農業無人機技術存在的短板與對策

徐 嵐

(沈陽城市建設學院,遼寧 沈陽 110167)

0 引言

近年來,我國植保無人機保有量呈逐年增多趨勢,相關統計數據顯示,2016年,我國植保無人機保有量為6 500架,截至2019年12月,我國生產各類植保無人機總計達到170余種,保有量5.5萬余架,作業面積突破8.5億畝次。2020年,我國植保無人機數量達到10萬架,2021年達到16萬架[1]。隨著科技的不斷進步和農業生產需求的不斷增長,農業無人機技術逐漸得到了廣泛應用。農業無人機使農業生產工作變得更加安全、高效和環保,但是在實際應用中也存在一些短板和挑戰,需要進一步研究和解決。

1 農業無人機技術現狀分析

1.1 技術發展水平

農業無人機在傳感器、自動化操作、數據處理和分析等方面已經取得了顯著的進展。

在傳感器技術方面,目前,應用于農業的無人機大多數搭載了多光譜、紅外、熱像等傳感器,可以獲取高分辨率的圖像和數據,實現對農田和作物的精準監測和分析。多光譜傳感器可以測量不同波長的光線,從而獲取農田的植被指數、土壤含水量、氮素含量等信息,以此幫助農民掌握農田、果園、葡萄園和森林等不同農業生產環境的作物生長情況,調整作物的施肥、灌溉和病蟲害防治措施,提高農業生產的效率和質量;紅外傳感器可以測量農田的溫度分布,從而判斷作物的生長情況和病蟲害的發生情況,該技術的應用可以幫助農民及時發現作物的異常情況,采取相應的措施進行治理,避免作物的死亡和損失;熱成像傳感器可以準確地捕捉各種農業生產環境中的熱量分布,并且進行植物病害診斷、水資源管理、灌溉調控,及時發現和定位農業生產環境中的問題,為農民提供決策依據。

在自動化操作方面,現在的無人機已經可以做到通過預設的航線和任務參數,根據農田的形狀和大小,自動計算最優的飛行路徑,并考慮飛行高度、飛行速度等因素,通過飛行控制系統實現自動起飛和降落;可以配備噴灑和施肥設備,實現自動化的植保和施肥操作,并根據農田的需求和作物的生長情況,自動調整噴灑和施肥的劑量和方式;可以通過激光雷達、超聲波傳感器等技術,實現自動懸停和懸停穩定性,并且可以檢測障礙物和自動避開障礙物。

在數據處理和分析方面,現在的農業無人機已經能夠實現圖像處理、數據分析和模型建立等功能,通過獲取的大量圖像和數據需要進行處理和分析,來提取有用的信息對作物的生長狀態、病蟲害情況等進行準確的評估和預測。

1.2 應用場景

目前,在中國農業生產中,很多農村地區都在采用人工作業和機器設備作業方式來進行農作物病蟲害防治,小巧靈活的無人機在農業生產應用中的優勢逐漸凸顯[2]。

農業無人機已經廣泛應用于農業生產的各個環節,可以搭載多光譜、紅外等傳感器,獲取農田的地形、植被、土壤質量等信息對農田進行勘測和土壤分析;可以定期飛行并拍攝農田的高分辨率圖像,通過圖像處理和分析技術,對作物的生長狀態、病蟲害情況等進行監測和評估;可以搭載噴霧設備,對農田進行精確的病蟲害防治或施肥和噴藥;可以搭載多光譜傳感器,對農田的植被覆蓋和土壤濕度進行監測,通過數據分析和處理,實現農田的灌溉管理;可以搭載氣象傳感器和空氣采樣設備,對農田的氣象條件、空氣質量等進行監測。

1.3 技術優勢

在科學技術不斷發展的過程中,無人機遙感技術開始發揮出其優勢,現階段,已將無人機應用到多個項目的研究中。在實踐期間,主要利用遙感來實現對無人機的控制,并且依托計算機技術、圖像攝影技術等完成測量工作,在這種模式下,可展現出無人機技術的安全性和可靠性[3]。

