小火箭无人机专栏｜农业无人机的黄金时代来了！

农业无人机，使我们吃到的水果蔬菜更甜美~...



农业无人机是无人机民用领域应用的一个重要组成部分。同时，这种无人机也是一种离人们日常生活比较近的现代化生产设备。如今，我们在超市买到的一些水果蔬菜正是因为得到了农业无人机中的植保无人机的精心照顾才能够有甜美的味道。而在大农业、云农业等概念的推动下，农业数据进入云端成为大数据的一部分的尝试已经在紧锣密鼓地进行当中。农业无人机中的农业勘测无人机在发挥着越来越重要的作用。

我国的农业生产手段与航空领域技术的亲密接触并不算晚。早在上世纪50年代，我国就用有人驾驶的航空器对农作物实施了作业任务。1951年，江苏省爆发蝗灾，成群的蝗虫啃噬着农作物的茎叶，严重影响了当地的作物产量，如果不及时消减灾情的话，当地作物面临着颗粒无收的危险。我国政府果断命令空军派出波-2活塞式轻型多用途飞机在泗洪等地播撒灭蝗药物。这些药物被准确地投放到芦苇荡的深处，把地面人员难以深入的地带的蝗虫规模控制在了合理的范围内。在5天的投放作业后，四龄、五龄跳蝗和飞蝗的死亡率在70%以上。后来，灭蝗机队在河北黄骅、山东寿光等地也发挥了重要的作用。1956 年，中国民用航空局专门成立了针对农业的航空机构，以便管理多种航空器开展农业航空业务。

今天，农用机械在我国已经得到了大规模的应用。我国各地保有的农机农具有35个种类，近6 000万具。但是，我国的地形地貌等地理特征不会因为生产工具现代化程度的提高而发生显著的变化。以河北黄骅为例：该地面临渤海，地势低洼，土壤中的盐碱含量较高。当地的芦苇面积和湿地面积仍有一定的规模。虽然从环境保护的角度来看，这样的湿地环境有利于生态建设。但是，这种地理环境使得该地的防蝗压力依然存在。

如今，世界上很多地块的农作物药物已经不再依赖于大型有人驾驶飞机进行播撒了，这得益于农业无人机的快速发展。1987年，日本出现了第一架专用的农业无人机。雅马哈公司受日本农林水产省的委托研制了R-50植保无人机。这款20公斤级的无人直升机标志着农业无人机这种全新的飞行器开始出现。2006年，在中国农业部南京农机化所的推动下，我国开始尝试进行农业作业的无人机试点工程。


▲雅马哈公司是较早涉足农业无人机领域的企业。图为RMAX农业无人直升机。


▲我国需要大量的农业无人机来实施喷洒农药、播撒肥料、辅助授粉等任务。

相对于日本大量依赖无人机操作员以便在小块田地上空进行代替人力的植保作业的需求而言，我国对植保无人机和无人机操作员的市场要大得多。中国是一个农业大国，地域辽阔，气候条件南北差异巨大，地貌特征东西区别明显。而大部分地块的植保作业仍依赖于手持农业机具。我国70%以上的地块的农作物病虫害防治是由人力来完成的。随着我国农业人口的持续减少，农业植保的用人压力将会越来越显著。这就需要有大量的农业无人机来填补今后的农业作业人员的用工缺口。

从耕地面积占国土总面积的比例上来说，我国又是一个耕地稀缺的国家。我国平原面积只占国土总面积的12%，而如果只计算耕地面积的话，其比例仅在10%左右。另外，在我国的南方丘陵地带，大量的梯田和小地块土地不适合有人驾驶的航空器进行作业，甚至连中小型的地面农用机械也很难排上用场。这就需要有专门的农业无人机来实施喷洒农药、播撒肥料、辅助授粉等任务。

而且，土地流转目前已经成为我国农业现代化的一个重要举措，专业农民、种粮大户以及家庭农场将会成为我国未来农业发展的一个新形态。这种由少数人来管理大片土地的作业方式在面临突发性和普遍性的农业病虫害的时候，往往会措手不及。而且，随着个人耕种土地的面积的不断增大，普通农用工具在施药效率、人员安全和劳动疲劳等方面的指标将越来越难以符合现代农业的需求。这就需要有专业的农业无人机解决方案来对家庭农场式的作业进行保障。平时使用可以减轻劳动负担，而防治病虫害的应急启用还可以及时挽回大量的经济损失。

目前，我国对各个冬小麦主产区实施“一喷三防”的植保手段。其中，“一喷”是指在冬小麦生长期使用杀菌剂、杀虫剂、叶面肥、微肥、植物生长调节剂等混合配剂喷雾实施喷洒作业。“三防”指的是通过喷洒作业，能够达到防病虫害、防干热风、防倒伏的效果。“一喷三防”是使冬小麦增粒增重,确保增产的重要手段。这就需要有专门的能够在大面积冬小麦农田上空进行持续喷洒作业的大型农业无人机。同时，这也启动了一个专业化比较强的农业无人机操作员的培训市场。

