多晶硅在长航时植保无人机中的应用
田凯茜 王子豪
摘 要：《中国制造2025》提出了在农机装备领域中实现技术突破，《全国农业农村信息化发展“十三五”规划》中提出在未来五年农业信息化水平要大幅增长。农业智能化是目前农业发展的趋势，也是国家重视发展的领域。本文对植保无人机相关知识进行简要介绍，并探讨将多晶硅太阳能在植保无人机中应用，提升无人机航时，使得植保无人机的作业时间增加。
关键词：植保无人机;长航时;多晶硅太阳能变换
0 引言
中国是世界上的农业大国，棉花、水稻等作物产量排在世界前列，然而中国农业自动化、智能化水平却不高。近些年来，农作物成本越来越高。中国棉花种植成本最高可达到美国棉花种植成本的三十倍，售价也高出约48%。分析其原因，农业不够智能化、机械化使得中国农业工作效率低下，植物生长状态不稳定，人工成本耗费过多。
灌溉是任何农作物生长过程中必不可少的一步，中国传统的水渠灌溉法，水资源浪费，灌溉不均匀等问题显著。中国农村农药中毒事件高发，农药喷洒是一种消耗人力和财力并容易引发危险事故的活动。近些年来，大规模规范化农业种植越来越普遍。单纯依靠人力监察农作物生长情况更显得尤为困难。农作物病虫害检测决定了农作物产量。及时检测作物生长状态，发现病虫疫情，并对症下药对于提升农作物产量十分重要。
植保无人机可以极大地解放人类劳动力，完成灌溉、农药喷洒、病虫害检测等农业任务。中国农业耕地面积广，地形复杂多样，植保无人机能有效地减少耗水量以及病虫害防治。近些年来，植保无人机迅速发展，农业部、财政部，民航局联合发文为农村引入植保无人机提供补贴。但航时问题成为植保无人机发展的阻碍，农耕面积大对植保无人机航时提出了更高要求。通过增加多晶硅太阳能变换，有效提高植保无人机的航时，并节省能源，实现了可再生资源的利用。
1 植保无人机架构
1.1 四旋翼无人机选用
市面上已有的无人机型号多样，性能、价格参差不齐。选用成本低廉、性能良好、架构符合需求的无人机是基础。我们选用四旋翼无人机因其具有灵活性高、控制简单、轻便等优点。
植保无人机用作灌溉和喷洒农药要求机身不能过重，且机身留有一定空间用于放置农药桶和喷头。植保无人机用作病虫害检测时，要求无人机在飞行过程中稳定性較高，能完成悬停任务，能够拍摄出高质量的图片以及视频。
我们使用大疆经纬Matrice 100四旋翼无人机框架，其对称轴距为650 mm，带有三轴增稳云台，自载ZENMUSE X3一体式云台相机可用于视觉图像采集，能够平稳地拍摄图片以及上传清晰的长视频，能较好地用于分析农作物病虫害。其最大飞行速度可达22m/s，最大上升下降速度为4m/s。悬停精度在垂直方向可达0.5m，水平方向可达2.5m。满足我们植保无人机悬停时能够稳定清晰地观测病虫害重点农作物区域。大疆经纬Matrice 100四旋翼无人机的性能强大，有部分资料开源能够较好地用于二次开发。
1.2 多晶硅太阳能变换供电
由于植保无人机的长航时需求，普通的电池无法达到要求。我们考虑利用太阳能直接发电，为无人机长航时飞行提供电能。太阳能电池通过光电效应，将太阳能转化为电能并存储。目前太能电池有硅太阳能、多晶体薄膜、有机聚合物、纳米晶、有机薄膜、燃料敏化、塑料电池等类型。
多晶硅太阳能电池属于硅太阳能电池中的一种。多晶硅太阳能电池相较于非晶硅薄膜电池能量转化率高，成本低廉。光电转化效率能够达到17%。将多晶硅太阳能电池与普通蓄电池结合。通过太阳能电池板将太阳能转换为电能并存储，无人机在太阳能供电不足时切换为蓄电池供电。这种变换供电装置能够有效延长无人机航时，使用绿色能源太阳能符合可持续发展战略。
多晶硅太阳能变换电池的基本组成为：多晶硅太阳能板，变换供电装置，3S蓄电池。为了有效地采集太阳能，多晶硅太阳能板选用规格为80mm×80mm，电压为5V，电流为160mA。安装在无人机机架顶部中心位置。采用11.1V的3S蓄电池，成本较低，具有很高的性价比。蓄电池大部分时候处于闲置状态，只有在太阳能不足以为无人机供电时，通过转换开关，将太阳能供电转换为蓄电池供电。
多晶硅太阳能变换电池控制系统包含以下几个部分：供电类型变换，蓄电池，多晶硅太阳能电池，A/D采样，D/A转化，过压保护，步进电压控制。
1.3 喷嘴及载液桶等部件
植保无人机还需载重一些零部件如载液桶、喷嘴等。为了节省电能，增加航时，要求零部件具有重量轻、体积尽可能小的特点。
农药和水源的灌溉采用扇形喷头，穿透力较强能够均匀地喷洒农药和水源，相较于锥形喷头更加节约水源和药物。喷头的材质采用尼龙，质量较轻，减轻无人机的负担。加上四旋翼的四个螺旋桨产生的向下气流，能够更好地帮助农药的均匀喷洒。
载液桶采用12L药桶。安装液泵和喷头在药桶上。整体零部件的选材都倾向于较轻材质，能够减少无人机负担，尽可能地减少耗电量。