農業無人機具有高效性。農業無人機的速度可以使其在較短的時間內覆蓋大面積的農田完成農業作業;自動化操作技術可以代替大部分人工操作,為農業工作人員節省時間;農業無人機可以通過其搭載的多光譜傳感器和數據處理分析功能來實現精準灌溉、施肥和噴灑農藥,以此來避免農業資源的浪費。

農業無人機具有精確性。農業無人機可以根據預定航線和任務進行飛行,并在指定時間到達指定的位置執行相應的農業操作,這樣可以保證農田被充分覆蓋;農業無人機可以通過其搭載的各種傳感器來實時采集和記錄農作物生長情況、土壤質量、空氣質量和病害蟲情況等農田信息;根據采集到的信息,農業無人機可以通過其數據處理和分析功能來對數據進行統計、比對和模型分析,給農業工作人員提供準確的結論和決策。

農業無人機具有環保性。農業無人機可以通過精準施肥噴藥來減少化學農藥和化學肥料的使用,減少對土地的破壞和對土壤的侵蝕,提高農業資源的利用率,使農業可持續發展。

2 農業無人機技術存在的短板

2.1 飛行時間和荷載能力存在不足

農業無人機存在的飛行時間和荷載能力不足是當前技術面臨的挑戰之一。飛行時間不足會造成無人機在單次飛行作業中覆蓋范圍小、作業效率低等問題。荷載能力不足則會導致無人機農業資源攜帶量少、可搭載的傳感器種類少。造成飛行時間不足和荷載能力不足的主要原因是供能不足,不能支持無人機進行長時間高荷載的運動。目前的無人機的供能方式主要分為電動、油動和光動3種,電動無人機占據了主流位置,原因是農業無人機的工作環境大多都較為嚴苛,油動無人機很難在嚴苛的環境下工作,而光動無人機則是因為轉化效率不高,并且會增加無人機的重量。歸根結底供能不足還是因為電池技術不行。

2.2 數據處理分析能力不足

由于農業無人機可以通過搭載多種傳感器來采集多種農田數據,這不可避免地會造成農業無人機采集到的數據量大且復雜,但是因為農業無人機的計算資源有限,不具備高效快速地處理這么龐大且復雜的數據的能力。并且農業無人機數據處理和分析算法相對簡單,往往只能進行一些基本的數據處理和圖像分析,無法進行更復雜的數據挖掘和模型建立,也無法進行更深更廣的數據處理和分析,這些都會導致其無法提供更精準的信息和及時的決策輔助。

2.3 飛行高度精度不足

農業無人機在飛行過程中,通常使用氣壓傳感器或GPS高度測量模塊來獲取飛行高度。但是這會存在一些誤差,如果是在嚴苛的環境下,這個問題將會更加凸顯。必須密切關注氣象條件,避免在強風、降雨、大霧等惡劣天氣下進行無人機航攝,不良氣象條件會影響無人機的穩定性和圖像質量,可能導致測量數據的不準確[4]。并且農業無人機的飛行控制系統性能一般,會導致其在飛行過程中出現一些波動,而這些波動將會直接導致農業無人機采集到的數據不夠精準。

2.4 高昂的成本和技術門檻

目前,農業無人機技術還在快速發展的階段,難免會有一些生產技術不夠成熟,這也導致了無人機本身以及相關配件價格的提高,如傳感器和數據處理分析軟件等。想要實現農業無人機極致的穩定飛行能力、數據采集能力和數據處理分析能力,這不可避免地會拉高成本,并且由于農業無人機的工作環境比較苛刻,所以維修保養的成本也是一筆不可忽視的開支。農業無人機還存在著不低的技術門檻,要求操作人員掌握一定的飛行技術和飛行安全規范來保證農業無人機的安全工作,還要求操作人員掌握數據處理分析軟件的應用,這些限制會導致很多農民對此望而卻步。

