農(nóng)業(yè)無(wú)人機(jī)技術(shù)存在的短板與對(duì)策

徐 嵐

(沈陽(yáng)城市建設(shè)學(xué)院,遼寧 沈陽(yáng) 110167)

0 引言

近年來(lái),我國(guó)植保無(wú)人機(jī)保有量呈逐年增多趨勢(shì),相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示,2016年,我國(guó)植保無(wú)人機(jī)保有量為6 500架,截至2019年12月,我國(guó)生產(chǎn)各類(lèi)植保無(wú)人機(jī)總計(jì)達(dá)到170余種,保有量5.5萬(wàn)余架,作業(yè)面積突破8.5億畝次。2020年,我國(guó)植保無(wú)人機(jī)數(shù)量達(dá)到10萬(wàn)架,2021年達(dá)到16萬(wàn)架[1]。隨著科技的不斷進(jìn)步和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需求的不斷增長(zhǎng),農(nóng)業(yè)無(wú)人機(jī)技術(shù)逐漸得到了廣泛應(yīng)用。農(nóng)業(yè)無(wú)人機(jī)使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)工作變得更加安全、高效和環(huán)保,但是在實(shí)際應(yīng)用中也存在一些短板和挑戰(zhàn),需要進(jìn)一步研究和解決。

1 農(nóng)業(yè)無(wú)人機(jī)技術(shù)現(xiàn)狀分析

1.1 技術(shù)發(fā)展水平

農(nóng)業(yè)無(wú)人機(jī)在傳感器、自動(dòng)化操作、數(shù)據(jù)處理和分析等方面已經(jīng)取得了顯著的進(jìn)展。

在傳感器技術(shù)方面,目前,應(yīng)用于農(nóng)業(yè)的無(wú)人機(jī)大多數(shù)搭載了多光譜、紅外、熱像等傳感器,可以獲取高分辨率的圖像和數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)田和作物的精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)和分析。多光譜傳感器可以測(cè)量不同波長(zhǎng)的光線(xiàn),從而獲取農(nóng)田的植被指數(shù)、土壤含水量、氮素含量等信息,以此幫助農(nóng)民掌握農(nóng)田、果園、葡萄園和森林等不同農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的作物生長(zhǎng)情況,調(diào)整作物的施肥、灌溉和病蟲(chóng)害防治措施,提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的效率和質(zhì)量;紅外傳感器可以測(cè)量農(nóng)田的溫度分布,從而判斷作物的生長(zhǎng)情況和病蟲(chóng)害的發(fā)生情況,該技術(shù)的應(yīng)用可以幫助農(nóng)民及時(shí)發(fā)現(xiàn)作物的異常情況,采取相應(yīng)的措施進(jìn)行治理,避免作物的死亡和損失;熱成像傳感器可以準(zhǔn)確地捕捉各種農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境中的熱量分布,并且進(jìn)行植物病害診斷、水資源管理、灌溉調(diào)控,及時(shí)發(fā)現(xiàn)和定位農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境中的問(wèn)題,為農(nóng)民提供決策依據(jù)。

在自動(dòng)化操作方面,現(xiàn)在的無(wú)人機(jī)已經(jīng)可以做到通過(guò)預(yù)設(shè)的航線(xiàn)和任務(wù)參數(shù),根據(jù)農(nóng)田的形狀和大小,自動(dòng)計(jì)算最優(yōu)的飛行路徑,并考慮飛行高度、飛行速度等因素,通過(guò)飛行控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)起飛和降落;可以配備噴灑和施肥設(shè)備,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的植保和施肥操作,并根據(jù)農(nóng)田的需求和作物的生長(zhǎng)情況,自動(dòng)調(diào)整噴灑和施肥的劑量和方式;可以通過(guò)激光雷達(dá)、超聲波傳感器等技術(shù),實(shí)現(xiàn)自動(dòng)懸停和懸停穩(wěn)定性,并且可以檢測(cè)障礙物和自動(dòng)避開(kāi)障礙物。

在數(shù)據(jù)處理和分析方面,現(xiàn)在的農(nóng)業(yè)無(wú)人機(jī)已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)圖像處理、數(shù)據(jù)分析和模型建立等功能,通過(guò)獲取的大量圖像和數(shù)據(jù)需要進(jìn)行處理和分析,來(lái)提取有用的信息對(duì)作物的生長(zhǎng)狀態(tài)、病蟲(chóng)害情況等進(jìn)行準(zhǔn)確的評(píng)估和預(yù)測(cè)。

