無(wú)人機(jī)在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中的關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用

孫鐵波

(江蘇食品藥品職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 淮安 223000)

0 引言

在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，無(wú)人機(jī)發(fā)揮出了不俗的效果，基于無(wú)人機(jī)構(gòu)建的全新作業(yè)體系展現(xiàn)出了巨大的優(yōu)勢(shì)，自動(dòng)化水平的提升不僅有效降低了農(nóng)民的勞動(dòng)量，同時(shí)也提高了農(nóng)藥噴灑、植物保護(hù)等方面工作的效果。無(wú)人機(jī)為農(nóng)業(yè)的精準(zhǔn)化和智能化發(fā)展提供了極大的助力，也為我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平的提升做出了巨大的貢獻(xiàn)。

1 農(nóng)用無(wú)人機(jī)技術(shù)概述

1.1 農(nóng)用無(wú)人機(jī)的功能介紹

無(wú)人機(jī)是一種能夠通過(guò)遠(yuǎn)程控制實(shí)現(xiàn)無(wú)人駕駛的飛行器，在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，通過(guò)程序編寫(xiě)配合無(wú)線電遙控可以幫助農(nóng)民完成一些生產(chǎn)任務(wù)。目前，無(wú)人機(jī)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的功能主要包括兩大類(lèi)，分別是信息獲取以及農(nóng)事操作。

信息獲取是指利用無(wú)人機(jī)對(duì)田地中農(nóng)作物的生長(zhǎng)狀況、土壤條件、病蟲(chóng)害信息等進(jìn)行采集，為生產(chǎn)決策提供參考依據(jù)。

農(nóng)事操作是指利用無(wú)人機(jī)代替人工完成各項(xiàng)農(nóng)事作業(yè)活動(dòng)，這種方式可以有效地提高作業(yè)效率、質(zhì)量，非常適合農(nóng)業(yè)規(guī)?；a(chǎn)模式。而且無(wú)人機(jī)上設(shè)置的智能設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)田信息的實(shí)時(shí)采集，使生產(chǎn)管理者可以針對(duì)實(shí)際情況作出有效的調(diào)整應(yīng)對(duì)，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)。

1.2 無(wú)人機(jī)在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中的主要應(yīng)用領(lǐng)域

在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中，無(wú)人機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域主要包括4個(gè)方面：

首先，對(duì)農(nóng)作物進(jìn)行監(jiān)測(cè)，為施肥提供資料依據(jù)。在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，施肥是保障農(nóng)作物產(chǎn)量不可缺少的工作，肥料能夠?yàn)檗r(nóng)作物提供其生長(zhǎng)所需的各類(lèi)養(yǎng)分，使其能夠進(jìn)行正常的代謝。如何在最精準(zhǔn)的時(shí)機(jī)施以足量的肥料一直以來(lái)都是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的一個(gè)關(guān)鍵性問(wèn)題，因此在傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)施肥過(guò)量或是不足的問(wèn)題。而裝置了圖像采集設(shè)備的無(wú)人機(jī)則可以對(duì)農(nóng)作物的生長(zhǎng)信息進(jìn)行采集，幫助生產(chǎn)者及時(shí)發(fā)現(xiàn)農(nóng)作物群體所表現(xiàn)出的異常狀況，通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)分析確定農(nóng)作物缺少的營(yíng)養(yǎng)元素，之后準(zhǔn)時(shí)、準(zhǔn)確地進(jìn)行精準(zhǔn)施肥。

其次，對(duì)土壤狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，為灌溉提供資料依據(jù)。水分同樣是農(nóng)作物不可缺少的物質(zhì)，土壤中水分含量是否適當(dāng)影響著農(nóng)作物的生長(zhǎng)。生產(chǎn)者需要根據(jù)土壤的濕度情況以及農(nóng)作物的習(xí)性，進(jìn)行適當(dāng)?shù)墓喔裙ぷ?，因此?duì)土壤水分的監(jiān)測(cè)就顯得至關(guān)重要，這項(xiàng)工作可以幫助生產(chǎn)者了解農(nóng)作物是否存在缺水現(xiàn)象，需水量為多少，并在此基礎(chǔ)上選擇合理的灌溉方式，提高水分利用率。相較于傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的土壤濕度監(jiān)測(cè)方法，無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)在范圍、精確度以及時(shí)效性方面都具有顯著的優(yōu)勢(shì)。具體是通過(guò)裝載在機(jī)身上的可見(jiàn)光近紅外光設(shè)備，對(duì)土壤圖像進(jìn)行對(duì)比分析獲得土壤的濕度信息，根據(jù)該信息采用科學(xué)的灌溉方式。

