無人機在精準農業中的關鍵技術及應用研究

摘 要：文章從無人機在精準農業中的應用難點入手，分析當前階段內影響無人機應用質量的基本要素。通過對大載荷無人直升機技術、自動跟蹤飛行控制技術、施藥航跡自動規劃技術、精準自主流控技術的詳細介紹，重點闡述無人機在精準農業中的關鍵技術與具體應用。

關鍵詞：無人機;精準農業;關鍵技術

引言：隨著經濟建設的穩定發展，科學技術也在不斷優化。無人機應用范圍逐漸擴大，在各行各業中均有所體現。其中無人機作業形式在精準農業中發揮著越來越重要的作用，具有較高的作業性能，噴灑效果良好。一般借助超低空作業來實現，可在其漂移過程中，逐步減少空氣中農藥含量。

一、無人機在精準農業中的應用難點

當無人直升機距離農作物飛行高度保持在三至四米，此時進行的藥液噴灑才能真正發揮作用[1]。無人直升機低空飛行時，與地面距離較近，主旋翼周圍氣流逐漸作用于農作物。該類氣流屬于下洗氣流，在一定程度上有利于農藥沉積，但一旦氣流過強，則農作物會陸續出現倒伏現象，非但阻礙了農作物的正常生長，同時還大大降低了噴灑效果。

無人機超低高度飛行中，往往會出現地面效應，不利于飛機本體姿態的科學控制，上方藥液噴灑裝置無法水平進行藥物噴灑，存在著噴施不均勻的情況，加大漂移幅度。我國農田面積較大，且耕地農場存在略微差別，支持無人直升機植保，利用不同類型噴頭裝載一定劑量的藥物，結合農作物生長特性，選取符合工作要求的飛行路線，防止無人直升機受到航時與載藥量影響，最終出現反復起降，在提升作業效率的同時，減少生產與運維成本。與無人直升機植保相關的制度標準并不健全，甚至可以說是一片空白，致使現階段無人機作業規程不明確，對其大規模應用于精準農業起到制約作用。

二、農業無人機機體特點

機身振動性較弱，能夠配合精密儀器一同使用，農藥噴灑精準均勻，對地形要求不高，無論是在平原地區，還是西藏、新疆等高海拔區域內均可。起飛調校短，作業效率高且可用時間長，無廢氣產生，不會對大氣環境造成嚴重污染，符合我國可持續發展的基本理念。保養與維護便捷，消耗成本低，飛機機體尺寸小，重量輕，便于攜帶。具備農作物圖像實時傳輸、作物生長情況實時監控功能，同時兼具自穩定性能，不考慮其他因素，其噴灑與地面基本上垂直。可實現半自主起降，將原有模式調整為姿態模式、GPS姿勢模式下，僅需油門桿操作便可展開作業，如若無人機失控，與遙控信號斷開連接，無人直升機可自動停留在原處，直至信號恢復，具有較強的可靠性與靈活性。

成熟完全可靠的無人直升機數量不多，部分廠家為了獲得更多的經濟效益，容易忽視農業作業的特殊要求，質量與效率無法得到保證。農業種植人員由于受到專業素質的限制，往往會盲目購買，對不同類型的無人直升機了解不足，后期操作與維修均相對困難。加上農民對專業藥劑知識掌握不夠，僅憑借以往經驗擅自盲目的勾兌藥劑，一旦處理不當，則會致使農藥超標、殘留、應用效果差。諸如此類因素均在制約著無人機在精準農業中的使用。

三、實際案例

早在2012年，中科院人士便展開了農業無人機試驗，陸續對蘇州、新疆伊犁、遼寧法庫處的水稻、棉花、玉米進行農藥噴灑，將無人機在精準農業中的作業能力充分呈現出來，實現了農業無人機的技術定型與轉型。一年后，分別于四川成都、新疆佳木斯、陜西西安等地，先后實行農業應用展示，榮獲“后稷特別獎”，為后續研究提供了強有力支持。

四、無人機在精準農業中的關鍵技術與應用

（一）大載荷無人直升機技術

精準農業中的無人直升機結合了國際上先進的主動式無人直升機設計理念，飛行控制人員、直升機設計人員積極配合，一共研發飛行動力數學模型，而后參考對應的機械構造，達到系統設計的預期目標。根據相關實驗顯示，無人直升機的各方面參數，與其他國家相比更具合理性，無人機處于低空狀態下，以低速飛行則會具備更強的穩定性。

