農(nóng)用植保無人機(jī)的研究現(xiàn)狀及趨勢(shì)

婁尚易，薛新宇，顧 偉，崔龍飛，周晴晴，王 昕

(農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，南京 210014)

農(nóng)用植保無人機(jī)的研究現(xiàn)狀及趨勢(shì)

婁尚易，薛新宇，顧 偉，崔龍飛，周晴晴，王 昕

(農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，南京 210014)

病蟲害是制約作物良好生長(zhǎng)、糧食安全生產(chǎn)的重要因素之一。然而，在當(dāng)前尚缺乏有效預(yù)警手段和物理防治方法的情況下，化學(xué)藥劑防治仍然是防治病蟲害的主要手段。為此，介紹了植保無人機(jī)相比傳統(tǒng)地面施藥的優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)，對(duì)國(guó)內(nèi)外植保無人機(jī)的發(fā)展研究概況進(jìn)行了梳理和總結(jié)，通過與發(fā)達(dá)國(guó)家精準(zhǔn)施藥技術(shù)的比較，分析了我國(guó)在施藥關(guān)鍵技術(shù)和施藥配套裝備與技術(shù)方面的不足，并簡(jiǎn)要介紹了無人機(jī)振動(dòng)源的研究現(xiàn)狀，闡述了植保無人機(jī)未來的研究發(fā)展趨勢(shì)，為后續(xù)的研究工作提供鋪墊。同時(shí)，指出了無人機(jī)低空施藥技術(shù)將會(huì)大幅提高病蟲害防治效率，促進(jìn)我國(guó)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展。

植保無人機(jī)；施藥技術(shù)；振動(dòng)；智能化；噴桿

0 引言

對(duì)中國(guó)而言，糧食安全是保障經(jīng)濟(jì)安全、國(guó)家安全的基礎(chǔ)。在作物生長(zhǎng)過程中，防治病蟲害是保證作物良好生長(zhǎng)、促進(jìn)糧食增產(chǎn)增收的關(guān)鍵手段，直接影響糧食食品安全[1]。目前，我國(guó)受農(nóng)藥污染的耕地面積高達(dá)1 300萬～1 600萬hm2[2]。在植保領(lǐng)域加快推進(jìn)施藥裝備的機(jī)械化水平與提高施藥技術(shù)，加強(qiáng)對(duì)病蟲害的防治能力，是保障糧食安全、促進(jìn)農(nóng)業(yè)穩(wěn)定增產(chǎn)的必然要求。精準(zhǔn)施藥技術(shù)是降低農(nóng)藥殘留的有效手段[3]。地面噴霧機(jī)具可以精準(zhǔn)地控制農(nóng)藥噴施量，但對(duì)于水稻、油菜、甘蔗、玉米等作物，地面噴霧機(jī)具進(jìn)地作業(yè)困難，所以針對(duì)以上作物的病蟲草害防治依然是影響我國(guó)農(nóng)作物生產(chǎn)的不可忽視的難題。農(nóng)用植保無人機(jī)就是利用無人機(jī)搭載噴藥裝置，并通過控制系統(tǒng)和傳感器進(jìn)行操控，從而對(duì)作物進(jìn)行定量精準(zhǔn)噴藥，克服了人工作業(yè)效率低、地面噴霧機(jī)具進(jìn)地作業(yè)的難題。隨著無人機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，植保無人機(jī)已成為防治病蟲害的主要手段，其發(fā)展前景受到農(nóng)業(yè)植保領(lǐng)域的高度重視。

1 農(nóng)用植保無人機(jī)的特點(diǎn)

1)噴灑效果好。植保無人機(jī)施藥方式為低空、超低空作業(yè)，機(jī)具利用精確的導(dǎo)航系統(tǒng)調(diào)節(jié)與農(nóng)作物的距離，通過霧化器改善霧滴的霧化均勻性，使噴出的藥液均勻地附著在作物的表面，有效減少重噴和漏噴的現(xiàn)象[4]。

2)無人駕駛。無人機(jī)的作業(yè)過程直接由飛控人員通過遠(yuǎn)距離遙控實(shí)現(xiàn)，不需要專業(yè)飛行員操作，既降低了作業(yè)成本，又避免了人員與農(nóng)藥的直接接觸，有效減少了農(nóng)藥帶給施藥人員的化學(xué)成分的傷害[4]。

3)噴霧效率高。以我國(guó)天鷹-3 小型農(nóng)用無人直升機(jī)為例，作業(yè)效率 7～10hm2/h，是普通噴灑機(jī)械的 3～4 倍[4]，是傳統(tǒng)人工噴藥的60倍以上。無人機(jī)施藥能夠在大規(guī)模病蟲草害突發(fā)情況下迅速并有效開展防治工作，最大程度降低病蟲害造成的損失。