再次，應(yīng)用于病蟲(chóng)草害防治。無(wú)人機(jī)還可以對(duì)農(nóng)田中存在的病蟲(chóng)草害進(jìn)行監(jiān)測(cè)，現(xiàn)代化遙感技術(shù)以航拍的方式可以實(shí)現(xiàn)對(duì)大面積農(nóng)田的有效覆蓋，獲得清晰全面的攝像資料，為農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境進(jìn)行分析，及時(shí)發(fā)現(xiàn)病蟲(chóng)草害狀況，針對(duì)性地采取管理措施。例如，江蘇省農(nóng)科院和南京理工大學(xué)合作開(kāi)發(fā)的微型無(wú)人機(jī)搭載特殊光譜分析儀，可以基于農(nóng)作物葉片光譜發(fā)射率，對(duì)其是否患病以及患病的類(lèi)型做出精準(zhǔn)的判斷，進(jìn)而采取相應(yīng)的藥物治療措施。為了配合這一方案的實(shí)施，還建立了一個(gè)特殊的農(nóng)作物病蟲(chóng)害光譜庫(kù)，通過(guò)簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)對(duì)比就可以快速確定農(nóng)作物出現(xiàn)病蟲(chóng)害情況。相較于傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中所使用的監(jiān)測(cè)設(shè)備，無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)的范圍更大，不僅實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，而且基本上不受天氣因素的影響，有效地滿(mǎn)足了精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)對(duì)病蟲(chóng)草害防治的需求。

最后，應(yīng)用于植物保護(hù)。現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，植保是確保農(nóng)作物產(chǎn)量的重要舉措，而傳統(tǒng)的人工和半機(jī)械化的方式已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足當(dāng)前的需求，勞動(dòng)強(qiáng)度大、作業(yè)效率低、農(nóng)藥浪費(fèi)、危害作業(yè)人員健康等弊端逐漸顯露出來(lái)。而無(wú)人機(jī)植保作業(yè)方式的出現(xiàn)則有效的解決上述問(wèn)題，無(wú)人機(jī)植保徹底取代了人工作業(yè)的方式，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了作業(yè)效率。而且配合無(wú)人機(jī)所具有的信息采集功能，可以基于農(nóng)作物的生長(zhǎng)情況，對(duì)藥物噴灑量進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)控，并保障噴灑的均勻性。結(jié)合實(shí)踐研究來(lái)看，相較于傳統(tǒng)的植保方式，無(wú)人機(jī)植?？梢詫?shí)現(xiàn)20%～40%的農(nóng)藥節(jié)省，同時(shí)作業(yè)效率可以實(shí)現(xiàn)10倍以上的提升，且不會(huì)出現(xiàn)藥物殘留的情況。除此之外，無(wú)人機(jī)植保方式的適用性極強(qiáng)，在大部分復(fù)雜的地形和環(huán)境條件下都可以發(fā)揮出不俗的效果。綜合來(lái)看，無(wú)人機(jī)植保方式的應(yīng)用可以極大地提高植保作業(yè)的效率和質(zhì)量，解決藥物殘留問(wèn)題，有利于農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

2 無(wú)人機(jī)在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中的關(guān)鍵技術(shù)介紹

2.1 無(wú)人機(jī)超低空飛行控制技術(shù)

通過(guò)上文分析闡述我們已經(jīng)了解到，無(wú)人機(jī)在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的施肥、灌溉、植保、病蟲(chóng)草害防治等方面都發(fā)揮著巨大的作用，這些工作的精準(zhǔn)實(shí)施都離不開(kāi)信息的采集，由于農(nóng)作物處于地表，因此想要獲取精確的信息資料，就需要使無(wú)人機(jī)保持長(zhǎng)時(shí)間的低空飛行，這就涉及了超低空飛行控制技術(shù)的應(yīng)用。在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，很多農(nóng)田都存在較為復(fù)雜的地形條件，這對(duì)無(wú)人機(jī)飛行會(huì)產(chǎn)生一定的干擾。對(duì)此，需要在無(wú)人機(jī)中使用導(dǎo)航系統(tǒng)和飛行控制系統(tǒng)，確保無(wú)人機(jī)能夠有效規(guī)避不利的地形。在導(dǎo)航系統(tǒng)構(gòu)建中，需要使用到激光設(shè)備，其作用是對(duì)地測(cè)距；GPS定位系統(tǒng)，其作用是精準(zhǔn)定位，其精度最高可以達(dá)到厘米級(jí)。而飛行控制系統(tǒng)的作用通常是去除超低空環(huán)境中的強(qiáng)地效影響以及紊亂氣流影響。

2.2 航跡規(guī)劃計(jì)劃以及施藥量分析技術(shù)

