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

摘要：隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，生產(chǎn)力和生產(chǎn)方式不斷變化，國家的各個(gè)產(chǎn)業(yè)都依靠科學(xué)的力量得到快速發(fā)展。在中國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程中，運(yùn)用了大量的高科技手段，促進(jìn)了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的規(guī)?；?、精細(xì)化。無人機(jī)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，使得農(nóng)作物種植、病蟲害防治等方面的工作更加簡單高效。該文重點(diǎn)對無人機(jī)在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行論述，并對其關(guān)鍵技術(shù)和發(fā)展前景進(jìn)行分析。關(guān)鍵詞：無人機(jī)；精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)；技術(shù)發(fā)展在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，無人機(jī)的作用非常顯著，以無人機(jī)為基礎(chǔ)的新型操作系統(tǒng)顯示出了極大的優(yōu)越性，其自動化程度的提高，不僅有效地減少農(nóng)民的勞動，而且還能提高噴灑農(nóng)藥、保護(hù)植物等工作的效率。無人機(jī)對農(nóng)業(yè)的精準(zhǔn)、智能化發(fā)展起到了很大的推動作用，對提高中國的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)也起到了很大的作用。1農(nóng)用無人機(jī)技術(shù)概述1.1

農(nóng)用無人機(jī)的功能介紹無人機(jī)是一種能夠通過遙控進(jìn)行無人飛行的飛行器，在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中，通過使用程序語言和無線電遙控，能夠?yàn)檗r(nóng)民提供生產(chǎn)服務(wù)。當(dāng)前，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，無人駕駛飛機(jī)的功能包括：數(shù)據(jù)收集與農(nóng)事操作。數(shù)據(jù)收集就是利用無人機(jī)對作物生長狀況、土壤狀況、病蟲害等信息進(jìn)行采集和處理，從而為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)決策提供信息。農(nóng)事操作就是用無人駕駛的機(jī)械進(jìn)行各種農(nóng)事作業(yè)，它能提高作業(yè)效率和質(zhì)量，非常適用于大規(guī)模的農(nóng)業(yè)作業(yè)。同時(shí)，在無人機(jī)上安裝智能裝置，能夠?qū)崟r(shí)獲取農(nóng)田的信息，從而為生產(chǎn)管理人員提供更好的決策依據(jù)，達(dá)到實(shí)現(xiàn)精確農(nóng)業(yè)的目的。1.2

無人機(jī)在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中的主要應(yīng)用領(lǐng)域首先，通過對作物的監(jiān)測，為肥料的使用提供數(shù)據(jù)。在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中，施用化肥是保證糧食產(chǎn)量的重要手段，它可以為作物提供各種營養(yǎng)物質(zhì)，保證其正常的新陳代謝。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，怎樣在恰當(dāng)?shù)臅r(shí)間施用足夠的化肥，是一個(gè)非常重要的問題。而安裝了影像采集設(shè)備的無人機(jī)，可以收集到作物的生長情況，讓種植戶們能夠及時(shí)地發(fā)現(xiàn)作物的異常情況，然后根據(jù)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，準(zhǔn)確地進(jìn)行準(zhǔn)確的施肥。其次，通過對土壤環(huán)境的監(jiān)測，為灌溉提供數(shù)據(jù)。水分對作物的生長也有很大的影響。種植者要根據(jù)土壤的濕度和作物的特性，進(jìn)行適當(dāng)?shù)墓喔?，所以土壤含水量的監(jiān)控非常重要，它能讓種植者知道作物有沒有缺水，有沒有用水，并根據(jù)這些數(shù)據(jù)信息，選擇合適的灌溉方法，提高水資源的利用率。與傳統(tǒng)的土壤濕度監(jiān)測技術(shù)相比，無人機(jī)在監(jiān)測范圍、準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性等方面有著明顯的優(yōu)越性。具體來說，就是利用安裝在飛機(jī)上的可見光近紅外光儀，將土壤的水分進(jìn)行對比分析，從而得到土壤水分狀況，實(shí)現(xiàn)科學(xué)的灌溉。最后，在防治病蟲害和去除雜草方面的應(yīng)用。無人機(jī)還可以監(jiān)控農(nóng)田中的害蟲和雜草，利用現(xiàn)代的遙感技術(shù)，通過空中拍攝，可以對大片農(nóng)田進(jìn)行有效的覆蓋，獲取清晰、全面的影像數(shù)據(jù)，分析作物的生長環(huán)境，并能及時(shí)發(fā)現(xiàn)害蟲和雜草，并制定相應(yīng)的防治措施。比如，由江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院與南京科技大學(xué)聯(lián)合研制的小型無人機(jī)，配備了一臺專用的光譜儀，能夠根據(jù)作物葉片的輻射情況，準(zhǔn)確地判斷出作物的病情，制定出相應(yīng)的治療方案。同時(shí)，在此基礎(chǔ)上，還建立了一套專門的作物病蟲害圖譜數(shù)據(jù)庫，利用簡單的數(shù)據(jù)比對，可以迅速地判斷出作物的病蟲害狀況。與傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)相比，無人機(jī)的監(jiān)控覆蓋范圍更廣，既能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控，又能基本避開不佳的氣象條件，很好地適應(yīng)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)對害蟲和雜草的控制。2無人機(jī)在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中的關(guān)鍵技術(shù)介紹2.1

