無人機在精準農(nóng)業(yè)中的關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用研究

摘 要：文章從無人機在精準農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用難點入手，分析當(dāng)前階段內(nèi)影響無人機應(yīng)用質(zhì)量的基本要素。通過對大載荷無人直升機技術(shù)、自動跟蹤飛行控制技術(shù)、施藥航跡自動規(guī)劃技術(shù)、精準自主流控技術(shù)的詳細介紹，重點闡述無人機在精準農(nóng)業(yè)中的關(guān)鍵技術(shù)與具體應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：無人機;精準農(nóng)業(yè);關(guān)鍵技術(shù)

引言：隨著經(jīng)濟建設(shè)的穩(wěn)定發(fā)展，科學(xué)技術(shù)也在不斷優(yōu)化。無人機應(yīng)用范圍逐漸擴大，在各行各業(yè)中均有所體現(xiàn)。其中無人機作業(yè)形式在精準農(nóng)業(yè)中發(fā)揮著越來越重要的作用，具有較高的作業(yè)性能，噴灑效果良好。一般借助超低空作業(yè)來實現(xiàn)，可在其漂移過程中，逐步減少空氣中農(nóng)藥含量。

一、無人機在精準農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用難點

當(dāng)無人直升機距離農(nóng)作物飛行高度保持在三至四米，此時進行的藥液噴灑才能真正發(fā)揮作用[1]。無人直升機低空飛行時，與地面距離較近，主旋翼周圍氣流逐漸作用于農(nóng)作物。該類氣流屬于下洗氣流，在一定程度上有利于農(nóng)藥沉積，但一旦氣流過強，則農(nóng)作物會陸續(xù)出現(xiàn)倒伏現(xiàn)象，非但阻礙了農(nóng)作物的正常生長，同時還大大降低了噴灑效果。

無人機超低高度飛行中，往往會出現(xiàn)地面效應(yīng)，不利于飛機本體姿態(tài)的科學(xué)控制，上方藥液噴灑裝置無法水平進行藥物噴灑，存在著噴施不均勻的情況，加大漂移幅度。我國農(nóng)田面積較大，且耕地農(nóng)場存在略微差別，支持無人直升機植保，利用不同類型噴頭裝載一定劑量的藥物，結(jié)合農(nóng)作物生長特性，選取符合工作要求的飛行路線，防止無人直升機受到航時與載藥量影響，最終出現(xiàn)反復(fù)起降，在提升作業(yè)效率的同時，減少生產(chǎn)與運維成本。與無人直升機植保相關(guān)的制度標(biāo)準并不健全，甚至可以說是一片空白，致使現(xiàn)階段無人機作業(yè)規(guī)程不明確，對其大規(guī)模應(yīng)用于精準農(nóng)業(yè)起到制約作用。

二、農(nóng)業(yè)無人機機體特點

機身振動性較弱，能夠配合精密儀器一同使用，農(nóng)藥噴灑精準均勻，對地形要求不高，無論是在平原地區(qū)，還是西藏、新疆等高海拔區(qū)域內(nèi)均可。起飛調(diào)校短，作業(yè)效率高且可用時間長，無廢氣產(chǎn)生，不會對大氣環(huán)境造成嚴重污染，符合我國可持續(xù)發(fā)展的基本理念。保養(yǎng)與維護便捷，消耗成本低，飛機機體尺寸小，重量輕，便于攜帶。具備農(nóng)作物圖像實時傳輸、作物生長情況實時監(jiān)控功能，同時兼具自穩(wěn)定性能，不考慮其他因素，其噴灑與地面基本上垂直?？蓪崿F(xiàn)半自主起降，將原有模式調(diào)整為姿態(tài)模式、GPS姿勢模式下，僅需油門桿操作便可展開作業(yè)，如若無人機失控，與遙控信號斷開連接，無人直升機可自動停留在原處，直至信號恢復(fù)，具有較強的可靠性與靈活性。