想要在保障作業(yè)質(zhì)量的前提下，最大程度的提高無(wú)人機(jī)作業(yè)的效率，就需要進(jìn)一步提高無(wú)人機(jī)操作水平，即根據(jù)施藥的環(huán)境，進(jìn)行自適應(yīng)的航跡規(guī)劃，配合適當(dāng)?shù)囊龑?dǎo)完成預(yù)先設(shè)定的任務(wù)。以四邊形的作業(yè)區(qū)域?yàn)槔?，生產(chǎn)人員首先需要設(shè)置地面控制站以及作業(yè)區(qū)域4個(gè)定點(diǎn)位置的GPS。在確定GPS的坐標(biāo)之后，根據(jù)作業(yè)覆蓋整個(gè)農(nóng)田區(qū)域的要求，控制器進(jìn)行在線航跡的規(guī)劃，根據(jù)規(guī)劃結(jié)果指引無(wú)人機(jī)完成相關(guān)操作，最終達(dá)到作業(yè)目標(biāo)。

對(duì)于農(nóng)作物所遭受的害蟲(chóng)侵襲，可以借助無(wú)人機(jī)采集獲的高光遙感影像數(shù)據(jù)，對(duì)蟲(chóng)害的發(fā)展情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)了解，之后采取科學(xué)的對(duì)比策略，判斷蟲(chóng)害的危險(xiǎn)程度。對(duì)此，可以基于不同種類(lèi)的作物，采取光譜檢驗(yàn)的方式，根據(jù)光譜發(fā)射率的變化規(guī)律，確定施藥量。

2.3 噴灑荷載系統(tǒng)以及自動(dòng)精準(zhǔn)流控技術(shù)

在針對(duì)農(nóng)作物開(kāi)展低空噴霧作業(yè)的過(guò)程中，有一個(gè)關(guān)鍵性的問(wèn)題，即提升藥液的霧化，同時(shí)控制霧滴的漂移，其目的是強(qiáng)化霧滴作用于農(nóng)作物的穿透性，提高藥液在作物葉面的沉積率以及藥液的利用率。無(wú)人機(jī)低空飛行中可以實(shí)現(xiàn)對(duì)噴霧量的有效控制，而且還能夠基于作業(yè)的生長(zhǎng)狀態(tài)，作出實(shí)時(shí)的噴施指令，借助可控制藥裝備，進(jìn)行執(zhí)行實(shí)施，通過(guò)對(duì)噴霧流量、壓力、高壓靜電等參數(shù)以及噴臂狀態(tài)的調(diào)整，以獲得最理想的噴施效果。而且，綜合無(wú)人機(jī)的飛行狀態(tài)信息以及施藥深度的要求，可以實(shí)時(shí)計(jì)算處是施藥電液的噴施流量。采用閉環(huán)比例控制設(shè)備對(duì)噴施的速度進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。在整個(gè)作業(yè)過(guò)程中，無(wú)人機(jī)上安裝的流量測(cè)量?jī)x會(huì)將當(dāng)前的噴灑流量數(shù)據(jù)采集、反饋并計(jì)算獲取最佳噴灑值，之后通過(guò)PI控制，實(shí)現(xiàn)高效精確的流量控制，提高藥液噴灑的均勻度。

3 當(dāng)前階段我國(guó)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中無(wú)人機(jī)應(yīng)用發(fā)展的困境解析

隨著我國(guó)農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展的深入，無(wú)人機(jī)等現(xiàn)代化設(shè)備以及先進(jìn)技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用變得越來(lái)越廣泛，迎合市場(chǎng)需求，從事無(wú)人機(jī)研究、生產(chǎn)的機(jī)構(gòu)和企業(yè)也在增加。同時(shí)，中央出臺(tái)的關(guān)于加強(qiáng)農(nóng)用航空建設(shè)的文件也為領(lǐng)域發(fā)展提供了契機(jī)。但是由于基礎(chǔ)薄弱，無(wú)人機(jī)在我國(guó)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中應(yīng)用時(shí)必然也遭遇了一定的困難，這也為農(nóng)用無(wú)人機(jī)的發(fā)展指明了方向。

