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| 本文作者： 馮玉坤 | 2017-01-08 09:44 |
雷鋒網(wǎng)注：本文作者馮玉坤，常鋒無人機(jī)CMO，專注行業(yè)無人機(jī)。雷鋒網(wǎng)獨(dú)家發(fā)布。
農(nóng)業(yè)發(fā)展到今天，已經(jīng)比較成熟完善，不論是在我國北方還是南方，基本上都能達(dá)到全機(jī)械化作業(yè)，生產(chǎn)效率比以往大幅提高。而這三年無人機(jī)在植保領(lǐng)域快速發(fā)展，由一開始的手動(dòng)半自動(dòng)飛行到現(xiàn)在的全自助精準(zhǔn)飛行，植保無人機(jī)越來越成熟智能，也越來越“親民”。
不久前在一個(gè)農(nóng)業(yè)展看到一款大型拖拉機(jī)，其可以做到無人駕駛?cè)ジ兀ɡ绲兀┳鳂I(yè)，采用的是誤差精度達(dá)厘米級(jí)的RTK系統(tǒng)，作業(yè)的效果比有人駕駛的拖拉機(jī)更好，也讓農(nóng)民勞作變得更加輕松。
不過，木桶原理告訴我們，有所長(zhǎng)必有所短，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率的大幅提升并不是靠加長(zhǎng)最長(zhǎng)的那塊木板，而是靠加長(zhǎng)最短的那一塊木板來實(shí)現(xiàn)。
在農(nóng)村待過的人都知道，農(nóng)業(yè)從播種到收獲的整個(gè)過程中，機(jī)械化使用率最高的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)正是農(nóng)業(yè)播種時(shí)和收獲時(shí)：播種有高效播種的拖拉機(jī)，收獲有快速收獲的拖拉機(jī)。開頭和結(jié)尾效率都很高，卻唯獨(dú)在農(nóng)作物需要健康生長(zhǎng)的這個(gè)過程中效率變得很低，需要投入大量的人力而不是機(jī)械去作業(yè)。而最突出的一方面就是植保。
目前農(nóng)業(yè)植保最主要的作業(yè)方式是人工噴藥和拖拉機(jī)噴藥。拖拉機(jī)噴藥確實(shí)比人工噴藥的效率高，但其在使用過程中存在減產(chǎn)、勞動(dòng)力投入大等問題，使得植保作業(yè)依舊是整個(gè)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程里最短的一塊。但如果把一個(gè)拖拉機(jī)由地面作業(yè)變?yōu)榭罩凶鳂I(yè)，或許就能解決這些問題？
一、為什么要將拖拉機(jī)飛起來？
把笨重的拖拉機(jī)飛起來，這個(gè)想法或許很荒誕，但歷史告訴我們，很多偉大的發(fā)明都是源自于一開始看似荒誕的想法。任何先進(jìn)事物產(chǎn)生的動(dòng)力都是源自于想迫切改變一種現(xiàn)狀的渴望。
當(dāng)農(nóng)民渴望不再用牛來耕地時(shí)，出現(xiàn)了超大馬力的拖拉機(jī)；當(dāng)農(nóng)民渴望不再用鐮刀收割時(shí)，出現(xiàn)了高效率的收割機(jī)；我們將拖拉機(jī)飛起來去做植保的動(dòng)力也是源于迫切改變當(dāng)下植保方式及現(xiàn)狀的愿望。那么到底是什么樣的現(xiàn)狀才讓我們產(chǎn)生這么急切的改變心態(tài)呢？
1、農(nóng)民植保太辛苦
去過新疆的人可能見過當(dāng)?shù)剞r(nóng)民是怎樣對(duì)棉花噴藥的。在新疆阿克蘇棉花地用拖拉機(jī)噴藥，一般也要5個(gè)人配合才能完成整個(gè)噴藥過程。其中一個(gè)人開拖拉機(jī)，其他四個(gè)人在田地里拖著皮管噴藥。拖拉機(jī)緩慢往前開，人緩慢往前走，每碰到一個(gè)障礙物（比如：樹木、電線桿等），需要停下來重新插管子，再插上去再噴，一整天都是重復(fù)這樣的事情，干這個(gè)事情實(shí)在是太辛苦了。
