多旋翼無人機在山地植保中的應(yīng)用初探

王文靜 文竹 彭麗镕

摘要：地球表面的山地面積約占總面積的四分之一而全世界十分之一的人口都是居住在山地地區(qū)的，而且他們大部分都需要依靠山地地區(qū)的資源，在我國，山地所占的面積大約是國土總面積的三分之二，我國有部分省份屬于山區(qū)，所以現(xiàn)在多旋翼無人機在山地植保是一種新型技術(shù)。

關(guān)鍵詞：多旋翼無人機;山地植保;應(yīng)用

我國山區(qū)與丘陵的面積占全國國土面積的65%左右。山地果園矮化密植水平低，病蟲害誘導(dǎo)率高，噴施化學(xué)農(nóng)藥仍然是病蟲害防治的主要方法。選擇適宜的施藥機械方式，不僅可以節(jié)省果園生產(chǎn)成本，提高水果品質(zhì)，也有利于果園的綠色可持續(xù)發(fā)展。在勞動力不斷減少和人工成本不斷攀升的趨勢下，果園只有大面積采用機械化作業(yè)，才能在未來的競爭中生存。為此，研究適用于山地植保農(nóng)藥噴施作業(yè)的省力化及自動化裝備具有廣闊的應(yīng)用前景。

一、多旋翼無人機的概述

多旋翼無人機是一種具有垂直起降的無人機，由于其體積小攜帶方便等優(yōu)點已經(jīng)受到越來越廣泛的關(guān)注以及應(yīng)用。在民用方面，主要用于搶險救災(zāi)、航拍、數(shù)傳、快遞、農(nóng)業(yè)方面中的施肥噴農(nóng)藥等方面，在軍事方面主要用于反恐、監(jiān)測、巡邏、地面通信等方面，在特殊地區(qū)（如新疆等高海拔、氣候條件惡劣的地區(qū)），高壓線、大橋、高速路段等的檢測。相比較于有人控制的旋翼機，無人機系統(tǒng)的設(shè)計更加簡單，成本更加低廉，在危險多發(fā)區(qū)域，對人的生命起到更加好的保護，并且無人機對于起飛場所沒有限制，穿越障礙物的能力更加強，起降次數(shù)更加頻繁，不需要復(fù)雜的維護。旋翼無人機能實現(xiàn)垂直起降、懸停、盤旋等任務(wù)，因此受到越來越廣泛的關(guān)注。

根據(jù)無人機的機翼類型和產(chǎn)生的動力方式可以將無人機分為固定翼無人機和旋翼無人機兩類，固定翼無人機依靠的是高速運動的機翼與空氣之間形成真空，產(chǎn)生氣壓差，來抵消自身的重力，因此固定翼無人機的動力和運動速度以及自身的姿態(tài)有關(guān)，固定翼無人機主要用于軍事方面，通常攜帶武器，作為投彈、遠距離打擊。旋翼無人機又可以被分為單旋翼無人機、三旋翼、四旋翼無人機、六旋翼無人機和多旋翼無人機，常見的單旋翼無人機，體積比較大，單旋翼使得地平效應(yīng)凸顯出來，對其控制難度增大，四旋翼無人機相比較于單旋翼無人機，是通過四個槳片兩兩不同的轉(zhuǎn)向不同來抵消旋轉(zhuǎn)力矩，不需要單獨加尾翼來抵消主旋翼產(chǎn)生的扭矩，并且四旋翼無人機將動力源分配到四個機架末端，可以減小地平效應(yīng)帶來的對起飛場所的較為嚴格的要求;和固定翼無人機不同的是旋翼無人機的動力是通過安裝在“十”字末端的四個槳片獲得，與機體的運行速度和姿態(tài)沒有關(guān)系。目前市面上使用的無人機一般為四旋翼無人機，其提供的動力大，機械結(jié)構(gòu)簡單，維護方便，飛行空間要求不高。固定翼無人機由于動力與速度有關(guān)，所以固定翼無人機沒法實現(xiàn)懸停，但是旋翼無人機也由于自身的設(shè)計結(jié)構(gòu)凸顯出動力源功率低、續(xù)航時間短、在某些極端環(huán)境下出現(xiàn)較多故障、且負載小等缺點。

多旋翼作為旋翼無人機的一種，不但具有垂直起飛降落、定點懸停、側(cè)飛、倒飛等特點，而且具有非常穩(wěn)定的飛行姿態(tài)，極大程度上降低了對使用環(huán)境的要求，具有廣泛的應(yīng)用前景。多旋翼無人機經(jīng)過近幾年的發(fā)展，出現(xiàn)了較多針對行業(yè)應(yīng)用的機體類型，但是性能可靠、穩(wěn)定的多旋翼飛行控制系統(tǒng)卻寥寥無幾，這在一定程度上限制了多旋翼無人機的應(yīng)用范圍。為擴展多旋翼的應(yīng)用范圍，多旋翼飛控統(tǒng)已成為多旋翼無人機應(yīng)用研究的重點和難點。

