□王利 陳進 姚金霞 郭鵬 陳燕英/四川省農(nóng)業(yè)機械研究設(shè)計院

“無人機”即無人駕駛飛機，是利用無線電遙控設(shè)備和自備的程序控制裝置操縱不載人飛機，具有省力、高效、可重復(fù)使用的特點。旋翼式無人機是無人機研究領(lǐng)域的一個重要分類，這類無人機主要依靠一個或多個旋翼為機體提供升力和動力。其中，單旋翼無人機以其獨特的空中懸停能力、對起降場地要求低，優(yōu)良的低空低速特性、靈活性以及穩(wěn)定性強等優(yōu)點，近年來，被廣泛運用于軍民各行各業(yè)。隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式的轉(zhuǎn)變，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對農(nóng)業(yè)機械化提出了更高的要求，農(nóng)業(yè)管理者和生產(chǎn)者對適用的農(nóng)業(yè)機械化新技術(shù)和各種配套機具的需求越發(fā)迫切。單旋翼農(nóng)用無人機作為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)機械化的延展，在植保作業(yè)、作物授粉、蟲情檢測、牧群定位、農(nóng)田遙感等領(lǐng)域被廣泛關(guān)注、研究和應(yīng)用。

1 分類

根據(jù)動力系統(tǒng)的不同，單旋翼農(nóng)用無人機可分為油動機、電動機和油電混合動力機。其中，油動單旋翼無人機的動力系統(tǒng)主要包括發(fā)動機、傳動裝置以及旋翼等，其載荷大、續(xù)航能力強、抗風(fēng)，但對操作人員的技術(shù)要求較高，整體維護較難，成本較高，市場占有率較低。電動單旋翼無人機的動力系統(tǒng)主要包括電池、電機、旋翼、電調(diào)等，與油動單旋翼無人機相比，電動單旋翼無人機因其載荷較小、輕便靈活、飛行穩(wěn)定性較好、操作簡單、成本低，很受市場歡迎，市場占有率在80%以上。油電混合動力單旋翼無人機的動力系統(tǒng)由電機和燃油發(fā)動機兩種動力系統(tǒng)構(gòu)成，由燃油發(fā)電機為電池充電、電池再發(fā)動電力引擎。動力可來自電池、汽油發(fā)電機，或者由兩者同時提供，其載荷更大，可靠性、穩(wěn)定性、續(xù)航能力更佳，但結(jié)構(gòu)及操控性更為復(fù)雜，成本更高。目前，在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域使用電動單旋翼無人機相對較多。

2 系統(tǒng)組成及技術(shù)組成

2.1 系統(tǒng)組成

旋翼式無人機系統(tǒng)由無人機飛行平臺、任務(wù)載荷、無線通信鏈路及地面站組成。單旋翼農(nóng)用無人機也不例外，其飛行平臺是指機體本身、動力系統(tǒng)以及飛行控制處理器。任務(wù)載荷，即無人機為了完成某項任務(wù)所需搭載的設(shè)備，針對不同的任務(wù)，無人機載荷不同，例如，用于完成測量任務(wù)的傳感器、用于蟲情監(jiān)測的攝像裝置、用于植保的噴灑裝置等。無線通信鏈路是為了實現(xiàn)無人機與地面站之間的無線通信，包括對無人機及其機上設(shè)備的控制指令的上行鏈路和無人機向地面站反饋無人機、機上設(shè)備狀態(tài)信息的下行鏈路。地面站是整個單旋翼農(nóng)用無人機的控制中樞，操作人員依托地面站可實現(xiàn)對無人機的起飛、空中飛行、返廠收回等操作，保持無人機在空中飛行的姿態(tài)、飛行數(shù)據(jù)的采集、導(dǎo)航計算、航跡穩(wěn)定性的控制、任務(wù)載荷的控制與管理，提供飛行任務(wù)及工作軌跡的可視化界面等工作。

2.2 主要技術(shù)組成

2.2.1 無線通信技術(shù)

用于無人機的無線通信技術(shù)主要有無線數(shù)據(jù)電臺、通用分組無線服務(wù)（GPRS）、衛(wèi)星中繼等。單旋翼農(nóng)用無人機與地面站均載有可兼容的無線數(shù)傳電模塊，可有效實現(xiàn)二者之間單信道點對點通信，信號收發(fā)快、穩(wěn)、低功耗、低成本。因此，無線數(shù)據(jù)電臺是單旋翼農(nóng)用無人機的主要通訊方式。

