅O(jiān)控等方面，將其用于農(nóng)業(yè)植保作業(yè)具有顯著的優(yōu)點，但同時也存在著一定的問題需要解決，如若對其進行一定的改進，系留無人機未來一定會成為農(nóng)用植保無人機家族中重要的一員。

（責任編輯：朱赫）