4)適用性好。植保無人機(jī)可垂直起降，不受地形的限制，可解決地面機(jī)具難以進(jìn)入山地、水田、沼澤等地作業(yè)的難題。同時(shí)，不受作物長(zhǎng)勢(shì)的限制，對(duì)于山地、水田、沼澤都可以利用無人機(jī)來進(jìn)行病蟲害防治，均具有良好的適應(yīng)性。

5)省藥、省水、減少污染。無人機(jī)施藥提高藥物利用率，有效降低農(nóng)藥殘留、土壤污染和水源短缺等問題。

6)操控人員安全系數(shù)高。操控飛機(jī)飛行的人員通過無線遠(yuǎn)距離控制系統(tǒng)，實(shí)時(shí)發(fā)出指令對(duì)無人機(jī)的動(dòng)作進(jìn)行控制，同時(shí)通過安裝在植保無人機(jī)的自主導(dǎo)航裝置實(shí)現(xiàn)無人機(jī)的自動(dòng)施藥過程[5]。

7)作物損傷小。不會(huì)像大型地面施藥器械碾壓作物致其損傷，不破壞土壤物理結(jié)構(gòu)，不影響作物后期生長(zhǎng)。

2 農(nóng)用植保無人機(jī)應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 國(guó)外植保無人機(jī)發(fā)展概況

從世界范圍來看，美國(guó)、日本的植保無人機(jī)技術(shù)較發(fā)達(dá)，處于世界領(lǐng)先水平。除此之外，還有澳大利亞、加拿大、俄羅斯、巴西、韓國(guó)等國(guó)家。這些國(guó)家無論是在機(jī)械設(shè)備，藥劑及智能化設(shè)備的研發(fā)上，還是在先進(jìn)的植保技術(shù)方面，都給我國(guó)提供了大量的可借鑒經(jīng)驗(yàn)。

日本是無人機(jī)飛防最成熟的國(guó)家，從 20 世紀(jì) 90 年代起，日本在大田作物、果樹和蔬菜的病蟲害防治上開始應(yīng)用無人直升機(jī)，且小型地面噴霧機(jī)具和單旋翼植保無人機(jī)的使用度較高。近年來，農(nóng)用植保無人駕駛低空作業(yè)直升飛機(jī)因其單位面積施藥液量小、作業(yè)效率高和農(nóng)藥飄移少等優(yōu)點(diǎn)在日本發(fā)展迅猛。據(jù)統(tǒng)計(jì)，日本應(yīng)用無人直升機(jī)進(jìn)行病蟲害防治的水稻種植總面積占有45%，無人機(jī)的應(yīng)用度較高。與此同時(shí)，飛行人才的培養(yǎng)在日本得到高度重視，目前在日本已經(jīng)拿到飛行執(zhí)照的操控人員的人數(shù)將近15 000人。因此，應(yīng)用無人機(jī)對(duì)大田作物進(jìn)行病蟲害防治與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)已經(jīng)成為日本農(nóng)業(yè)發(fā)展的重中之重與必然需要。目前，日本應(yīng)用于農(nóng)林業(yè)病蟲害防治的植保無人機(jī)以YAMAHARMAX系列為主，雅馬哈植保無人機(jī)經(jīng)過近 30 年的技術(shù)發(fā)展，已經(jīng)成為全球行業(yè)的領(lǐng)軍企業(yè)。

美國(guó)是世界上農(nóng)業(yè)航空技術(shù)最先進(jìn)、應(yīng)用最廣泛的國(guó)家，其航空植保經(jīng)歷了從有人駕駛直升機(jī)向無人機(jī)發(fā)展的過程。目前，美國(guó)在農(nóng)業(yè)航空技術(shù)方面的研究熱點(diǎn)主要是圖像實(shí)時(shí)處理系統(tǒng)、變量噴灑系統(tǒng)及多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)。圖像實(shí)時(shí)處理的最終目標(biāo)是通過建立圖像處理軟件系統(tǒng)，快速分析在空中采集的圖像數(shù)據(jù)并立即進(jìn)行變量噴灑[6]。變量噴灑系統(tǒng)使得農(nóng)藥的利用更加合理有效，達(dá)到節(jié)能環(huán)保的目的。多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)的最終目的是降低傳感器間存在的不確定性，使得對(duì)系統(tǒng)的描述更加完整、統(tǒng)一，從而提高遙感系統(tǒng)遠(yuǎn)距離規(guī)劃、控制、反應(yīng)的準(zhǔn)確性與快速性，降低決策風(fēng)險(xiǎn)[6]。美國(guó) GT-MAX 型農(nóng)用植保無人機(jī)，其飛行控制結(jié)構(gòu)采用內(nèi)外回路結(jié)構(gòu)，飛行控制系統(tǒng)采用三軸慣性加速度計(jì)、航向磁力計(jì)、聲納和雷達(dá)高度計(jì)及DGPS多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)[7]。