1.2 應(yīng)用場(chǎng)景

目前,在中國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中,很多農(nóng)村地區(qū)都在采用人工作業(yè)和機(jī)器設(shè)備作業(yè)方式來(lái)進(jìn)行農(nóng)作物病蟲(chóng)害防治,小巧靈活的無(wú)人機(jī)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)逐漸凸顯[2]。

農(nóng)業(yè)無(wú)人機(jī)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié),可以搭載多光譜、紅外等傳感器,獲取農(nóng)田的地形、植被、土壤質(zhì)量等信息對(duì)農(nóng)田進(jìn)行勘測(cè)和土壤分析;可以定期飛行并拍攝農(nóng)田的高分辨率圖像,通過(guò)圖像處理和分析技術(shù),對(duì)作物的生長(zhǎng)狀態(tài)、病蟲(chóng)害情況等進(jìn)行監(jiān)測(cè)和評(píng)估;可以搭載噴霧設(shè)備,對(duì)農(nóng)田進(jìn)行精確的病蟲(chóng)害防治或施肥和噴藥;可以搭載多光譜傳感器,對(duì)農(nóng)田的植被覆蓋和土壤濕度進(jìn)行監(jiān)測(cè),通過(guò)數(shù)據(jù)分析和處理,實(shí)現(xiàn)農(nóng)田的灌溉管理;可以搭載氣象傳感器和空氣采樣設(shè)備,對(duì)農(nóng)田的氣象條件、空氣質(zhì)量等進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

1.3 技術(shù)優(yōu)勢(shì)

在科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展的過(guò)程中,無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)開(kāi)始發(fā)揮出其優(yōu)勢(shì),現(xiàn)階段,已將無(wú)人機(jī)應(yīng)用到多個(gè)項(xiàng)目的研究中。在實(shí)踐期間,主要利用遙感來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)人機(jī)的控制,并且依托計(jì)算機(jī)技術(shù)、圖像攝影技術(shù)等完成測(cè)量工作,在這種模式下,可展現(xiàn)出無(wú)人機(jī)技術(shù)的安全性和可靠性[3]。

農(nóng)業(yè)無(wú)人機(jī)具有高效性。農(nóng)業(yè)無(wú)人機(jī)的速度可以使其在較短的時(shí)間內(nèi)覆蓋大面積的農(nóng)田完成農(nóng)業(yè)作業(yè);自動(dòng)化操作技術(shù)可以代替大部分人工操作,為農(nóng)業(yè)工作人員節(jié)省時(shí)間;農(nóng)業(yè)無(wú)人機(jī)可以通過(guò)其搭載的多光譜傳感器和數(shù)據(jù)處理分析功能來(lái)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)灌溉、施肥和噴灑農(nóng)藥,以此來(lái)避免農(nóng)業(yè)資源的浪費(fèi)。

農(nóng)業(yè)無(wú)人機(jī)具有精確性。農(nóng)業(yè)無(wú)人機(jī)可以根據(jù)預(yù)定航線(xiàn)和任務(wù)進(jìn)行飛行,并在指定時(shí)間到達(dá)指定的位置執(zhí)行相應(yīng)的農(nóng)業(yè)操作,這樣可以保證農(nóng)田被充分覆蓋;農(nóng)業(yè)無(wú)人機(jī)可以通過(guò)其搭載的各種傳感器來(lái)實(shí)時(shí)采集和記錄農(nóng)作物生長(zhǎng)情況、土壤質(zhì)量、空氣質(zhì)量和病害蟲(chóng)情況等農(nóng)田信息;根據(jù)采集到的信息,農(nóng)業(yè)無(wú)人機(jī)可以通過(guò)其數(shù)據(jù)處理和分析功能來(lái)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、比對(duì)和模型分析,給農(nóng)業(yè)工作人員提供準(zhǔn)確的結(jié)論和決策。

農(nóng)業(yè)無(wú)人機(jī)具有環(huán)保性。農(nóng)業(yè)無(wú)人機(jī)可以通過(guò)精準(zhǔn)施肥噴藥來(lái)減少化學(xué)農(nóng)藥和化學(xué)肥料的使用,減少對(duì)土地的破壞和對(duì)土壤的侵蝕,提高農(nóng)業(yè)資源的利用率,使農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