近年來，隨著智能硬件向小型化、低成本、低功耗的方向邁進，硬件成本不斷走低，為無人機制造業(yè)的發(fā)展創(chuàng)造了良好的環(huán)境。

二、多旋翼無人機的優(yōu)勢

多旋翼植保無人機采用智能操控，操作手通過地面遙控器及GPS定位對其實施控制，操作簡單，控制精確。還能通過搭載視頻器件，實現(xiàn)圖像實時傳輸、姿態(tài)實時監(jiān)控功能，對農(nóng)業(yè)病蟲害等進行實時監(jiān)控，方便快捷，安全穩(wěn)定。多旋翼植保無人機具有作業(yè)高度低，飄移少，可空中懸停，無需專用起降機場，旋翼產(chǎn)生的向下氣流有助于增加霧流對作物的穿透性，防治效果高，遠距離遙控操作，噴灑作業(yè)人員避免了暴露于農(nóng)藥的危險，提高了噴灑作業(yè)安全性等諸多優(yōu)點。多旋翼植保無人機采用噴霧噴灑方式至少可以節(jié)約50%的農(nóng)藥使用量，節(jié)約90%的用水量，這將很大程度的降低資源成本。噴灑裝置有自穩(wěn)定功能，確保噴灑始終垂直地面，防治效果全面。多旋翼植保無人機環(huán)保，無廢氣，符合國家節(jié)能環(huán)保和綠色有機農(nóng)業(yè)發(fā)展要求;易保養(yǎng)，使用、維護成本低;整體尺寸小、重量輕、攜帶方便;提供農(nóng)業(yè)無人機電源保障。

三、多旋翼在山地植保中的探究

植保無人機是一種山地植保作業(yè)的無人駕駛飛機，中國已經(jīng)成為全球植保無人機量最大的國家，對于植保飛防行業(yè)而言，還有大量以山地為種植區(qū)域的經(jīng)濟作物作業(yè)場景有待開發(fā)，大量分散的耕地作業(yè)場景的作業(yè)效率與經(jīng)濟性有待優(yōu)化。無人機打藥在大田作物如水稻、小麥、玉米上的防控是非常良好的，但是在果樹上成功的案例還是相當少的。一般的果樹多種植于山地、丘陵、地形會限制無人機的飛行，一般的無人機噴藥有可能打不到葉片背面和樹冠內(nèi)堂，這就給了害蟲一個逃避的空間。不能完成大面積作業(yè)也是個問題，高空施藥的濃度較地面用藥的高，空氣漂移帶來的污染問題必須考慮，所以現(xiàn)在有很多的果園都是建在水源地附近的。在我國的南方，山地丘陵是一種比較常見的地形，而在這些地區(qū)，如果種植水稻、小麥等農(nóng)作物顯然不科學(xué)。

為了充分利用這些土地，人們往往在這些地區(qū)種上橙子、橘子、楊桃等果樹，不僅充分利用了土地，還能給自己帶來一筆不菲的收入，但是，山地丘陵不同于平原地區(qū)，不方便灌溉、施肥及噴藥。特別是在病蟲害集中發(fā)生的時節(jié)，果農(nóng)更是恨不得自己有三頭六臂，能把農(nóng)藥一次性噴下去，好控制病蟲害情況。此時，利用一臺多旋翼植保無人機來噴灑農(nóng)藥就能很好地解決這個問題了，不僅不受海拔限制的影響，在高海拔地區(qū)也是沒問題的，而且機身振動小，可以搭載機密的儀器，噴灑農(nóng)藥更加的精準。

多旋翼無人機在山地植保領(lǐng)域已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用，在工作的過程中，無人機多個旋翼產(chǎn)生的下洗氣流風(fēng)場可以增加噴灑藥性的滲透性，提高噴灑的效果，減少農(nóng)藥消耗。然而，現(xiàn)有的多旋翼植保無人機也存在一些不足，主要表現(xiàn)在下洗氣流風(fēng)場對藥液噴灑流場的影響是非均勻的、非恒定的、不可控的。所以多旋翼無人機可實現(xiàn)山地植保的節(jié)水灌溉，在果樹的生長過程中，需要隨時了解土壤的濕度變化情況，利用無人機就可以自動化農(nóng)藥定量噴灑，減少農(nóng)藥對土壤環(huán)境的污染破壞，更能節(jié)約水量和農(nóng)藥，利用無人機噴灑藥物還可增加農(nóng)藥對果樹的穿透性，更好的保證果樹的生長環(huán)境。

四、結(jié)語

不久的將來，隨著無人機技術(shù)的發(fā)展，多旋翼無人機的工作效率，多旋翼無人機的諸多優(yōu)點使它在未來市場前景被看好，但是也面領(lǐng)著許多的問題，在電力巡航、物流運輸、植保等領(lǐng)域電動無人機的載重及續(xù)航時間成為制約發(fā)展的原因，此時，燃油動力多旋翼無人機憑借其大載重與長航時的優(yōu)點為市場帶來曙光。

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作者簡介：

王文靜，女，（1993—），貴州貴陽人，一直從事農(nóng)業(yè)科技信息服務(wù)工作。

基金項目：貴州省科技計劃項目：18軸100公斤級智能植保無人機研發(fā)，合同編號：黔科合支撐[2018]2370號。