植保無人機(jī)研究應(yīng)用

李博 邱燃 鄧宇

摘 要：近幾年來，我國植保無人機(jī)在農(nóng)林植保領(lǐng)域的應(yīng)用迎來了井噴式的發(fā)展，針對市售植保無人機(jī)的不足之處開展研發(fā)工作，使其具有自主繞障、地形跟隨、載藥量更大、作業(yè)效率高等特點。

關(guān)鍵詞：無人植保飛機(jī);自主繞障;地形跟隨;研究;應(yīng)用

中圖分類號：S252.3? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

0 引言

植保無人機(jī)是指用于農(nóng)林植物保護(hù)作業(yè)的無人駕駛飛機(jī)，由飛行平臺與噴灑系統(tǒng)組成。通過地面人員遙控或飛控自主作業(yè)來實現(xiàn)植保作業(yè)，可以完成農(nóng)藥噴霧作業(yè)、葉面肥噴霧作業(yè)、促進(jìn)授粉作業(yè)等農(nóng)業(yè)作業(yè)。近年來，隨著植保無人機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步與成熟，其在我國農(nóng)林植保領(lǐng)域得到廣泛的推廣應(yīng)用。與傳統(tǒng)植保手段相比，植保無人機(jī)具有精確、高效、環(huán)保、智能、操作簡單等特點[1]。但是，在其應(yīng)用實踐中還是會存在著一些問題，影響植保無人機(jī)在農(nóng)林植保領(lǐng)域的大規(guī)模使用，針對目前存在的田間障礙物、地形跟隨、載藥量小等問題展開如下研究。

1 植保無人機(jī)的研究

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

植保無人機(jī)的整機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由飛控系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、鏈路系統(tǒng)、噴灑系統(tǒng)四大系統(tǒng)組成。

1.螺旋槳 2.電機(jī) 3.電調(diào) 4.機(jī)臂 5.機(jī)頭指示燈（位于前方3個機(jī)臂上） 6.軟管 7.噴頭 8.泄壓閥 9.噴嘴

10.航電系統(tǒng) 11.FPV攝像頭 12.USB-C接口（位于航電系統(tǒng)底部，帶防水蓋） 13.流量計 14.液泵 15.DBF成像雷達(dá)

16.起落架 17.作業(yè)箱 18.電池倉 19.OcuSync天線 20.機(jī)載D-RTK天線 21.飛行器狀態(tài)指示燈（位于前方3個機(jī)臂上）

1.2 主要功能

1.2.1 飛行器

采用工業(yè)級飛控系統(tǒng)，機(jī)身結(jié)構(gòu)更加緊湊，整機(jī)采用模塊化設(shè)計理論，更換零部件方便快捷;具備多種飛行模式和作業(yè)模式，滿足用戶的不同需求;配備DBF成像雷達(dá)，可實現(xiàn)地形跟隨、自主繞障;此外，飛行器還具有作業(yè)恢復(fù)、數(shù)據(jù)保護(hù)、無藥報警、返航、低電量保護(hù)等功能。

1.2.2 DBF成像雷達(dá)

全新的DBF成像雷達(dá)，不受環(huán)境光線及塵土影響。在滿足工作條件情況下，可預(yù)測飛行器距離前方、后方及下方作物的高度，使飛行器在作業(yè)時保持與農(nóng)作物的相對高度不變，實現(xiàn)地形跟隨，以確保藥液噴灑的均勻性。同時，雷達(dá)模塊可檢測最遠(yuǎn)30 m處的障礙物，并進(jìn)行避障，保證作業(yè)安全。具備數(shù)字波束合成技術(shù)，可實現(xiàn)三維點云成像。在航線作業(yè)模式及A-B點作業(yè)模式下，可有效識別復(fù)雜場景，實現(xiàn)自主繞障飛行。此外，在飛行器降落過程中，雷達(dá)模塊將根據(jù)距離地面的高度來限制飛行器下降速度，以實現(xiàn)平穩(wěn)降落。

