农业无人机技术存在的短板与对策

徐 岚

(沈阳城市建设学院,辽宁 沈阳 110167)

0 引言

近年来,我国植保无人机保有量呈逐年增多趋势,相关统计数据显示,2016年,我国植保无人机保有量为6 500架,截至2019年12月,我国生产各类植保无人机总计达到170余种,保有量5.5万余架,作业面积突破8.5亿亩次。2020年,我国植保无人机数量达到10万架,2021年达到16万架[1]。随着科技的不断进步和农业生产需求的不断增长,农业无人机技术逐渐得到了广泛应用。农业无人机使农业生产工作变得更加安全、高效和环保,但是在实际应用中也存在一些短板和挑战,需要进一步研究和解决。

1 农业无人机技术现状分析

1.1 技术发展水平

农业无人机在传感器、自动化操作、数据处理和分析等方面已经取得了显著的进展。

在传感器技术方面,目前,应用于农业的无人机大多数搭载了多光谱、红外、热像等传感器,可以获取高分辨率的图像和数据,实现对农田和作物的精准监测和分析。多光谱传感器可以测量不同波长的光线,从而获取农田的植被指数、土壤含水量、氮素含量等信息,以此帮助农民掌握农田、果园、葡萄园和森林等不同农业生产环境的作物生长情况,调整作物的施肥、灌溉和病虫害防治措施,提高农业生产的效率和质量;红外传感器可以测量农田的温度分布,从而判断作物的生长情况和病虫害的发生情况,该技术的应用可以帮助农民及时发现作物的异常情况,采取相应的措施进行治理,避免作物的死亡和损失;热成像传感器可以准确地捕捉各种农业生产环境中的热量分布,并且进行植物病害诊断、水资源管理、灌溉调控,及时发现和定位农业生产环境中的问题,为农民提供决策依据。

在自动化操作方面,现在的无人机已经可以做到通过预设的航线和任务参数,根据农田的形状和大小,自动计算最优的飞行路径,并考虑飞行高度、飞行速度等因素,通过飞行控制系统实现自动起飞和降落;可以配备喷洒和施肥设备,实现自动化的植保和施肥操作,并根据农田的需求和作物的生长情况,自动调整喷洒和施肥的剂量和方式;可以通过激光雷达、超声波传感器等技术,实现自动悬停和悬停稳定性,并且可以检测障碍物和自动避开障碍物。

在数据处理和分析方面,现在的农业无人机已经能够实现图像处理、数据分析和模型建立等功能,通过获取的大量图像和数据需要进行处理和分析,来提取有用的信息对作物的生长状态、病虫害情况等进行准确的评估和预测。

1.2 应用场景

目前,在中国农业生产中,很多农村地区都在采用人工作业和机器设备作业方式来进行农作物病虫害防治,小巧灵活的无人机在农业生产应用中的优势逐渐凸显[2]。

农业无人机已经广泛应用于农业生产的各个环节,可以搭载多光谱、红外等传感器,获取农田的地形、植被、土壤质量等信息对农田进行勘测和土壤分析;可以定期飞行并拍摄农田的高分辨率图像,通过图像处理和分析技术,对作物的生长状态、病虫害情况等进行监测和评估;可以搭载喷雾设备,对农田进行精确的病虫害防治或施肥和喷药;可以搭载多光谱传感器,对农田的植被覆盖和土壤湿度进行监测,通过数据分析和处理,实现农田的灌溉管理;可以搭载气象传感器和空气采样设备,对农田的气象条件、空气质量等进行监测。

1.3 技术优势

在科学技术不断发展的过程中,无人机遥感技术开始发挥出其优势,现阶段,已将无人机应用到多个项目的研究中。在实践期间,主要利用遥感来实现对无人机的控制,并且依托计算机技术、图像摄影技术等完成测量工作,在这种模式下,可展现出无人机技术的安全性和可靠性[3]。

农业无人机具有高效性。农业无人机的速度可以使其在较短的时间内覆盖大面积的农田完成农业作业;自动化操作技术可以代替大部分人工操作,为农业工作人员节省时间;农业无人机可以通过其搭载的多光谱传感器和数据处理分析功能来实现精准灌溉、施肥和喷洒农药,以此来避免农业资源的浪费。