美國(guó)科研機(jī)構(gòu)在農(nóng)用無人機(jī)航空霧滴飄移方面的研究展開得較早并取得了先進(jìn)的成果，近幾年用于官方監(jiān)管農(nóng)業(yè)航空噴霧施藥相關(guān)事宜的AGDISP航空飄移預(yù)測(cè)模型正在不斷地被完善。Teske和 Thistle 等針對(duì) AGDISP 模型運(yùn)用靜態(tài)高斯模型法、高斯云團(tuán)模型和物理角度分析飛機(jī)尾流、大氣湍流相互作用、N-S 方程求解 3 種方法，對(duì)AGDISP 模型預(yù)測(cè)范圍小的問題展開了研究，將該模型有效準(zhǔn)確預(yù)測(cè)范圍擴(kuò)至 20 km。還有其他國(guó)家的科研人員基于AGDISP做出的相關(guān)研究：新西蘭 Praat 等綜合考慮了噴霧機(jī)自身因素與作物冠層特性的因素，展開了一系列關(guān)于霧滴飄移問題的研究；澳大利亞 Hewitt 等通過實(shí)時(shí)風(fēng)速的測(cè)定，在航空飄移模型中應(yīng)用了地理信息系統(tǒng)的相關(guān)內(nèi)容，從而達(dá)到噴施策略優(yōu)化的目的，以降低農(nóng)藥飄移的程度，減少農(nóng)藥的損失率[8]；德國(guó) Kaul 等也針對(duì)一些具體作物展開田間試驗(yàn)，進(jìn)行了霧滴沉積、飄移的研究，取得了成果并得出了一定的結(jié)論[9]。

俄羅斯同美國(guó)的作業(yè)機(jī)型相似，以有人駕駛固定翼飛機(jī)為主，其作業(yè)隊(duì)伍龐大，擁有數(shù)量高達(dá)1.1萬架的農(nóng)用飛機(jī)作業(yè)隊(duì)伍。在澳大利亞、加拿大、巴西等國(guó)家，則是以有人駕駛的固定翼飛機(jī)和旋翼直升機(jī)為主。韓國(guó)因戶均耕地面積較小，越來越多的農(nóng)戶選用微小型無人機(jī)。

2.2 國(guó)內(nèi)植保無人機(jī)發(fā)展概況

早在20世紀(jì)50年代后期，我國(guó)就開始對(duì)無人機(jī)進(jìn)行了研究；從60年代中后期開始，逐漸展開了對(duì)無人機(jī)的研制工作。前期在國(guó)家投入研制經(jīng)費(fèi)的情況下，首先在軍事領(lǐng)域進(jìn)行了無人機(jī)的研究，在取得了一定技術(shù)成果的基礎(chǔ)上，無人機(jī)的研究開始涉足農(nóng)業(yè)領(lǐng)域[4,10]。雖然我國(guó)的農(nóng)用無人機(jī)技術(shù)起步較晚，但隨著科技力量的不斷投入，近年來我國(guó)農(nóng)用植保無人機(jī)的研究也步入了新的發(fā)展階段，機(jī)型越來越多，應(yīng)用范圍越來越廣，技術(shù)研究越來越深入，推廣速度也越來越快。

目前國(guó)內(nèi)無人機(jī)企業(yè)已近400家，從事植保無人機(jī)研發(fā)與生產(chǎn)的企業(yè)也越來越多并呈快速增長(zhǎng)趨勢(shì)，主要以單旋翼無人機(jī)和多旋翼無人機(jī)為主。

