多晶硅在長航時植保無人機中的應用
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摘 要：《中國制造2025》提出了在農機裝備領域中實現技術突破，《全國農業農村信息化發展“十三五”規劃》中提出在未來五年農業信息化水平要大幅增長。農業智能化是目前農業發展的趨勢，也是國家重視發展的領域。本文對植保無人機相關知識進行簡要介紹，并探討將多晶硅太陽能在植保無人機中應用，提升無人機航時，使得植保無人機的作業時間增加。
關鍵詞：植保無人機;長航時;多晶硅太陽能變換
0 引言
中國是世界上的農業大國，棉花、水稻等作物產量排在世界前列，然而中國農業自動化、智能化水平卻不高。近些年來，農作物成本越來越高。中國棉花種植成本最高可達到美國棉花種植成本的三十倍，售價也高出約48%。分析其原因，農業不夠智能化、機械化使得中國農業工作效率低下，植物生長狀態不穩定，人工成本耗費過多。
灌溉是任何農作物生長過程中必不可少的一步，中國傳統的水渠灌溉法，水資源浪費，灌溉不均勻等問題顯著。中國農村農藥中毒事件高發，農藥噴灑是一種消耗人力和財力并容易引發危險事故的活動。近些年來，大規模規范化農業種植越來越普遍。單純依靠人力監察農作物生長情況更顯得尤為困難。農作物病蟲害檢測決定了農作物產量。及時檢測作物生長狀態，發現病蟲疫情，并對癥下藥對于提升農作物產量十分重要。
植保無人機可以極大地解放人類勞動力，完成灌溉、農藥噴灑、病蟲害檢測等農業任務。中國農業耕地面積廣，地形復雜多樣，植保無人機能有效地減少耗水量以及病蟲害防治。近些年來，植保無人機迅速發展，農業部、財政部，民航局聯合發文為農村引入植保無人機提供補貼。但航時問題成為植保無人機發展的阻礙，農耕面積大對植保無人機航時提出了更高要求。通過增加多晶硅太陽能變換，有效提高植保無人機的航時，并節省能源，實現了可再生資源的利用。
1 植保無人機架構
1.1 四旋翼無人機選用
市面上已有的無人機型號多樣，性能、價格參差不齊。選用成本低廉、性能良好、架構符合需求的無人機是基礎。我們選用四旋翼無人機因其具有靈活性高、控制簡單、輕便等優點。
植保無人機用作灌溉和噴灑農藥要求機身不能過重，且機身留有一定空間用于放置農藥桶和噴頭。植保無人機用作病蟲害檢測時，要求無人機在飛行過程中穩定性較高，能完成懸停任務，能夠拍攝出高質量的圖片以及視頻。
我們使用大疆經緯Matrice 100四旋翼無人機框架，其對稱軸距為650 mm，帶有三軸增穩云臺，自載ZENMUSE X3一體式云臺相機可用于視覺圖像采集，能夠平穩地拍攝圖片以及上傳清晰的長視頻，能較好地用于分析農作物病蟲害。其最大飛行速度可達22m/s，最大上升下降速度為4m/s。懸停精度在垂直方向可達0.5m，水平方向可達2.5m。滿足我們植保無人機懸停時能夠穩定清晰地觀測病蟲害重點農作物區域。大疆經緯Matrice 100四旋翼無人機的性能強大，有部分資料開源能夠較好地用于二次開發。
1.2 多晶硅太陽能變換供電
由于植保無人機的長航時需求，普通的電池無法達到要求。我們考慮利用太陽能直接發電，為無人機長航時飛行提供電能。太陽能電池通過光電效應，將太陽能轉化為電能并存儲。目前太能電池有硅太陽能、多晶體薄膜、有機聚合物、納米晶、有機薄膜、燃料敏化、塑料電池等類型。
多晶硅太陽能電池屬于硅太陽能電池中的一種。多晶硅太陽能電池相較于非晶硅薄膜電池能量轉化率高，成本低廉。光電轉化效率能夠達到17%。將多晶硅太陽能電池與普通蓄電池結合。通過太陽能電池板將太陽能轉換為電能并存儲，無人機在太陽能供電不足時切換為蓄電池供電。這種變換供電裝置能夠有效延長無人機航時，使用綠色能源太陽能符合可持續發展戰略。
多晶硅太陽能變換電池的基本組成為：多晶硅太陽能板，變換供電裝置，3S蓄電池。為了有效地采集太陽能，多晶硅太陽能板選用規格為80mm×80mm，電壓為5V，電流為160mA。安裝在無人機機架頂部中心位置。采用11.1V的3S蓄電池，成本較低，具有很高的性價比。蓄電池大部分時候處于閑置狀態，只有在太陽能不足以為無人機供電時，通過轉換開關，將太陽能供電轉換為蓄電池供電。
多晶硅太陽能變換電池控制系統包含以下幾個部分：供電類型變換，蓄電池，多晶硅太陽能電池，A/D采樣，D/A轉化，過壓保護，步進電壓控制。
1.3 噴嘴及載液桶等部件
植保無人機還需載重一些零部件如載液桶、噴嘴等。為了節省電能，增加航時，要求零部件具有重量輕、體積盡可能小的特點。
農藥和水源的灌溉采用扇形噴頭，穿透力較強能夠均勻地噴灑農藥和水源，相較于錐形噴頭更加節約水源和藥物。噴頭的材質采用尼龍，質量較輕，減輕無人機的負擔。加上四旋翼的四個螺旋槳產生的向下氣流，能夠更好地幫助農藥的均勻噴灑。