2 農(nóng)業(yè)無(wú)人機(jī)技術(shù)存在的短板

2.1 飛行時(shí)間和荷載能力存在不足

農(nóng)業(yè)無(wú)人機(jī)存在的飛行時(shí)間和荷載能力不足是當(dāng)前技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)之一。飛行時(shí)間不足會(huì)造成無(wú)人機(jī)在單次飛行作業(yè)中覆蓋范圍小、作業(yè)效率低等問(wèn)題。荷載能力不足則會(huì)導(dǎo)致無(wú)人機(jī)農(nóng)業(yè)資源攜帶量少、可搭載的傳感器種類(lèi)少。造成飛行時(shí)間不足和荷載能力不足的主要原因是供能不足,不能支持無(wú)人機(jī)進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間高荷載的運(yùn)動(dòng)。目前的無(wú)人機(jī)的供能方式主要分為電動(dòng)、油動(dòng)和光動(dòng)3種,電動(dòng)無(wú)人機(jī)占據(jù)了主流位置,原因是農(nóng)業(yè)無(wú)人機(jī)的工作環(huán)境大多都較為嚴(yán)苛,油動(dòng)無(wú)人機(jī)很難在嚴(yán)苛的環(huán)境下工作,而光動(dòng)無(wú)人機(jī)則是因?yàn)檗D(zhuǎn)化效率不高,并且會(huì)增加無(wú)人機(jī)的重量。歸根結(jié)底供能不足還是因?yàn)殡姵丶夹g(shù)不行。

2.2 數(shù)據(jù)處理分析能力不足

由于農(nóng)業(yè)無(wú)人機(jī)可以通過(guò)搭載多種傳感器來(lái)采集多種農(nóng)田數(shù)據(jù),這不可避免地會(huì)造成農(nóng)業(yè)無(wú)人機(jī)采集到的數(shù)據(jù)量大且復(fù)雜,但是因?yàn)檗r(nóng)業(yè)無(wú)人機(jī)的計(jì)算資源有限,不具備高效快速地處理這么龐大且復(fù)雜的數(shù)據(jù)的能力。并且農(nóng)業(yè)無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)處理和分析算法相對(duì)簡(jiǎn)單,往往只能進(jìn)行一些基本的數(shù)據(jù)處理和圖像分析,無(wú)法進(jìn)行更復(fù)雜的數(shù)據(jù)挖掘和模型建立,也無(wú)法進(jìn)行更深更廣的數(shù)據(jù)處理和分析,這些都會(huì)導(dǎo)致其無(wú)法提供更精準(zhǔn)的信息和及時(shí)的決策輔助。

2.3 飛行高度精度不足

農(nóng)業(yè)無(wú)人機(jī)在飛行過(guò)程中,通常使用氣壓傳感器或GPS高度測(cè)量模塊來(lái)獲取飛行高度。但是這會(huì)存在一些誤差,如果是在嚴(yán)苛的環(huán)境下,這個(gè)問(wèn)題將會(huì)更加凸顯。必須密切關(guān)注氣象條件,避免在強(qiáng)風(fēng)、降雨、大霧等惡劣天氣下進(jìn)行無(wú)人機(jī)航攝,不良?xì)庀髼l件會(huì)影響無(wú)人機(jī)的穩(wěn)定性和圖像質(zhì)量,可能導(dǎo)致測(cè)量數(shù)據(jù)的不準(zhǔn)確[4]。并且農(nóng)業(yè)無(wú)人機(jī)的飛行控制系統(tǒng)性能一般,會(huì)導(dǎo)致其在飛行過(guò)程中出現(xiàn)一些波動(dòng),而這些波動(dòng)將會(huì)直接導(dǎo)致農(nóng)業(yè)無(wú)人機(jī)采集到的數(shù)據(jù)不夠精準(zhǔn)。