1)單旋翼無人機(jī)。無錫漢和航空技術(shù)有限公司研發(fā)生產(chǎn)的漢和CD-15植保無人機(jī)，如圖1所示。該機(jī)載藥量可達(dá)15kg，噴灑速度為3.6m/s，噴灑時(shí)間為12～15min，噴灑效率0.13hm2/min，每天可連續(xù)作業(yè)26.7～40hm2。其采用極簡(jiǎn)無副翼設(shè)計(jì)和翹尾設(shè)計(jì)，集成各種傳感器及噴灑軌跡顯示與信息化管理系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)懸停。另外，還有蘇州綠農(nóng)航空植?？萍加邢薰旧a(chǎn)的帶有全地形降落支架以防撞防摔的綠農(nóng)農(nóng)鷹4DE1000植保無人機(jī)，深圳高科新農(nóng)技術(shù)有限公司的高科新農(nóng)德美特-H360單旋翼電動(dòng)農(nóng)用無人機(jī)，深圳天鷹兄弟無人機(jī)科技創(chuàng)新有限公司推廣的天鷹TY-777植保無人機(jī)，安陽全豐航空植保科技有限公司研發(fā)、生產(chǎn)與推廣的全豐3WQF125-16智能懸浮植保機(jī)等。

圖1 漢和CD-15植保無人機(jī)Fig.1 Han He CD-15 plant protection unmanned aerial vehicle

2)多旋翼無人機(jī)。廣州極飛電子科技有限公司研發(fā)生產(chǎn)的極飛農(nóng)業(yè)P20植保無人機(jī)，如圖2所示。該機(jī)載藥容積達(dá)5～8L，最高作業(yè)速度6m/s，作業(yè)效率為單次起降1.3hm2，載藥可持續(xù)飛行25min。該機(jī)搭載有極飛科技自主研發(fā)的農(nóng)業(yè)無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)，采用A2智能手持終端，能根據(jù)實(shí)際載藥量和電量規(guī)劃航線，利用RTK定位系統(tǒng)，使無人機(jī)實(shí)現(xiàn)厘米級(jí)高精度航線飛行，其智能氣象站為飛行規(guī)劃提供實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的氣象信息，實(shí)現(xiàn)了智能、精準(zhǔn)、高效、節(jié)能的植保作業(yè)方式。另外，還有北方天途航空技術(shù)發(fā)展有限公司制造的植保六旋翼無人機(jī)、植保八旋翼無人機(jī)，安陽全豐航空植?？萍加邢薰狙邪l(fā)、生產(chǎn)與推廣的全豐3WQFDX-10植保無人機(jī)、全豐S1100-6KG多旋翼植保無人機(jī)，蘇州綠農(nóng)航空植保科技有限公司生產(chǎn)的綠農(nóng)農(nóng)鷹8DE2000植保無人機(jī)，珠海羽人飛行器有限公司自主研發(fā)的谷上飛?3WDM8-20大載荷植保無人機(jī)等。

圖2 極飛農(nóng)業(yè)P20植保無人機(jī)Fig.2 Ji Fei P20 agricultural plant protection unmanned aerial vehicle

3 農(nóng)用植保無人機(jī)施藥技術(shù)研究現(xiàn)狀

3.1 我國(guó)植保無人機(jī)施藥關(guān)鍵技術(shù)

近年來，我國(guó)在無人機(jī)的施藥關(guān)鍵技術(shù)上，尤其是在無人機(jī)航空噴灑系統(tǒng)、低空低量噴灑、遠(yuǎn)程控制施藥及低空變量噴藥系統(tǒng)等技術(shù)上展開了相關(guān)研究。范慶妮等設(shè)計(jì)了離心霧化、液力霧化系統(tǒng)這兩套應(yīng)用于小型無人直升機(jī)的農(nóng)藥霧化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了小型無人機(jī)的低空、低量噴灑[11]。茹煜等基于德國(guó) VARIO 公司生產(chǎn)的多用途無人機(jī)，設(shè)計(jì)了遠(yuǎn)程控制低量噴霧系統(tǒng)，并對(duì)影響離心霧化噴霧效果的主要因素進(jìn)行理論研究和性能試驗(yàn)[12]。王玲等設(shè)計(jì)了由地面測(cè)控單元和機(jī)載噴施系統(tǒng)兩部分組成的變量噴灑系統(tǒng)，機(jī)載噴施系統(tǒng)以ARM Cortex-M3系列的STM32F103VC微處理器為核心，接收地面控制信號(hào)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)電動(dòng)隔膜泵電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，以改變系統(tǒng)噴霧壓力和噴藥量，實(shí)現(xiàn)變量噴霧調(diào)節(jié)[13]。