同時(shí)，常用的植保方式還有很大的安全隱患。除了帶上口罩，穿上塑料雨衣，除此之外幾乎是沒有任何的防護(hù)的，迎面而來的全是農(nóng)藥。一天下來，農(nóng)民可以說是在農(nóng)藥里泡了一整天，由此而引發(fā)的農(nóng)藥中毒事件也屢見不鮮。
2、農(nóng)村勞動(dòng)力日漸減少
經(jīng)濟(jì)的持續(xù)增長(zhǎng)使得工業(yè)部門不斷吸納農(nóng)村勞動(dòng)力，越來越多的農(nóng)村子弟背井離鄉(xiāng)，拼命奮斗，只為擺脫面朝黃土背朝天的命運(yùn)，比上一輩人過得更好。
新一代的人，沒有吃過老一輩人那樣的苦，也不愿意自己再重復(fù)父輩們的那種生活。傳統(tǒng)低效的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)也正面臨著后繼無人的尷尬。
“空心村”越來越多，勞動(dòng)力越來越少，在未來相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間里這樣的困境將依然存在。提高作業(yè)工具的效率以及改善作業(yè)的方式，是目前整個(gè)農(nóng)業(yè)發(fā)展進(jìn)程中的亟待解決的問題。
3、規(guī)?；N植日漸普遍
當(dāng)前農(nóng)村空心化趨勢(shì)越來越嚴(yán)峻，規(guī)?；N植的條件逐漸成熟。國家提出土地流轉(zhuǎn)政策，開始大力推動(dòng)傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)型，農(nóng)業(yè)規(guī)?；a(chǎn)將是其必經(jīng)之路，傳統(tǒng)的植保作業(yè)方式也將逐漸被新的方式替代。
讓拖拉機(jī)從地面飛到天空，像無人機(jī)那樣自主精準(zhǔn)飛行完成噴藥，這樣不僅可以解放農(nóng)村勞動(dòng)力，也可大幅度提高作業(yè)效率，進(jìn)行高效安全作業(yè)。
二、如何將拖拉機(jī)飛起來？
讓一個(gè)物體能夠飛起來，需要滿足的因素很多，面臨的困難也很多。在設(shè)計(jì)上要符合空氣動(dòng)力學(xué)，在飛控系統(tǒng)開發(fā)里需要強(qiáng)大的算法，在選擇動(dòng)力源方面也需要考慮多種方案。
1、讓拖拉機(jī)飛起來所面臨的幾個(gè)問題：
問題1：怎么設(shè)計(jì)？
問題2：動(dòng)力系統(tǒng)怎么選擇？
問題3：飛控系統(tǒng)怎么做？
問題4：要具備哪些功能？
······
2、目前市場(chǎng)有沒有可借鑒的案例？
當(dāng)前現(xiàn)狀是，農(nóng)業(yè)植保最主要的作業(yè)方式是人工噴藥和拖拉機(jī)噴藥。在消費(fèi)級(jí)領(lǐng)域，電動(dòng)多旋翼無人機(jī)異?；鸨?，其通過掛載相機(jī)等設(shè)備來做一些特殊應(yīng)用。
電動(dòng)無人機(jī)可以被用來改造成會(huì)飛的拖拉機(jī)嗎？現(xiàn)實(shí)是目前電動(dòng)多旋翼采用的鋰電池發(fā)展遇到瓶頸，在短期內(nèi)無法突破，一個(gè)普遍載重在10KG，飛行時(shí)間15分鐘左右的產(chǎn)品，根本就不適合大規(guī)模植保作業(yè)。
3、歷史上有沒有油動(dòng)多旋翼成功案例？
看完當(dāng)前，看歷史。在歷史的發(fā)展過程中，不缺腦洞大開者，也不缺有荒誕想法者。
據(jù)歷史記載，多旋翼無人機(jī)是一種能夠垂直起降的無人直升機(jī)，其發(fā)展歷史最早可以追溯到1907年，當(dāng)時(shí)Breguet兄弟在法國科學(xué)家CharlesRichet的指導(dǎo)下，設(shè)計(jì)制造了世界上第一架有人駕駛的多旋翼飛機(jī)—“旋翼機(jī)一號(hào)”。駕駛員通過控制油門來對(duì)其進(jìn)行控制。但是由于當(dāng)時(shí)的技術(shù)限制，他們無法實(shí)現(xiàn)飛機(jī)的完全控制。
