農(nóng)業(yè)發(fā)展到今天，已經(jīng)是比較成熟完善，不管是我國北方還是南方，基本上都能達(dá)到全機(jī)械化作業(yè)，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率比以往大幅提高。

記得不久前在一個農(nóng)業(yè)展看到一款大型拖拉機(jī)，之所以提到它，是因為其可以做到無人駕駛?cè)ジ?犁地)作業(yè)，其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(jī)更好，不但這樣，它的使用也讓農(nóng)民勞作更加的輕松。

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(jī)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(jī)，收獲有快速收獲的拖拉機(jī)。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(jī)械去作業(yè)。而最突出的一方面就是植保。那么何為植保?植保就是植物保護(hù)的意思。

家在南方的人也許會有這個體會，每到害蟲爆發(fā)的時候每戶都會發(fā)動全家的勞動力去滅蟲，每人背上一個20多公斤的藥筒，下田里打藥，一個人一天打幾十畝地，到晚上累得腰酸背痛。。。

至于北方可能會稍微好一點，尤其在新疆、黑龍江這些規(guī)?；N植的地方，噴灑農(nóng)藥一般用的是拖拉機(jī)，農(nóng)民勞作比較輕松。拖拉機(jī)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(jī)由地面作業(yè)變?yōu)榭罩凶鳂I(yè)，或許。。。

一、為什么要將拖拉機(jī)飛起來?

把笨重的拖拉機(jī)飛起來，這個想法或許很荒誕，但是歷史告訴我們，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(jī);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(jī);我們將拖拉機(jī)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。也許你會好奇到底是什么樣的現(xiàn)狀才讓我們產(chǎn)生這么急切的改變心態(tài)，既如此，不妨一起去一探究竟。

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(jī)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(jī)，其他四個人在田地里拖著皮管噴藥。拖拉機(jī)緩慢往前開，人緩慢往前走，每碰到一顆樹，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

在我們身邊，有許多是來自農(nóng)村的子弟。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，不愿再吃老一輩人吃過的苦。新一代人不愿回農(nóng)村的現(xiàn)象越來越多，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。這種尷尬來自于我們新一代人對老一輩人現(xiàn)狀的不認(rèn)同。

隨著新聞報道中的空心村越來越多，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)程中的主旋律。

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(jī)從地面飛到天空，像無人機(jī)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(jī)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(qiáng)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(jī)飛起來我們所面臨的幾個問題

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?

面對當(dāng)前的這一個個擺在眼前的問題，我們開始搜尋目前有沒有可借鑒的思路。

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(jī)噴藥。在消費級領(lǐng)域，電動多旋翼無人機(jī)異?；鸨?，其通過掛載相機(jī)等設(shè)備來做一些特殊應(yīng)用。

電動無人機(jī)可以被我們用來改造設(shè)計成會飛的拖拉機(jī)嗎?當(dāng)我們明確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)無法突破時，我們放棄了這個想法，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(jī)是一種能夠垂直起降的無人直升機(jī)，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(jī)—“旋翼機(jī)一號”。但是由于當(dāng)時的技術(shù)限制，他們無法實現(xiàn)飛機(jī)的控制。

旋翼機(jī)一號

直到20世紀(jì)50年代，美國陸軍研制的VZ-7，被稱做FlyingJeep，外表看起來像極了簡易版拖拉機(jī)，其有效載荷250KG，靠425馬力渦輪發(fā)動機(jī)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。

FlyingJeep

由此可見，我們讓拖拉機(jī)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(jī)飛起來的思路

受此啟發(fā)，我們進(jìn)行了深入的技術(shù)調(diào)研。經(jīng)多方分析，鑒于突破鋰電池的瓶頸還需時日，我們只采用電動多旋翼多軸的布局方式，采用發(fā)動機(jī)來提供動力，通過飛控控制發(fā)動機(jī)油門的大小來控制轉(zhuǎn)速進(jìn)而控制飛行姿態(tài)。這樣我們逐漸形成了讓拖拉機(jī)飛起來的研發(fā)思路。

5、設(shè)計油動直驅(qū)多旋翼——會飛的拖拉機(jī)

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(jī)。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。我們往往是剛填完一個坑，又出現(xiàn)一個更大的坑，就這樣慢慢的我們硬是把技術(shù)空白越填越少，核心技術(shù)專利越來越多。我們工程師每每設(shè)計出一個新的部件，都需要通過不斷的測試來驗證和改進(jìn)，有時這種測試甚至多達(dá)上千上萬，細(xì)節(jié)決定成敗，我們不敢有絲毫松懈。