在農(nóng)業(yè)病蟲害防治中，無人機(jī)的飛行高度、噴霧方式、施藥濃度等作業(yè)參數(shù)對(duì)霧滴飄移、霧滴沉積和霧滴分布均勻性的影響程度較大。董玉軒等研究了霧滴密度、噴霧方式對(duì)48%毒死蜱乳油防治褐飛虱效果的影響，試驗(yàn)表明：相同有效劑量條件下，側(cè)向噴霧的防效高于壓頂噴霧，采用側(cè)向噴霧方式時(shí)，水稻基部較易獲得高密度霧滴，藥劑在低有效劑量條件下即可取得預(yù)期防治效果[14]。薛新宇等為了說明噴灑藥械N-3型無人直升機(jī)(N-3 UAV)在玉米生長(zhǎng)后期霧沉積效果及應(yīng)用前景, 研究了噴灑參數(shù)對(duì)玉米冠層霧滴沉積分布的影響。研究表明：作業(yè)高度為 7m 時(shí)，霧滴在目標(biāo)上的總沉積量比作業(yè)高度為5m和9m時(shí)的沉積量大, 霧滴沉積量的離散程度最小, 霧滴在玉米上部和穗部的沉積量高于頂部和下部的沉積量；在同一作業(yè)高度下(7m)，橫向?qū)挿鶠?m時(shí)，多噴幅霧滴沉積百分比的極差為26.3%，變異系數(shù)為25%，霧滴分布均勻性最好[15]。楊帥等使用八旋翼無人機(jī)施用6%戊唑醇ULV防治小麥成熟期白粉病，研究了飛行高度對(duì)小麥冠層不同高度葉片霧滴沉積密度和防治的影響。研究表明：飛行高度為0.5m時(shí)，葉片上的霧滴沉積密度最大，且該高度處理防治效果最佳；但隨著飛行高度的增加，葉片相應(yīng)部位的霧滴沉積密度與防治效果均呈下降趨勢(shì)[16]。

3.2 我國(guó)植保無人機(jī)施藥配套裝備與技術(shù)

在無人機(jī)施藥配套裝備與技術(shù)的研究上，我國(guó)的專家學(xué)者也取得了一系列顯著成果。目前，針對(duì)無人機(jī)的低空、低量、均勻噴施及高功效的噴灑要求，我國(guó)的許多學(xué)者對(duì)無人機(jī)的噴嘴進(jìn)行了設(shè)計(jì)、試驗(yàn)與改進(jìn)。周立新等利用專用試驗(yàn)臺(tái)對(duì)電動(dòng)離心噴頭進(jìn)行了性能試驗(yàn)，結(jié)果表明：霧化盤的轉(zhuǎn)速、噴嘴流量和噴霧高度對(duì)霧滴體積中徑和噴幅影響較大，而對(duì)霧滴分布均勻影響不大[17]。茹煜等對(duì)旋轉(zhuǎn)液力霧化噴頭進(jìn)行了性能試驗(yàn)研究，結(jié)果表明：隨著電機(jī)電壓增加，霧滴粒徑變小，霧化效果好，隨著電極電壓增加，噴霧角度變大，幅寬明顯增加，霧滴沉積量在噴幅范圍內(nèi)呈現(xiàn)正態(tài)分布[18]。周宏平等對(duì)應(yīng)用于輕型飛機(jī)上的單噴嘴航空靜電噴頭進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)，并就其霧化荷電機(jī)理及性能進(jìn)行了理論分析和試驗(yàn)研究，結(jié)果表明：改進(jìn)后的航空靜電噴頭霧流速度較高并且均勻，與常規(guī)扇形航空噴霧相比霧滴沉積平均提高18個(gè)/cm2，而且作業(yè)時(shí)間短, 使用農(nóng)藥量減少5.22L/hm2, 有效防治率提高了33.8%,可以達(dá)到滿意的病蟲害防治效果[19]。

4 植保油動(dòng)無人機(jī)振動(dòng)發(fā)生源研究現(xiàn)狀

植保油動(dòng)無人機(jī)在作業(yè)過程中的振動(dòng)直接影響了無人機(jī)的噴霧均勻性，所以分析理清無人機(jī)的振動(dòng)發(fā)生源并獲得航空噴施裝備關(guān)鍵部件的振動(dòng)特性具有重要的意義。

4.1 發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)的研究

楊蛟以典型的無人機(jī)用航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)為研究對(duì)象，對(duì)機(jī)動(dòng)飛行條件下的航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行了分析，利用Runge-Kutta法對(duì)建立的動(dòng)力學(xué)方程進(jìn)行數(shù)值求解，結(jié)果表明：在不同的轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)子的振動(dòng)幅值也發(fā)生了不同程度的變化[20]。陳熠等基于發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)載荷譜，分析了發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)通過機(jī)翼向機(jī)身結(jié)構(gòu)傳遞的載荷特性，并仿真辨識(shí)了發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)傳遞的主路徑[21]。祝長(zhǎng)生等利用 Lagrange 方程建立了飛機(jī)在任意機(jī)動(dòng)飛行條件下柔性轉(zhuǎn)子系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方程的一般形式，為深入研究飛機(jī)機(jī)動(dòng)飛行對(duì)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動(dòng)力特性的影響奠定了基礎(chǔ)[22]。

