基于秸稈焚燒的預(yù)警無人機(jī)造型設(shè)計(jì)

劉雨豪 ， 那 彤

（燕京理工學(xué)院，河北 廊坊 065201）

1 華北地區(qū)農(nóng)業(yè)秸稈的特點(diǎn)

華北平原是我國小麥、玉米、棉花的集中產(chǎn)區(qū)。以河北省為例，河北盛產(chǎn)的農(nóng)作物主要有玉米、小麥等，因其種植范圍廣，會產(chǎn)生大量作物秸稈。秸稈，即作物在收獲籽實(shí)后的剩余部分。冬小麥一般在9月中下旬至10月上旬播種，經(jīng)過拔節(jié)、抽穗等生長環(huán)節(jié)到翌年5月底至6月中下旬成熟。每年的5—6月為夏收時節(jié)，小麥秸稈會在此時段產(chǎn)生，小麥?zhǔn)崭钔瓿珊?，便開展玉米輪作種植。待到玉米收獲的9—10月，玉米秸稈也隨之產(chǎn)生。資料顯示，秸稈產(chǎn)量近10年來穩(wěn)定在8億噸/年左右，因此，如何安全快速地對秸稈進(jìn)行處理，成為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)新的聚焦點(diǎn)。

2 秸稈廢棄物處理方式

2.1 秸稈焚燒

農(nóng)作物秸稈具有量大面廣、性質(zhì)復(fù)雜的特性[1]。秸稈作為生物質(zhì)農(nóng)業(yè)廢棄物，其主要特點(diǎn)是集中在農(nóng)田中，是作物的莖葉部分，同時具有植物纖維。由于收割或采摘后快速干枯，具有較高的可燃性，且草木灰中的成分對土地有一定的養(yǎng)分，因此，焚燒成為快速處理秸稈的最有效方式。傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)廢棄物處理方式及存在的問題如表1所示。

表1 傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)廢棄物處理方式及存在的問題

以往傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)小農(nóng)經(jīng)濟(jì)自給自足的生產(chǎn)方式，形成了一定的農(nóng)業(yè)廢棄物處理方式，秸稈除了在農(nóng)田焚燒外，還可作為家庭燒火做飯取暖的燃料[2]。但隨著我國農(nóng)村基礎(chǔ)設(shè)施特別是生產(chǎn)性配套設(shè)施的不斷完善，村村通路、通電、通氣，居民生活品質(zhì)得到了極大提高，不再需要大量地燃燒秸稈取暖燒飯，秸稈焚燒現(xiàn)象又逐漸增多，秸稈廢棄物的處理方式又成為新的問題。

2.2 秸稈廢棄物的利用方向

以京津冀地區(qū)為例，夏秋時節(jié)霧霾天氣多發(fā)，一部分可以歸結(jié)為由燃燒秸稈引發(fā)的大氣污染，助推了霧霾天氣的發(fā)生。由于農(nóng)田廣袤，秸稈的焚燒行為同時也造成了火災(zāi)隱患。秸稈焚燒還會造成巨大的能源浪費(fèi)，我國每年因無法利用而被焚燒或廢棄的秸稈超過總量的50%[3]。目前，我國農(nóng)業(yè)廢棄物的主要發(fā)展方向分為肥料化利用、飼料化利用、材料化利用三大方向，其中大范圍的方向可將秸稈作為建筑材料、工業(yè)品原料和生產(chǎn)清潔能源原料，而小范圍對農(nóng)業(yè)廢棄物的再利用有利于當(dāng)?shù)厝藗兩a(chǎn)、生活，如將秸稈制成隔熱材料或用作種植真菌的培養(yǎng)基等，也成為農(nóng)業(yè)廢棄物利用的新方向。但是，秸稈產(chǎn)生也有其特性，在兩輪耕作期間，茬口期較短，間隔僅為十幾天，需要快速對秸稈進(jìn)行處理，以便將土地用作下一輪種植[4]。因此，如何監(jiān)測秸稈范圍，組織快速收集，預(yù)防秸稈焚燒形成火災(zāi)險情，顯得尤為重要。

3 無人機(jī)技術(shù)在農(nóng)業(yè)應(yīng)用中的優(yōu)勢

3.1 小巧靈活，飛行方式適于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)