1)關(guān)于機(jī)身的設(shè)計

機(jī)身主要由機(jī)架和起落架部分構(gòu)成。

機(jī)架是整個飛機(jī)的骨架，用于支撐、安裝無人機(jī)的各個組件。我們機(jī)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(jī)架結(jié)構(gòu)重量輕，強(qiáng)度高。

機(jī)架

這樣設(shè)計的因素有很多。一方面，要考慮機(jī)架質(zhì)量要輕;另一方面，要考慮機(jī)架的整體剛度要大。

我們最開始設(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(jī)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)效率等等。因此，經(jīng)后期多方測試，我們才確定更換為質(zhì)量更輕、剛度更大的炭纖維材料。

起落架的設(shè)計我們改進(jìn)了10多次，每一次的改進(jìn)都是建立在一次次的炸機(jī)測試基礎(chǔ)上，現(xiàn)在想起來都心疼。但我們?yōu)槭裁匆@么做呢?因為起落架不僅用以支撐整個機(jī)體，還要在飛機(jī)著陸時消耗和吸收飛機(jī)與地面產(chǎn)生的沖擊，保護(hù)機(jī)體結(jié)構(gòu)不受損壞。因此，起落架的設(shè)計也必須要慎之又慎的。

有次炸機(jī)測試我至今記憶猶新：當(dāng)時一開始我們把起落架設(shè)計得非常結(jié)實，在做炸機(jī)測試時，因為起落架形變量不大，但由于缺少緩沖，機(jī)臂慣性力大，當(dāng)場是直接斷了兩個機(jī)臂，這一下子維修成本就超過2000元，我們自己都覺得肉疼，就別說以后我們的用戶了，這樣的結(jié)果肯定不是我們想要的。我們給自己定的目標(biāo)是，在5米的作業(yè)高度掉下來，維修成本最高不能超過1500元。一次次的炸機(jī)測試，伴隨的是一次次的改進(jìn)。起落架每一個細(xì)小的改變都在幫用戶降低維修成本，降200、155、123、89、45、32、24、11....最后最終降到了1500元以內(nèi)。

最終我們采用的是滑撬式結(jié)構(gòu)，采用高性能氮氣彈簧減震，有最佳的緩沖角度，讓我們的拖拉機(jī)變得非常皮實。

起落架

2)關(guān)于發(fā)動機(jī)

油動多旋翼，其心臟便是發(fā)動機(jī)。我們初期采用國產(chǎn)的發(fā)動機(jī)，把國內(nèi)相對來說不錯的幾家發(fā)動機(jī)應(yīng)用在我們的油動多旋翼上測試，結(jié)果可想而知，達(dá)不到我們要求的標(biāo)準(zhǔn)，只能自己去做改進(jìn)設(shè)計。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(jī)架上。

我國的制造業(yè)一直是一道硬傷。你也許聽說過，國內(nèi)航模發(fā)動機(jī)壽命是硬傷，國產(chǎn)發(fā)動機(jī)的壽命是200~300小時，我們改進(jìn)后的發(fā)動機(jī)經(jīng)測試也是200~300小時。面對這個結(jié)果，我們最終決定采用國外的發(fā)動機(jī)，和國外的發(fā)動機(jī)廠家進(jìn)行技術(shù)合作，讓發(fā)動機(jī)的壽命達(dá)到了1000小時以上。

當(dāng)我們解決了發(fā)動機(jī)壽命的問題后，面臨的另一個問題是這款油動多旋翼對環(huán)境的適應(yīng)性差。我們目前的航模發(fā)動機(jī)都帶有化油器，常見的是機(jī)械式的，其存在一個問題是對環(huán)境的適應(yīng)性很差。舉個例子，今天上午我們在深圳龍崗區(qū)測試飛行各項指標(biāo)還好好的，下午拉到深圳寶安飛，結(jié)果各項指標(biāo)變得不一樣了。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(jī)的高低速油針，調(diào)到能夠適應(yīng)深圳寶安區(qū)環(huán)境，各項指標(biāo)重新回到最佳狀態(tài)下。

發(fā)動機(jī)

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?我們觀察到摩托車不管你往哪騎都好使，其原因是把化油器改為了電噴。于是我們將電噴這個技術(shù)引用到了我們多旋翼發(fā)動機(jī)上，成功地解決了發(fā)動機(jī)對環(huán)境適應(yīng)性差的問題，而且最終測試后發(fā)現(xiàn)這樣改進(jìn)后發(fā)動機(jī)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(jī)是沒有電啟動的，需要靠手去撥槳來啟動發(fā)動機(jī)。這在固定翼上來說勉強(qiáng)可以，但是在油動多旋翼上卻是非常危險且累人。