無人機(jī)超低空飛行控制技術(shù)通過本文分析可知，在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中，使用無人機(jī)進(jìn)行施肥、灌溉、植保等方面意義重大，而要做到這一點(diǎn)，必須要有大量的數(shù)據(jù)，要想在地表獲取精確的資料，就需要將無人機(jī)的低空飛行控制在一個(gè)很小的范圍內(nèi)，這其中牽扯到了超低飛技術(shù)。在現(xiàn)代化的農(nóng)業(yè)中，由于地勢的復(fù)雜性，很多農(nóng)田的地勢會干擾無人機(jī)的運(yùn)行。因此，為了確保無人機(jī)在極端條件下能夠進(jìn)行高效的躲避，需要將地表數(shù)據(jù)導(dǎo)入到無人機(jī)。在進(jìn)行GPS定位時(shí)，需要使用激光器來進(jìn)行地面定位。GPS的作用是準(zhǔn)確的定位，其精度可以達(dá)毫米級，而飛行控制則主要用于消除在低空中強(qiáng)烈的地面效應(yīng)和混亂氣流的干擾。2.2

航跡規(guī)劃及施藥量分析技術(shù)為了保證無人機(jī)的工作質(zhì)量，最大限度地提升無人機(jī)工作效率，還必須對無人機(jī)的操控技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)，這也就是在特定的環(huán)境下，通過合適的導(dǎo)引來實(shí)現(xiàn)預(yù)定的工作。以四邊形工作區(qū)為例，首先要在工作區(qū)內(nèi)設(shè)置一個(gè)地面控制臺和4個(gè)固定點(diǎn)GPS。GPS定位后，控制器按照任務(wù)覆蓋整個(gè)農(nóng)田的需要，對其進(jìn)行在線規(guī)劃，并在此基礎(chǔ)上引導(dǎo)其進(jìn)行相應(yīng)的操作，以實(shí)現(xiàn)任務(wù)的最終目的。在害蟲入侵的時(shí)候，可以通過無人機(jī)獲取到的高光譜圖像，監(jiān)測和掌握害蟲的動態(tài)，根據(jù)害蟲的危害程度，制定相應(yīng)的防治措施。還可以依據(jù)不同的作物品種，采用光譜檢測法，并依據(jù)輻射速率的變化決定施藥劑量。2.3

噴灑荷載系統(tǒng)及自動精準(zhǔn)流控技術(shù)無人機(jī)在農(nóng)作物進(jìn)行低飛時(shí)，需要重點(diǎn)研究的問題是：提高藥劑的噴霧濃度，減少顆粒的移動，加強(qiáng)水分的滲入，提高藥劑在作物上的沉淀，提高藥劑的利用率。在低空飛行的時(shí)候，可以對噴霧量進(jìn)行有效的控制，并根據(jù)作物的生長狀況，給出相應(yīng)的噴淋命令，并在可控藥劑的輔助下，根據(jù)噴霧流量、壓力、高壓靜電等參數(shù)，調(diào)節(jié)噴嘴的位置，達(dá)到最佳的噴灑效果。此外，通過無人機(jī)的飛行姿態(tài)和噴灑的深度，可以對投射劑量進(jìn)行即時(shí)估計(jì)。采用閉環(huán)比例調(diào)整器對噴灑速度進(jìn)行動態(tài)調(diào)整。在整個(gè)操作過程中，無人機(jī)上安裝了流量測試儀，采集、反饋、計(jì)算出最優(yōu)噴頭，再由PI控制器進(jìn)行流量控制，以保證噴霧均勻。3當(dāng)前中國精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中無人機(jī)應(yīng)用發(fā)展的困境3.1

農(nóng)用無人機(jī)技術(shù)不完善、設(shè)備可靠性低目前，中國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的無人機(jī)在操作便捷性、性能可靠性等方面都有一些缺陷，與美、日等先進(jìn)國家相比尚有差距。比如就續(xù)航時(shí)間而言，國內(nèi)的農(nóng)業(yè)型無人機(jī)由于機(jī)體重量較大，裝備較多，使其續(xù)航時(shí)間大幅降低，基本在一個(gè)小時(shí)以內(nèi)，頻繁地更換電池對工作效率造成了很大的影響。并且，這樣做會導(dǎo)致飛機(jī)機(jī)體的溫度升高，從而降低飛機(jī)的壽命。另外，由于目前無人機(jī)和載體對殺蟲劑的抗腐蝕性還不夠強(qiáng)，在目前的條件下，飛機(jī)上的藥物濃度和飄動都還沒有得到很好的控制，所以難免會有藥物對機(jī)體造成污染。另外，目前國內(nèi)農(nóng)業(yè)無人機(jī)安全保障功能還不完善，包括失聯(lián)返航、失控保護(hù)、自動避障、安全作業(yè)區(qū)設(shè)置等方面還存在缺陷。3.2

配套設(shè)施缺失、維護(hù)成本高昂目前，國內(nèi)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中使用最廣泛的無人飛機(jī)按照結(jié)構(gòu)類型分類有單旋翼、多旋翼和固定翼無人機(jī)，按照動力類型分類有燃油動力和電池動力。雖然無人機(jī)技術(shù)提高了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的效率和質(zhì)量，但生產(chǎn)成本卻比農(nóng)業(yè)機(jī)械要高很多，植保無人機(jī)的價(jià)格在5~20萬元之間，難以進(jìn)行大規(guī)模推廣。另外，使用無人機(jī)還涉及到許多專業(yè)技術(shù)，比如飛行控制、動力等，這些都是非常專業(yè)的技術(shù)，如果要熟練使用，就必須要進(jìn)行相關(guān)的訓(xùn)練，掌握使用、維護(hù)等方面的知識和技能，這樣就會導(dǎo)致農(nóng)用無人機(jī)的使用成本上升，這是國內(nèi)大部分農(nóng)民所承擔(dān)不起的。4結(jié)語無