固定翼飛機(jī)主要應(yīng)用于農(nóng)田信息采集和農(nóng)田遙感，具有載量大、飛行速度快、作業(yè)效率高等特點(diǎn)，應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有以下優(yōu)點(diǎn)：一是大面積的農(nóng)田不利于穿行，而空中區(qū)域沒有任何阻礙；二是空中視野極好，便于監(jiān)測作物長勢；三是播種或噴灑農(nóng)藥時，飛機(jī)能夠大面積快速作業(yè)，節(jié)省了勞動時間。但是這種飛機(jī)作業(yè)也有缺點(diǎn)，需要在農(nóng)田附近提供機(jī)場，也需要專業(yè)的飛機(jī)駕駛員等。無人機(jī)的出現(xiàn)正好彌補(bǔ)了這些不足，機(jī)身小巧、隨時起飛，操作性能上以多旋翼為代表的小型無人機(jī)有更好的操作性，比農(nóng)用飛機(jī)更加靈活。同時，無人機(jī)在飛行上還可以針對性地做出懸停、環(huán)繞飛行等智能飛行動作，可更好地滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需要[5]。

3.2 遠(yuǎn)程控制，無需較高操作技巧

無人機(jī)使用無線電傳輸技術(shù)，將控制信號以電磁波形式傳入飛機(jī)進(jìn)行控制，同時以圖像的形式給飛手展示空中景象，且可以通過飛機(jī)多角度觀察。農(nóng)村地區(qū)因沒有障礙物遮擋或其他信號干擾，使用無人機(jī)有著極大的優(yōu)勢。在飛行監(jiān)測同時，無人機(jī)還可以實(shí)時觀測數(shù)據(jù)，通過基站網(wǎng)絡(luò)，實(shí)時傳遞給相關(guān)人員，對田地情況進(jìn)行準(zhǔn)確判斷。無人機(jī)更可根據(jù)衛(wèi)星定位，對需要掃描區(qū)域的路線進(jìn)行自動規(guī)劃，完成后自動返航，極大地降低了使用者的使用門檻[6]。

3.3 多功能組合，可根據(jù)需求進(jìn)行配置

無人機(jī)作為一種智能設(shè)備，如今已廣泛應(yīng)用于各種場景，其因小巧靈活的造型和強(qiáng)勁的通過性，成為多種行業(yè)的重要工具。因無人機(jī)集合了飛行技術(shù)、遙控技術(shù)、通信技術(shù)、定位技術(shù)等多種手段，也漸漸地從單一的集成設(shè)備轉(zhuǎn)換成了適應(yīng)各場景的載具平臺。僅農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，無人機(jī)就有播種、打藥、作物生長監(jiān)測等多種用途[7]。此外，無人機(jī)還發(fā)展出了“一機(jī)多用”“多機(jī)并用”的使用模式，更好地發(fā)揮了無人機(jī)的智能特性。

4 基于秸稈焚燒監(jiān)測的無人機(jī)設(shè)計(jì)

綜上所述，對于如何快速對農(nóng)業(yè)廢棄物的數(shù)量及種類進(jìn)行監(jiān)測，擬采用無人機(jī)技術(shù)利用圖像和氣味源的偵測與定位，對秸稈焚燒進(jìn)行防范。確定位置及數(shù)量，判斷種類，同時做好防火防災(zāi)預(yù)警，及時制止焚燒行為，保障農(nóng)村生活品質(zhì)，助力美麗鄉(xiāng)村建設(shè)。

4.1 無人機(jī)造型設(shè)計(jì)

通過調(diào)研分析，了解需求，結(jié)合技術(shù)手段，對方案進(jìn)行推演，確定了產(chǎn)品基礎(chǔ)造型。無人機(jī)外觀涂裝如圖1所示，無人機(jī)結(jié)構(gòu)分布如圖2所示。

圖1 無人機(jī)外觀涂裝

圖2 無人機(jī)結(jié)構(gòu)分布

農(nóng)用無人機(jī)目前多用于針對作物病蟲害的農(nóng)藥噴灑，因其要攜帶大量農(nóng)藥藥液，需保證較大的起飛重量，同時其工作范圍普遍超過40 hm2，因此，農(nóng)藥噴灑無人機(jī)直徑多為1 m～2 m，結(jié)構(gòu)6～8旋翼，來保證其工作中的穩(wěn)定性。相比較于農(nóng)用噴灑無人機(jī)的較大體積，基于秸稈燃燒監(jiān)測的無人機(jī)在設(shè)計(jì)上沒有較大、較重的部件，因此，靈活性和機(jī)動性成為主要的設(shè)計(jì)因素。基于此，采用六旋翼的小型無人機(jī)機(jī)身設(shè)計(jì)，其大小尺寸在0.6 m內(nèi)，便于工作人員控制、攜帶與采集信息。

