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，基本上都能達到全機械化作業(yè)，生產(chǎn)效率比以往大幅提高。而這三年無人機在植保領域快速發(fā)展，由一開始的手動半自動飛行到現(xiàn)在的全自助精準飛行，植保無人機越來越成熟智能，也越來越“親民”。
不久前在一個農(nóng)業(yè)展看到一款大型拖拉機，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厘米級的RTK系統(tǒng)，作業(yè)的效果比有人駕駛的拖拉機更好，也讓農(nóng)民勞作變得更加輕松。
不過，木桶原理告訴我們，有所長必有所短，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率的大幅提升并不是靠加長最長的那塊木板，而是靠加長最短的那一塊木板來實現(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過程中，機械化使用率最高的兩個節(jié)點正是農(nóng)業(yè)播種時和收獲時：播種有高效播種的拖拉機，收獲有快速收獲的拖拉機。開頭和結(jié)尾效率都很高，卻唯獨在農(nóng)作物需要健康生長的這個過程中效率變得很低，需要投入大量的人力而不是機械去作業(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噴藥。拖拉機噴藥確實比人工噴藥的效率高，但其在使用過程中存在減產(chǎn)、勞動力投入大等問題，使得植保作業(yè)依舊是整個農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程里最短的一塊。但如果把一個拖拉機由地面作業(yè)變?yōu)榭罩凶鳂I(yè)，或許就能解決這些問題？
一、為什么要將拖拉機飛起來？
把笨重的拖拉機飛起來，這個想法或許很荒誕，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。任何先進事物產(chǎn)生的動力都是源自于想迫切改變一種現(xiàn)狀的渴望。
當農(nóng)民渴望不再用牛來耕地時，出現(xiàn)了超大馬力的拖拉機；當農(nóng)民渴望不再用鐮刀收割時，出現(xiàn)了高效率的收割機；我們將拖拉機飛起來去做植保的動力也是源于迫切改變當下植保方式及現(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?shù)剞r(nóng)民是怎樣對棉花噴藥的。在新疆阿克蘇棉花地用拖拉機噴藥，一般也要5個人配合才能完成整個噴藥過程。其中一個人開拖拉機，其他四個人在田地里拖著皮管噴藥。拖拉機緩慢往前開，人緩慢往前走，每碰到一個障礙物（比如：樹木、電線桿等），需要停下來重新插管子，再插上去再噴，一整天都是重復這樣的事情，干這個事情實在是太辛苦了。
同時，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)村勞動力日漸減少
經(jīng)濟的持續(xù)增長使得工業(yè)部門不斷吸納農(nóng)村勞動力，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，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，勞動力越來越少，在未來相當長的一段時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，是目前整個農(nóng)業(yè)發(fā)展進程中的亟待解決的問題。
3、規(guī)?；N植日漸普遍
當前農(nóng)村空心化趨勢越來越嚴峻，規(guī)模化種植的條件逐漸成熟。國家提出土地流轉(zhuǎn)政策，開始大力推動傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)型，農(nóng)業(yè)規(guī)模化生產(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。
讓拖拉機從地面飛到天空，像無人機那樣自主精準飛行完成噴藥，這樣不僅可以解放農(nóng)村勞動力，也可大幅度提高作業(yè)效率，進行高效安全作業(yè)。
二、如何將拖拉機飛起來？
讓一個物體能夠飛起來，需要滿足的因素很多，面臨的困難也很多。在設計上要符合空氣動力學，在飛控系統(tǒng)開發(fā)里需要強大的算法，在選擇動力源方面也需要考慮多種方案。
1、讓拖拉機飛起來所面臨的幾個問題：
問題1：怎么設計？