無人機主旋翼優先使用OA翼型系列中的一種，油箱為雙油箱，盡可能的將油耗對飛機重心造成的影響降到最小，發動機為汽油機，安裝在飛機重心周圍，一般采用消音器后置的方式展開設計，對應的排氣口需處于遠離攝像系統位置上，防止無人機廢氣對攝像系統造成污染。攝像系統選擇前置，確保在特定范圍內不存在干涉構件。旋翼系統為蹺蹺板式，變距鉸為自潤滑軸承。在最大限度上降低操縱系統載荷，通過對小翼轉動慣量的適當控制，全面提升無人機在空中飛行的穩定性。減速箱、主輸出軸中間位置上設有超越離合器，無人機飛行過程中如若出現停留情況，主旋翼氣動自旋，實現無人機的安全穩定著陸。

（二）自動跟蹤飛行控制技術

考慮到無人機在精準農業中的應用特點，如施肥、施藥、澆灌等，結合作業農田真實地形不平坦的特點，圍繞飛機導航系統、飛行控制系統兩個方面，展開對飛機的有效改造，做到無人直升機在一定高度處的自動跟蹤飛行控制。從導航系統角度來講，借助差分全球定位系統，確保相關數據測量的精準性，將定位精度控制縮小至厘米級。從飛行控制系統的角度來講，格外注意超低空環境下強地效影響、紊亂氣流影響[2]。建立在線逆動力學模型，對地效影響進行實時考察，在線收集并分析氣流影響，根據辨識結果最終確定前饋控制量。

（三）施藥航跡自動規劃技術

為了盡可能的減輕工作量，減少作業流程，無人直升機有必要實行系統升級與優化，保證其能夠判定施藥環境自主調整航跡，實施科學規劃，經過合理引導后完成設定任務。農田形狀通常為四邊形，操作人員實行地面控制，地面控制站位置處確定農田相應的GPS點。在此基礎上，根據無人直升機每次作業面積，結合該區域農田的實際作業需求，利用控制器實現無人直升機自動航跡規劃，達成既定目標。

（四）精準自主流控技術

低空噴霧作業過程中，急需解決的問題就是藥液霧化，必須采取針對性措施增強藥液霧化，降低霧滴漂移可能性，提升霧滴在農作物中的穿透性、沉積率，從根本上提高藥劑利用率。密切注意無人機在空中的飛行軌跡與狀態，收集相應信息，構建精量噴霧決策模型，利用無人機獲取的作物生長信息作出噴灑決策。對噴灑各參數進行適當調整，包括噴嘴流量、壓力、高壓靜電參數，盡量取得最佳噴施效果。參照無人直升機飛行高度、速度，根據施藥的具體要求，準確計算出噴灑流量。借助PI控制的方式實現科學流量控制，維持作業區域內的藥劑噴灑均勻。

（五）農田長勢分析技術

農作物生長過程中容易受到病蟲害侵襲，以小麥植株為例，蚜蟲感染小麥后，會快速吸收小麥汁液，葉片葉綠素明顯下降。另外，蚜蟲分泌出的蜜露中含有大量的灰塵與污穢物質，長此以往，小麥葉片呈現出黑亮狀態，嚴重阻礙了植株光合作用的進行。無人直升機飛行期間能夠對此類信息全面收集，為后續治理提供可靠數據。為了進一步明確蚜蟲對小麥作物的危害性，技術人員從相應數據中提取有效信息，比對蚜蟲不同危害程度下的小麥光譜，最終得出結論：蚜蟲危害程度越深，小麥可見光波光譜反射率越小。以此為前提，查找小麥冠層光譜變化規律，得出蚜蟲危害下的光譜指數，分析不同波段內的貢獻大小及其權重，最終建立并升級蚜害等級遙感反演模型，得出結論：蚜蟲病害光譜指數與蚜蟲病害程度具有正相關關系。

結論：綜上所述，無人機在精準農業中的應用取得效果較顯著，不但降低了人力消耗、勞動強度，同時也符合綠色發展的環保理念，噴灑農藥過程中不會產生污染，有利于農田的良好生長。相關人員應掌握無人機使用特點，明確精準農業中無人機應用的難點，充分發揮出效果。

參考文獻：

[1]段新宇.無人機在精準農業中的關鍵技術及應用[J].農業與技術，2017，37（13）：60+43

[2]楊麗.遙感技術在精準農業中的現狀及發展趨勢[J].農業與技術，2019，39（16）：21-22

作者簡介：

林振球 （1984年4月 ）男，籍貫：廣西陸川人，漢族，現職稱：注冊咨詢工程師（投資），人力資源管理經濟師，學歷：本科，研究方向：農業機械化推廣管理和農業經濟。