無人機(jī)在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用現(xiàn)狀分析*

梁盛開，林 甄，謝金冶，田 碩，潘嘉震

(1.三亞學(xué)院理工學(xué)院,海南 三亞 572022； 2.三亞小象科技有限公司,海南 三亞 572000)

0 引言

隨著我國城鎮(zhèn)化加快，農(nóng)村勞動(dòng)力外出務(wù)工較多，導(dǎo)致農(nóng)村勞動(dòng)力短缺，進(jìn)一步提升了機(jī)械化作業(yè)的需求。同時(shí)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)概念的提出和我國無人機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，無人機(jī)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用也逐漸廣泛，能有效解決農(nóng)村勞動(dòng)力短缺的問題，并且無人機(jī)具有靈活性好，作業(yè)效率高，作業(yè)安全等優(yōu)點(diǎn)，其中作業(yè)效率是人工作業(yè)的數(shù)十倍，節(jié)約大量資源。為了鼓勵(lì)發(fā)展，部分地區(qū)相繼出臺(tái)了各種扶持政策，為無人機(jī)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展助力。目前民用無人機(jī)按動(dòng)力來源可分為燃油無人機(jī)和電動(dòng)無人機(jī)；按飛行平臺(tái)構(gòu)型可分為單旋翼無人機(jī)、多旋翼無人機(jī)和固定翼無人機(jī)。現(xiàn)在應(yīng)用于精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的無人機(jī)主要為電動(dòng)多旋翼無人機(jī)和油動(dòng)單旋翼無人機(jī)。其中油動(dòng)單旋翼無人機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是載荷較大，可達(dá)30公斤以上，并且航時(shí)較長，單次飛行時(shí)間可達(dá)30分鐘以上。相比多旋翼無人機(jī)，油動(dòng)單旋翼無人機(jī)下壓風(fēng)場(chǎng)更大，更強(qiáng)，亂流更少，從而在霧滴穿透性和噴灑效果方面優(yōu)于多旋翼無人機(jī)。他的缺點(diǎn)是機(jī)械結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，飛控系統(tǒng)調(diào)試難度大，操作難度大，造成使用和維護(hù)門檻較高，且發(fā)動(dòng)機(jī)壽命較短，僅數(shù)百小時(shí)，售價(jià)和維護(hù)成本較高。電動(dòng)多旋翼無人機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)相對(duì)油動(dòng)單旋翼無人機(jī)較為簡單，易于控制，飛控系統(tǒng)成熟，調(diào)試方便，機(jī)械維護(hù)方便，售價(jià)便宜。但電動(dòng)多旋翼無人機(jī)的載荷能力較弱，單次作業(yè)時(shí)間較短，約10分鐘，電池循環(huán)次數(shù)較少，僅為100次左右。

1 噴灑技術(shù)

噴灑農(nóng)藥是解決病蟲害的主要方式之一，但人工噴灑費(fèi)時(shí)費(fèi)力，費(fèi)水費(fèi)藥，效率低且安全性差[1]。與人工噴灑方式相比，無人機(jī)(如圖1)噴灑技術(shù)具有以下五個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

圖1 大疆T20植保無人機(jī)

