無人機低空施藥技術發展范文

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《農業工程雜志》2014年第五期

1國內外無人機低空施藥技術發展概況

無人機低空施藥技術是由農用航空技術發展而來的，1903年，萊特兄弟發明了世界上第1架載人動力飛機，1918年，美國第1次用飛機噴灑農藥滅蟲，開創了農業航空的歷史［3］。不久，前蘇聯、加拿大、德國和新西蘭等國也開始使用飛機為農林服務。由于無人機低空施藥技術是以航空技術為基礎的，所以在無人機低空施藥技術研究領域，美國、俄羅斯和日本等航空技術發達國家處于領先地位。

1.1國外無人機低空施藥技術發展概況日本是無人機飛防最成熟的國家，由于日本是一個人口多、耕地少的國家，農民每戶平均耕地面積較小，種植規模較小，所以日本的施藥裝備以小型機動噴霧機和直升飛機航空噴霧設備為主。近幾年來，具有作業效率高、單位面積施藥液量小和農藥飄移少等優點的無人駕駛超低空作業農用輕型直升飛機在日本發展迅猛。目前在田間作業的無人機有3000多架，飛手14000多人［5］。無人機的防治面積已經超過了有人駕駛農業直升飛機的防治面積［6］。日本雅馬哈植保無人機有近30年的技術積累和持續改進，該產品成為全球行業的標桿。其中最具有代表性的機型是YAMAHAMOTOR公司生產的R系列無人直升機，圖1是YAMAHAR-MAX型無人噴藥直升機。該機型可載30kg農藥，飛行控制系統具有較高的軟硬件水平，系統集成度高，容錯能力強，適應多種復雜環境下的作業需求;能實現人工控制和自主控制相互切換，并且具備較高的自主飛行能力。美國是世界上農業航空最發達的國家之一，農業生產高度規模化，目前美國農業航空也正在走精準農業的道路［7］。在那些擁有無人機的農民家里一般都有專用電腦，無人機上安裝各種攝像頭和傳感器，從電腦屏幕上就可以看到農作物生長情況;另外無人機上加裝有GPS接收器，在農田工作時就能接收到衛星定位信號，從而更準確地知道自己所在的坐標位置。圖2是美國AUH型農用無人噴藥直升機。該型無人直升機自身質量76kg，可負載20kg左右的農藥進行噴灑作業，作業效率10hm2h。配備有GPS導航系統，并采用電子伺服系統和陀螺增穩系統，整個飛控系統自動化程度高，能實現精確噴灑。圖3是美國GT-MAX型農用無人噴藥直升機。該機是美國佐治亞理工大學引進YAMAHAR系列無人直升機開發的GT-MAX系列農用無人直升機，其飛行控制系統配備三軸慣性加速度計、DGPS、航向磁力計、聲納和雷達高度計等傳感器，其中飛行控制結構采用內外回路結構形式。該無人直升機能對周圍環境狀況變化做出快速反應，并且能在障礙物中間機動飛行，根據攝像頭拍攝的信息獨立選擇飛行路線，檢查隨航系統工作中出現的故障。

1.2國內無人機低空施藥技術發展概況我國的無人機研究始于20世紀50年代后期，60年代中后期投入無人駕駛飛機的研制，前期的無人機研究主要涉及軍事領域，研制經費以國家投入為主。研制工作以西安理工大學、南京航空航天大學和北京航空航天大學為主導，其他科研院所和相關企業(工廠)協作參與，相繼研制成功了靶機、高空偵察機等無人機，在無人機相關技術方面取得了一定的進步，之后研究的方向才涉及農業領域。雖然我國的農用無人機技術發展較晚，但是隨著投入研究力量的加大，近年來我國農用無人機的研究也步入了新的階段。其中農業應用的小型無人植保飛機發展勢頭最為迅猛，目前國內生產無人植保飛機的廠家已經超過10家，并呈快速增長趨勢?，F有的農用無人植保機以農用小型無人直升機較多，而農用固定翼無人機研發的較少。南京農業機械化研究所與總參謀部合作研發的天鷹-3小型農用無人噴藥直升機，如圖4所示。該機主旋翼直徑3.2m，質量80kg左右，一次可攜帶20kg農藥，續航能力達到1h，一次起降可以噴灑2.67hm2農田，作業效率5.33hm2h。該型農用無人直升機之前應用于軍事領域，后來經改造應用于農業領域。無人機采用遠距離遙控操作，噴灑時距離地面3～5m，飛行控制系統具有良好的操控性和實時性，能夠按照事先規劃好的路線自主懸停和飛行。廣西田園生化有限公司與中航工業618所共同研發的小型農用無人直升機，如圖5所示，在四川崇州進行了農藥噴灑演示。該型無人直升機由兩塊快速充電蓄電池供電，多組蓄電池輪換使用，確保長時間循環作業，飛行系統通過遠程地面站操控，可按照預先設定的航線自主飛行，作業效率4hm2h，農藥噴灑量4.5～7.5Lhm2。2010年，山東衛士植保機械有限公司與農業部、中國農業大學、南京農業機械化研究所等國家機關和科研院所共同出資研發專業生產農用遙控式電動多旋翼飛行施藥機械，借鑒飛云航空3旋翼、4旋翼、6旋翼等產品使用和開發經驗及技術優勢，開發出了針對農藥噴灑為主要用途的10旋翼電動無人遙控植保機，如圖6所示，并進行了田間試驗。多旋翼直升機具有結構緊湊、穩定性高、易操作和載質量大等優點，該機載藥量達18kg，作業效率4.67hm2h。昆明飛艇新藝模型有限公司研制的新藝XYZB-8型電動無人低空噴藥直升機，如圖7所示，該機載藥量8kg，作業效率3.33hm2h左右，在實地試驗中取得了不錯的效果。總參謀部第60研究所與農業部南京農業機械化研究所共同研制的農用無人噴藥直升機在三亞市海棠灣進行了作業演示，收到不錯的效果。該機能夠自動記錄飛行時間、地點和作業面積等數據，自身質量100kg，可載藥物30kg。上述我國的農用無人直升機飛行控制系統基本都是以地面操縱桿控制的形式，能自主飛行機型很少。雖然具備一定的完全自主噴灑功能，但是成本較高，機身載質量小，配備的傳感器有限，飛行控制系統功能較少，抗擾動因素能力弱，容錯能力也較差。我國農用無人噴灑直升機尚處于研發起步階段，在無人機制造技術、飛行控制系統集成化程度、微小型傳感器精度、人工控制與完全自主控制以及安全保障等方面，與國外先進機型存在一定的差距。另外，在藥物的噴霧方式、智能化精準施藥領域還有很長的路要走。盡管研發出了不少機型，但離大規模投入實際應用仍有一段距離。