成熟完全可靠的無人直升機數(shù)量不多，部分廠家為了獲得更多的經(jīng)濟效益，容易忽視農(nóng)業(yè)作業(yè)的特殊要求，質(zhì)量與效率無法得到保證。農(nóng)業(yè)種植人員由于受到專業(yè)素質(zhì)的限制，往往會盲目購買，對不同類型的無人直升機了解不足，后期操作與維修均相對困難。加上農(nóng)民對專業(yè)藥劑知識掌握不夠，僅憑借以往經(jīng)驗擅自盲目的勾兌藥劑，一旦處理不當(dāng)，則會致使農(nóng)藥超標(biāo)、殘留、應(yīng)用效果差。諸如此類因素均在制約著無人機在精準農(nóng)業(yè)中的使用。

三、實際案例

早在2012年，中科院人士便展開了農(nóng)業(yè)無人機試驗，陸續(xù)對蘇州、新疆伊犁、遼寧法庫處的水稻、棉花、玉米進行農(nóng)藥噴灑，將無人機在精準農(nóng)業(yè)中的作業(yè)能力充分呈現(xiàn)出來，實現(xiàn)了農(nóng)業(yè)無人機的技術(shù)定型與轉(zhuǎn)型。一年后，分別于四川成都、新疆佳木斯、陜西西安等地，先后實行農(nóng)業(yè)應(yīng)用展示，榮獲“后稷特別獎”，為后續(xù)研究提供了強有力支持。

四、無人機在精準農(nóng)業(yè)中的關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用

（一）大載荷無人直升機技術(shù)

精準農(nóng)業(yè)中的無人直升機結(jié)合了國際上先進的主動式無人直升機設(shè)計理念，飛行控制人員、直升機設(shè)計人員積極配合，一共研發(fā)飛行動力數(shù)學(xué)模型，而后參考對應(yīng)的機械構(gòu)造，達到系統(tǒng)設(shè)計的預(yù)期目標(biāo)。根據(jù)相關(guān)實驗顯示，無人直升機的各方面參數(shù)，與其他國家相比更具合理性，無人機處于低空狀態(tài)下，以低速飛行則會具備更強的穩(wěn)定性。

無人機主旋翼優(yōu)先使用OA翼型系列中的一種，油箱為雙油箱，盡可能的將油耗對飛機重心造成的影響降到最小，發(fā)動機為汽油機，安裝在飛機重心周圍，一般采用消音器后置的方式展開設(shè)計，對應(yīng)的排氣口需處于遠離攝像系統(tǒng)位置上，防止無人機廢氣對攝像系統(tǒng)造成污染。攝像系統(tǒng)選擇前置，確保在特定范圍內(nèi)不存在干涉構(gòu)件。旋翼系統(tǒng)為蹺蹺板式，變距鉸為自潤滑軸承。在最大限度上降低操縱系統(tǒng)載荷，通過對小翼轉(zhuǎn)動慣量的適當(dāng)控制，全面提升無人機在空中飛行的穩(wěn)定性。減速箱、主輸出軸中間位置上設(shè)有超越離合器，無人機飛行過程中如若出現(xiàn)停留情況，主旋翼氣動自旋，實現(xiàn)無人機的安全穩(wěn)定著陸。

（二）自動跟蹤飛行控制技術(shù)

考慮到無人機在精準農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用特點，如施肥、施藥、澆灌等，結(jié)合作業(yè)農(nóng)田真實地形不平坦的特點，圍繞飛機導(dǎo)航系統(tǒng)、飛行控制系統(tǒng)兩個方面，展開對飛機的有效改造，做到無人直升機在一定高度處的自動跟蹤飛行控制。從導(dǎo)航系統(tǒng)角度來講，借助差分全球定位系統(tǒng)，確保相關(guān)數(shù)據(jù)測量的精準性，將定位精度控制縮小至厘米級。從飛行控制系統(tǒng)的角度來講，格外注意超低空環(huán)境下強地效影響、紊亂氣流影響[2]。建立在線逆動力學(xué)模型，對地效影響進行實時考察，在線收集并分析氣流影響，根據(jù)辨識結(jié)果最終確定前饋控制量。

（三）施藥航跡自動規(guī)劃技術(shù)

