田凱茜 王子豪

摘 要：《中國制造2025》提出了在農(nóng)機(jī)裝備領(lǐng)域中實(shí)現(xiàn)技術(shù)突破，《全國農(nóng)業(yè)農(nóng)村信息化發(fā)展“十三五”規(guī)劃》中提出在未來五年農(nóng)業(yè)信息化水平要大幅增長。農(nóng)業(yè)智能化是目前農(nóng)業(yè)發(fā)展的趨勢，也是國家重視發(fā)展的領(lǐng)域。本文對植保無人機(jī)相關(guān)知識進(jìn)行簡要介紹，并探討將多晶硅太陽能在植保無人機(jī)中應(yīng)用，提升無人機(jī)航時，使得植保無人機(jī)的作業(yè)時間增加。

關(guān)鍵詞：植保無人機(jī);長航時;多晶硅太陽能變換

0 引言

中國是世界上的農(nóng)業(yè)大國，棉花、水稻等作物產(chǎn)量排在世界前列，然而中國農(nóng)業(yè)自動化、智能化水平卻不高。近些年來，農(nóng)作物成本越來越高。中國棉花種植成本最高可達(dá)到美國棉花種植成本的三十倍，售價(jià)也高出約48%。分析其原因，農(nóng)業(yè)不夠智能化、機(jī)械化使得中國農(nóng)業(yè)工作效率低下，植物生長狀態(tài)不穩(wěn)定，人工成本耗費(fèi)過多。

灌溉是任何農(nóng)作物生長過程中必不可少的一步，中國傳統(tǒng)的水渠灌溉法，水資源浪費(fèi)，灌溉不均勻等問題顯著。中國農(nóng)村農(nóng)藥中毒事件高發(fā)，農(nóng)藥噴灑是一種消耗人力和財(cái)力并容易引發(fā)危險(xiǎn)事故的活動。近些年來，大規(guī)模規(guī)范化農(nóng)業(yè)種植越來越普遍。單純依靠人力監(jiān)察農(nóng)作物生長情況更顯得尤為困難。農(nóng)作物病蟲害檢測決定了農(nóng)作物產(chǎn)量。及時檢測作物生長狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)病蟲疫情，并對癥下藥對于提升農(nóng)作物產(chǎn)量十分重要。

植保無人機(jī)可以極大地解放人類勞動力，完成灌溉、農(nóng)藥噴灑、病蟲害檢測等農(nóng)業(yè)任務(wù)。中國農(nóng)業(yè)耕地面積廣，地形復(fù)雜多樣，植保無人機(jī)能有效地減少耗水量以及病蟲害防治。近些年來，植保無人機(jī)迅速發(fā)展，農(nóng)業(yè)部、財(cái)政部，民航局聯(lián)合發(fā)文為農(nóng)村引入植保無人機(jī)提供補(bǔ)貼。但航時問題成為植保無人機(jī)發(fā)展的阻礙，農(nóng)耕面積大對植保無人機(jī)航時提出了更高要求。通過增加多晶硅太陽能變換，有效提高植保無人機(jī)的航時，并節(jié)省能源，實(shí)現(xiàn)了可再生資源的利用。

1 植保無人機(jī)架構(gòu)

1.1 四旋翼無人機(jī)選用

市面上已有的無人機(jī)型號多樣，性能、價(jià)格參差不齊。選用成本低廉、性能良好、架構(gòu)符合需求的無人機(jī)是基礎(chǔ)。我們選用四旋翼無人機(jī)因其具有靈活性高、控制簡單、輕便等優(yōu)點(diǎn)。

植保無人機(jī)用作灌溉和噴灑農(nóng)藥要求機(jī)身不能過重，且機(jī)身留有一定空間用于放置農(nóng)藥桶和噴頭。植保無人機(jī)用作病蟲害檢測時，要求無人機(jī)在飛行過程中穩(wěn)定性較高，能完成懸停任務(wù)，能夠拍攝出高質(zhì)量的圖片以及視頻。

