智能植保无人机系统设计与市场分析

潘长天 ， 陈 娜 ， 韦英明 ， 贾亚威

（青岛恒星科技学院，山东 青岛 266100）

1 植保无人机发展现状

1.1 国外植保无人机发展现状

美国是农业无人机应用技术最成熟的国家之一，现已形成较为完善的农业无人机产业体系，不仅在机型方面多种多样，而且在无人机的硬件方面也开展相应的研发创新。美国植保无人机大部分是液压型喷嘴，能够保证喷洒相对均匀且操作简单，容易保养，使用寿命长。美国所有无人机操控员必须获得驾驶员资格和驾驶农业航空的证书，每年参加技能测试或者无人机操控培训。

俄罗斯耕地面积广，拥有数目庞大的农用飞机作业队伍，数量高达2.5万架，作业机型以人工驾驶的固定翼飞机为主，年作业量约占总耕地面积45%以上。在俄罗斯，之所以不用或少用植保无人机是由于其农场主拥有的耕地面积广大，而大多数植保无人机所能承载的农药质量不足以完成喷洒整片农场，故而植保无人机在俄罗斯的市场占有率较低，大多是政府机构派遣公用的直升机或固定翼飞机进行大面积的统一喷洒。

日本农户人均耕地面积较小，地形多山，不适合有人驾驶的小型农用飞机作业，因此日本农业航空也多用植保无人机或者直升机进行喷洒作业。韩国于2003年首次引进直升机用于农业航空作业，农业航空作业面积逐年增加，截至2020年，全国共有农用直升机465架(其中农用无人机201架，年植保作业面积65480 hm²，有人驾驶直升机20架，年植保作业面积36520 hm²)，约80%的飞机归地方农协所有，个人购买的植保无人机占少数。

1.2 国内无人机发展现状

中国农业航空的应用水平和发达国家相比还是有一定差距，其主要表现在两方面：一是中国的农用飞机数量少(仅占世界农用飞机总数的0.13%)，致使农业航空年处理耕地面积小(约占总耕地面积的1.70%)；二是农业航空配套技术及政策体系不完善，国家尚没有制定专门的植保无人机相关政策，也没有关注无人机农业方面的发展情况，影响了农业航空产业的快速发展。

制约中国农业航空植保产业发展的主要问题包括：国家没有颁布完善的农业航空政策法规，没有系统规划农业航空的发展战略，对于农业航空的核心科学技术研究不足，导致科研人员对于农用飞机制造及配套的喷施技术等基础科学的研究和核心技术的研发滞后，致使农用无人机机型较少，产能不足，更新能力差，无法形成规模效益，从而导致价格、维护成本偏高，而成本又反作用到销售，导致需求量减少，反过来影响生产规模，由此形成恶性循环[1]。此外，植保无人机配套的喷施设备性能也比较差，喷出的雾滴谱宽，对植物的有效作用小，资源利用率低。

现有的植保无人机，大多需要专业的飞行员控制，通过遥控器进行手动的喷洒植保作业，此类植保无人机的保养费用高且对飞行员的技术水平要求颇高，因此这类植保无人机在经济方面对于一些中、小型农业个体户不太友好，而且不易普及，无法真正使“智慧”农业走进千家万户，所以现如今为了提高我国航空植保作业的适应性，需要多机型、多作业方式并举的智能化植保无人机。

2 智能植保无人机的优势

2.1 无人机的装备配备

1）硬件方面。优化外形结构的设计，提高抗风能力（提高高空作业的适应性），智能植保无人机全身大体积零件均采用碳纤维打造，可以一定程度上减轻无人机的重量，增加无人机的续航时间和飞行距离；更高的续航能力、低能耗（智能植保无人机采用了两块电池同时充电的方法，相比较于传统无人机充电时间可以节约一半以上）；搭载新型减震脚，现有的缓冲支架，绝大部分都利用弹簧使支撑腿能上下移动进行缓冲，但还是会存在震动情况，在碰到地面凹凸不平时，使得两个支撑腿最底部倾斜有一定的高度差，极易出现翻机现象，通过对缓冲臂的倾斜安装，并配合减震件的缓冲，可使无人机在降落时能够起到一个缓冲防震效果，同时在缓冲臂底部设置的两个稳定件调节，使得其在凹凸不平地面停放时，能够自动进行重心的调节，避免无人机倾斜过大，出现倾倒现象，增加无人机的适应环境，延长使用寿命。无人机底部示意图如图1所示。

