多轴无人机在农业生产方面的应用

信阳市农业电子技术研究所 刘智 蔡传成 张志锋



多轴无人机在农业生产方面的应用

信阳市农业电子技术研究所 刘智 蔡传成 张志锋

近年来，不少国家把多轴（又称多旋翼）无人机应用在农业生产方面，取得了很好的效果。随着我国农村农业生产的规模化、专业化、集约化经营管理，用多轴无人机来提高我国的农业生产效率和生产水平显得尤为重要。多轴无人机是一种结构简单、操作容易、使用方便、效率高、价低廉的机械，现将多轴无人机在农业生产方面的应用技术介绍如下：

一、多轴无人机的选型

多轴无人机一般有四轴、六轴、八轴、十轴4种，作为农业生产上一般用途的最多选用六轴无人机就可以了。而且驱动轴的多少仅是一方面，关键是必须要尽量选用装有性能完善的“飞控板”的多轴无人机，因为“飞控板”是多轴无人机的“心脏”，完全决定着无人机的操控和使用性能。如装有KK或FF“飞控板”的四轴无人机，价格相对便宜，但操控有一定的难度，因此应选择装有相当于“玉兔”二代“飞控板”的多轴无人机。若能选择价位稍高一些的，如装有NAZA或Wookong-M“飞控板”的多轴无人机则更好，因为它支持手机操控和调整飞行参数，内置云台增稳、精准定位悬停、多种飞行模式和智能控制、热点环绕、GPS定位、自动导航、失控自动返航等多种完善的功能，操控容易，使用安全、可靠、方便。

二、多轴无人机的具体应用和相关数据库的建立

（一）多轴无人机在农田科学施肥方面的应用

首先，应建立农作物缺素表征图谱数据库。经验证明，在农作物增产的各项措施中施肥所起的作用为40%～60%。由于高产农作物会不断地从田地中带走大量的养分，因此，在整个农作物生长发育过程中随时都有可能发生某种养分缺乏的现象，必须及时发现及时补充，以免影响农作物的正常生长。由于养分缺乏会使农作物体内的正常代谢发生紊乱，会在农作物原有形态上出现某些特有的异常缺素症状。以小麦为例，在小麦生长中缺“氮”时，小麦植株瘦小，叶片短而窄，叶色淡且呈浅绿色或黄绿色，尖端枯死；缺“磷”时，小麦叶色暗绿，叶尖发焦呈紫红色，叶鞘发紫，叶片无斑点且狭窄；缺“钾”时，小麦植株呈蓝绿色，叶软下披，下部叶片的叶尖及边缘枯黄呈火烧状。另外，小麦在缺钙、镁、硫、铁、锰、铜、锌、硼、钼、氯微量营养元素时，其植株外部形态都有异常的特殊表现。所以，将农作物植株缺乏某种营养元素时所表现的异常特殊表征，用数字图谱记录存贮在数据库中，这样当携带有图像采集和发射装置的多轴无人机在田间空中巡查发现某块农田中作物群体表征异常时，便可利用多轴无人机的精确定位悬停功能，及时定点悬停，并在悬停垂直位置上，上下调节好最佳观察高度，进行精确观察辨认。这时，当多轴无人机采集到的现场作物群体所表现的缺素图像异常特征和已存入数据库中的作物缺乏某种营养元素所表现的异常特征经识别（可采用简便的人工同步识别技术）对照相吻合时，便可根据田块的编号和坐标位置，有针对性地给缺素田块的作物添施缺少的营养元素。采用这种先进的多轴无人机作业方式和技术，可真正做到及时、准确、省时、省力、高效和科学节约施肥的目的。

（二）多轴无人机在农作物病虫害防治方面的应用

农作物病虫害的发生一般在田间都是由点的发生蔓延到面的危害，即由发生初期的块状或片状的发病（虫）中心，逐渐侵袭扩大到整个田块。因此，可根据不同病虫害的发生时间，利用多轴无人机提前定期在大田上空巡航监视，采用这种居高临下视野广的先进监视手段，即使是地面上刚发生不容易被发现的田间疫情，也不会轻易漏掉。对发现的疫情，在及时预测预报的同时，即可立即采取应对措施以有效控制，避免成灾。也可以事前收集不同作物病虫害对不同作物危害现场特征，记录成数字图谱贮存在数据库中，当多轴无人机放飞在田间上空巡航中，一旦发现田间发生的病虫害危害作物群体特征与数据库中已存入的某种病虫害危害作物群体特征对照确认相同时，即可对确认的病虫害类群采取针对性的防治措施，如用高效多轴无人机喷洒农药，阻止其蔓延成灾。

（三）多轴无人机在农田科学灌溉方面的应用

农作物的生长发育对农田土壤相对湿度的最佳要求是80%，土壤相对湿度降到60%时，即发生轻旱；其相对湿度低于40%时，就发生重旱。一般在农田发生轻旱时就要适当灌溉浇水，在农田土壤湿度达到90%时，就需要晒田。因此，必须随时随地了解掌握和调整保持农作物生长最适宜的土壤湿度。利用多轴无人机放飞在田间上空巡视观察农田土壤不同湿度所呈现的不同颜色变化，即可了解掌握土壤不同湿度墒情的变化情况，这时就需要根据农田土壤的不同湿度所显现的不同颜色，制作一套数字图谱存入数据库中待用，这样也就可以利用多轴无人机空中取样所得的信息和已存入数据库中的信息相识别对照的办法来解决科学合理灌溉用水的问题。

