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(lǐng)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(zhǔn)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(dá)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(jìn)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(dāng)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(dāng)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(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(fù)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(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)村勞動力日漸減少

經(jīng)濟(jì)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(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，勞動力越來越少，在未來相當(dāng)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(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。

讓拖拉機從地面飛到天空，像無人機那樣自主精準(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(shè)計上要符合空氣動力學(xué)，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(shè)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(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噴藥。在消費級領(lǐng)域，電動多旋翼無人機異?；鸨?，其通過掛載相機等設(shè)備來做一些特殊應(yīng)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(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(dāng)時Breguet兄弟在法國科學(xué)家CharlesRichet的指導(dǎo)下，設(shè)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(jìn)行控制。但是由于當(dāng)時的技術(shù)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(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(dá)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(jìn)而控制飛行姿態(tài)。

5、設(shè)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(shè)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(shù)是空白的，這就得需要我們自己去摸索。

1）關(guān)于機身的設(shè)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(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，機架結(jié)構(gòu)重量輕，強度高。

機架

這樣設(shè)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(shè)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(shè)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(hù)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(guān)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(yīng)用在油動多旋翼上測試，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(jìn)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(jìn)行技術(shù)合作，讓發(fā)動機的壽命達(dá)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(yīng)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(yīng)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(biāo)正常，下午拉到深圳寶安，各項指標(biāo)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(yīng)環(huán)境、各項指標(biāo)重新回到最佳狀態(tài)下。

發(fā)動機

當(dāng)一款產(chǎn)品對環(huán)境適應(yīng)性差，那么大范圍的應(yīng)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(shù)，將其應(yīng)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(jìn)后發(fā)動機比以前更省油。

3）關(guān)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(dá)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(guān)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(jìn)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(zhǔn)怎么辦？當(dāng)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(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，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(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，客戶在使用油動多旋翼（會飛的拖拉機）時產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)會進(jìn)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(dǎo)致沙塵被吸進(jìn)風(fēng)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(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?fù)踉跒V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(tuán)的棉花打脫葉劑時的測試數(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(zhǔn)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(zhǔn)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(shù)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(jìn)。

常鋒油動多旋翼“天馬-1”（一款會飛的拖拉機）