农业无人机具有精确性。农业无人机可以根据预定航线和任务进行飞行,并在指定时间到达指定的位置执行相应的农业操作,这样可以保证农田被充分覆盖;农业无人机可以通过其搭载的各种传感器来实时采集和记录农作物生长情况、土壤质量、空气质量和病害虫情况等农田信息;根据采集到的信息,农业无人机可以通过其数据处理和分析功能来对数据进行统计、比对和模型分析,给农业工作人员提供准确的结论和决策。

农业无人机具有环保性。农业无人机可以通过精准施肥喷药来减少化学农药和化学肥料的使用,减少对土地的破坏和对土壤的侵蚀,提高农业资源的利用率,使农业可持续发展。

2 农业无人机技术存在的短板

2.1 飞行时间和荷载能力存在不足

农业无人机存在的飞行时间和荷载能力不足是当前技术面临的挑战之一。飞行时间不足会造成无人机在单次飞行作业中覆盖范围小、作业效率低等问题。荷载能力不足则会导致无人机农业资源携带量少、可搭载的传感器种类少。造成飞行时间不足和荷载能力不足的主要原因是供能不足,不能支持无人机进行长时间高荷载的运动。目前的无人机的供能方式主要分为电动、油动和光动3种,电动无人机占据了主流位置,原因是农业无人机的工作环境大多都较为严苛,油动无人机很难在严苛的环境下工作,而光动无人机则是因为转化效率不高,并且会增加无人机的重量。归根结底供能不足还是因为电池技术不行。

2.2 数据处理分析能力不足

由于农业无人机可以通过搭载多种传感器来采集多种农田数据,这不可避免地会造成农业无人机采集到的数据量大且复杂,但是因为农业无人机的计算资源有限,不具备高效快速地处理这么庞大且复杂的数据的能力。并且农业无人机数据处理和分析算法相对简单,往往只能进行一些基本的数据处理和图像分析,无法进行更复杂的数据挖掘和模型建立,也无法进行更深更广的数据处理和分析,这些都会导致其无法提供更精准的信息和及时的决策辅助。

2.3 飞行高度精度不足

农业无人机在飞行过程中,通常使用气压传感器或GPS高度测量模块来获取飞行高度。但是这会存在一些误差,如果是在严苛的环境下,这个问题将会更加凸显。必须密切关注气象条件,避免在强风、降雨、大雾等恶劣天气下进行无人机航摄,不良气象条件会影响无人机的稳定性和图像质量,可能导致测量数据的不准确[4]。并且农业无人机的飞行控制系统性能一般,会导致其在飞行过程中出现一些波动,而这些波动将会直接导致农业无人机采集到的数据不够精准。

2.4 高昂的成本和技术门槛

目前,农业无人机技术还在快速发展的阶段,难免会有一些生产技术不够成熟,这也导致了无人机本身以及相关配件价格的提高,如传感器和数据处理分析软件等。想要实现农业无人机极致的稳定飞行能力、数据采集能力和数据处理分析能力,这不可避免地会拉高成本,并且由于农业无人机的工作环境比较苛刻,所以维修保养的成本也是一笔不可忽视的开支。农业无人机还存在着不低的技术门槛,要求操作人员掌握一定的飞行技术和飞行安全规范来保证农业无人机的安全工作,还要求操作人员掌握数据处理分析软件的应用,这些限制会导致很多农民对此望而却步。