1.2.3 無藥報警

當(dāng)作業(yè)箱中無藥時，APP將顯示相關(guān)信息，飛行器原地懸停，自動關(guān)閉噴頭停止噴灑。

1.2.4 智能返航

提供智能返航和失控返航兩種返航方式。智能返航可通過長按遙控器上的返航按鍵啟動，其返航過程與失控返航一致，區(qū)別在于用戶可通過遙控器搖桿控制飛行器速度和高度躲避障礙物。

1.2.5 遙控器

遙控器具備一控多機(jī)功能，有效提升單人作業(yè)效率，適合在大面積作業(yè)區(qū)域使用。

1.2.6 高壓噴頭

高壓霧化噴頭形成的霧滴可以使藥物在作物葉片上形成良好的附著效果，大幅提高藥物的利用率。利用離心機(jī)原理，將藥液經(jīng)過噴盤加速甩出，形成微米級霧化顆粒;優(yōu)化后的螺旋槳下壓風(fēng)場可顯著減少藥液漂移，提高噴灑分布均勻性和著藥率。通過控制噴盤和水泵的轉(zhuǎn)速，輕松調(diào)整霧化顆粒的大小及噴灑流量，滿足精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的要求。

1.3 研究方向

針對現(xiàn)有植保無人機(jī)的缺點展開如下研究：

（1）單架次載藥量過小。加大藥箱容積提高有效載重量。設(shè)計可快速插拔的藥箱，縮短了加注藥液時間，從而提高作業(yè)效率。

（2）針對以往植保無人機(jī)田間遇障礙物后只能躲避而無法自主繞障的情況，應(yīng)用數(shù)字波束合成技術(shù)設(shè)計開發(fā)自主避障繞障的飛控功能。

（3）雷達(dá)系統(tǒng)應(yīng)用地形坡度檢測功能，實現(xiàn)斜坡仿地形飛行。

（4）應(yīng)用高清數(shù)字圖傳技術(shù)，實現(xiàn)半徑3 km范圍內(nèi)的實時監(jiān)控作業(yè)，提高了作業(yè)安全性。

2 植保無人機(jī)的應(yīng)用

以黑龍江方正、通河地區(qū)的水稻田為主要試驗地區(qū)展開了一系列試驗。由于采用了大藥箱設(shè)計與可快速更換的快速插拔藥箱，藥箱容積提高了60%，節(jié)省時間約80%以上，作業(yè)效率提升了約66.67%。水田中的樹木、電線桿等障礙物可以完全避讓，無一起因避障不及時導(dǎo)致的撞機(jī)事故發(fā)生。實時監(jiān)控的作業(yè)，可以讓飛手提前對作業(yè)環(huán)境進(jìn)行預(yù)判，從而避免了不必要的飛行作業(yè)事故。

3 未來展望

隨著我國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程的加速，農(nóng)業(yè)新型經(jīng)營主體迅速發(fā)展，農(nóng)村勞動力短缺、人工成本不斷急速上漲。對作業(yè)效率高、適用范圍廣的航空植保機(jī)械的需求越來越迫切。AI技術(shù)、高效電池技術(shù)、低容量噴霧技術(shù)在植保無人機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用的不斷深入，未來的植保無人機(jī)的效率將會越來越高，人的參與度會大大降低?；诖髷?shù)據(jù)與云存儲條件下的植保無人機(jī)專家系統(tǒng)，可為農(nóng)民提供參考價值很高的植保飛防建議，從而為我國的農(nóng)藥高效施用、減量施用提供強(qiáng)有力的機(jī)械保障。

參考文獻(xiàn)：

[1] 蔡銀杰，孫娟，丁曉輝，等.我國植保無人機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀與展望[J].世界農(nóng)藥，2018，40（6）：15-18+36.