2.4 高昂的成本和技術(shù)門(mén)檻

目前,農(nóng)業(yè)無(wú)人機(jī)技術(shù)還在快速發(fā)展的階段,難免會(huì)有一些生產(chǎn)技術(shù)不夠成熟,這也導(dǎo)致了無(wú)人機(jī)本身以及相關(guān)配件價(jià)格的提高,如傳感器和數(shù)據(jù)處理分析軟件等。想要實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)無(wú)人機(jī)極致的穩(wěn)定飛行能力、數(shù)據(jù)采集能力和數(shù)據(jù)處理分析能力,這不可避免地會(huì)拉高成本,并且由于農(nóng)業(yè)無(wú)人機(jī)的工作環(huán)境比較苛刻,所以維修保養(yǎng)的成本也是一筆不可忽視的開(kāi)支。農(nóng)業(yè)無(wú)人機(jī)還存在著不低的技術(shù)門(mén)檻,要求操作人員掌握一定的飛行技術(shù)和飛行安全規(guī)范來(lái)保證農(nóng)業(yè)無(wú)人機(jī)的安全工作,還要求操作人員掌握數(shù)據(jù)處理分析軟件的應(yīng)用,這些限制會(huì)導(dǎo)致很多農(nóng)民對(duì)此望而卻步。

3 解決農(nóng)業(yè)無(wú)人機(jī)技術(shù)上不足的對(duì)策

3.1 改進(jìn)電池技術(shù),改用更輕的材料制作無(wú)人機(jī)

目前無(wú)人機(jī)一般使用的是鋰離子電池,但是鋰離子電池存在能量密度低、續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)和需要頻繁更換等問(wèn)題,所以可以改用鋰聚合物電池。鋰聚合物電池對(duì)比鋰離子電池具有高能量密度、輕量化和可再生等優(yōu)點(diǎn),這意味著鋰聚合物電池可以?xún)?chǔ)存更多能量和減輕無(wú)人機(jī)重量。但是值得注意的是,鋰聚合物電池的壽命較短,且會(huì)在充放電過(guò)程中發(fā)熱,存在一定火災(zāi)隱患。其次,也可以選擇鎂離子電池,鎂離子電池具有高能量密度、環(huán)?？沙掷m(xù)、快速充電和耐高溫的性能,但是同樣也存在一些缺點(diǎn),例如:鎂離子電池技術(shù)還是一個(gè)相對(duì)較新的技術(shù),商業(yè)化不足,生產(chǎn)成本高,并且穩(wěn)定性不足;體積較大、較重,會(huì)加重?zé)o人機(jī)的重量;電壓輸出較低,與當(dāng)前無(wú)人機(jī)系統(tǒng)不適配。在無(wú)人機(jī)電池方面還需要更加深入的探索,并且對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行合理的飛行規(guī)劃,使得無(wú)人機(jī)能夠在最小的飛行能耗內(nèi)完成數(shù)據(jù)收集[5]。在農(nóng)業(yè)無(wú)人機(jī)的結(jié)構(gòu)材料方面,可以采用碳纖維復(fù)合材料來(lái)代替金屬材料,用鈦合金來(lái)制作關(guān)鍵部件以達(dá)到抗風(fēng)耐用的效果。

高轉(zhuǎn)化效率、高集成度的氫燃料電池技術(shù)的開(kāi)發(fā)和高儲(chǔ)氫密度、輕量化的儲(chǔ)氫材料的研發(fā),是無(wú)人機(jī)用氫燃料電池未來(lái)的重點(diǎn)研究方向;通過(guò)無(wú)人機(jī)飛行過(guò)程中燃料電池管理系統(tǒng)的智能優(yōu)化, 根據(jù)無(wú)人機(jī)飛行任務(wù)設(shè)定合理的無(wú)人機(jī)飛行路線(xiàn)及輸出功率,同時(shí)建立移動(dòng)無(wú)人機(jī)機(jī)巢方便其換電過(guò)程,是未來(lái)提升燃料電池?zé)o人機(jī)續(xù)航能力的研究方向[6]。

3.2 引入新技術(shù),優(yōu)化原有技術(shù)

優(yōu)化無(wú)人機(jī)的處理器和存儲(chǔ)設(shè)備、使用并行計(jì)算技術(shù)、采用高速數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)等方法來(lái)提高計(jì)算速度和存儲(chǔ)容量,這樣可以?xún)?chǔ)存更多的信息和更高效的處理數(shù)據(jù),進(jìn)一步提高其在農(nóng)田監(jiān)測(cè)和作物管理中的應(yīng)用效果;優(yōu)化無(wú)人機(jī)的數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)以減少數(shù)據(jù)處理的延遲,使用硬件加速技術(shù),通過(guò)在硬件上實(shí)現(xiàn)特定的計(jì)算任務(wù),進(jìn)一步提升數(shù)據(jù)處理速度;優(yōu)化數(shù)據(jù)儲(chǔ)存和管理系統(tǒng),使其能夠快速存取數(shù)據(jù)來(lái)提升數(shù)據(jù)挖掘和分析能力。引入更高效的數(shù)據(jù)挖掘算法,根據(jù)無(wú)人機(jī)的特點(diǎn)和需求針對(duì)性地開(kāi)發(fā)算法,使算法更加適用、高效;引入機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能技術(shù),通過(guò)訓(xùn)練來(lái)使無(wú)人機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)識(shí)別和分類(lèi)采集到的有效信息。