2.2.2 導(dǎo)航技術(shù)

GPS導(dǎo)航覆蓋面廣、精度高，只需在機體上搭載GPS定位模塊即可方便、快捷實現(xiàn)目標(biāo)物定位，且成本低廉。采用GPS衛(wèi)星定位技術(shù)測量被測物與已知位置之間的距離，是目前大多數(shù)單旋翼農(nóng)用無人機的首選定位方式。

2.2.3 傳感器技術(shù)

單旋翼農(nóng)用無人機在飛行過程中，需要依靠大量的傳感器將執(zhí)行的特定任務(wù)相關(guān)數(shù)據(jù)進行記錄。傳感器技術(shù)是否成熟直接影響到能否精準(zhǔn)地感知機體周圍的環(huán)境、無人機飛行狀態(tài)、任務(wù)執(zhí)行質(zhì)量以及無人機內(nèi)部各個系統(tǒng)的運行狀態(tài)。因此，傳感器技術(shù)在無人機整個系統(tǒng)的技術(shù)組成中具有舉足輕重的地位。

2.2.4 軟件技術(shù)

單旋翼農(nóng)用無人機系統(tǒng)的設(shè)計無論是無人機機載系統(tǒng)還是地面站，都與軟件技術(shù)密不可分。無人機機載系統(tǒng)的軟件主要有實時操作系統(tǒng)和飛行控制程序兩大類。單旋翼農(nóng)用無人機主要采用單片機系統(tǒng)控制，其可選取的操作系統(tǒng)包括Vxwork、QNK、Lynx、WinCE等，可實現(xiàn)對無人機硬件設(shè)備的控制。飛行控制程序是對無人機整個飛行數(shù)據(jù)的整合處理以及對無人機空中飛行狀態(tài)、飛行任務(wù)的控制和管理。

3 國內(nèi)外單旋翼農(nóng)用無人機應(yīng)用現(xiàn)狀

3.1 國外

單旋翼農(nóng)用無人機在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中主要應(yīng)用于植保作業(yè)、林業(yè)監(jiān)測、精量播種、作物授粉、牧群定位等方面。其中，植保作業(yè)是目前研究的熱門方向。

3.1.1 日本

世界上第1臺無人機自日本問世以來，日本的農(nóng)業(yè)航空經(jīng)歷了從有人駕駛飛機到無人機的過程。近年來，單旋翼農(nóng)用無人機憑借低空低速、作業(yè)效率高、施藥精準(zhǔn)等優(yōu)勢，在日本迅速發(fā)展起來，其農(nóng)林航空作業(yè)面積占總耕地面積的54%，航空植保操作規(guī)范完善、專用航空植保藥劑種類多。

3.1.2 美國

美國自1949年開始專注于農(nóng)用飛機的研制。早期，因農(nóng)業(yè)勞動人工成本太高，美國曾放棄在國內(nèi)種植水稻，大米幾乎全部依靠進口，后來依靠農(nóng)業(yè)航空作業(yè)，極大地降低了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本。20世界70年代后，美國一躍成為全球主要水稻出口國之一。單旋翼農(nóng)用無人機在美國被廣泛應(yīng)用于播種、施肥、施藥，其自動導(dǎo)航和精量控制技術(shù)已經(jīng)處于全球領(lǐng)先水平，作業(yè)環(huán)節(jié)優(yōu)質(zhì)高效，有效地降低了對環(huán)境的污染。

3.2 國內(nèi)

我國無人機研究始于20世紀(jì)50年代，與發(fā)達國家相比，農(nóng)用無人機的發(fā)展和起步較晚，但隨著我國對農(nóng)業(yè)航空的重視和投入力度的加大，當(dāng)下，農(nóng)業(yè)航空的研究步入了新階段，將單旋翼農(nóng)用無人機運用在農(nóng)業(yè)遙感、農(nóng)林植保噴藥、作物授粉等方面的優(yōu)勢正日趨突出。

