白耀博 程义

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。

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。

4   无人机的操控

目前所有的植保无人机都有全自主飞行的能力。因为一个人看清百米外的无人机是不是精准飞行几乎不可能，所以只有先把地块圈出来，用自主飞的方式才有可能精准施药。极飞认为效果第一、效率第二，没有好的效果，效率再高也是没用的。另外，随着无人机越来越普及，越来越多的小地块也需要使用农业无人机，比如一块地只有30 m宽、50 m长，那如何在这个小地方上作业，这时如果有一款好用的、简单的遥控器操控无人机打药就方便了。所以一款好的农业无人机要有遥控飞行能力，更要有自主飞行能力，以自主飞行为主、遥控飞行为辅，只有这样的无人机才能满足未来几年无人机的发展要求。

小地块作业不好打是因为虽然有遥控器，但是不会用、用不好、容易炸机。双手控制、带2个摇杆的遥控器操作让飞机飞起来是较为简单的，能够非常轻松地应对危机的各种操作，但是需要很长时间来学习，甚至需要用炸机的操作事故才能换来经验的成长，所以很多人用这种遥控器是无法灵活操作无人机的。极飞设计出像电视遥控器一样的单手遥控器，面板按键操作简单，短时间内就能学会使用，一只手就可以非常轻松地遥控无人机前、后、左、右飞行。在小块地作业时，不用测地也能直接手控飞行。同时在单手遥控器上附加了一个测绘模块，把原来5 000 g的测绘杆变成了不到500 g重的设备，可以非常轻松地在农田里面打点测绘。

5   无人机的主要成本

无人机成本包括3部分：购机成本、维修保养成本、电池使用成本。首先定价便宜的无人机，仅是购机成本不等于其总成本也低。因为无人机是工具，买完以后还要使用，如果使用成本很高，那所买的“便宜”最终还是“贵”，所以要选择“使用成本”更低的无人机。

整个使用过程中，电池是无人机最主要的成本，充电效率（充电时间）和电池使用寿命最终决定了电池使用成本。如果电池的充电效率非常低（充电时间长），需要买很多的充电器，因此购机成本变高;另一个是电池使用寿命，不管保障多少月、几百次循环，在使用过程中，如果电池使用寿命终结成本就会很高。要快速充满1组电池，降低电池成本，必须满足3个条件。

5.1   充电倍率

必须有3倍率以上超充能力的电池。电池有个特性叫做充电倍率，1倍率充电就是1 h能充满电，2倍率充电就是30 min能充满电，3倍率充电就是20 min能充满电，这里充满是指从0%充100%。而实际使用无人机的时候往往会在还有30%电量时就降落，所以从30%充到95%，1倍率就是45 min，2倍率是22 min，3倍率是12 min。极飞新推出的B13860S超充电池就可以2倍率充电，并且拥有IP67防水性能，也就是说这款超充智能电池，具备能够12 min充满电的特性，并且适用于极飞所有P系列的植保无人机。

5.2   充电设备

必须有足够大功率的充电设备，在十几分钟内充满1个电池。2019年极飞推出的充电器能够以2 500 W的功率输出、15 min把电池从0%充到95%的电量。2 500 W是常见的插头功率的最大值，在家里、酒店等环境下充电时，超过2 500 W的功率很有可能会烧掉插头，产生安全问题，所以2 500 W基本属于这类充电器的极限功率。几乎所有农业无人机的用户都需要买发电机，根据这个需求，极飞做了一款发电机叫燃油充电站，由1个发电机、2个充电器共同组成，这是汽油发电机，是目前市面上能買到的同级别中发电效率最高、体积最小、重量最轻的。其一，这款发电机重量只有26.5 kg，加满油有30 kg，1个人可以很轻松地搬走。其二，其比传统汽油发电机的发电效率高30%，同时有3 000 W的功率输出，能够用12 min把一块B13860S超充电池从0%充至100%的电量，而从30%充到95%的电量，只需10 min即可。其三，要有足够强的散热能力，减少散热等待时间。飞行、充电过程中电池会发热，电池温度散热至45 ℃以下后才能充电。17年极飞产品都是自然散热，通过飞行的气流、地面上静置，自然地跟空气接触进行散热，如果电池温度过高，则需要40 min甚至更长的散热时间。2018年末推出风能散热，风扇装置20 min就能够把电池内部的热量抽出来。而2019年B13860S超充电池引入水冷散热，通过把电池放到水里来提高散热效率，电池必须有IP67的防水性能，能够泡在水里，一边充电一边散热。

5.3   使用寿命

决定电池使用成本的除了上面所说的充电效率以外，还有一个就是电池使用寿命。尤其需要注意的是，电池的保障循环次数和保障时间。如购买4个电池，每个电池1年可能只用300次循环就过了保障时间，所以承诺再多的保障循环次数是没有用的，因为保障时间是先到期的，保障循环次数是后到。极飞提供的保障循环次数是农业无人机在满载20 kg持续飞行下的数据，如果选择配备2组极飞超充电池，按照正常作业来讲，1组电池12个月内是能用到超过500循环的，承诺保500循环或12个月才是有用的，只有物尽其用，成本才是最低。

参考文献：

[ 1 ] 极飞科技.极飞科技P系列2019款植保无人机[J].农业机械，2019（2）：124-125.