問題2：動力系統(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、目前市場有沒有可借鑒的案例？
當前現(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噴藥。在消費級領域，電動多旋翼無人機異?；鸨?，其通過掛載相機等設備來做一些特殊應用。
電動無人機可以被用來改造成會飛的拖拉機嗎？現(xiàn)實是目前電動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，一個普遍載重在10KG，飛行時間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、歷史上有沒有油動多旋翼成功案例？
看完當前，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，多旋翼無人機是一種能夠垂直起降的無人直升機，其發(fā)展歷史最早可以追溯到1907年，當時Breguet兄弟在法國科學家CharlesRichet的指導下，設計制造了世界上第一架有人駕駛的多旋翼飛機—“旋翼機一號”。駕駛員通過控制油門來對其進行控制。但是由于當時的技術限制，他們無法實現(xiàn)飛機的完全控制。
旋翼機一號
直到20世紀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易版拖拉機，其有效載荷250KG，靠425馬力渦輪發(fā)動機驅(qū)動，容易起飛，有效地提高了功率與重量比。雖然它相對穩(wěn)定，但是它未能達到軍方對高度和速度的要求，最終被迫放棄。
Flying Jeep
由此可見，讓拖拉機實現(xiàn)在天空植保作業(yè)的想法是可行的。油動直驅(qū)多旋翼的方式是可以借鑒的。
4、形成讓拖拉機飛起來的思路
鑒于突破鋰電池的瓶頸還需時日，目前只采用電動多旋翼多軸的布局方式，利用發(fā)動機來提供動力，并通過飛控控制發(fā)動機油門的大小來控制轉(zhuǎn)速進而控制飛行姿態(tài)。
5、設計油動直驅(qū)多旋翼——會飛的拖拉機
順著這個思路，我們開始著手設計油動直驅(qū)多旋翼——會飛的拖拉機。由于油動多旋翼不像電動多旋翼那樣，有完整的理論體系，它在很多地方的技術是空白的，這就得需要我們自己去摸索。
1）關于機身的設計
機身主要由機架和起落架部分構(gòu)成。
機架是整個飛機的骨架，用于支撐、安裝無人機的各個組件。我們機身主體采用碳纖維等多種復合材料，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，機架結(jié)構(gòu)重量輕，強度高。
機架
這樣設計的因素有很多。一方面，要考慮機架質(zhì)量要輕；另一方面，要考慮機架的整體剛度要大。
最開始設計時采用的不是碳纖維材料，而是選擇鋁合金。但后期發(fā)現(xiàn)選用鋁合金材料會出現(xiàn)很多問題，比如操作失誤炸機后，鋁管在接頭處會開裂；裝配時發(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。
起落架的設計也必須慎之又慎。因為起落架不僅用以支撐整個機體，還要在飛機著陸時消耗和吸收飛機與地面產(chǎn)生的沖擊，保護機體結(jié)構(gòu)不受損壞。
而滑撬式結(jié)構(gòu)、高性能氮氣彈簧減震、有最佳的緩沖角度，能夠讓拖拉機變得非常皮實。
起落架
2）關于發(fā)動機
油動多旋翼，其心臟便是發(fā)動機。把國內(nèi)相對來說不錯的幾家發(fā)動機應用在油動多旋翼上測試，結(jié)果達不到我們要求的標準。最終在保證性能的基礎上我們硬是將其重量減小了1公斤，將結(jié)構(gòu)設計得更適合裝配在我們的機架上。
國內(nèi)航模發(fā)動機壽命是硬傷，國產(chǎn)發(fā)動機的壽命是200~300小時，我們改進后的發(fā)動機經(jīng)測試也是200~300小時。面對這個結(jié)果，我們最終決定與國外的發(fā)動機廠家進行技術合作，讓發(fā)動機的壽命達到了1000小時以上。
解決了發(fā)動機壽命的問題后，另一個問題就是這款油動多旋翼對環(huán)境的適應性差。目前的航模發(fā)動機都帶有化油器，常見的是機械式的，普遍對環(huán)境的適應性很差。舉個例子，今天上午在深圳龍崗區(qū)測試飛行各項指標正常，下午拉到深圳寶安，各項指標就會變得不一樣。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)動機的高低速油針，調(diào)到能夠適應環(huán)境、各項指標重新回到最佳狀態(tài)下。
發(fā)動機