旋翼機(jī)一號(hào)
直到20世紀(jì)50年代，美國陸軍研制的VZ-7，被稱做Flying Jeep，外表看起來像極了簡(jiǎn)易版拖拉機(jī)，其有效載荷250KG，靠425馬力渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，容易起飛，有效地提高了功率與重量比。雖然它相對(duì)穩(wěn)定，但是它未能達(dá)到軍方對(duì)高度和速度的要求，最終被迫放棄。
Flying Jeep
由此可見，讓拖拉機(jī)實(shí)現(xiàn)在天空植保作業(yè)的想法是可行的。油動(dòng)直驅(qū)多旋翼的方式是可以借鑒的。
4、形成讓拖拉機(jī)飛起來的思路
鑒于突破鋰電池的瓶頸還需時(shí)日，目前只采用電動(dòng)多旋翼多軸的布局方式，利用發(fā)動(dòng)機(jī)來提供動(dòng)力，并通過飛控控制發(fā)動(dòng)機(jī)油門的大小來控制轉(zhuǎn)速進(jìn)而控制飛行姿態(tài)。
5、設(shè)計(jì)油動(dòng)直驅(qū)多旋翼——會(huì)飛的拖拉機(jī)
順著這個(gè)思路，我們開始著手設(shè)計(jì)油動(dòng)直驅(qū)多旋翼——會(huì)飛的拖拉機(jī)。由于油動(dòng)多旋翼不像電動(dòng)多旋翼那樣，有完整的理論體系，它在很多地方的技術(shù)是空白的，這就得需要我們自己去摸索。
1）關(guān)于機(jī)身的設(shè)計(jì)
機(jī)身主要由機(jī)架和起落架部分構(gòu)成。
機(jī)架是整個(gè)飛機(jī)的骨架，用于支撐、安裝無人機(jī)的各個(gè)組件。我們機(jī)身主體采用碳纖維等多種復(fù)合材料，各連接件采用高品質(zhì)航空鋁合金，整體采用三角桁架式連接，機(jī)架結(jié)構(gòu)重量輕，強(qiáng)度高。
機(jī)架
這樣設(shè)計(jì)的因素有很多。一方面，要考慮機(jī)架質(zhì)量要輕；另一方面，要考慮機(jī)架的整體剛度要大。
最開始設(shè)計(jì)時(shí)采用的不是碳纖維材料，而是選擇鋁合金。但后期發(fā)現(xiàn)選用鋁合金材料會(huì)出現(xiàn)很多問題，比如操作失誤炸機(jī)后，鋁管在接頭處會(huì)開裂；裝配時(shí)發(fā)現(xiàn)鋁管外徑誤差范圍較大，給裝配帶來很大的不便，降低了生產(chǎn)效率等。
起落架的設(shè)計(jì)也必須慎之又慎。因?yàn)槠鹇浼懿粌H用以支撐整個(gè)機(jī)體，還要在飛機(jī)著陸時(shí)消耗和吸收飛機(jī)與地面產(chǎn)生的沖擊，保護(hù)機(jī)體結(jié)構(gòu)不受損壞。
而滑撬式結(jié)構(gòu)、高性能氮?dú)鈴椈蓽p震、有最佳的緩沖角度，能夠讓拖拉機(jī)變得非常皮實(shí)。
起落架
2）關(guān)于發(fā)動(dòng)機(jī)
油動(dòng)多旋翼，其心臟便是發(fā)動(dòng)機(jī)。把國內(nèi)相對(duì)來說不錯(cuò)的幾家發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用在油動(dòng)多旋翼上測(cè)試，結(jié)果達(dá)不到我們要求的標(biāo)準(zhǔn)。最終在保證性能的基礎(chǔ)上我們硬是將其重量減小了1公斤，將結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)得更適合裝配在我們的機(jī)架上。
國內(nèi)航模發(fā)動(dòng)機(jī)壽命是硬傷，國產(chǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)的壽命是200~300小時(shí)，我們改進(jìn)后的發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)測(cè)試也是200~300小時(shí)。面對(duì)這個(gè)結(jié)果，我們最終決定與國外的發(fā)動(dòng)機(jī)廠家進(jìn)行技術(shù)合作，讓發(fā)動(dòng)機(jī)的壽命達(dá)到了1000小時(shí)以上。