4.2 旋翼振動(dòng)特性的研究

胡國(guó)才等建立了前飛狀態(tài)的旋翼與機(jī)體耦合動(dòng)穩(wěn)定性分析模型，應(yīng)用此分析模型對(duì)無鉸旋翼直升機(jī)地面共振、前飛時(shí)孤立旋翼動(dòng)穩(wěn)定性進(jìn)行了計(jì)算驗(yàn)證，分析結(jié)果與試驗(yàn)值吻合[23]。武珅等建立直升機(jī)旋翼擺振阻尼器的動(dòng)力學(xué)模型并將其應(yīng)用于直升機(jī)旋翼與機(jī)體耦合系統(tǒng)穩(wěn)定性分析和旋翼系統(tǒng)的氣彈振動(dòng)載荷計(jì)算中，研究液彈阻尼器非線性特性對(duì)直升機(jī)旋翼動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)的影響[24]。陳全龍等提出了一種高精度的直升機(jī)旋翼與機(jī)身耦合系統(tǒng)振動(dòng)響應(yīng)分析方法，利用CSD軟件建立精細(xì)的機(jī)身三維有限元模型，然后通過帶配平的松耦合迭代方法求解系統(tǒng)響應(yīng)[25]。

4.3 傳動(dòng)系統(tǒng)振動(dòng)特性的研究

郭家舜等采用集中質(zhì)量法，建立了新型直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的彎—扭耦合動(dòng)力學(xué)模型和動(dòng)態(tài)響應(yīng)方程，針對(duì)其旋翼激勵(lì)對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)進(jìn)行了數(shù)值求解，研究了傳動(dòng)系統(tǒng)中齒輪嚙合的動(dòng)載系數(shù)的變化特點(diǎn)[26]。徐敏提出了一種新的直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)機(jī)械扭振分析方法，根據(jù)旋翼、主減速器與其他傳動(dòng)軸系3個(gè)分枝系統(tǒng)的扭振模態(tài)參數(shù)，采用分枝模態(tài)綜合慣性耦合法對(duì)直升機(jī)整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行機(jī)械扭振計(jì)算分析[27]。王小三以直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)為研究基礎(chǔ)，運(yùn)用模塊劃分的方式對(duì)直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)進(jìn)行分析，以疊加原理為基礎(chǔ)，得出相應(yīng)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)方程的解[28]。

5 農(nóng)用植保無人機(jī)研究趨勢(shì)

5.1 成熟穩(wěn)定安全的移動(dòng)端操作平臺(tái)

隨著植保無人機(jī)技術(shù)的不斷開拓和發(fā)展，已經(jīng)走入了智能化的時(shí)代，植保無人機(jī)企業(yè)將產(chǎn)品與移動(dòng)端結(jié)合的智能化操控模式顯得尤為重要。通過手機(jī)APP操作平臺(tái)來操控植保無人機(jī)，可實(shí)現(xiàn)上升懸停、航線規(guī)劃、自主飛行、GPS跟隨及虛擬搖桿操作等功能，同時(shí)解決無人機(jī)無法感知和避開障礙物的智能問題正是手機(jī)APP操作平臺(tái)發(fā)展的方向。研發(fā)高穩(wěn)定性、高可靠性農(nóng)用植保無人機(jī)自主飛行控制系統(tǒng)，搭建更加成熟穩(wěn)定安全的移動(dòng)端操作平臺(tái)，是植保無人機(jī)發(fā)展的重中之重。

5.2 精準(zhǔn)施藥技術(shù)

近年來，為提高農(nóng)藥有效利用率、減少作物農(nóng)藥殘留危害和保護(hù)施藥地區(qū)周邊的環(huán)境，精準(zhǔn)施藥技術(shù)成為研究熱點(diǎn)。改進(jìn)更好變量噴藥控制方式，將地理信息系統(tǒng)與航空遙感技術(shù)相結(jié)合。目前，開發(fā)高效的航空遙感系統(tǒng)成為一種新趨勢(shì)，無人機(jī)搭載遙感系統(tǒng)可以通過核心技術(shù)產(chǎn)生的精確空間圖像對(duì)大田作物的營(yíng)養(yǎng)狀況、長(zhǎng)勢(shì)狀況及病蟲害的狀況進(jìn)行分析。針對(duì)霧滴沉積、飄移、分布均勻性監(jiān)測(cè)及霧滴圖像處理系統(tǒng)等先進(jìn)傳感器的開發(fā)與使用，國(guó)外在此類研究上已有較為先進(jìn)的成果，我國(guó)科研人員對(duì)此類傳感器和技術(shù)也展開了研究。農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所開展了一系列測(cè)試，主要針對(duì)航空飄移預(yù)測(cè)模型及無人機(jī)旋翼風(fēng)場(chǎng)測(cè)試等內(nèi)容[29]；趙春江等開發(fā)了航空施藥中藥霧分布與飄移趨勢(shì)遙測(cè)系統(tǒng)[30]，為推動(dòng)我國(guó)植保無人機(jī)精準(zhǔn)施藥技術(shù)的發(fā)展，傳感器的開發(fā)與應(yīng)用顯得尤為重要。

