极飞农业无人机的发展与应用

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摘要：摘 要：分析了极飞农业无人机的应用特点和成本，并对发展方式和趋势做了分析，以期为相关领域的深入研究提供参考。 《 华中农业大学学报 》(社会科学版)(双月刊)创刊于1981年，是由教育部主管、华中农业大学主办的社会科学综合性学术双月刊。读者对象主要是

　　摘 要：分析了极飞农业无人机的应用特点和成本，并对发展方式和趋势做了分析，以期为相关领域的深入研究提供参考。

　　《华中农业大学学报》(社会科学版)(双月刊)创刊于1981年，是由教育部主管、华中农业大学主办的社会科学综合性学术双月刊。读者对象主要是从事与农业、农村、农民有关的科研、管理及教学人员。

　　关键词：农业无人机;发展;应用

　　2019年10月，极飞科技发布2020款新品。极飞植保无人机自P系列推出以来不断创新，不仅可以喷药、播种，还能撒肥、投饲，植保无人机的功能越来越丰富多样，使用场景大大增加，使得植保无人机逐渐演变为农业无人机。本文从实际出发，分析农业无人机的作业效率和效果以及发展演变，以期为相关领域的深入研究提供参考。

　　1 农业无人机的要求

　　(1)无人机的模块化设计。有了模块化的设计，更换零配件会比较方便，如果出现一些损坏，也可以快速维修、便捷保养，不耽误作业时间，所以模块化设计是农业无人机的标准配置。

　　(2)IP67的防护等级。在作业环境中往往会有农药、灰尘附着在机身上，会影响设备配件的正常使用，如果无人机有IP67 的防护等级，就可以将其泡在水里清洗，保持整洁，延长使用寿命。

　　(3)高强度的机身结构。运输过程比较颠簸，无人机会有一些磕碰，如果无人机刚性不够、强度不够则非常容易损坏，有了高强度的机身，才能保证农业无人机皮实耐用，保证作业效果。

　　(4)强劲的动力和较大的负载能力。越大的载重就意味着农业无人机有越高的作业效率以及越大的单次作业面积，所以强劲的动力是农业无人机需要具备的特性。

　　(5)可独立控制的泵和不会堵塞的喷头。农业无人机最主要的应用场景是植保，如果喷头不够精准、泵不能独立控制，则无法进行精准施药。同时，因为农药有粉剂、悬浮剂等各种剂型，如果用传统的压力喷头很容易堵塞，作业效率会大打折扣，所以不堵塞的喷头也是农业无人机非常重要的一个特性。

　　(6)灵活满足不同的作业环境。北方作业面积非常大，需要携带大的药箱一次作业，这样作业成本也更低;而南方由于地形复杂、地块分散，需要选择小药箱、小负载，这样耗电量不会过大，也能得到非常不错的作业效果。所以不同载荷、灵活选配也是农业无人机需要具备的特性。

　　2 作业效率与质量

　　2.1 无人机的作业效率主要取决于无人机的飞行速度和喷幅

　　飞行速度乘以喷幅，就等于单位作业面积，飞速越快或喷幅越大，无人机的作业效率就越高。极飞P系列植保无人机拥有12 m/s最大飞行速度，当然不是所有的农业作业都适合用这么快的速度，大部分是5～6 m/s，有一些特殊的作业环境可以升到12 m/s，可根据实际需要来调整优化[1]。

　　无人机的喷幅也是影响效率的一个非常重要的指标。当无人机飞行在空中的时候，通过螺旋桨产生的气流会有一个下压力，在螺旋桨正下方4～4.5 m宽的区域，借助此压力喷洒农药会更好地穿透在农作物的中下层，作物上会有15个/m2药液雾滴，这个区域叫做精喷区，防治效果最好。在病虫草害严重的情况下使用精喷的方式来防治。精喷区的兩侧还有快喷区，就是飞行时气流卷起来的区域，对于一般的病虫草害，可以通过快喷进行快速有效防治，但快喷并没有精喷的穿透力，其主要是喷洒在作物表面，大约至少有5个/m2药液雾滴。

　　2.2 作业质量是由渗透雾化和喷头共同决定

　　极飞无人机使用的是离心雾化喷头，这种喷头有非常好的覆盖率，一个喷头相当于几个普通喷头的工作效率，整个喷药过程都可以精准控制、自动调节、变量施药，同时不影响雾化颗粒的大小。以极飞无人机测定，在用药量为800 mL/667 m2、飞行高度2.5 m、飞行速度6 m/s、喷幅4.5 m的条件下，其精喷效率是9.67 hm2/h，而以7 m/s的飞行速度、7 m的喷幅来计算快喷效率，最大能达到17.6 hm2/h。这是用来衡量无人机的基本飞行性能的指标，属理论作业效率，不代表实际作业效率。最终的实际作业效率是由无人机的基本性能和实际作业能力共同决定。比如转场速度够不够快、电池够不够用，或者能不能很好地判断病虫草害情况，一些小故障能不能及时解决，这些都会影响实际作业效率。所以，理论作业效率只是决定无人机的基本性能，而最终的实际效率还要由自身实际作业的情况来决定。

　　3 发展方向和趋势

　　在过去5年时间里，无人机的农业应用发展很快，从原来只能载6 L的药量到今天20 L容量，机体结构越做越大，基本性能越来越好。而在未来的几年里，无人机机械结构方面可变的空间比较小，体积会更大、结构再强化一些，但无人机的整体结构以及发展方向不会有很大的变化。

　　3.1 全自主、全地形飞行

　　首先需要通过一个航测的无人机(比如极侠)，提前把环境的数据信息采集好，这样农业无人机在作业时，就能像人一样知道前面的地是有起伏的，以便提前规划飞行航线，调整飞行姿态，然后就可以在各种复杂地形下安全、高效地飞行作业，完全不需要自身的传感器来辅助，同时也能达到最优的作业效率。

　　3.2 自动识别、躲避障碍

　　无人机能否在地里躲避障碍物、能不能更好地继续飞行，都会影响作业效率。未来几年，无人机在这件事情上会快速变化，越来越完善。

　　3.3 精准飞行作业

　　过去几年RTK导航技术、离心喷头、蠕动泵等已经应用在无人机上，这些都是为了让无人机更加精准地飞行作业，厘米级的定位精度可以给每一株作物均匀地、变量地喷洒农药。未来几年，无人机不仅更加精准，还会拥有自主思考能力，比如与人工智能技术结合，会变得更加智能。通过极侠采集的三维地形数据，植保无人机对作业环境实时感知，灵活应对起伏地形、自主躲避电线杆等障碍物，不管怎样的地形、作物等因素，极飞无人机都可以进行精准、高效地喷药作业。有一点还需要注意的是，无论雷达是全向感知还是四维感知，在精度上都还不能识别1 cm以下的障碍物，但极飞XP 2020款搭载 MIMO 4D 成相雷达，最多同时可探测128个障碍物，识别精度高达 1 cm，其无惧电线阻挡。

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