我們使用大疆經(jīng)緯Matrice 100四旋翼無人機(jī)框架，其對稱軸距為650 mm，帶有三軸增穩(wěn)云臺，自載ZENMUSE X3一體式云臺相機(jī)可用于視覺圖像采集，能夠平穩(wěn)地拍攝圖片以及上傳清晰的長視頻，能較好地用于分析農(nóng)作物病蟲害。其最大飛行速度可達(dá)22m/s，最大上升下降速度為4m/s。懸停精度在垂直方向可達(dá)0.5m，水平方向可達(dá)2.5m。滿足我們植保無人機(jī)懸停時能夠穩(wěn)定清晰地觀測病蟲害重點(diǎn)農(nóng)作物區(qū)域。大疆經(jīng)緯Matrice 100四旋翼無人機(jī)的性能強(qiáng)大，有部分資料開源能夠較好地用于二次開發(fā)。

1.2 多晶硅太陽能變換供電

由于植保無人機(jī)的長航時需求，普通的電池?zé)o法達(dá)到要求。我們考慮利用太陽能直接發(fā)電，為無人機(jī)長航時飛行提供電能。太陽能電池通過光電效應(yīng)，將太陽能轉(zhuǎn)化為電能并存儲。目前太能電池有硅太陽能、多晶體薄膜、有機(jī)聚合物、納米晶、有機(jī)薄膜、燃料敏化、塑料電池等類型。

多晶硅太陽能電池屬于硅太陽能電池中的一種。多晶硅太陽能電池相較于非晶硅薄膜電池能量轉(zhuǎn)化率高，成本低廉。光電轉(zhuǎn)化效率能夠達(dá)到17%。將多晶硅太陽能電池與普通蓄電池結(jié)合。通過太陽能電池板將太陽能轉(zhuǎn)換為電能并存儲，無人機(jī)在太陽能供電不足時切換為蓄電池供電。這種變換供電裝置能夠有效延長無人機(jī)航時，使用綠色能源太陽能符合可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。

多晶硅太陽能變換電池的基本組成為：多晶硅太陽能板，變換供電裝置，3S蓄電池。為了有效地采集太陽能，多晶硅太陽能板選用規(guī)格為80mm×80mm，電壓為5V，電流為160mA。安裝在無人機(jī)機(jī)架頂部中心位置。采用11.1V的3S蓄電池，成本較低，具有很高的性價(jià)比。蓄電池大部分時候處于閑置狀態(tài)，只有在太陽能不足以為無人機(jī)供電時，通過轉(zhuǎn)換開關(guān)，將太陽能供電轉(zhuǎn)換為蓄電池供電。

多晶硅太陽能變換電池控制系統(tǒng)包含以下幾個部分：供電類型變換，蓄電池，多晶硅太陽能電池，A/D采樣，D/A轉(zhuǎn)化，過壓保護(hù)，步進(jìn)電壓控制。

1.3 噴嘴及載液桶等部件

植保無人機(jī)還需載重一些零部件如載液桶、噴嘴等。為了節(jié)省電能，增加航時，要求零部件具有重量輕、體積盡可能小的特點(diǎn)。

農(nóng)藥和水源的灌溉采用扇形噴頭，穿透力較強(qiáng)能夠均勻地噴灑農(nóng)藥和水源，相較于錐形噴頭更加節(jié)約水源和藥物。噴頭的材質(zhì)采用尼龍，質(zhì)量較輕，減輕無人機(jī)的負(fù)擔(dān)。加上四旋翼的四個螺旋槳產(chǎn)生的向下氣流，能夠更好地幫助農(nóng)藥的均勻噴灑。