5.3 農(nóng)業(yè)航空植保靜電超低容量施藥技術(shù)

由于傳統(tǒng)噴霧技術(shù)只有25%～50%的藥液附著在作物上，并且霧滴飄移嚴(yán)重，使用靜電噴霧能有效增加藥液的附著率，減少飄移，將藥液的有效利用率大幅度提高。同時(shí)，由于控制了飄移量，可降低對(duì)周圍環(huán)境和土地的污染。在航空靜電施藥技術(shù)的研究中，國(guó)外較我國(guó)起步早，已有了較為先進(jìn)的技術(shù)成果。例如，美國(guó)靜電噴霧器公司制造的航空靜電噴霧系統(tǒng)適用于各種中小型螺旋槳飛機(jī)和直升機(jī)掛載，是自20世紀(jì)90年代以來最先進(jìn)的航空靜電噴霧器械。近年來，美國(guó)的專家學(xué)者針對(duì)航空靜電噴霧系統(tǒng)的抗飄移性能進(jìn)行了測(cè)試研究。2001年，Kirk、Hoffmann、Carlton將航空靜電噴霧系統(tǒng)應(yīng)用于棉花，測(cè)試了系統(tǒng)在田間的作業(yè)效果[31]；2003年，Kirk對(duì)航空靜電噴霧系統(tǒng)的抗飄移性能進(jìn)行了研究[32]。目前，國(guó)內(nèi)在無人直升機(jī)靜電噴霧技術(shù)方面的應(yīng)用研究還較少，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和環(huán)境壓力的不斷增大，靜電噴霧勢(shì)必在農(nóng)用植保機(jī)上應(yīng)用更加廣泛。

5.4 植保無人機(jī)噴桿振動(dòng)特性研究

影響植保無人機(jī)作業(yè)質(zhì)量的3個(gè)重要評(píng)價(jià)指標(biāo)是霧滴的飄移性、沉降量及分布均勻性，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)植保無人機(jī)進(jìn)行研究的首要目標(biāo)是提高其作業(yè)質(zhì)量。參考大量文獻(xiàn)可知，目前從事植保無人機(jī)研究的相關(guān)學(xué)者大多側(cè)重對(duì)航空施藥技術(shù)、作業(yè)參數(shù)、噴霧系統(tǒng)、航空噴藥關(guān)鍵部件，特別是噴嘴的研究。噴桿作為植保無人機(jī)的施藥關(guān)鍵部件，至今很少有人對(duì)其在噴霧作業(yè)過程中因振動(dòng)問題產(chǎn)生的影響進(jìn)行研究。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)噴桿技術(shù)的研究主要在以下4個(gè)方面：①噴桿與噴霧均勻性關(guān)系的研究。Robert E.對(duì)懸掛式、牽引式、自走式及罩蓋式噴桿噴霧機(jī)的飄移和霧量分布均勻性進(jìn)行了研究，結(jié)果表明噴桿的穩(wěn)定性是保證霧量分布均勻性的重要因素。②噴桿結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)研究。邱白晶等進(jìn)行了噴霧機(jī)噴桿有限元模態(tài)分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化；陳晨等針對(duì)噴霧機(jī)噴桿結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性原始設(shè)計(jì)缺陷，對(duì)噴桿桁架結(jié)構(gòu)形狀及桿件截面尺寸進(jìn)行優(yōu)化。③噴桿運(yùn)動(dòng)學(xué)與控制理論研究。陳達(dá)設(shè)計(jì)了在噴桿桁架之間能充分吸收振動(dòng)沖擊能量的柔性聯(lián)結(jié)結(jié)構(gòu)；王強(qiáng)等設(shè)計(jì)了一種高度可自動(dòng)調(diào)節(jié)的噴桿控制理論，根據(jù)地面高度快速調(diào)節(jié)噴桿高度[33]。④噴霧機(jī)田間路面譜研究。鄭聯(lián)珠等測(cè)量了幾種田間軟地面的路面譜，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)出考慮了土壤和輪胎特性影響的有效軟路面譜計(jì)算表達(dá)式；徐竹鳳等將農(nóng)田地面不平度應(yīng)用于噴桿的動(dòng)態(tài)模擬分析，提出了路面譜復(fù)現(xiàn)的方法。根據(jù)已有的針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)、旋翼、傳動(dòng)系統(tǒng)的振動(dòng)分析方法，解析三者的振動(dòng)方程，結(jié)合地面噴桿的相關(guān)研究，獲得航空噴桿的振動(dòng)特性，在滿足噴桿強(qiáng)度作業(yè)要求、空氣動(dòng)力學(xué)性能的前提下，優(yōu)化設(shè)計(jì)質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、耐腐蝕、空氣阻力小的噴桿是目前航空噴施裝備關(guān)鍵部件的研究趨勢(shì)。