国际无人机系统协会指出，在无人机商业化的第一个十年里，该产业将创造820亿美元的经济效益，这其中由农业无人机创造的经济效益将达750亿美元，占整个商业无人机产业总量的91.5%。


▲大量的农业无人机启动了一个专业化比较强的农业无人机操作员的培训市场。


▲农业无人机将撑起一个庞大的商业化无人机市场。

农业无人机的大量需求是由我国的农业产业现状和未来的规划来决定的。而农业无人机的任务特点则要求无人机的总体布局和自动驾驶仪（俗称：飞控）有专门的设计方案和良好的实用效果来进行支撑。

从总体布局的角度来说，使用旋翼布局的无人机在实施喷洒作业的时候有一定的优势。旋翼无人机能够垂直起降，因此不需要专门的作业机场，特别适合在梯田、茶园、果林等地实施作业。旋翼无人机能够进行悬停的飞行特征可以使其完成一些需要定点操作的任务。而旋翼下方的气流则非常有利于药雾的混合与扩散，并且可以借助无人机卷起的气流把农药雾滴投送到第二层叶片上面，这是手持喷雾器难以做到的。以现有的技术水平来看，相对于手持农用机具而言，用农业旋翼无人机进行药物喷洒作业时可以节约90%的水和50%的农药。当专供无人机使用的农药、农肥的技术进一步发展以后，这样的优势还会更加明显。另外，这些操作都可以由无人机自主完成或者由相关的操作员在相对比较远的地方遥控完成，使得人员与农药之间拉开了很大的距离，可以在很大程度上减少农药对农民的伤害。

从自动驾驶仪的角度来说，农业无人机是有别于其他无人机的。在实施农业植保作业的时候，无人机相对于农作物以规划好的路线和高度进行飞行。但是在丘陵地带或者梯田上空飞行无人机难免会受到山间阵风的扰动。因此，无人机需要有足够的抗风能力，以使其在横风干扰的情况下仍能有较好的作业姿态。另外，农作物的高度和种植走向并非是一成不变的，而且作业高度的稍许变化就可能会使植保效能大打折扣。因此，植保无人机的自动驾驶仪应该具有让无人机精确定高的能力。


▲一架无人直升机正在进行植保作业。



▲工业级自动驾驶仪有着较高的技术水平，图为MP-201M自动驾驶仪。

普通的消费级无人机的自动驾驶仪是难以满足这些要求的。另外，农业无人机的自动驾驶仪还应该能够提供其他的整体解决方案。以成都纵横自动化技术有限公司研制的MP-201M自动驾驶仪为例：为了应对突发的阵风并提高整机的容错性能，该自动驾驶仪采用L1自适应飞行控制与导航算法；为了提高定位精度，该自动驾驶仪集成了高精度的MEMS惯性传感器和高性能中央处理器，并集成了Novatel高精度实时差分GPS接收机，使其位置和高度的定位精度达到了厘米级（不同的农作物有着不同的最佳作业高度，能够以更好的精度在该高度上长久保持，才能有良好的作业效率和植保效果）；为了减轻农业无人机操作员的作业压力和工作强度，同时也为了节省培训成本，这种自动驾驶仪支持农业无人机的全自主起降、一站控制多机、自动航线飞行等功能；而考虑到目前越来越复杂的电磁环境和农业无人机的严酷工作环境，该自动驾驶仪还专门有抗电磁干扰和抗振动能力的设计。

自动规划、多机作业、断点续喷、一键返航等功能都将是农业无人机的自动驾驶仪的发展方向。精确的无人机控制技术将会推动农业向精细化的方向快速发展。

农业无人机的发展除了要关注无人机本身的设计之外，还要关注农业大数据的采集和数据挖掘。

小面积的地块可以借助农业无人机实施精细作业，在减轻农民劳动负担的同时提高植保水平。大面积的地块则能够使用农业无人机进行作物监测和农业大数据采集。以冬小麦为例，这种作物的成长期可以分为5个典型阶段。如果要预估其产量的话，之前需要派出大量技术人员在每个阶段进行采样和测试。而农业无人机则能够在冬小麦耕地上空飞行，采集相应地块所有小麦的生长情况。把这些数据上传到云端之后，在与全国的农作物的生长情况进行数据分析之后，就可以对大型农场的农药和化肥施用计划提出建议，给农业政策的制定和相关市场的调节计划提供数据支撑，甚至可以发出全国性的农业病虫害预警信号，变被动治理为主动预防。


▲农业无人机能够采集大量的农作物信息，为农业生产和政策制定提供有力支撑。图为NASA的农作物勘测演示，从上到下依次是植株密度、缺水情况和病虫害风险勘测。

从近几年的统计数据来看，我国农业科技贡献率刚刚超过56%，而发达国家的农业科技贡献率通常在70%至80%之间，德国、英国和法国的农业科技贡献率则都超过了90%。我国的农作物耕种收综合机械化率在60%左右，而农业无人机的发展将会是一个契机，使得我国能够以一个较快的速度赶超发达国家的农业水平，早日实现农业的全程机械化、自动化和信息化。

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