基于秸秆焚烧的预警无人机造型设计

刘雨豪 ， 那 彤

（燕京理工学院，河北 廊坊 065201）

1 华北地区农业秸秆的特点

华北平原是我国小麦、玉米、棉花的集中产区。以河北省为例，河北盛产的农作物主要有玉米、小麦等，因其种植范围广，会产生大量作物秸秆。秸秆，即作物在收获籽实后的剩余部分。冬小麦一般在9月中下旬至10月上旬播种，经过拔节、抽穗等生长环节到翌年5月底至6月中下旬成熟。每年的5—6月为夏收时节，小麦秸秆会在此时段产生，小麦收割完成后，便开展玉米轮作种植。待到玉米收获的9—10月，玉米秸秆也随之产生。资料显示，秸秆产量近10年来稳定在8亿吨/年左右，因此，如何安全快速地对秸秆进行处理，成为农业生产新的聚焦点。

2 秸秆废弃物处理方式

2.1 秸秆焚烧

农作物秸秆具有量大面广、性质复杂的特性[1]。秸秆作为生物质农业废弃物，其主要特点是集中在农田中，是作物的茎叶部分，同时具有植物纤维。由于收割或采摘后快速干枯，具有较高的可燃性，且草木灰中的成分对土地有一定的养分，因此，焚烧成为快速处理秸秆的最有效方式。传统农业废弃物处理方式及存在的问题如表1所示。

表1 传统农业废弃物处理方式及存在的问题

以往传统农业小农经济自给自足的生产方式，形成了一定的农业废弃物处理方式，秸秆除了在农田焚烧外，还可作为家庭烧火做饭取暖的燃料[2]。但随着我国农村基础设施特别是生产性配套设施的不断完善，村村通路、通电、通气，居民生活品质得到了极大提高，不再需要大量地燃烧秸秆取暖烧饭，秸秆焚烧现象又逐渐增多，秸秆废弃物的处理方式又成为新的问题。

2.2 秸秆废弃物的利用方向

以京津冀地区为例，夏秋时节雾霾天气多发，一部分可以归结为由燃烧秸秆引发的大气污染，助推了雾霾天气的发生。由于农田广袤，秸秆的焚烧行为同时也造成了火灾隐患。秸秆焚烧还会造成巨大的能源浪费，我国每年因无法利用而被焚烧或废弃的秸秆超过总量的50%[3]。目前，我国农业废弃物的主要发展方向分为肥料化利用、饲料化利用、材料化利用三大方向，其中大范围的方向可将秸秆作为建筑材料、工业品原料和生产清洁能源原料，而小范围对农业废弃物的再利用有利于当地人们生产、生活，如将秸秆制成隔热材料或用作种植真菌的培养基等，也成为农业废弃物利用的新方向。但是，秸秆产生也有其特性，在两轮耕作期间，茬口期较短，间隔仅为十几天，需要快速对秸秆进行处理，以便将土地用作下一轮种植[4]。因此，如何监测秸秆范围，组织快速收集，预防秸秆焚烧形成火灾险情，显得尤为重要。

3 无人机技术在农业应用中的优势

3.1 小巧灵活，飞行方式适于农业生产

固定翼飞机主要应用于农田信息采集和农田遥感，具有载量大、飞行速度快、作业效率高等特点，应用于农业生产有以下优点：一是大面积的农田不利于穿行，而空中区域没有任何阻碍；二是空中视野极好，便于监测作物长势；三是播种或喷洒农药时，飞机能够大面积快速作业，节省了劳动时间。但是这种飞机作业也有缺点，需要在农田附近提供机场，也需要专业的飞机驾驶员等。无人机的出现正好弥补了这些不足，机身小巧、随时起飞，操作性能上以多旋翼为代表的小型无人机有更好的操作性，比农用飞机更加灵活。同时，无人机在飞行上还可以针对性地做出悬停、环绕飞行等智能飞行动作，可更好地满足农业生产需要[5]。

3.2 远程控制，无需较高操作技巧

无人机使用无线电传输技术，将控制信号以电磁波形式传入飞机进行控制，同时以图像的形式给飞手展示空中景象，且可以通过飞机多角度观察。农村地区因没有障碍物遮挡或其他信号干扰，使用无人机有着极大的优势。在飞行监测同时，无人机还可以实时观测数据，通过基站网络，实时传递给相关人员，对田地情况进行准确判断。无人机更可根据卫星定位，对需要扫描区域的路线进行自动规划，完成后自动返航，极大地降低了使用者的使用门槛[6]。

