智能植保無人機系統設計與市場分析

潘長天 ， 陳 娜 ， 韋英明 ， 賈亞威

（青島恒星科技學院，山東 青島 266100）

1 植保無人機發展現狀

1.1 國外植保無人機發展現狀

美國是農業無人機應用技術最成熟的國家之一，現已形成較為完善的農業無人機產業體系，不僅在機型方面多種多樣，而且在無人機的硬件方面也開展相應的研發創新。美國植保無人機大部分是液壓型噴嘴，能夠保證噴灑相對均勻且操作簡單，容易保養，使用壽命長。美國所有無人機操控員必須獲得駕駛員資格和駕駛農業航空的證書，每年參加技能測試或者無人機操控培訓。

俄羅斯耕地面積廣，擁有數目龐大的農用飛機作業隊伍，數量高達2.5萬架，作業機型以人工駕駛的固定翼飛機為主，年作業量約占總耕地面積45%以上。在俄羅斯，之所以不用或少用植保無人機是由于其農場主擁有的耕地面積廣大，而大多數植保無人機所能承載的農藥質量不足以完成噴灑整片農場，故而植保無人機在俄羅斯的市場占有率較低，大多是政府機構派遣公用的直升機或固定翼飛機進行大面積的統一噴灑。

日本農戶人均耕地面積較小，地形多山，不適合有人駕駛的小型農用飛機作業，因此日本農業航空也多用植保無人機或者直升機進行噴灑作業。韓國于2003年首次引進直升機用于農業航空作業，農業航空作業面積逐年增加，截至2020年，全國共有農用直升機465架(其中農用無人機201架，年植保作業面積65480 hm2，有人駕駛直升機20架，年植保作業面積36520 hm2)，約80%的飛機歸地方農協所有，個人購買的植保無人機占少數。

1.2 國內無人機發展現狀

中國農業航空的應用水平和發達國家相比還是有一定差距，其主要表現在兩方面：一是中國的農用飛機數量少(僅占世界農用飛機總數的0.13%)，致使農業航空年處理耕地面積小(約占總耕地面積的1.70%)；二是農業航空配套技術及政策體系不完善，國家尚沒有制定專門的植保無人機相關政策，也沒有關注無人機農業方面的發展情況，影響了農業航空產業的快速發展。

制約中國農業航空植保產業發展的主要問題包括：國家沒有頒布完善的農業航空政策法規，沒有系統規劃農業航空的發展戰略，對于農業航空的核心科學技術研究不足，導致科研人員對于農用飛機制造及配套的噴施技術等基礎科學的研究和核心技術的研發滯后，致使農用無人機機型較少，產能不足，更新能力差，無法形成規模效益，從而導致價格、維護成本偏高，而成本又反作用到銷售，導致需求量減少，反過來影響生產規模，由此形成惡性循環[1]。此外，植保無人機配套的噴施設備性能也比較差，噴出的霧滴譜寬，對植物的有效作用小，資源利用率低。

現有的植保無人機，大多需要專業的飛行員控制，通過遙控器進行手動的噴灑植保作業，此類植保無人機的保養費用高且對飛行員的技術水平要求頗高，因此這類植保無人機在經濟方面對于一些中、小型農業個體戶不太友好，而且不易普及，無法真正使“智慧”農業走進千家萬戶，所以現如今為了提高我國航空植保作業的適應性，需要多機型、多作業方式并舉的智能化植保無人機。

2 智能植保無人機的優勢

2.1 無人機的裝備配備

1）硬件方面。優化外形結構的設計，提高抗風能力（提高高空作業的適應性），智能植保無人機全身大體積零件均采用碳纖維打造，可以一定程度上減輕無人機的重量，增加無人機的續航時間和飛行距離；更高的續航能力、低能耗（智能植保無人機采用了兩塊電池同時充電的方法，相比較于傳統無人機充電時間可以節約一半以上）；搭載新型減震腳，現有的緩沖支架，絕大部分都利用彈簧使支撐腿能上下移動進行緩沖，但還是會存在震動情況，在碰到地面凹凸不平時，使得兩個支撐腿最底部傾斜有一定的高度差，極易出現翻機現象，通過對緩沖臂的傾斜安裝，并配合減震件的緩沖，可使無人機在降落時能夠起到一個緩沖防震效果，同時在緩沖臂底部設置的兩個穩定件調節，使得其在凹凸不平地面停放時，能夠自動進行重心的調節，避免無人機傾斜過大，出現傾倒現象，增加無人機的適應環境，延長使用壽命。無人機底部示意圖如圖1所示。