3.2.1 農(nóng)業(yè)遙感

農(nóng)田病蟲害是重要的農(nóng)業(yè)災(zāi)害之一，利用單旋翼農(nóng)用無人機遙感監(jiān)測技術(shù)及時發(fā)現(xiàn)、追蹤病蟲害進展情況，有利于展開精準(zhǔn)防治工作，做到及時發(fā)現(xiàn)、及時處理，有利于病蟲害及時防治?？赏ㄟ^無人機遙感測繪數(shù)據(jù)，結(jié)合農(nóng)作物生長分析工具，來統(tǒng)計植株成苗情況，與傳統(tǒng)手動抽樣調(diào)查的計數(shù)方式相比，借助無人機進行統(tǒng)計更加全面，準(zhǔn)確性更高。作物的色素、細胞結(jié)構(gòu)以及含水率等生理特征以及土壤各營養(yǎng)要素具有規(guī)律性的光譜特性，借助無人機遙感監(jiān)測技術(shù)，對作物長勢、品質(zhì)，土壤有機質(zhì)等營養(yǎng)要素進行監(jiān)測，為精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)提供施肥的參考依據(jù)。

3.2.2 植保噴藥

單旋翼農(nóng)用無人機在農(nóng)業(yè)上的巨大需求，驅(qū)使政府、科研單位、高校、企業(yè)以及相關(guān)服務(wù)組織不斷地對其進行研究和生產(chǎn)。為了保障糧食安全和生態(tài)安全，為了適應(yīng)新型經(jīng)營主體、丘陵山地對植保作業(yè)的需求，當(dāng)下，在我國對精準(zhǔn)、高效、小型靈活機動施藥設(shè)備迫切需求的情況下，用于植保作業(yè)的單旋翼植保無人機在國內(nèi)迅速發(fā)起。作為新起的現(xiàn)代化、智能化精準(zhǔn)施藥設(shè)備，單旋翼植保無人機具有遠大的發(fā)展前景。

單旋翼植保無人機的優(yōu)勢。一方面，與單人傳統(tǒng)背負式農(nóng)藥噴灑設(shè)備相比，前者作業(yè)效率可達667～1 067 m2/min，后者最多能噴灑施藥2 000 m2/d。此外，人力噴灑施藥濃度不均、利用率低，亂用、濫用農(nóng)藥現(xiàn)象嚴(yán)重，施藥時，農(nóng)藥易被人體吸收對施藥者身體造成傷害。利用單旋翼植保無人機可以節(jié)省大量農(nóng)業(yè)勞動力，降低勞動成本，提高作業(yè)效率，科學(xué)精準(zhǔn)施藥，農(nóng)藥利用率較高。另一方面，與傳統(tǒng)地面行徑植保機械相比，后者易受地形及作物生長周期的影響，導(dǎo)致機械很難進場施藥，而前者既不受作物生長高度的制約，避免在作物生長期內(nèi)破壞其完整性，又可在丘陵山區(qū)、高海拔等地形復(fù)雜的環(huán)境下完成植保作業(yè)。我國耕地多分布于丘陵山區(qū)、高原的現(xiàn)狀給現(xiàn)代大型地面行徑植保設(shè)備作業(yè)造成極大障礙，而單旋翼植保無人機憑借自身優(yōu)勢可有效解決這些地區(qū)的植保作業(yè)難題，是當(dāng)前技術(shù)條件下可選擇的最優(yōu)方式之一。

3.2.3 作物授粉

隨著農(nóng)業(yè)勞動成本的增加，面對人工授粉耗時、低效、高成本，利用無人機噴灑技術(shù)進行科學(xué)授粉被越來越多現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者所選擇。在單旋翼農(nóng)用無人機機體上加裝特殊的噴施裝置，利用特有的噴灑技術(shù)，將花粉均勻地進行噴灑，不僅能提高單位作業(yè)效率，節(jié)省勞動成本，而且能有效地增加作物授粉率，有利于提高作物的產(chǎn)量、質(zhì)量，增加農(nóng)戶的收入。

4 存在的問題及發(fā)展建議

加快農(nóng)用無人機發(fā)展及應(yīng)用對于推進我國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進程具有重要的意義，也迎合了我國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進程中對新型高效農(nóng)機技術(shù)裝備的迫切需求。作為農(nóng)機裝備領(lǐng)域新起之秀，單旋翼農(nóng)用無人機在發(fā)展和應(yīng)用過程中還面臨一些亟待解決的問題。