5.5 高載質(zhì)量、高效率、長(zhǎng)航時(shí)

目前，植保無人機(jī)普遍存在的不足就是承載質(zhì)量小，一般為 30～40kg，航時(shí)較短，一般為15～30min。隨著單位面積噴灑收入的提升及土地流轉(zhuǎn)的增加，高載藥量、高效率、長(zhǎng)航時(shí)無人機(jī)的需求度會(huì)逐步顯現(xiàn)出來。載藥量越多，飛行時(shí)間越長(zhǎng)，可大大提高無人機(jī)的作業(yè)效率，因此高載質(zhì)量、高效率、長(zhǎng)航時(shí)的中小型無人機(jī)將是今后的發(fā)展趨勢(shì)。

6 結(jié)論

通過分析國(guó)內(nèi)外植保無人機(jī)施藥技術(shù)與施藥裝備的研究現(xiàn)狀，總體上可以看出國(guó)內(nèi)外無人機(jī)施藥領(lǐng)域的研究均取得了進(jìn)步并在持續(xù)發(fā)展。隨著無人機(jī)低空施藥技術(shù)的不斷發(fā)展，植保無人機(jī)已經(jīng)成為防治病蟲草害的主要手段。為了實(shí)現(xiàn)植保領(lǐng)域高效、環(huán)保、快捷、安全的作業(yè)要求，無人機(jī)施藥技術(shù)必將得到快速發(fā)展。雖然我國(guó)的植保無人機(jī)施藥技術(shù)仍處于起步階段，但隨著資金的不斷投入與科技的不斷發(fā)展，植保無人機(jī)將會(huì)得到廣泛應(yīng)用，從而大幅提高病蟲害的防治效率，促進(jìn)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

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Abstract ID:1003-188X(2017)12-0001-EA

Current Status and Trends of Agricultural Plant Protection Unmanned Aerial Vehicle

Lou Shangyi ,Xue Xinyu, Gu Wei, Cui Longfei, Zhou Qingqing, Wang Xin

(Nanjing Research Institute of Agricultural Mechanization, Ministry of Agricultural, Nanjing 210014, China)

Plant diseases and insect pests is one of the important factors that restrict good crop growth and food safety in production. However, in the current situation that lack of effective early warming method and physical method of prevention and cure, chemical prevention and control is still the main method for the prevention and control of plant diseases and insect pests. This article described the advantages and characteristics of aerial spraying technology compared to conventional ground administer. In this article, the current status of plant protection unmanned aerial vehicle at home and broad were reviewed and summarized.Through comparing the current situation of accurate spraying technology with developed countries, the shortage of our country in key technologies of spraying and auxiliary equipment and technology used in spraying was analyzed. This paper briefly introduced the current research situation of unmanned aerial vehicle vibration source, and then the prospect of world’s agricultural aerial spraying was explained, laying a foundation for further research. At the same time pointed out that aerial spraying will significantly increase the efficiency of prevention and control of plant diseases and insect pests, promoting the development of modern agriculture in our country.

plant protection unmanned aerial vehicle; spray; vibration; intelligent; spray lance

2016-09-27

公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(xiàng)(201203025)；國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)項(xiàng)目(2013AA102303)；國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2016YFD0200700)；江蘇省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(BK20151074)

婁尚易(1993-)，女(蒙古族)，內(nèi)蒙古赤峰人，碩士研究生，(E-mail)80248643@qq.com。

薛新宇(1969-),女，江蘇蘇州人，研究員，博士生導(dǎo)師，博士，(E-mail)735178312@qq.com。

S252

A

1003-188X(2017)12-0001-06