3.3 多功能组合，可根据需求进行配置

无人机作为一种智能设备，如今已广泛应用于各种场景，其因小巧灵活的造型和强劲的通过性，成为多种行业的重要工具。因无人机集合了飞行技术、遥控技术、通信技术、定位技术等多种手段，也渐渐地从单一的集成设备转换成了适应各场景的载具平台。仅农业领域，无人机就有播种、打药、作物生长监测等多种用途[7]。此外，无人机还发展出了“一机多用”“多机并用”的使用模式，更好地发挥了无人机的智能特性。

4 基于秸秆焚烧监测的无人机设计

综上所述，对于如何快速对农业废弃物的数量及种类进行监测，拟采用无人机技术利用图像和气味源的侦测与定位，对秸秆焚烧进行防范。确定位置及数量，判断种类，同时做好防火防灾预警，及时制止焚烧行为，保障农村生活品质，助力美丽乡村建设。

4.1 无人机造型设计

通过调研分析，了解需求，结合技术手段，对方案进行推演，确定了产品基础造型。无人机外观涂装如图1所示，无人机结构分布如图2所示。

图1 无人机外观涂装

图2 无人机结构分布

农用无人机目前多用于针对作物病虫害的农药喷洒，因其要携带大量农药药液，需保证较大的起飞重量，同时其工作范围普遍超过40 hm2，因此，农药喷洒无人机直径多为1 m～2 m，结构6～8旋翼，来保证其工作中的稳定性。相比较于农用喷洒无人机的较大体积，基于秸秆燃烧监测的无人机在设计上没有较大、较重的部件，因此，灵活性和机动性成为主要的设计因素。基于此，采用六旋翼的小型无人机机身设计，其大小尺寸在0.6 m内，便于工作人员控制、携带与采集信息。

在造型方面，在产品侦测模块上进行了切割，形成了两个把手，便于更换快速拆卸，这样一来便节省了很多内部空间。并在中心区域采用了顶部与底部卡扣设计，使两端紧紧把电池设备箱固定在无人机上。对底部摄像设备以及探头设置了转轴，使观察侦测的图像能够旋转，可以进行360°全方位的田间观测。

无人机架的上下侧板全部采用了镂空型设计，在尽可能保证自身刚性结构和机械强度设计的基础上，同时又尽可能有效地减轻重量，起落架采用了外右倾75°角的八字形设计，以尽量增加机架和下方地面的有效载重和空间。无人机的分布为前方监测器、中部电池机及电控设备、后部气味探测的相关结构，整个设备排布呈直线形式，较好地保证了飞行时的平衡。以此为中心，两侧各分布了3只旋翼支架，搭载高转速无刷电机，为无人机的飞行提供动力。对称布局能够防止飞机在飞行中因两侧受力不同产生的翻覆。六旋翼能提供较大的升力，在飞行中也更加稳定，因图像侦测需要，飞行稳定性会对成像效果和数据分析产生较大影响。无人机图像采集设备如图3所示，无人机底部探头如图4所示。

图3 无人机图像采集设备

图4 无人机底部探头

4.2 秸秆焚烧监测功能实现

秸秆焚烧监测的无人机的主要功能是由搭载在无人机上的各个传感器来实现的。首先无人机下方的探测器能够灵活地对飞机下部区域进行航拍观测，经过无人机微型主机计算后，通过颜色光谱识别农田中的秸秆数量并标记和统计，通过对作物种类判断和收割完成后地面剩余梗、叶的面积来统计秸秆范围[8-9]。此外在无人机背部还具有烟雾监测装置，检测到秸秆焚烧烟雾能够立即向飞手反馈并报警[10]，同时机身还搭载了实时传输技术，可以将信息汇总于统计中心，对作物废弃物进行统一规划和集中处理。此外，无人机还搭载了热传感器，可以捕捉农田中的热力图，侦测农田中的火灾隐患，及时发现违法的秸秆焚烧活动。

5 结语

本研究以河北地区为样本，通过对农业秸秆废弃物的产生方式及处理方式进行调研，将无人机作为载体，形成集秸秆探测及火灾预防功能的农业秸秆焚烧监测无人机造型设计方案。本研究致力于提升农业生产环境保护的力度，更好地促成农业生产生态的良性循环，以推进农村人居环境整治，助力美丽乡村建设。