图1 无人机底部示意图

2）智能控制方面。通过液位传感器实时测量药储量，当药物储量低于一定程度，自动以最短的路径返回药物储藏地；增添电压测量模块，可以使无人机实时检测所剩电量，在电量不足时，该模块会反馈信息给CPU，通过与摄像头模块以及TI-A飞控模块的结合，自动寻找最近的落地点；配备WiFi模块，可与手机端进行连接控制，使用人员只需在手机端进行简单的操作便能够驱动智能植保无人机在大棚或农田内给定的路线上进行植保作业，更易于被大众接受（全自动化、极易操作）；增加MCU模块，提高飞行姿态稳定性，增加IO口，拓展其他模块（Zigbee无线传输、MPU6050三轴陀螺仪、ATK1218-BD北斗GPS双定位）。此外，智能植保无人机将由单一化的植保作业功能向多元化、多功能化发展，比如军用侦查、灭火、载物运输等。

综上所述，在传统无人机的基础上打造了一款新式的智能植保无人机，其具有作业高度低(部分机型可贴作物冠层飞行)、环境污染小、可空中悬停、飘移少等特点，并且可与GPS系统配合实现较高精度的位置定位，旋翼能够产生增加雾流对作物穿透性的向下气流，可以提高防治效果，其运行成本低、灵活性高、在非管制空域可随时起降，不需要专用机场起飞以及驾驶员进行实时操作，不受农田四周电线杆、防护林等限制性条件的影响[2]。在植保作业时可在田间地头进行起降、维护保养、加油、加注药液等一系列工作，大大降低了往返机场飞行的时间及燃料的消耗，节省资源，如果再配备智能化控制系统，无需作业机组人员进行实地操作，便能够在给定的路线上进行自动喷洒作业。

2.2 无人机技术应用

1）主要运用PC控制技术。利用PC控制技术，可在无人机飞行过程中通过遥控器直接调整参数，亦可通过安卓设备操控，轻松实现宽视野远距离飞行。

2）MCU系统LPC54606结合MPU6050对无人机飞行姿态形成二次闭环反馈。

3）利用Zigbee无线传输配合GOPRO高清摄像头采集图像，通过WiFi连接手机端，进行实时视频传输。

4）利用ATK1218-BD北斗GPS双定位模块配合WINDOWS上位机对无人机进行实时定位。

5）通过AUTO-CAD绘制无人机三维视图、ALTIUM DESIGNER绘制MCU模块电路板、MATLAB对无人机进行仿真。

6）针对农田、公园等起伏不平整的情况，T1-A提供了地形跟随雷达（Terrain-following radar）模块，用于实时探测植保机与农作物之间的距离，从而实现自动避障功能。

7）机身较小，更容易拆卸存放，相对于传统无人机，减小了无人机高度，机臂设计成二次折叠，增加自主研发的减震脚，能够在崎岖路面保持无人机重心稳定，保证无人机的正常起落。

8）飞行功能包括区域飞行、自动避障、AB点作业模式、低电报警及返航降落保护等内置飞行功能。

3 智能植保无人机市场分析

3.1 适用范围

智能植保无人机主要工作在农田之中，在中国南方梯田的复杂情况下也可以正常作业。通过网络给定智能植保无人机飞行路线，对农作物、树木进行定点定时的巡航喷洒农药作业，并且拥有AI智能避障功能，可以适应多种工作环境。智能植保无人机可喷洒各类液体类农药，既可根据农户需要喷施高浓度或低浓度的农药；也可喷杀虫剂、杀菌剂、除草剂[3]。在无人机识别模式中增加温度识别系统，当农田或大棚内发生意外火灾之时，可进行快速灭火。

3.2 推广前景及经济效益预测

随着土地流转的推进，我国农业生产越来越走向规模化、集约化，越来越要求植保机器高效、安全、环保、适用，而传统的植保机器难以满足这些要求，市场迫切需要合适的植保机械，智能植保无人机的出现恰逢其时。国内农业植保无人机器目前还在起始阶段，鲜有生产植保无人机的大型企业，智能植保无人机将有广阔的发展空间[4]。

随着时代不断发展，智能化、自动化已经成为国家的主流，在刚投入智能植保无人机的初期阶段可能由于对产品的陌生和价格问题会受到一定阻碍，但经过一段时间发展后，产品的好评会在农户间传播，发展到中期就会有各个农场主或农商企业单位进行批量购买，而且该无人机成本较低，拥有自主巡航、自动避障、自行喷洒的智能化功能，并且搭载WiFi智能模块，可以与手机端进行连接，农户便可进行远程控制，更加简单易操作，不需要技术人员进行操控，符合个体农户的基本需求，且该无人机机身较小，能够进行空中悬停以及自动避障，在环境复杂的大棚内依然可以正常工作，因此在个体农户市场也占有一席之地。显而易见，智能植保无人机更加适应现在的“智慧”农业，发展前景良好。