1.4 控制系统软件设计
植保无人机的控制系统包括：飞行器控制系统，无人机状态检测，病虫害检测部分，远程遥控以及农药水源消耗状态反馈。
地面站，云台，无人机三个模块相互传递信息，协作完成任务。地面站具有发射单元，无人机上有对应的接收机。地面发射单元向无人机上的接收机发送2.4G宽带频率，完成地面与无人机的通信。无人机与云开发平台通过CAN进行数据通讯。同时地面站和云平台通过无线传输端相互收发数据，进行通讯。
飞行控制系统是无人机航行的基本控制要求。良好的飞行控制系统保证无人机飞行过程的鲁棒性，控制无人机飞行姿态，是无人机飞行中最重要的部分。
设计云开发平台，地面与空中交互控制。云平台包含四个部分：显示层，中间层，虚拟层和资源层，用作数据存储和处理及数据运算。其对资源进行了调配，提高了工作效率，设备所占用的空间减少，更加便携。应用层的交互界面，通过HTML web界面，降低用户使用门槛。
实时载液桶桶内剩余液体反馈。当桶内的液体少于划线量，向地面终端反馈余液量不足。地面反馈继续巡航或是返回基站的指令。
无人机端还载有雷达装置，实时定位。在初次航行时，对控制范围内的农地进行建模。并规划飞行轨迹。可以人为地修正路线，或是扩大飞行范围。配有FUTABA 18MZ遥控，可以人为手动进行灌溉和农药喷洒。对特殊农作物地区，可以专门进行病虫害检测。
农业病虫害检测是将无人机获取的图像及视频信息返回到云台，在云端进行处理。通过深度学习判断出图片所处地农作物的生长状态，给出指标（优，良，差）。返回结果到地面终端，帮助农民进行辅助决策。
2 价值体现
传统农耕主要依靠的是农民的经验对农作物进行灌溉，农作物生长状态与病虫害的检测也是依靠农民的经验。农作物的产量与质量都不稳定。而不稳定带给农民的生活压力又是巨大的。科学、规范、无门槛的农业需求越来越大。
目前市面上大部分的植保无人机最长航时为20～30min，应用多晶硅太阳能的长航时植保无人机可以提升50%的续航能力。太阳能又是可再生能源，零成本，免费使用且无污染。
国内植保无人机的发展时间还较短，普及面还不是很广。长航时太阳能的植保无人机作为节源，多功能的集成灌溉，喷洒农药，病虫害检测等为一体的设备，有很大的市场空间。
农业智能化水平将会得到很大提升。以往“土渠输水，大水漫灌”型浪费水源的灌溉方式将会彻底改善。中国18亿亩的总耕地面积，具有极大的用户需求量。政府的大力支持，给予农户资金补贴，使得中国农业现代化科学化、机械化指日可待。
3 推广方法与策略
长航时植保无人机的研发已经相对成熟，却在推广应用中受到极大的阻力。農户不接受新产品，认为定价过高，不愿意改变固有耕作方式。如何合理地推广到实际应用中，改变农户固有的农耕思想和方式，也应制定相应的计划与策略。
3.1 淘宝、京东等电商平台推广
电商平台是目前网络宣传的主要渠道。淘宝、京东等电商平台现已有客户量高达6亿人次，占C2C市场份额的90%以上。大量的用户集中在淘宝、京东等市场。因此，合理地推广能够带来巨大的广告效益。设立旗舰店铺，建立多晶硅长航时植保无人机的完善的售后、教学服务。向农户提供特殊优惠活动，加大在主页面的宣传力度。为购买者提供良好的购物体验和售后服务。
3.2 广告及线下推广
横幅广告、通栏广告、广告条是目前最普遍的广告展现形式。印制纸质宣传单和各种海报，在人流量密集的地方张贴海报分发传单。与当地大型商场合作，在公共大屏幕上播放宣传视频。植保无人机这种购买成本较高的产品，还应设立咨询点。配备专业人员进行操作演示，效果展现，向农户解释投资植保无人机带来的经济效益。与合作商家商议，将宣传单印制到公交站牌、农村告示牌等处。让更多人了解、认识植保无人机，让农业智能化的思想进入农户的视野。
3.3 政府的政策支持
大力度的革新离不开政府政策的支持。2017年政府提出以“农业供给侧结构性改革”，2018年发布“实施乡村振兴战略”文件。国家对农业智慧化、农业自动化越来越重视。
还应与政府合作在农村进行宣传，增加农户对该产品的信任度。在每个村支部设立农业智慧宣传办，为农户解答相关的农业智能化问题，讲解政府对购买机械化产品的扶持政策与补贴。作为上级与底层农民的沟通的重要渠道，宣传办平时应该总结农民的疑问和困难，定期上报给上级，讨论解决问题。宣传办还应及时传达上级的思想与政策，切实解决农户困难，让农户用得起，用的好，用得放心。
有了政府的支持与补贴，多晶硅长航时植保无人机将得到普及和推广。同时，还应持续改善产品，依据农户使用反馈，逐渐完善产品功能，增加产品功能。
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