在造型方面，在產(chǎn)品偵測模塊上進(jìn)行了切割，形成了兩個把手，便于更換快速拆卸，這樣一來便節(jié)省了很多內(nèi)部空間。并在中心區(qū)域采用了頂部與底部卡扣設(shè)計(jì)，使兩端緊緊把電池設(shè)備箱固定在無人機(jī)上。對底部攝像設(shè)備以及探頭設(shè)置了轉(zhuǎn)軸，使觀察偵測的圖像能夠旋轉(zhuǎn)，可以進(jìn)行360°全方位的田間觀測。

無人機(jī)架的上下側(cè)板全部采用了鏤空型設(shè)計(jì)，在盡可能保證自身剛性結(jié)構(gòu)和機(jī)械強(qiáng)度設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，同時又盡可能有效地減輕重量，起落架采用了外右傾75°角的八字形設(shè)計(jì)，以盡量增加機(jī)架和下方地面的有效載重和空間。無人機(jī)的分布為前方監(jiān)測器、中部電池機(jī)及電控設(shè)備、后部氣味探測的相關(guān)結(jié)構(gòu)，整個設(shè)備排布呈直線形式，較好地保證了飛行時的平衡。以此為中心，兩側(cè)各分布了3只旋翼支架，搭載高轉(zhuǎn)速無刷電機(jī)，為無人機(jī)的飛行提供動力。對稱布局能夠防止飛機(jī)在飛行中因兩側(cè)受力不同產(chǎn)生的翻覆。六旋翼能提供較大的升力，在飛行中也更加穩(wěn)定，因圖像偵測需要，飛行穩(wěn)定性會對成像效果和數(shù)據(jù)分析產(chǎn)生較大影響。無人機(jī)圖像采集設(shè)備如圖3所示，無人機(jī)底部探頭如圖4所示。

圖3 無人機(jī)圖像采集設(shè)備

圖4 無人機(jī)底部探頭

4.2 秸稈焚燒監(jiān)測功能實(shí)現(xiàn)

秸稈焚燒監(jiān)測的無人機(jī)的主要功能是由搭載在無人機(jī)上的各個傳感器來實(shí)現(xiàn)的。首先無人機(jī)下方的探測器能夠靈活地對飛機(jī)下部區(qū)域進(jìn)行航拍觀測，經(jīng)過無人機(jī)微型主機(jī)計(jì)算后，通過顏色光譜識別農(nóng)田中的秸稈數(shù)量并標(biāo)記和統(tǒng)計(jì)，通過對作物種類判斷和收割完成后地面剩余梗、葉的面積來統(tǒng)計(jì)秸稈范圍[8-9]。此外在無人機(jī)背部還具有煙霧監(jiān)測裝置，檢測到秸稈焚燒煙霧能夠立即向飛手反饋并報警[10]，同時機(jī)身還搭載了實(shí)時傳輸技術(shù)，可以將信息匯總于統(tǒng)計(jì)中心，對作物廢棄物進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃和集中處理。此外，無人機(jī)還搭載了熱傳感器，可以捕捉農(nóng)田中的熱力圖，偵測農(nóng)田中的火災(zāi)隱患，及時發(fā)現(xiàn)違法的秸稈焚燒活動。

5 結(jié)語

本研究以河北地區(qū)為樣本，通過對農(nóng)業(yè)秸稈廢棄物的產(chǎn)生方式及處理方式進(jìn)行調(diào)研，將無人機(jī)作為載體，形成集秸稈探測及火災(zāi)預(yù)防功能的農(nóng)業(yè)秸稈焚燒監(jiān)測無人機(jī)造型設(shè)計(jì)方案。本研究致力于提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境保護(hù)的力度，更好地促成農(nóng)業(yè)生產(chǎn)生態(tài)的良性循環(huán)，以推進(jìn)農(nóng)村人居環(huán)境整治，助力美麗鄉(xiāng)村建設(shè)。