植保無(wú)人機(jī)研究應(yīng)用

　　摘 要：近幾年來(lái)，我國(guó)植保無(wú)人機(jī)在農(nóng)林植保領(lǐng)域的應(yīng)用迎來(lái)了井噴式的發(fā)展，針對(duì)市售植保無(wú)人機(jī)的不足之處開(kāi)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(diǎn)。

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

　　《植物保護(hù)》創(chuàng)刊于1963年，是由中國(guó)植物保護(hù)學(xué)會(huì)和中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物保護(hù)研究所共同主辦，中國(guó)科協(xié)主管的植保專(zhuān)業(yè)科技期刊。

　　0 引言

　　植保無(wú)人機(jī)是指用于農(nóng)林植物保護(hù)作業(yè)的無(wú)人駕駛飛機(jī)，由飛行平臺(tái)與噴灑系統(tǒng)組成。通過(guò)地面人員遙控或飛控自主作業(yè)來(lái)實(shí)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(lái)，隨著植保無(wú)人機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步與成熟，其在我國(guó)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(wú)人機(jī)具有精確、高效、環(huán)保、智能、操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)[1]。但是，在其應(yīng)用實(shí)踐中還是會(huì)存在著一些問(wèn)題，影響植保無(wú)人機(jī)在農(nóng)林植保領(lǐng)域的大規(guī)模使用，針對(duì)目前存在的田間障礙物、地形跟隨、載藥量小等問(wèn)題展開(kāi)如下研究。

　　1 植保無(wú)人機(jī)的研究

　　1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

　　植保無(wú)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(dòng)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(gè)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(jì) 14.液泵 15.DBF成像雷達(dá)

　　16.起落架 17.作業(yè)箱 18.電池倉(cāng) 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(gè)機(jī)臂上)

　　1.2 主要功能

　　1.2.1 飛行器

　　采用工業(yè)級(jí)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(jì)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(mǎn)足用戶(hù)的不同需求;配備DBF成像雷達(dá)，可實(shí)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(wú)藥報(bào)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(mǎn)足工作條件情況下，可預(yù)測(cè)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(shí)保持與農(nóng)作物的相對(duì)高度不變，實(shí)現(xiàn)地形跟隨，以確保藥液噴灑的均勻性。同時(shí)，雷達(dá)模塊可檢測(cè)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(shí)現(xiàn)三維點(diǎn)云成像。在航線作業(yè)模式及A-B點(diǎn)作業(yè)模式下，可有效識(shí)別復(fù)雜場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)自主繞障飛行。此外，在飛行器降落過(guò)程中，雷達(dá)模塊將根據(jù)距離地面的高度來(lái)限制飛行器下降速度，以實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)降落。

　　1.2.3 無(wú)藥報(bào)警

　　當(dāng)作業(yè)箱中無(wú)藥時(shí)，APP將顯示相關(guān)信息，飛行器原地懸停，自動(dòng)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(guò)長(zhǎng)按遙控器上的返航按鍵啟動(dòng)，其返航過(guò)程與失控返航一致，區(qū)別在于用戶(hù)可通過(guò)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(guò)噴盤(pán)加速甩出，形成微米級(jí)霧化顆粒;優(yōu)化后的螺旋槳下壓風(fēng)場(chǎng)可顯著減少藥液漂移，提高噴灑分布均勻性和著藥率。通過(guò)控制噴盤(pán)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(mǎn)足精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的要求。

　　1.3 研究方向

　　針對(duì)現(xiàn)有植保無(wú)人機(jī)的缺點(diǎn)展開(kāi)如下研究：

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

　　(2)針對(duì)以往植保無(wú)人機(jī)田間遇障礙物后只能躲避而無(wú)法自主繞障的情況，應(yīng)用數(shù)字波束合成技術(shù)設(shè)計(jì)開(kāi)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(cè)功能，實(shí)現(xiàn)斜坡仿地形飛行。

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

　　2 植保無(wú)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(yàn)地區(qū)展開(kāi)了一系列試驗(yàn)。由于采用了大藥箱設(shè)計(jì)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(shí)間約80%以上，作業(yè)效率提升了約66.67%。水田中的樹(shù)木、電線桿等障礙物可以完全避讓?zhuān)瑹o(wú)一起因避障不及時(shí)導(dǎo)致的撞機(jī)事故發(fā)生。實(shí)時(shí)監(jiān)控的作業(yè)，可以讓飛手提前對(duì)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(lái)展望

　　隨著我國(guó)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程的加速，農(nóng)業(yè)新型經(jīng)營(yíng)主體迅速發(fā)展，農(nóng)村勞動(dòng)力短缺、人工成本不斷急速上漲。對(duì)作業(yè)效率高、適用范圍廣的航空植保機(jī)械的需求越來(lái)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(wú)人機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用的不斷深入，未來(lái)的植保無(wú)人機(jī)的效率將會(huì)越來(lái)越高，人的參與度會(huì)大大降低。基于大數(shù)據(jù)與云存儲(chǔ)條件下的植保無(wú)人機(jī)專(zhuān)家系統(tǒng)，可為農(nóng)民提供參考價(jià)值很高的植保飛防建議，從而為我國(guó)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(guó)植保無(wú)人機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀與展望[J].世界農(nóng)藥，2018，40(6)：15-18+36.