解決了發(fā)動(dòng)機(jī)壽命的問題后，另一個(gè)問題就是這款油動(dòng)多旋翼對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性差。目前的航模發(fā)動(dòng)機(jī)都帶有化油器，常見的是機(jī)械式的，普遍對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性很差。舉個(gè)例子，今天上午在深圳龍崗區(qū)測(cè)試飛行各項(xiàng)指標(biāo)正常，下午拉到深圳寶安，各項(xiàng)指標(biāo)就會(huì)變得不一樣。出現(xiàn)這種問題怎么辦？常用的做法就是重新調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)的高低速油針，調(diào)到能夠適應(yīng)環(huán)境、各項(xiàng)指標(biāo)重新回到最佳狀態(tài)下。
發(fā)動(dòng)機(jī)
當(dāng)一款產(chǎn)品對(duì)環(huán)境適應(yīng)性差，那么大范圍的應(yīng)用將會(huì)面臨很多問題。用戶希望產(chǎn)品是買來就能用，在哪兒飛都沒問題。那有沒有這種解決方案呢？方法可以借鑒摩托車的化油器改為電噴技術(shù)，將其應(yīng)用在多旋翼發(fā)動(dòng)機(jī)上，而且最終測(cè)試后發(fā)現(xiàn)這樣改進(jìn)后發(fā)動(dòng)機(jī)比以前更省油。
3）關(guān)于電啟動(dòng)
玩過固定翼的都知道，一般固定翼的航模發(fā)動(dòng)機(jī)是沒有電啟動(dòng)的，需要靠手去撥槳來啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。這在固定翼上來說勉強(qiáng)可以，但是在油動(dòng)多旋翼上卻是非常危險(xiǎn)且累人。
在開發(fā)電啟動(dòng)工程中，從啟動(dòng)電機(jī)的選擇到齒輪的加工，每一個(gè)環(huán)節(jié)的要求至少達(dá)到：?jiǎn)蝹€(gè)電啟動(dòng)重量不得超過800g，啟動(dòng)壽命次數(shù)在1萬次以上。
4）關(guān)于飛控
如果說發(fā)動(dòng)機(jī)是心臟，那飛控系統(tǒng)就是油動(dòng)多旋翼的大腦，對(duì)各種傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。造出一架合格的油動(dòng)多旋翼無人機(jī)（會(huì)飛的拖拉機(jī)），客戶需要的不是花里胡哨的app，而是你的整個(gè)系統(tǒng)要足夠穩(wěn)定，穩(wěn)定決定一切。而穩(wěn)定又是靠傳感器決定的，傳感器不準(zhǔn)怎么辦？當(dāng)然是靠濾波算法。
加速度計(jì)、陀螺儀等傳感器的數(shù)據(jù)，在現(xiàn)實(shí)中，是很“臟”的，也就是說被各種噪聲污染得很厲害，要從大量噪聲中過濾出真實(shí)的傳感器數(shù)據(jù)，這就在姿態(tài)測(cè)算里涉及到濾波。與電動(dòng)無人機(jī)相比下，采用發(fā)動(dòng)機(jī)做動(dòng)力輸出的油動(dòng)多旋翼震動(dòng)大，更是增加了濾波算法的難度。
農(nóng)民最在乎的是作業(yè)效果以及降低生產(chǎn)成本。農(nóng)民對(duì)植保的要求最首要是效果要好能殺蟲增產(chǎn)保收，不能重噴、漏噴，其次是節(jié)省農(nóng)藥降低成本。這個(gè)要求看似很簡(jiǎn)單但卻不容易做到，需要做到精準(zhǔn)飛行以及精準(zhǔn)噴灑。