載液桶采用12L藥桶。安裝液泵和噴頭在藥桶上。整體零部件的選材都傾向于較輕材質，能夠減少無人機負擔，盡可能地減少耗電量。
1.4 控制系統軟件設計
植保無人機的控制系統包括：飛行器控制系統，無人機狀態檢測，病蟲害檢測部分，遠程遙控以及農藥水源消耗狀態反饋。
地面站，云臺，無人機三個模塊相互傳遞信息，協作完成任務。地面站具有發射單元，無人機上有對應的接收機。地面發射單元向無人機上的接收機發送2.4G寬帶頻率，完成地面與無人機的通信。無人機與云開發平臺通過CAN進行數據通訊。同時地面站和云平臺通過無線傳輸端相互收發數據，進行通訊。
飛行控制系統是無人機航行的基本控制要求。良好的飛行控制系統保證無人機飛行過程的魯棒性，控制無人機飛行姿態，是無人機飛行中最重要的部分。
設計云開發平臺，地面與空中交互控制。云平臺包含四個部分：顯示層，中間層，虛擬層和資源層，用作數據存儲和處理及數據運算。其對資源進行了調配，提高了工作效率，設備所占用的空間減少，更加便攜。應用層的交互界面，通過HTML web界面，降低用戶使用門檻。 實時載液桶桶內剩余液體反饋。當桶內的液體少于劃線量，向地面終端反饋余液量不足。地面反饋繼續巡航或是返回基站的指令。
無人機端還載有雷達裝置，實時定位。在初次航行時，對控制范圍內的農地進行建模。并規劃飛行軌跡?？梢匀藶榈匦拚肪€，或是擴大飛行范圍。配有FUTABA 18MZ遙控，可以人為手動進行灌溉和農藥噴灑。對特殊農作物地區，可以專門進行病蟲害檢測。
農業病蟲害檢測是將無人機獲取的圖像及視頻信息返回到云臺，在云端進行處理。通過深度學習判斷出圖片所處地農作物的生長狀態，給出指標（優，良，差）。返回結果到地面終端，幫助農民進行輔助決策。
2 價值體現
傳統農耕主要依靠的是農民的經驗對農作物進行灌溉，農作物生長狀態與病蟲害的檢測也是依靠農民的經驗。農作物的產量與質量都不穩定。而不穩定帶給農民的生活壓力又是巨大的?？茖W、規范、無門檻的農業需求越來越大。
目前市面上大部分的植保無人機最長航時為20～30min，應用多晶硅太陽能的長航時植保無人機可以提升50%的續航能力。太陽能又是可再生能源，零成本，免費使用且無污染。
國內植保無人機的發展時間還較短，普及面還不是很廣。長航時太陽能的植保無人機作為節源，多功能的集成灌溉，噴灑農藥，病蟲害檢測等為一體的設備，有很大的市場空間。
農業智能化水平將會得到很大提升。以往“土渠輸水，大水漫灌”型浪費水源的灌溉方式將會徹底改善。中國18億畝的總耕地面積，具有極大的用戶需求量。政府的大力支持，給予農戶資金補貼，使得中國農業現代化科學化、機械化指日可待。
3 推廣方法與策略
長航時植保無人機的研發已經相對成熟，卻在推廣應用中受到極大的阻力。農戶不接受新產品，認為定價過高，不愿意改變固有耕作方式。如何合理地推廣到實際應用中，改變農戶固有的農耕思想和方式，也應制定相應的計劃與策略。
3.1 淘寶、京東等電商平臺推廣
電商平臺是目前網絡宣傳的主要渠道。淘寶、京東等電商平臺現已有客戶量高達6億人次，占C2C市場份額的90%以上。大量的用戶集中在淘寶、京東等市場。因此，合理地推廣能夠帶來巨大的廣告效益。設立旗艦店鋪，建立多晶硅長航時植保無人機的完善的售后、教學服務。向農戶提供特殊優惠活動，加大在主頁面的宣傳力度。為購買者提供良好的購物體驗和售后服務。
3.2 廣告及線下推廣
橫幅廣告、通欄廣告、廣告條是目前最普遍的廣告展現形式。印制紙質宣傳單和各種海報，在人流量密集的地方張貼海報分發傳單。與當地大型商場合作，在公共大屏幕上播放宣傳視頻。植保無人機這種購買成本較高的產品，還應設立咨詢點。配備專業人員進行操作演示，效果展現，向農戶解釋投資植保無人機帶來的經濟效益。與合作商家商議，將宣傳單印制到公交站牌、農村告示牌等處。讓更多人了解、認識植保無人機，讓農業智能化的思想進入農戶的視野。
3.3 政府的政策支持
大力度的革新離不開政府政策的支持。2017年政府提出以“農業供給側結構性改革”，2018年發布“實施鄉村振興戰略”文件。國家對農業智慧化、農業自動化越來越重視。
還應與政府合作在農村進行宣傳，增加農戶對該產品的信任度。在每個村支部設立農業智慧宣傳辦，為農戶解答相關的農業智能化問題，講解政府對購買機械化產品的扶持政策與補貼。作為上級與底層農民的溝通的重要渠道，宣傳辦平時應該總結農民的疑問和困難，定期上報給上級，討論解決問題。宣傳辦還應及時傳達上級的思想與政策，切實解決農戶困難，讓農戶用得起，用的好，用得放心。
有了政府的支持與補貼，多晶硅長航時植保無人機將得到普及和推廣。同時，還應持續改善產品，依據農戶使用反饋，逐漸完善產品功能，增加產品功能。
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