基于秸稈焚燒的預警無人機造型設計

劉雨豪 ， 那 彤

（燕京理工學院，河北 廊坊 065201）

1 華北地區農業秸稈的特點

華北平原是我國小麥、玉米、棉花的集中產區。以河北省為例，河北盛產的農作物主要有玉米、小麥等，因其種植范圍廣，會產生大量作物秸稈。秸稈，即作物在收獲籽實后的剩余部分。冬小麥一般在9月中下旬至10月上旬播種，經過拔節、抽穗等生長環節到翌年5月底至6月中下旬成熟。每年的5—6月為夏收時節，小麥秸稈會在此時段產生，小麥收割完成后，便開展玉米輪作種植。待到玉米收獲的9—10月，玉米秸稈也隨之產生。資料顯示，秸稈產量近10年來穩定在8億噸/年左右，因此，如何安全快速地對秸稈進行處理，成為農業生產新的聚焦點。

2 秸稈廢棄物處理方式

2.1 秸稈焚燒

農作物秸稈具有量大面廣、性質復雜的特性[1]。秸稈作為生物質農業廢棄物，其主要特點是集中在農田中，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分，因此，焚燒成為快速處理秸稈的最有效方式。傳統農業廢棄物處理方式及存在的問題如表1所示。

表1 傳統農業廢棄物處理方式及存在的問題

以往傳統農業小農經濟自給自足的生產方式，形成了一定的農業廢棄物處理方式，秸稈除了在農田焚燒外，還可作為家庭燒火做飯取暖的燃料[2]。但隨著我國農村基礎設施特別是生產性配套設施的不斷完善，村村通路、通電、通氣，居民生活品質得到了極大提高，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

以京津冀地區為例，夏秋時節霧霾天氣多發，一部分可以歸結為由燃燒秸稈引發的大氣污染，助推了霧霾天氣的發生。由于農田廣袤，秸稈的焚燒行為同時也造成了火災隱患。秸稈焚燒還會造成巨大的能源浪費，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，我國農業廢棄物的主要發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、工業品原料和生產清潔能源原料，而小范圍對農業廢棄物的再利用有利于當地人們生產、生活，如將秸稈制成隔熱材料或用作種植真菌的培養基等，也成為農業廢棄物利用的新方向。但是，秸稈產生也有其特性，在兩輪耕作期間，茬口期較短，間隔僅為十幾天，需要快速對秸稈進行處理，以便將土地用作下一輪種植[4]。因此，如何監測秸稈范圍，組織快速收集，預防秸稈焚燒形成火災險情，顯得尤為重要。

3 無人機技術在農業應用中的優勢

3.1 小巧靈活，飛行方式適于農業生產

固定翼飛機主要應用于農田信息采集和農田遙感，具有載量大、飛行速度快、作業效率高等特點，應用于農業生產有以下優點：一是大面積的農田不利于穿行，而空中區域沒有任何阻礙；二是空中視野極好，便于監測作物長勢；三是播種或噴灑農藥時，飛機能夠大面積快速作業，節省了勞動時間。但是這種飛機作業也有缺點，需要在農田附近提供機場，也需要專業的飛機駕駛員等。無人機的出現正好彌補了這些不足，機身小巧、隨時起飛，操作性能上以多旋翼為代表的小型無人機有更好的操作性，比農用飛機更加靈活。同時，無人機在飛行上還可以針對性地做出懸停、環繞飛行等智能飛行動作，可更好地滿足農業生產需要[5]。

3.2 遠程控制，無需較高操作技巧

無人機使用無線電傳輸技術，將控制信號以電磁波形式傳入飛機進行控制，同時以圖像的形式給飛手展示空中景象，且可以通過飛機多角度觀察。農村地區因沒有障礙物遮擋或其他信號干擾，使用無人機有著極大的優勢。在飛行監測同時，無人機還可以實時觀測數據，通過基站網絡，實時傳遞給相關人員，對田地情況進行準確判斷。無人機更可根據衛星定位，對需要掃描區域的路線進行自動規劃，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，可根據需求進行配置

無人機作為一種智能設備，如今已廣泛應用于各種場景，其因小巧靈活的造型和強勁的通過性，成為多種行業的重要工具。因無人機集合了飛行技術、遙控技術、通信技術、定位技術等多種手段，也漸漸地從單一的集成設備轉換成了適應各場景的載具平臺。僅農業領域，無人機就有播種、打藥、作物生長監測等多種用途[7]。此外，無人機還發展出了“一機多用”“多機并用”的使用模式，更好地發揮了無人機的智能特性。

4 基于秸稈焚燒監測的無人機設計

綜上所述，對于如何快速對農業廢棄物的數量及種類進行監測，擬采用無人機技術利用圖像和氣味源的偵測與定位，對秸稈焚燒進行防范。確定位置及數量，判斷種類，同時做好防火防災預警，及時制止焚燒行為，保障農村生活品質，助力美麗鄉村建設。

4.1 無人機造型設計

通過調研分析，了解需求，結合技術手段，對方案進行推演，確定了產品基礎造型。無人機外觀涂裝如圖1所示，無人機結構分布如圖2所示。

圖1 無人機外觀涂裝

圖2 無人機結構分布

農用無人機目前多用于針對作物病蟲害的農藥噴灑，因其要攜帶大量農藥藥液，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，農藥噴灑無人機直徑多為1 m～2 m，結構6～8旋翼，來保證其工作中的穩定性。相比較于農用噴灑無人機的較大體積，基于秸稈燃燒監測的無人機在設計上沒有較大、較重的部件，因此，靈活性和機動性成為主要的設計因素。基于此，采用六旋翼的小型無人機機身設計，其大小尺寸在0.6 m內，便于工作人員控制、攜帶與采集信息。

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

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

圖3 無人機圖像采集設備

圖4 無人機底部探頭

4.2 秸稈焚燒監測功能實現

秸稈焚燒監測的無人機的主要功能是由搭載在無人機上的各個傳感器來實現的。首先無人機下方的探測器能夠靈活地對飛機下部區域進行航拍觀測，經過無人機微型主機計算后，通過顏色光譜識別農田中的秸稈數量并標記和統計，通過對作物種類判斷和收割完成后地面剩余梗、葉的面積來統計秸稈范圍[8-9]。此外在無人機背部還具有煙霧監測裝置，檢測到秸稈焚燒煙霧能夠立即向飛手反饋并報警[10]，同時機身還搭載了實時傳輸技術，可以將信息匯總于統計中心，對作物廢棄物進行統一規劃和集中處理。此外，無人機還搭載了熱傳感器，可以捕捉農田中的熱力圖，偵測農田中的火災隱患，及時發現違法的秸稈焚燒活動。

5 結語

本研究以河北地區為樣本，通過對農業秸稈廢棄物的產生方式及處理方式進行調研，將無人機作為載體，形成集秸稈探測及火災預防功能的農業秸稈焚燒監測無人機造型設計方案。本研究致力于提升農業生產環境保護的力度，更好地促成農業生產生態的良性循環，以推進農村人居環境整治，助力美麗鄉村建設。