3.1 農(nóng)用無(wú)人機(jī)技術(shù)不完善、設(shè)備可靠性低

目前，我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中所使用的無(wú)人機(jī)在操作便捷性、性能可靠性等方面均存在一定的不足，還無(wú)法達(dá)到美、日等發(fā)達(dá)國(guó)家的水平。例如，在飛行續(xù)航方面，我國(guó)所使用的農(nóng)用無(wú)人機(jī)由于機(jī)身質(zhì)量差，且搭載設(shè)備較多，使得其續(xù)航時(shí)間大幅度縮短，一般不超過(guò)1h，而且在作業(yè)中需要頻繁的降落進(jìn)行電池的更換，嚴(yán)重影響了作業(yè)效率。而且這種行為會(huì)造成機(jī)身溫度的增加，損害無(wú)人機(jī)的使用壽命。再如，無(wú)人機(jī)及其承載部件對(duì)農(nóng)藥的耐受性不足，由于現(xiàn)階段航空施藥的藥量精準(zhǔn)控制以及漂移控制尚不完善，因此不可避免地會(huì)出現(xiàn)藥液污染機(jī)身的情況。除此之外，我國(guó)農(nóng)用無(wú)人機(jī)的安全性保障功能存在缺失，如失聯(lián)返航、失控保護(hù)、自動(dòng)避障、設(shè)置安全作業(yè)區(qū)域等功能均存在不足。

3.2 配套設(shè)施缺失、維護(hù)成本高昂

當(dāng)前階段，我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中比較常用的無(wú)人機(jī)機(jī)型主要有單旋翼、多旋翼、油動(dòng)力以及電池動(dòng)力幾種。固然，無(wú)人機(jī)技術(shù)的應(yīng)用使得農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率、質(zhì)量獲得了有效的提升，但是其制造成本也遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)機(jī)械，而植保無(wú)人機(jī)的售價(jià)甚至高達(dá)5～20萬(wàn)元，在我國(guó)基本上無(wú)法實(shí)現(xiàn)大范圍推廣應(yīng)用。而且無(wú)人機(jī)使用涉及了很多專(zhuān)業(yè)技術(shù)，如飛控技術(shù)、動(dòng)力技術(shù)等，專(zhuān)業(yè)性較強(qiáng)，想要良好使用，還需要參加培訓(xùn)活動(dòng)，掌握使用、維護(hù)、保養(yǎng)等方面的知識(shí)技能，這會(huì)使農(nóng)用無(wú)人機(jī)的使用成本進(jìn)一步增加，這是我國(guó)絕大多數(shù)農(nóng)戶(hù)都無(wú)法承受的。

根據(jù)我國(guó)國(guó)情，過(guò)高的成本是阻礙農(nóng)用無(wú)人機(jī)推廣的主要因素之一。另一方面，我國(guó)缺少專(zhuān)業(yè)的無(wú)人機(jī)操作人員。造成這種情況的深層原因是我國(guó)與農(nóng)用無(wú)人機(jī)配套基礎(chǔ)設(shè)施尚不完善，極大阻礙了農(nóng)用無(wú)人機(jī)的市場(chǎng)化和規(guī)模化發(fā)展。

針對(duì)以上2個(gè)方面的問(wèn)題，未來(lái)一段時(shí)間我國(guó)農(nóng)用無(wú)人機(jī)領(lǐng)域的發(fā)展應(yīng)集中在研發(fā)2個(gè)方面：首先，加大農(nóng)用無(wú)人機(jī)領(lǐng)域的研發(fā)投入，對(duì)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行攻關(guān)，提高無(wú)人機(jī)綜合性能，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供更加有力的支撐。其次，加快完善農(nóng)用無(wú)人機(jī)配套設(shè)施，包括社會(huì)化服務(wù)體系、人才培養(yǎng)機(jī)制、銷(xiāo)售服務(wù)體系等，促進(jìn)無(wú)人機(jī)的推廣應(yīng)用。

4 結(jié)語(yǔ)

在我國(guó)現(xiàn)代精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)發(fā)展的過(guò)程中，想要最大程度地提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率、質(zhì)量，同時(shí)降低生產(chǎn)成本、控制環(huán)境污染，最有效的方法就是引入先進(jìn)的技術(shù)設(shè)備，構(gòu)建全新的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)體系、模式，如此才能將我國(guó)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)的潛力充分挖掘出來(lái)，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。將無(wú)人機(jī)應(yīng)用于精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中具有減少作業(yè)強(qiáng)度、有效控制病蟲(chóng)草害、農(nóng)田監(jiān)測(cè)管理等多種改進(jìn)效果，解決傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)存在的弊端。近年來(lái)，農(nóng)用無(wú)人機(jī)在我國(guó)發(fā)展迅猛，但離大范圍推廣還有一段很長(zhǎng)的距離，這需要進(jìn)一步加強(qiáng)在該領(lǐng)域的研發(fā)攻關(guān)，在提升無(wú)人機(jī)性能的基礎(chǔ)上，對(duì)制造成本進(jìn)行壓縮控制，同時(shí)完善社會(huì)化配套服務(wù)體系，加強(qiáng)專(zhuān)業(yè)操作人員培養(yǎng)。