另外，还可以利用多轴无人机空中观察农作物因农田缺墒而引起的植株叶片、叶梗和嫩梢发生的凋萎现象作参考，来判断决定农作物是否需要灌溉浇水，从而达到科学灌溉、节约用水的目的。

三、作业区的规划

在多轴无人机飞行作业前，应首先草绘一幅作业区内的田块分布示意图，图内应标明每块田地的大体形状和面积及种植作物的品种，以及作业区内的池塘、道路、建筑物、林木等一切妨碍多轴无人机飞行作业的障碍物名称和位置，再根据作业区田块的自然分布位置对图上的田块进行排序编号，将图上的田块编号相对应于田块，用大小适当已编上号的号牌，插在田块内的适当位置上，这样便于多轴无人机将采集到的农田信息对号应用，同时也是多轴无人机选择飞行作业模式的依据。另外，对于面积较大的作业区和相距较远的成片田块，可以规划成若干个作业小区，小区内田块的编号可在阿拉伯数字田块编号的前边冠以A、B、C等符号来区分。

四、飞行作业模式设计

多轴无人机合理的飞行作业模式设计，是保证多轴无人机留空时间的有效利用和提高飞行作业效率的保证。因此，应该根据作业区内田块的分布和田块的自然形状来设计决定飞行作业模式。对于狭长相连的田块可以采取串联中线法飞行作业；对于面积较宽、几块靠近的田块，可以采取并联平行线法飞行作业；0.33hm2以上面积较大的单独田块，可以沿田块中线用“S”形飞行作业；0.33hm2以下面积较小的田块，应采用中线法或对角线法飞行作业。总之，应根据现场田块的形状和分布特点灵活设计飞行作业路线，切记一个原则，飞行模式的设计一定要尽量减少无效功的飞行时间，要尽量提高多轴无人机在有限留空时间内的有效利用率。

五、飞行高度和飞行速度的设定

设定好合适的农田飞行作业高度和速度，是无人机作业效率和作业质量的可靠保证。其设定一般是根据机载相机的像素多少和相应的解像能力来确定最佳飞行高度，像素为1 000万以上的相机，当农田飞行作业高度设定为30m或50m时，对于镜头焦距为35mm，其成像夹角为63°的相机来说，当飞行高度定为30m时，则可以计算出其田间视野带宽为36.7m，定点悬停的视野面积则为0.11hm2。在同样的飞行高度下，当相机镜头焦距为28mm，对应成像夹角为75°时，相机的视野带宽则可达到46m，其定点悬停时，其视野面积则可复盖0.17hm2。在飞行高度为50m，当镜头焦距为35mm，其对应成像夹角为63°时，则其视野带宽即可达到61.28m，在定点悬停时，其地面视野面积则可达到0.29hm2。在50m的高度上，当相机镜头焦距为28mm，成像夹角为75°时，则其地面视野带宽更大，可达76.7m，在定点悬停时其地面视野面积就可复盖0.47hm2。以上仅为选取作业飞行高度时的参考。总之，在保证多轴无人机空中视察最佳效果的情况下，可以尽量选定较高一点的作业飞行高度，以便提高作业效率。

多轴无人机在田间的作业飞行速度，主要以田间的视察对象和飞行高度来定，总之，其飞行作业速度可在1m～5m/s选定。

六、飞行作业时间安排

在农作物生长季节，飞行作业时间一般以每周升空对农田视察作业1次即可，但对象和时期不同，还必需增加飞行作业次数。如对小麦来说，对其不同生长发育时间在对某种营养元素需求量最大的高峰期内，缺素情况最容易发生，例如小麦在越冬后返青至抽穗期间，营养生长和生殖生长并进，是需氮、磷、钾营养素最多的时期；拔节、孕穗至开花，氮、磷、钾三要素占总吸收量的54.9%、81.4%和89.6%；春小麦孕穗以后对磷的需求量在60%以上。根据以上情况，多轴无人机除按规定保证正常升空飞行对农作物的表征变化进行监视外，都必须增加升空观察作业次数，确保农作物在整个生长期缺素情况发生时得到及时补充。

在农作物病虫害容易发生的季节，多轴无人机每周升空对农田的监察作业次数也必须增加，在“3天一小旱，10天一大旱”的伏天干旱季节里，多轴无人机的每周升空监查农田墒情作业次数更应该增加，具体增加的作业次数，视具体情况而定。

除上述以外，还必须说明的是：多轴无人机这种科学、高效、机动、灵活的先进新型飞行工具，在农业生产上的很多方面都具有非常广泛的用途，并能起到意想不到的作用，多轴无人机技术将给农业带来一场革命。