3 解决农业无人机技术上不足的对策

3.1 改进电池技术,改用更轻的材料制作无人机

目前无人机一般使用的是锂离子电池,但是锂离子电池存在能量密度低、续航时间长和需要频繁更换等问题,所以可以改用锂聚合物电池。锂聚合物电池对比锂离子电池具有高能量密度、轻量化和可再生等优点,这意味着锂聚合物电池可以储存更多能量和减轻无人机重量。但是值得注意的是,锂聚合物电池的寿命较短,且会在充放电过程中发热,存在一定火灾隐患。其次,也可以选择镁离子电池,镁离子电池具有高能量密度、环保可持续、快速充电和耐高温的性能,但是同样也存在一些缺点,例如:镁离子电池技术还是一个相对较新的技术,商业化不足,生产成本高,并且稳定性不足;体积较大、较重,会加重无人机的重量;电压输出较低,与当前无人机系统不适配。在无人机电池方面还需要更加深入的探索,并且对无人机进行合理的飞行规划,使得无人机能够在最小的飞行能耗内完成数据收集[5]。在农业无人机的结构材料方面,可以采用碳纤维复合材料来代替金属材料,用钛合金来制作关键部件以达到抗风耐用的效果。

高转化效率、高集成度的氢燃料电池技术的开发和高储氢密度、轻量化的储氢材料的研发,是无人机用氢燃料电池未来的重点研究方向;通过无人机飞行过程中燃料电池管理系统的智能优化, 根据无人机飞行任务设定合理的无人机飞行路线及输出功率,同时建立移动无人机机巢方便其换电过程,是未来提升燃料电池无人机续航能力的研究方向[6]。

3.2 引入新技术,优化原有技术

优化无人机的处理器和存储设备、使用并行计算技术、采用高速数据传输技术等方法来提高计算速度和存储容量,这样可以储存更多的信息和更高效的处理数据,进一步提高其在农田监测和作物管理中的应用效果;优化无人机的数据采集传输系统以减少数据处理的延迟,使用硬件加速技术,通过在硬件上实现特定的计算任务,进一步提升数据处理速度;优化数据储存和管理系统,使其能够快速存取数据来提升数据挖掘和分析能力。引入更高效的数据挖掘算法,根据无人机的特点和需求针对性地开发算法,使算法更加适用、高效;引入机器学习和人工智能技术,通过训练来使无人机实现自动识别和分类采集到的有效信息。

3.3 优化传感器和飞行控制系统

使用更精密的传感器并且优化传感器数据融合算法,通过滤波、融合算法和模型预测等技术提高传感器数据的准确性和稳定性,以此为飞行控制系统提供更精确的数据。开发自动飞行控制算法,通过分析传感器传回的数据自动调整飞行姿态和飞行路径来弥补数据的延迟和人工操控的不足。引入避障技术,通过雷达来避开障碍,使得无人机飞行更加安全,减少失控情况的发生。对系统进行调试和校准,优化升级系统,以此提高飞行控制系统和传感器的性能。

3.4 保证性能的前提下,提升技术,降低技术门槛和成本

首先,使用者可以通过租赁、共享等方式降低农业无人机本身的成本,研发人员则可以通过研究更轻、更坚固和更经济的材料来降低无人机的制造成本,同时通过3 D打印、自动化组装等技术来提高生产效率、降低生产成本,从源头上降低农业无人机的成本。其次,可以改进传感器的性能,尽量用更少的成本来达到更高的性能。电池技术也需要继续深入研究,目前的各种农业无人机电池技术还存在着不少缺点,这需要继续研究改进。同时,电池的寿命也需要延长,这能够减少农业无人机更换配件的附加费用。借助云计算和物联网技术,实现农业无人机和信息处理设备的无缝连接和数据共享,以此来降低技术门槛和成本负担。研发更智能可靠的自动飞行控制系统来降低对飞行控制技术的要求。最后,发布相关的培训课程并引导更多人学习农业无人机的基本操作养护知识,与农业公司、农民组织和政府组织建立合作关系,共同推进农业无人机技术操作经验的共享和推广。

4 结语

总的来说,虽然农业无人机技术逐渐地被广泛使用,但是各种技术还是存在一定的不足,目前农业无人机的续航能力仍然是一个难点,还需要继续在电池技术上攻坚克难,或者寻找更合适的供能方式。农业无人机在飞行路径规划的算法上还需要进一步改进,保证无人机在飞行过程中的安全。农业无人机技术还是存在门槛高的问题,导致推广受阻,如何降低门槛、广泛推广也是一个不能忽视的问题。