1) 作業(yè)靈活性好，運(yùn)輸方便，不受地形影響。

2) 作業(yè)效率高，只需對(duì)農(nóng)田航拍后即可自動(dòng)生成作業(yè)方案。

3) 施藥能力強(qiáng)，螺旋槳產(chǎn)生的氣流能使霧滴更具穿透力，對(duì)葉背和根部實(shí)現(xiàn)覆蓋。

4) 省水省藥，目前無人機(jī)每天可噴灑約300畝，人工噴灑每天每人約為10畝，與人工噴灑相比，無人機(jī)噴灑的效率約為人工的30倍[2，3]。

5) 安全性高，操作員遠(yuǎn)距離作業(yè)，不接觸農(nóng)藥。

在噴灑技術(shù)方面，主要有變量噴霧、靜電噴霧兩大技術(shù)方向。

變量噴霧技術(shù)：主要有三種控制方式，分別為壓力式控制，濃度式控制和流量式控制[4]。通過研究發(fā)現(xiàn)，壓力式控制的特點(diǎn)為，在噴霧壓力增大，流量增大時(shí)，霧滴會(huì)明顯減小并且更加分散[5]。濃度式控制的特點(diǎn)為，存在較大的時(shí)間滯后問題[6]。流量式控制方式無顯著問題，應(yīng)用較為廣泛，主要有脈寬控制和變頻控制兩種方式[7，8]。

靜電噴霧技術(shù)：靜電噴霧相比于普通噴霧，在霧滴沉積率，均勻性等方面具有很好的改善，有望成為節(jié)能減藥的重要手段。靜電噴霧技術(shù)主要有三種荷電方式[9]，分別為電暈式荷電，接觸式荷電和感應(yīng)式荷電。

2 撒播技術(shù)

中國地形復(fù)雜，部分地區(qū)難以使用大型地面播種機(jī)械。無人機(jī)作業(yè)靈活，效率高，可有效解決部分地區(qū)的機(jī)械化問題[10-13]。無人機(jī)(如圖2)的撒播裝置主要由4個(gè)部分組成，分別為風(fēng)機(jī)、導(dǎo)流通道、分流箱和排種槽輪。工作時(shí)，風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的氣流將種子吹入導(dǎo)流通道，將二者混合后，從氣固混合出口撒出。

圖2 大疆MG撒播系統(tǒng)

3 遙感技術(shù)

農(nóng)業(yè)遙感技術(shù)是現(xiàn)代科學(xué)理論基礎(chǔ)上發(fā)展起來的先進(jìn)且實(shí)用的技術(shù)，無人機(jī)遙感系統(tǒng)(如圖3)通常由飛行平臺(tái)，傳感器負(fù)載，地面站，通信系統(tǒng)和影像處理軟件組成。相比衛(wèi)星遙感無人機(jī)遙感具有效率高，精度高，實(shí)時(shí)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。常用的遙感設(shè)備有高光譜，多光譜，RGB等。在應(yīng)用中，遙感可在農(nóng)業(yè)中實(shí)現(xiàn)作物面積遙感監(jiān)測(cè)、作物長勢(shì)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、耕地資源調(diào)查、土壤關(guān)鍵屬性調(diào)查、土壤侵蝕退化與障礙性土壤調(diào)查、旱澇災(zāi)害監(jiān)測(cè)、冷凍災(zāi)害監(jiān)測(cè)、病蟲害監(jiān)測(cè)、農(nóng)田精準(zhǔn)化施肥、農(nóng)田精準(zhǔn)化灌溉等應(yīng)用[13-18]。

圖3 大疆精靈4搭載的多光譜成像系統(tǒng)

4 結(jié)論

國家對(duì)農(nóng)業(yè)無人機(jī)的補(bǔ)貼力度還在持續(xù)增強(qiáng)，大力促進(jìn)了我國農(nóng)業(yè)無人機(jī)發(fā)展和植保機(jī)械化的進(jìn)程，使無人機(jī)在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用。但目前農(nóng)業(yè)無人機(jī)在部分應(yīng)用上還存在著各種問題，如撒播應(yīng)用時(shí)存在重播和漏播的問題，電動(dòng)多旋翼無人機(jī)載荷較小，航時(shí)較短的問題，遙測(cè)成本過高的問題。隨著產(chǎn)業(yè)鏈各方的共同努力，我國無人機(jī)在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的應(yīng)用會(huì)更廣泛，作業(yè)會(huì)更高效，問題會(huì)更少，這將使我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)更高效，高質(zhì)，高量，推動(dòng)我國農(nóng)業(yè)進(jìn)入嶄新的智慧化時(shí)代。