常規(guī)的GPS系統(tǒng)的精度都是米級(jí)，根本不能夠達(dá)到植保的要求。我們最終研發(fā)了RTK系統(tǒng)，作業(yè)精度達(dá)到5CM以內(nèi)。當(dāng)所有的功能都實(shí)現(xiàn)后，可增加一鍵起飛、全自主作業(yè)功能，讓油動(dòng)多旋翼（會(huì)飛的拖拉機(jī)）更具智慧。
5）關(guān)于云智能管理
近一年，大家都在談?wù)摯髷?shù)據(jù)、云管理。加入云智能管理功能，客戶在使用油動(dòng)多旋翼（會(huì)飛的拖拉機(jī)）時(shí)產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)會(huì)進(jìn)行云儲(chǔ)存。通過對(duì)大數(shù)據(jù)的分析，后期也能為用戶提供更好的生產(chǎn)解決方案。
三、拖拉機(jī)飛起來后植保效果如何？
在新疆石河子農(nóng)八師棉花地做實(shí)戰(zhàn)演練
在維持4個(gè)多月實(shí)地測(cè)試的過程中出現(xiàn)了一些小bug，一個(gè)是由于新疆氣候干旱，沙塵較大，飛機(jī)起飛時(shí)卷起沙塵，導(dǎo)致沙塵被吸進(jìn)風(fēng)門，造成發(fā)動(dòng)機(jī)壽命縮短。
我們的空氣濾芯采用的是市面上已有鋼網(wǎng)結(jié)構(gòu)類的，在深圳測(cè)試過程中從來沒出過這方面的問題，結(jié)果到新疆測(cè)試時(shí)發(fā)現(xiàn)，這種濾芯根本應(yīng)付不了新疆的惡劣環(huán)境，導(dǎo)致過濾不充分。
回來后我們就開始瘋狂地測(cè)試，將國內(nèi)上百種空氣過濾方案一一實(shí)驗(yàn)，最終找到一種過濾性能極佳的方案，將沙塵顆粒物牢牢地?fù)踉跒V芯外層，并且同時(shí)做到對(duì)透氣性產(chǎn)生很微小的影響。
超強(qiáng)防塵性能測(cè)試
下面是我們?cè)谛陆脽o人機(jī)給農(nóng)八師一四七團(tuán)的棉花打脫葉劑時(shí)的測(cè)試數(shù)據(jù)，具體設(shè)置的飛行參數(shù)如下：
單次帶載藥量：40升
飛行高度：4米
飛行速度：5米/秒
作業(yè)噴幅：4米
噴頭最大流量：1.1升/分鐘（單個(gè)噴頭）
每畝地噴藥量：1.5升/畝
作業(yè)測(cè)試后得到的三個(gè)主要噴灑數(shù)據(jù)如下：
平均起降準(zhǔn)備時(shí)間：4分鐘
平均單次噴灑畝數(shù)：24.6畝
實(shí)際一天（8小時(shí)）噴灑棉花脫葉劑：700畝
為什么我們最先的測(cè)試選擇在新疆給棉花打脫葉劑呢？原來，在新疆植保作業(yè)里，對(duì)無人機(jī)載重最有挑戰(zhàn)的就是棉花脫葉劑的噴灑。
一款載重10KG電動(dòng)的植保無人機(jī)噴灑棉花脫葉劑，飛行時(shí)間不超過5分鐘就沒藥了需要下來加藥，一天最多能打不超過300畝的脫葉劑。地面拖拉機(jī)打藥一天最多不超過500畝地，同時(shí)拖拉機(jī)不精準(zhǔn)的作業(yè)，造成大量農(nóng)藥的浪費(fèi)。一番測(cè)試對(duì)比下來，無疑讓我們看到了三年來努力成果的意義所在。
四、總結(jié)
如何讓拖拉機(jī)飛起來去做植保？這個(gè)問題也許在三年前覺得難于登天?，F(xiàn)在，作為直接用戶的農(nóng)戶也許依然對(duì)油動(dòng)多旋翼這個(gè)專業(yè)名稱不了解，但若能讓農(nóng)戶實(shí)際體驗(yàn)到大載重長(zhǎng)航時(shí)滿足植保作業(yè)需求的油動(dòng)直驅(qū)多旋翼的優(yōu)勢(shì)，無疑會(huì)為農(nóng)業(yè)機(jī)械化發(fā)展再次錦上添花。
常鋒油動(dòng)多旋翼“天馬-1”（一款會(huì)飛的拖拉機(jī)）
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