當一款產(chǎn)品對環(huán)境適應性差，那么大范圍的應用將會面臨很多問題。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，將其應用在多旋翼發(fā)動機上，而且最終測試后發(fā)現(xiàn)這樣改進后發(fā)動機比以前更省油。
3）關于電啟動
玩過固定翼的都知道，一般固定翼的航模發(fā)動機是沒有電啟動的，需要靠手去撥槳來啟動發(fā)動機。這在固定翼上來說勉強可以，但是在油動多旋翼上卻是非常危險且累人。
在開發(fā)電啟動工程中，從啟動電機的選擇到齒輪的加工，每一個環(huán)節(jié)的要求至少達到：單個電啟動重量不得超過800g，啟動壽命次數(shù)在1萬次以上。
4）關于飛控
如果說發(fā)動機是心臟，那飛控系統(tǒng)就是油動多旋翼的大腦，對各種傳感器的數(shù)據(jù)進行處理。造出一架合格的油動多旋翼無人機（會飛的拖拉機），客戶需要的不是花里胡哨的app，而是你的整個系統(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，傳感器不準怎么辦？當然是靠濾波算法。
加速度計、陀螺儀等傳感器的數(shù)據(jù)，在現(xiàn)實中，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的傳感器數(shù)據(jù)，這就在姿態(tài)測算里涉及到濾波。與電動無人機相比下，采用發(fā)動機做動力輸出的油動多旋翼震動大，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。這個要求看似很簡單但卻不容易做到，需要做到精準飛行以及精準噴灑。
常規(guī)的GPS系統(tǒng)的精度都是米級，根本不能夠達到植保的要求。我們最終研發(fā)了RTK系統(tǒng)，作業(yè)精度達到5CM以內(nèi)。當所有的功能都實現(xiàn)后，可增加一鍵起飛、全自主作業(yè)功能，讓油動多旋翼（會飛的拖拉機）更具智慧。
5）關于云智能管理
近一年，大家都在談論大數(shù)據(jù)、云管理。加入云智能管理功能，客戶在使用油動多旋翼（會飛的拖拉機）時產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)會進行云儲存。通過對大數(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)八師棉花地做實戰(zhàn)演練
在維持4個多月實地測試的過程中出現(xiàn)了一些小bug，一個是由于新疆氣候干旱，沙塵較大，飛機起飛時卷起沙塵，導致沙塵被吸進風門，造成發(fā)動機壽命縮短。
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，在深圳測試過程中從來沒出過這方面的問題，結(jié)果到新疆測試時發(fā)現(xiàn)，這種濾芯根本應付不了新疆的惡劣環(huán)境，導致過濾不充分。
回來后我們就開始瘋狂地測試，將國內(nèi)上百種空氣過濾方案一一實驗，最終找到一種過濾性能極佳的方案，將沙塵顆粒物牢牢地擋在濾芯外層，并且同時做到對透氣性產(chǎn)生很微小的影響。
超強防塵性能測試
下面是我們在新疆用無人機給農(nóng)八師一四七團的棉花打脫葉劑時的測試數(shù)據(jù)，具體設置的飛行參數(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（單個噴頭）
每畝地噴藥量：1.5升/畝
作業(yè)測試后得到的三個主要噴灑數(shù)據(jù)如下：
平均起降準備時間：4分鐘
單次噴灑畝數(shù)：24.6畝
實際一天噴灑棉花脫葉劑：1119.5畝
為什么我們最先的測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，對無人機載重最有挑戰(zhàn)的就是棉花脫葉劑的噴灑。
一款載重10KG電動的植保無人機噴灑棉花脫葉劑，飛行時間不超過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。地面拖拉機打藥一天最多不超過500畝地，同時拖拉機不精準的作業(yè)，造成大量農(nóng)藥的浪費。一番測試對比下來，無疑讓我們看到了三年來努力成果的意義所在。
四、總結(jié)
幾年前，如果告訴農(nóng)戶要讓一臺拖拉機飛起來工作，或許有點不切實際無人相信。如今植保無人機技術已成熟，在農(nóng)業(yè)機械化的發(fā)展道路上，必將是個革命性的躍進。
常鋒油動多旋翼“天馬-1”（一款會飛的拖拉機）
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