4.1 存在的問題

4.1.1 技術(shù)不成熟、存在安全隱患

一方面，由于受技術(shù)制約，目前，市場上大量單旋翼農(nóng)用無人機遭遇發(fā)展瓶頸。例如，用作植保作業(yè)的無人機，大部分仍然存在對配備的施藥設(shè)備性能和核心技術(shù)研究不深入、不全面，飛行速度與作業(yè)需求不匹配，對靶性能不佳，對霧滴的沉積、飄移控制能力差等現(xiàn)象。在結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，盡管市場上品目繁多，但仍然缺乏工業(yè)級解決方案，對于長時間作業(yè)的穩(wěn)定性、復(fù)雜農(nóng)田作業(yè)的適應(yīng)性以及使用壽命等方面還有待進一步完善。另一方面，存在一定的安全隱患。由于農(nóng)用航空法規(guī)、制度的不完善以及受自身技術(shù)的限制，無人機在飛防過程中缺乏行之有效的“防撞系統(tǒng)”，容易與其他障礙物撞擊，導(dǎo)致墜機。

4.1.2 與市場意愿還有一定差距

一是不能適應(yīng)田間作業(yè)時的頻起頻降，且頻繁起降易造成機體溫度升高，損壞部件。二是價格偏高，由于動力技術(shù)和飛控技術(shù)成本高，單旋翼農(nóng)用無人機的生產(chǎn)、使用、維護和保養(yǎng)需要投資很大一筆費用，加之操控培訓(xùn)費，大部分農(nóng)戶無法承擔(dān)巨大的費用。

4.1.3 管理體制不足，社會化服務(wù)體系不健全

在管理體制上，一方面，農(nóng)用無人機在我國屬于新鮮事物，盡管民航管理部門已出臺相應(yīng)的管理法規(guī)體系，但對農(nóng)業(yè)航空的條款仍缺乏針對性、實用性，安全監(jiān)管難以落實。另一方面，缺乏包括認證、測試、維護、監(jiān)管、操作規(guī)范、安全性能、整機、部件等一系列產(chǎn)品的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、安全標(biāo)準(zhǔn)和試驗檢測方法等國家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致行業(yè)入門門檻低，亂象時有發(fā)生，阻礙了單旋翼農(nóng)用無人機行業(yè)健康、有序發(fā)展。在社會化服務(wù)體系上，缺乏與之配套的培訓(xùn)、中介、租賃、保險等相關(guān)社會化服務(wù)體系，阻礙了單旋翼農(nóng)用無人機的市場化、規(guī)模化發(fā)展。

4.2 發(fā)展建議

由政府主導(dǎo)，建立科研機構(gòu)、企業(yè)集科研、生產(chǎn)、推廣于一體的“產(chǎn)、學(xué)、研、推”一體化模式，切實提高單旋翼農(nóng)用無人機的實用性、普及性；建立農(nóng)用無人機管理體制機制，制定農(nóng)用無人機發(fā)展戰(zhàn)略、政策、規(guī)劃，擬定相關(guān)管理法規(guī)，并實施監(jiān)督管理；加大單旋翼農(nóng)用無人機科研費用支持力度，加強研發(fā)自主化程度高、穩(wěn)定可靠的產(chǎn)品；對不同任務(wù)、不同作業(yè)環(huán)境條件，結(jié)合實際需求，針對性地對各類單旋翼農(nóng)用無人機的動力系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及任務(wù)載荷設(shè)備進行升級改造，提高作業(yè)品質(zhì)。擬定國家支持推廣的單旋翼農(nóng)用無人機產(chǎn)品目錄，組織實施產(chǎn)品試驗鑒定；制定單旋翼農(nóng)用無人機有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及技術(shù)規(guī)范，并實施監(jiān)督管理；扶持高質(zhì)量的農(nóng)用無人機生產(chǎn)企業(yè)。加大政府購買統(tǒng)防統(tǒng)治服務(wù)力度，同時，嚴(yán)格把控作業(yè)質(zhì)量，使農(nóng)戶在政府購買服務(wù)中獲益。管理部門建立農(nóng)用無人機操作人員培訓(xùn)制度，提高機手的作業(yè)水平，減少無人機在作業(yè)過程中失控、墜機等現(xiàn)象；普及農(nóng)業(yè)航空知識，發(fā)揮高校、科研單位、企業(yè)以及相關(guān)農(nóng)業(yè)航空聯(lián)盟與學(xué)會的作用，培養(yǎng)農(nóng)業(yè)航空人才。

5 結(jié)語

單旋翼農(nóng)用無人機作為新興的現(xiàn)代農(nóng)機裝備，作為精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的重要組成部分之一，正以其強大的社會、經(jīng)濟價值推動著我國現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)建設(shè)進程。伴隨著政策、資金、科研力量不斷地朝之傾斜，單旋翼農(nóng)用無人機正面向精準(zhǔn)化、智能化方向快速發(fā)展，為我國實現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化奠定強有力之基。