1.3無人機施藥技術存在的不足

1.3.1載藥量小載藥量是檢驗無人機施藥能力的主要指標，單次飛行的載藥量小勢必會影響施藥的效率，從而增加作業成本。

1.3.2集成化、智能化程度偏低無人機的制造技術、微小型傳感器精度和智能化精準施藥等方面的技術都還不太成熟，即使是發達國家有些技術也只是在實驗室中的應用，大面積廣泛應用還有待時日。

1.3.3生產成本較高，耐用性有待檢驗較高的成本也是制約無人機施藥技術迅速發展的重要因素;另外無人機施藥技術是新興技術，機器的耐用性還有待檢驗。

2我國無人機低空噴灑技術發展趨勢

隨著科學技術力量的投入，我國無人機低空噴灑技術將呈現以下趨勢。

2.1中小型旋翼為主，大型固定翼為輔中小型旋翼無人機雖然載藥量小，作業效率沒有大型固定翼無人機高，但是其體積小、質量小和成本低廉，并且具有垂直起降功能，無需專用起降場地、低空作業，不妨礙航空秩序，作業過程不需要報請航空管理部門備案，簡化了手續。大型固定翼無人機雖然載藥量大、噴灑效率高，但是成本昂貴，需要專用跑道，還需要報請航空管理部門備案，手續較為麻煩，適用于大型農場噴灑作業。

2.2精準施藥技術的發展應用無人機采用地理信息系統(GIS)、遙感系統(RS)，分析農田植物的水分、營養狀況，對農田病蟲害進行初步估算，利用空間統計學分析空間圖像。通過圖像處理將遙感數據轉換成處方圖，制定變量施藥方案，并對噴霧速度、流量和壓力等進行控制，結合全球定位系統(GPS)等手段，快速準確測量煙田基本情況和無人機自身位置，結合路徑優化算法確定無人機飛行軌跡，進而選擇最優航跡實現精準噴藥。

2.3噴霧方式的革新目前航空農藥噴灑過程中，霧滴云團的形態參數不可控，只能是操作者根據氣向變化的經驗來控制噴灑方式。未來的噴灑技術應在目前設計的基礎上，對風向風速以及外界環境對噴霧裝置的耦合作用進行分析，建立霧滴云團有限元模型，并進行模擬仿真，尋求霧滴云團在變量環境中的基礎運動理論。利用化學凝膠，控制噴口尺寸、流速、形狀等方法對霧滴云團進行控制，減少噴灑過程中農藥在非靶標作物上的飄移量，最大程度地優化噴灑質量。

2.4高載質量、高效率是發展趨勢目前旋翼無人機普遍存在的缺點就是載質量小，一般為30～40kg。隨著土地流轉和單位面積噴灑收入的提升，高載藥量的無人機需求會逐步顯現出來。高載質量、高效率的中小型無人機將是今后的發展趨勢。

3結束語

農業航空產業的發展是中國農業現代化建設的重要組成部分，隨著相關制度及配套核心技術的不斷完善，中國農業航空產業必將得到健康、有序和高速發展。無人機低空施藥作為一種新型的有效防治病蟲害的手段，正在成為農機行業新的亮點和熱點。雖然我國的無人機低空噴藥技術還處于起步階段，也存在載藥量小、續航時間短等缺點，裝備水平還有待提高，但是隨著資金和科技力量的投入，無人機低空施藥技術將會得到廣泛應用，我國病蟲害的防治效率將會大幅提高，促進中國現代農業的發展。

作者：劉劍君賈世通杜新武鄧明俐單位：河南煙草公司鄭州分公司河南科技大學農業工程學院