3.3 優(yōu)化傳感器和飛行控制系統(tǒng)

使用更精密的傳感器并且優(yōu)化傳感器數(shù)據(jù)融合算法,通過(guò)濾波、融合算法和模型預(yù)測(cè)等技術(shù)提高傳感器數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性,以此為飛行控制系統(tǒng)提供更精確的數(shù)據(jù)。開(kāi)發(fā)自動(dòng)飛行控制算法,通過(guò)分析傳感器傳回的數(shù)據(jù)自動(dòng)調(diào)整飛行姿態(tài)和飛行路徑來(lái)彌補(bǔ)數(shù)據(jù)的延遲和人工操控的不足。引入避障技術(shù),通過(guò)雷達(dá)來(lái)避開(kāi)障礙,使得無(wú)人機(jī)飛行更加安全,減少失控情況的發(fā)生。對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試和校準(zhǔn),優(yōu)化升級(jí)系統(tǒng),以此提高飛行控制系統(tǒng)和傳感器的性能。

3.4 保證性能的前提下,提升技術(shù),降低技術(shù)門(mén)檻和成本

首先,使用者可以通過(guò)租賃、共享等方式降低農(nóng)業(yè)無(wú)人機(jī)本身的成本,研發(fā)人員則可以通過(guò)研究更輕、更堅(jiān)固和更經(jīng)濟(jì)的材料來(lái)降低無(wú)人機(jī)的制造成本,同時(shí)通過(guò)3 D打印、自動(dòng)化組裝等技術(shù)來(lái)提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本,從源頭上降低農(nóng)業(yè)無(wú)人機(jī)的成本。其次,可以改進(jìn)傳感器的性能,盡量用更少的成本來(lái)達(dá)到更高的性能。電池技術(shù)也需要繼續(xù)深入研究,目前的各種農(nóng)業(yè)無(wú)人機(jī)電池技術(shù)還存在著不少缺點(diǎn),這需要繼續(xù)研究改進(jìn)。同時(shí),電池的壽命也需要延長(zhǎng),這能夠減少農(nóng)業(yè)無(wú)人機(jī)更換配件的附加費(fèi)用。借助云計(jì)算和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)無(wú)人機(jī)和信息處理設(shè)備的無(wú)縫連接和數(shù)據(jù)共享,以此來(lái)降低技術(shù)門(mén)檻和成本負(fù)擔(dān)。研發(fā)更智能可靠的自動(dòng)飛行控制系統(tǒng)來(lái)降低對(duì)飛行控制技術(shù)的要求。最后,發(fā)布相關(guān)的培訓(xùn)課程并引導(dǎo)更多人學(xué)習(xí)農(nóng)業(yè)無(wú)人機(jī)的基本操作養(yǎng)護(hù)知識(shí),與農(nóng)業(yè)公司、農(nóng)民組織和政府組織建立合作關(guān)系,共同推進(jìn)農(nóng)業(yè)無(wú)人機(jī)技術(shù)操作經(jīng)驗(yàn)的共享和推廣。

4 結(jié)語(yǔ)

總的來(lái)說(shuō),雖然農(nóng)業(yè)無(wú)人機(jī)技術(shù)逐漸地被廣泛使用,但是各種技術(shù)還是存在一定的不足,目前農(nóng)業(yè)無(wú)人機(jī)的續(xù)航能力仍然是一個(gè)難點(diǎn),還需要繼續(xù)在電池技術(shù)上攻堅(jiān)克難,或者尋找更合適的供能方式。農(nóng)業(yè)無(wú)人機(jī)在飛行路徑規(guī)劃的算法上還需要進(jìn)一步改進(jìn),保證無(wú)人機(jī)在飛行過(guò)程中的安全。農(nóng)業(yè)無(wú)人機(jī)技術(shù)還是存在門(mén)檻高的問(wèn)題,導(dǎo)致推廣受阻,如何降低門(mén)檻、廣泛推廣也是一個(gè)不能忽視的問(wèn)題。