載液桶采用12L藥桶。安裝液泵和噴頭在藥桶上。整體零部件的選材都傾向于較輕材質(zhì)，能夠減少無人機(jī)負(fù)擔(dān)，盡可能地減少耗電量。

1.4 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

植保無人機(jī)的控制系統(tǒng)包括：飛行器控制系統(tǒng)，無人機(jī)狀態(tài)檢測，病蟲害檢測部分，遠(yuǎn)程遙控以及農(nóng)藥水源消耗狀態(tài)反饋。

地面站，云臺，無人機(jī)三個模塊相互傳遞信息，協(xié)作完成任務(wù)。地面站具有發(fā)射單元，無人機(jī)上有對應(yīng)的接收機(jī)。地面發(fā)射單元向無人機(jī)上的接收機(jī)發(fā)送2.4G寬帶頻率，完成地面與無人機(jī)的通信。無人機(jī)與云開發(fā)平臺通過CAN進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。同時地面站和云平臺通過無線傳輸端相互收發(fā)數(shù)據(jù)，進(jìn)行通訊。

飛行控制系統(tǒng)是無人機(jī)航行的基本控制要求。良好的飛行控制系統(tǒng)保證無人機(jī)飛行過程的魯棒性，控制無人機(jī)飛行姿態(tài)，是無人機(jī)飛行中最重要的部分。

設(shè)計(jì)云開發(fā)平臺，地面與空中交互控制。云平臺包含四個部分：顯示層，中間層，虛擬層和資源層，用作數(shù)據(jù)存儲和處理及數(shù)據(jù)運(yùn)算。其對資源進(jìn)行了調(diào)配，提高了工作效率，設(shè)備所占用的空間減少，更加便攜。應(yīng)用層的交互界面，通過HTML web界面，降低用戶使用門檻。

實(shí)時載液桶桶內(nèi)剩余液體反饋。當(dāng)桶內(nèi)的液體少于劃線量，向地面終端反饋余液量不足。地面反饋繼續(xù)巡航或是返回基站的指令。

無人機(jī)端還載有雷達(dá)裝置，實(shí)時定位。在初次航行時，對控制范圍內(nèi)的農(nóng)地進(jìn)行建模。并規(guī)劃飛行軌跡?？梢匀藶榈匦拚肪€，或是擴(kuò)大飛行范圍。配有FUTABA 18MZ遙控，可以人為手動進(jìn)行灌溉和農(nóng)藥噴灑。對特殊農(nóng)作物地區(qū)，可以專門進(jìn)行病蟲害檢測。

農(nóng)業(yè)病蟲害檢測是將無人機(jī)獲取的圖像及視頻信息返回到云臺，在云端進(jìn)行處理。通過深度學(xué)習(xí)判斷出圖片所處地農(nóng)作物的生長狀態(tài)，給出指標(biāo)（優(yōu)，良，差）。返回結(jié)果到地面終端，幫助農(nóng)民進(jìn)行輔助決策。

2 價(jià)值體現(xiàn)

傳統(tǒng)農(nóng)耕主要依靠的是農(nóng)民的經(jīng)驗(yàn)對農(nóng)作物進(jìn)行灌溉，農(nóng)作物生長狀態(tài)與病蟲害的檢測也是依靠農(nóng)民的經(jīng)驗(yàn)。農(nóng)作物的產(chǎn)量與質(zhì)量都不穩(wěn)定。而不穩(wěn)定帶給農(nóng)民的生活壓力又是巨大的。科學(xué)、規(guī)范、無門檻的農(nóng)業(yè)需求越來越大。

目前市面上大部分的植保無人機(jī)最長航時為20～30min，應(yīng)用多晶硅太陽能的長航時植保無人機(jī)可以提升50%的續(xù)航能力。太陽能又是可再生能源，零成本，免費(fèi)使用且無污染。

國內(nèi)植保無人機(jī)的發(fā)展時間還較短，普及面還不是很廣。長航時太陽能的植保無人機(jī)作為節(jié)源，多功能的集成灌溉，噴灑農(nóng)藥，病蟲害檢測等為一體的設(shè)備，有很大的市場空間。