圖1 無人機底部示意圖

2）智能控制方面。通過液位傳感器實時測量藥儲量，當藥物儲量低于一定程度，自動以最短的路徑返回藥物儲藏地；增添電壓測量模塊，可以使無人機實時檢測所剩電量，在電量不足時，該模塊會反饋信息給CPU，通過與攝像頭模塊以及TI-A飛控模塊的結合，自動尋找最近的落地點；配備WiFi模塊，可與手機端進行連接控制，使用人員只需在手機端進行簡單的操作便能夠驅動智能植保無人機在大棚或農田內給定的路線上進行植保作業，更易于被大眾接受（全自動化、極易操作）；增加MCU模塊，提高飛行姿態穩定性，增加IO口，拓展其他模塊（Zigbee無線傳輸、MPU6050三軸陀螺儀、ATK1218-BD北斗GPS雙定位）。此外，智能植保無人機將由單一化的植保作業功能向多元化、多功能化發展，比如軍用偵查、滅火、載物運輸等。

綜上所述，在傳統無人機的基礎上打造了一款新式的智能植保無人機，其具有作業高度低(部分機型可貼作物冠層飛行)、環境污染小、可空中懸停、飄移少等特點，并且可與GPS系統配合實現較高精度的位置定位，旋翼能夠產生增加霧流對作物穿透性的向下氣流，可以提高防治效果，其運行成本低、靈活性高、在非管制空域可隨時起降，不需要專用機場起飛以及駕駛員進行實時操作，不受農田四周電線桿、防護林等限制性條件的影響[2]。在植保作業時可在田間地頭進行起降、維護保養、加油、加注藥液等一系列工作，大大降低了往返機場飛行的時間及燃料的消耗，節省資源，如果再配備智能化控制系統，無需作業機組人員進行實地操作，便能夠在給定的路線上進行自動噴灑作業。

2.2 無人機技術應用

1）主要運用PC控制技術。利用PC控制技術，可在無人機飛行過程中通過遙控器直接調整參數，亦可通過安卓設備操控，輕松實現寬視野遠距離飛行。

2）MCU系統LPC54606結合MPU6050對無人機飛行姿態形成二次閉環反饋。

3）利用Zigbee無線傳輸配合GOPRO高清攝像頭采集圖像，通過WiFi連接手機端，進行實時視頻傳輸。

4）利用ATK1218-BD北斗GPS雙定位模塊配合WINDOWS上位機對無人機進行實時定位。

5）通過AUTO-CAD繪制無人機三維視圖、ALTIUM DESIGNER繪制MCU模塊電路板、MATLAB對無人機進行仿真。

6）針對農田、公園等起伏不平整的情況，T1-A提供了地形跟隨雷達（Terrain-following radar）模塊，用于實時探測植保機與農作物之間的距離，從而實現自動避障功能。

7）機身較小，更容易拆卸存放，相對于傳統無人機，減小了無人機高度，機臂設計成二次折疊，增加自主研發的減震腳，能夠在崎嶇路面保持無人機重心穩定，保證無人機的正常起落。

8）飛行功能包括區域飛行、自動避障、AB點作業模式、低電報警及返航降落保護等內置飛行功能。

3 智能植保無人機市場分析

3.1 適用范圍

智能植保無人機主要工作在農田之中，在中國南方梯田的復雜情況下也可以正常作業。通過網絡給定智能植保無人機飛行路線，對農作物、樹木進行定點定時的巡航噴灑農藥作業，并且擁有AI智能避障功能，可以適應多種工作環境。智能植保無人機可噴灑各類液體類農藥，既可根據農戶需要噴施高濃度或低濃度的農藥；也可噴殺蟲劑、殺菌劑、除草劑[3]。在無人機識別模式中增加溫度識別系統，當農田或大棚內發生意外火災之時，可進行快速滅火。

3.2 推廣前景及經濟效益預測

隨著土地流轉的推進，我國農業生產越來越走向規模化、集約化，越來越要求植保機器高效、安全、環保、適用，而傳統的植保機器難以滿足這些要求，市場迫切需要合適的植保機械，智能植保無人機的出現恰逢其時。國內農業植保無人機器目前還在起始階段，鮮有生產植保無人機的大型企業，智能植保無人機將有廣闊的發展空間[4]。

隨著時代不斷發展，智能化、自動化已經成為國家的主流，在剛投入智能植保無人機的初期階段可能由于對產品的陌生和價格問題會受到一定阻礙，但經過一段時間發展后，產品的好評會在農戶間傳播，發展到中期就會有各個農場主或農商企業單位進行批量購買，而且該無人機成本較低，擁有自主巡航、自動避障、自行噴灑的智能化功能，并且搭載WiFi智能模塊，可以與手機端進行連接，農戶便可進行遠程控制，更加簡單易操作，不需要技術人員進行操控，符合個體農戶的基本需求，且該無人機機身較小，能夠進行空中懸停以及自動避障，在環境復雜的大棚內依然可以正常工作，因此在個體農戶市場也占有一席之地。顯而易見，智能植保無人機更加適應現在的“智慧”農業，發展前景良好。