我們在開發(fā)電啟動工程中，從啟動電機(jī)的選擇到齒輪的加工，每一個環(huán)節(jié)都要求得很苛刻：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。光是達(dá)到這個啟動壽命1萬次以上，我們前前后后換了十幾家加工廠，最終才找到了生產(chǎn)加工工藝和質(zhì)量都符合我們要求的廠。

4)關(guān)于飛控

如果說發(fā)動機(jī)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(jī)(會飛的拖拉機(jī))，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(jī)相比下，采用發(fā)動機(jī)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。經(jīng)過3年的大量的實驗累計，我們的濾波算法已具有非常核心的競爭力。

一切功能的延伸都要建立在穩(wěn)定的基礎(chǔ)之上。當(dāng)我們把這個油動多旋翼(會飛的拖拉機(jī))的穩(wěn)定性解決得非常好的同時，我們也開發(fā)出了滿足農(nóng)業(yè)植保需求的功能。

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，這個過程是充滿了智慧的過程，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)，跟文章一開始提到的無人耕地拖拉機(jī)一樣，作業(yè)精度達(dá)到5CM以內(nèi)。當(dāng)所有的功能都實現(xiàn)后，我們還要做到讓農(nóng)民好用，一下子能上手。于是我們又多了個一鍵起飛、全自主作業(yè)功能，讓我們的這款油動多旋翼(會飛的拖拉機(jī))更具智慧。

5)關(guān)于云智能管理

近一年，大家都在說大數(shù)據(jù)、云管理。我們恰好也規(guī)劃了大數(shù)據(jù)以及云智能管理。我們會將客戶在使用我們油動多旋翼(會飛的拖拉機(jī))時產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行云儲存，通過對大數(shù)據(jù)的分析，后期為用戶提供更好的生產(chǎn)解決方案。

三、拖拉機(jī)飛起來后植保效果如何?

當(dāng)我們歷經(jīng)3年的時間將這一款會飛的拖拉機(jī)研發(fā)完成后，終于在2016年6月在新疆石河子農(nóng)八師做實戰(zhàn)演練。

當(dāng)我們的飛機(jī)載著40KG的藥起飛的一剎那，現(xiàn)場我們在一起的小伙伴都熱淚盈眶了。這三年沒日沒夜的研發(fā)終于有了結(jié)果，它就好像我們自己親手養(yǎng)大的孩子，終于可以在這廣闊的土地證明自己當(dāng)時的異想天開是可行的。

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，其中有一些是我們完全沒有預(yù)料到的。什么樣的bug呢?一個是由于新疆氣候干旱，沙塵較大，我們的飛機(jī)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(jī)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在這兒出過問題，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(qiáng)防塵性能測試

下面是我們在新疆用無人機(jī)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

●平均單次噴灑畝數(shù)：24.6畝

●實際一天(8小時)噴灑棉花脫葉劑：700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(jī)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(jī)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(jī)打藥一天最多不超過500畝地，同時拖拉機(jī)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，無疑讓我們看到了我們?nèi)陙砼Τ晒囊饬x所在。

除了上述的一個小bug，面對這樣的一個超過我們預(yù)期的測試結(jié)果，我們都非常的興奮,我們將原打算2017年3月1日舉行的產(chǎn)品發(fā)布會提前到了2016年12月8日，我們迫切期望讓大家都知道出現(xiàn)了這么一款皮實的會飛的能打藥的拖拉機(jī)，迫切地希望它能早日給大家?guī)ケ憷?/span>

四、總結(jié)

由最初的讓拖拉機(jī)在空中植保作業(yè)的腦洞大開，到一步步地去探索實現(xiàn)，我們最終用三年的時間做出一款大載重長航時滿足植保作業(yè)需求的油動直驅(qū)多旋翼，這是一款會飛的拖拉機(jī)。

常鋒油動多旋翼“天馬-1”(一款會飛的拖拉機(jī))

如何讓拖拉機(jī)飛起來去做植保?這個問題也許在三年前覺得難于登天，現(xiàn)在，作為直接用戶的農(nóng)戶也許依然對油動多旋翼這個專業(yè)名稱不了解、記不住;但是，農(nóng)戶一定能記住常鋒“天馬-1”是一款會飛的拖拉機(jī)，因為這是一款他們內(nèi)心真正想要的皮實的拖拉機(jī)。