農(nóng)業(yè)智能化水平將會得到很大提升。以往“土渠輸水，大水漫灌”型浪費(fèi)水源的灌溉方式將會徹底改善。中國18億畝的總耕地面積，具有極大的用戶需求量。政府的大力支持，給予農(nóng)戶資金補(bǔ)貼，使得中國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化科學(xué)化、機(jī)械化指日可待。

3 推廣方法與策略

長航時植保無人機(jī)的研發(fā)已經(jīng)相對成熟，卻在推廣應(yīng)用中受到極大的阻力。農(nóng)戶不接受新產(chǎn)品，認(rèn)為定價(jià)過高，不愿意改變固有耕作方式。如何合理地推廣到實(shí)際應(yīng)用中，改變農(nóng)戶固有的農(nóng)耕思想和方式，也應(yīng)制定相應(yīng)的計(jì)劃與策略。

3.1 淘寶、京東等電商平臺推廣

電商平臺是目前網(wǎng)絡(luò)宣傳的主要渠道。淘寶、京東等電商平臺現(xiàn)已有客戶量高達(dá)6億人次，占C2C市場份額的90%以上。大量的用戶集中在淘寶、京東等市場。因此，合理地推廣能夠帶來巨大的廣告效益。設(shè)立旗艦店鋪，建立多晶硅長航時植保無人機(jī)的完善的售后、教學(xué)服務(wù)。向農(nóng)戶提供特殊優(yōu)惠活動，加大在主頁面的宣傳力度。為購買者提供良好的購物體驗(yàn)和售后服務(wù)。

3.2 廣告及線下推廣

橫幅廣告、通欄廣告、廣告條是目前最普遍的廣告展現(xiàn)形式。印制紙質(zhì)宣傳單和各種海報(bào)，在人流量密集的地方張貼海報(bào)分發(fā)傳單。與當(dāng)?shù)卮笮蜕虉龊献?，在公共大屏幕上播放宣傳視頻。植保無人機(jī)這種購買成本較高的產(chǎn)品，還應(yīng)設(shè)立咨詢點(diǎn)。配備專業(yè)人員進(jìn)行操作演示，效果展現(xiàn)，向農(nóng)戶解釋投資植保無人機(jī)帶來的經(jīng)濟(jì)效益。與合作商家商議，將宣傳單印制到公交站牌、農(nóng)村告示牌等處。讓更多人了解、認(rèn)識植保無人機(jī)，讓農(nóng)業(yè)智能化的思想進(jìn)入農(nóng)戶的視野。

3.3 政府的政策支持

大力度的革新離不開政府政策的支持。2017年政府提出以“農(nóng)業(yè)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革”，2018年發(fā)布“實(shí)施鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略”文件。國家對農(nóng)業(yè)智慧化、農(nóng)業(yè)自動化越來越重視。

還應(yīng)與政府合作在農(nóng)村進(jìn)行宣傳，增加農(nóng)戶對該產(chǎn)品的信任度。在每個村支部設(shè)立農(nóng)業(yè)智慧宣傳辦，為農(nóng)戶解答相關(guān)的農(nóng)業(yè)智能化問題，講解政府對購買機(jī)械化產(chǎn)品的扶持政策與補(bǔ)貼。作為上級與底層農(nóng)民的溝通的重要渠道，宣傳辦平時應(yīng)該總結(jié)農(nóng)民的疑問和困難，定期上報(bào)給上級，討論解決問題。宣傳辦還應(yīng)及時傳達(dá)上級的思想與政策，切實(shí)解決農(nóng)戶困難，讓農(nóng)戶用得起，用的好，用得放心。

有了政府的支持與補(bǔ)貼，多晶硅長航時植保無人機(jī)將得到普及和推廣。同時，還應(yīng)持續(xù)改善產(chǎn)品，依據(jù)農(nóng)戶使用反饋，逐漸完善產(chǎn)品功能，增加產(chǎn)品功能。

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