為了盡可能的減輕工作量，減少作業(yè)流程，無人直升機有必要實行系統(tǒng)升級與優(yōu)化，保證其能夠判定施藥環(huán)境自主調(diào)整航跡，實施科學(xué)規(guī)劃，經(jīng)過合理引導(dǎo)后完成設(shè)定任務(wù)。農(nóng)田形狀通常為四邊形，操作人員實行地面控制，地面控制站位置處確定農(nóng)田相應(yīng)的GPS點。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)無人直升機每次作業(yè)面積，結(jié)合該區(qū)域農(nóng)田的實際作業(yè)需求，利用控制器實現(xiàn)無人直升機自動航跡規(guī)劃，達成既定目標(biāo)。

（四）精準自主流控技術(shù)

低空噴霧作業(yè)過程中，急需解決的問題就是藥液霧化，必須采取針對性措施增強藥液霧化，降低霧滴漂移可能性，提升霧滴在農(nóng)作物中的穿透性、沉積率，從根本上提高藥劑利用率。密切注意無人機在空中的飛行軌跡與狀態(tài)，收集相應(yīng)信息，構(gòu)建精量噴霧決策模型，利用無人機獲取的作物生長信息作出噴灑決策。對噴灑各參數(shù)進行適當(dāng)調(diào)整，包括噴嘴流量、壓力、高壓靜電參數(shù)，盡量取得最佳噴施效果。參照無人直升機飛行高度、速度，根據(jù)施藥的具體要求，準確計算出噴灑流量。借助PI控制的方式實現(xiàn)科學(xué)流量控制，維持作業(yè)區(qū)域內(nèi)的藥劑噴灑均勻。

（五）農(nóng)田長勢分析技術(shù)

農(nóng)作物生長過程中容易受到病蟲害侵襲，以小麥植株為例，蚜蟲感染小麥后，會快速吸收小麥汁液，葉片葉綠素明顯下降。另外，蚜蟲分泌出的蜜露中含有大量的灰塵與污穢物質(zhì)，長此以往，小麥葉片呈現(xiàn)出黑亮狀態(tài)，嚴重阻礙了植株光合作用的進行。無人直升機飛行期間能夠?qū)Υ祟愋畔⑷媸占?，為后續(xù)治理提供可靠數(shù)據(jù)。為了進一步明確蚜蟲對小麥作物的危害性，技術(shù)人員從相應(yīng)數(shù)據(jù)中提取有效信息，比對蚜蟲不同危害程度下的小麥光譜，最終得出結(jié)論：蚜蟲危害程度越深，小麥可見光波光譜反射率越小。以此為前提，查找小麥冠層光譜變化規(guī)律，得出蚜蟲危害下的光譜指數(shù)，分析不同波段內(nèi)的貢獻大小及其權(quán)重，最終建立并升級蚜害等級遙感反演模型，得出結(jié)論：蚜蟲病害光譜指數(shù)與蚜蟲病害程度具有正相關(guān)關(guān)系。

結(jié)論：綜上所述，無人機在精準農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用取得效果較顯著，不但降低了人力消耗、勞動強度，同時也符合綠色發(fā)展的環(huán)保理念，噴灑農(nóng)藥過程中不會產(chǎn)生污染，有利于農(nóng)田的良好生長。相關(guān)人員應(yīng)掌握無人機使用特點，明確精準農(nóng)業(yè)中無人機應(yīng)用的難點，充分發(fā)揮出效果。

參考文獻：

[1]段新宇.無人機在精準農(nóng)業(yè)中的關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用[J].農(nóng)業(yè)與技術(shù)，2017，37（13）：60+43

[2]楊麗.遙感技術(shù)在精準農(nóng)業(yè)中的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].農(nóng)業(yè)與技術(shù)，2019，39（16）：21-22

作者簡介：

林振球 （1984年4月 ）男，籍貫：廣西陸川人，漢族，現(xiàn)職稱：注冊咨詢工程師（投資），人力資源管理經(jīng)濟師，學(xué)歷：本科，研究方向：農(nóng)業(yè)機械化推廣管理和農(nóng)業(yè)經(jīng)濟。