3 解決農業無人機技術上不足的對策

3.1 改進電池技術,改用更輕的材料制作無人機

目前無人機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、續航時間長和需要頻繁更換等問題,所以可以改用鋰聚合物電池。鋰聚合物電池對比鋰離子電池具有高能量密度、輕量化和可再生等優點,這意味著鋰聚合物電池可以儲存更多能量和減輕無人機重量。但是值得注意的是,鋰聚合物電池的壽命較短,且會在充放電過程中發熱,存在一定火災隱患。其次,也可以選擇鎂離子電池,鎂離子電池具有高能量密度、環保可持續、快速充電和耐高溫的性能,但是同樣也存在一些缺點,例如:鎂離子電池技術還是一個相對較新的技術,商業化不足,生產成本高,并且穩定性不足;體積較大、較重,會加重無人機的重量;電壓輸出較低,與當前無人機系統不適配。在無人機電池方面還需要更加深入的探索,并且對無人機進行合理的飛行規劃,使得無人機能夠在最小的飛行能耗內完成數據收集[5]。在農業無人機的結構材料方面,可以采用碳纖維復合材料來代替金屬材料,用鈦合金來制作關鍵部件以達到抗風耐用的效果。

高轉化效率、高集成度的氫燃料電池技術的開發和高儲氫密度、輕量化的儲氫材料的研發,是無人機用氫燃料電池未來的重點研究方向;通過無人機飛行過程中燃料電池管理系統的智能優化, 根據無人機飛行任務設定合理的無人機飛行路線及輸出功率,同時建立移動無人機機巢方便其換電過程,是未來提升燃料電池無人機續航能力的研究方向[6]。

3.2 引入新技術,優化原有技術

優化無人機的處理器和存儲設備、使用并行計算技術、采用高速數據傳輸技術等方法來提高計算速度和存儲容量,這樣可以儲存更多的信息和更高效的處理數據,進一步提高其在農田監測和作物管理中的應用效果;優化無人機的數據采集傳輸系統以減少數據處理的延遲,使用硬件加速技術,通過在硬件上實現特定的計算任務,進一步提升數據處理速度;優化數據儲存和管理系統,使其能夠快速存取數據來提升數據挖掘和分析能力。引入更高效的數據挖掘算法,根據無人機的特點和需求針對性地開發算法,使算法更加適用、高效;引入機器學習和人工智能技術,通過訓練來使無人機實現自動識別和分類采集到的有效信息。

3.3 優化傳感器和飛行控制系統

使用更精密的傳感器并且優化傳感器數據融合算法,通過濾波、融合算法和模型預測等技術提高傳感器數據的準確性和穩定性,以此為飛行控制系統提供更精確的數據。開發自動飛行控制算法,通過分析傳感器傳回的數據自動調整飛行姿態和飛行路徑來彌補數據的延遲和人工操控的不足。引入避障技術,通過雷達來避開障礙,使得無人機飛行更加安全,減少失控情況的發生。對系統進行調試和校準,優化升級系統,以此提高飛行控制系統和傳感器的性能。

3.4 保證性能的前提下,提升技術,降低技術門檻和成本

首先,使用者可以通過租賃、共享等方式降低農業無人機本身的成本,研發人員則可以通過研究更輕、更堅固和更經濟的材料來降低無人機的制造成本,同時通過3 D打印、自動化組裝等技術來提高生產效率、降低生產成本,從源頭上降低農業無人機的成本。其次,可以改進傳感器的性能,盡量用更少的成本來達到更高的性能。電池技術也需要繼續深入研究,目前的各種農業無人機電池技術還存在著不少缺點,這需要繼續研究改進。同時,電池的壽命也需要延長,這能夠減少農業無人機更換配件的附加費用。借助云計算和物聯網技術,實現農業無人機和信息處理設備的無縫連接和數據共享,以此來降低技術門檻和成本負擔。研發更智能可靠的自動飛行控制系統來降低對飛行控制技術的要求。最后,發布相關的培訓課程并引導更多人學習農業無人機的基本操作養護知識,與農業公司、農民組織和政府組織建立合作關系,共同推進農業無人機技術操作經驗的共享和推廣。

4 結語

總的來說,雖然農業無人機技術逐漸地被廣泛使用,但是各種技術還是存在一定的不足,目前農業無人機的續航能力仍然是一個難點,還需要繼續在電池技術上攻堅克難,或者尋找更合適的供能方式。農業無人機在飛行路徑規劃的算法上還需要進一步改進,保證無人機在飛行過程中的安全。農業無人機技術還是存在門檻高的問題,導致推廣受阻,如何降低門檻、廣泛推廣也是一個不能忽視的問題。