植保無人機研究應用

　　摘 要：近幾年來，我國植保無人機在農林植保領域的應用迎來了井噴式的發展，針對市售植保無人機的不足之處開展研發工作，使其具有自主繞障、地形跟隨、載藥量更大、作業效率高等特點。

　　關鍵詞：無人植保飛機;自主繞障;地形跟隨;研究;應用

　　《植物保護》創刊于1963年，是由中國植物保護學會和中國農業科學院植物保護研究所共同主辦，中國科協主管的植保專業科技期刊。

　　0 引言

　　植保無人機是指用于農林植物保護作業的無人駕駛飛機，由飛行平臺與噴灑系統組成。通過地面人員遙控或飛控自主作業來實現植保作業，可以完成農藥噴霧作業、葉面肥噴霧作業、促進授粉作業等農業作業。近年來，隨著植保無人機技術的不斷進步與成熟，其在我國農林植保領域得到廣泛的推廣應用。與傳統植保手段相比，植保無人機具有精確、高效、環保、智能、操作簡單等特點[1]。但是，在其應用實踐中還是會存在著一些問題，影響植保無人機在農林植保領域的大規模使用，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 植保無人機的研究

　　1.1 整機結構

　　植保無人機的整機結構如圖1所示，主要由飛控系統、動力系統、鏈路系統、噴灑系統四大系統組成。

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

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

　　16.起落架 17.作業箱 18.電池倉 19.OcuSync天線 20.機載D-RTK天線 21.飛行器狀態指示燈(位于前方3個機臂上)

　　1.2 主要功能

　　1.2.1 飛行器

　　采用工業級飛控系統，機身結構更加緊湊，整機采用模塊化設計理論，更換零部件方便快捷;具備多種飛行模式和作業模式，滿足用戶的不同需求;配備DBF成像雷達，可實現地形跟隨、自主繞障;此外，飛行器還具有作業恢復、數據保護、無藥報警、返航、低電量保護等功能。

　　1.2.2 DBF成像雷達

　　全新的DBF成像雷達，不受環境光線及塵土影響。在滿足工作條件情況下，可預測飛行器距離前方、后方及下方作物的高度，使飛行器在作業時保持與農作物的相對高度不變，實現地形跟隨，以確保藥液噴灑的均勻性。同時，雷達模塊可檢測最遠30 m處的障礙物，并進行避障，保證作業安全。具備數字波束合成技術，可實現三維點云成像。在航線作業模式及A-B點作業模式下，可有效識別復雜場景，實現自主繞障飛行。此外，在飛行器降落過程中，雷達模塊將根據距離地面的高度來限制飛行器下降速度，以實現平穩降落。

　　1.2.3 無藥報警

　　當作業箱中無藥時，APP將顯示相關信息，飛行器原地懸停，自動關閉噴頭停止噴灑。

　　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功能，有效提升單人作業效率，適合在大面積作業區域使用。

　　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。利用離心機原理，將藥液經過噴盤加速甩出，形成微米級霧化顆粒;優化后的螺旋槳下壓風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速，輕松調整霧化顆粒的大小及噴灑流量，滿足精準農業的要求。

　　1.3 研究方向

　　針對現有植保無人機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。設計可快速插拔的藥箱，縮短了加注藥液時間，從而提高作業效率。

　　(2)針對以往植保無人機田間遇障礙物后只能躲避而無法自主繞障的情況，應用數字波束合成技術設計開發自主避障繞障的飛控功能。

　　(3)雷達系統應用地形坡度檢測功能，實現斜坡仿地形飛行。

　　(4)應用高清數字圖傳技術，實現半徑3 km范圍內的實時監控作業，提高了作業安全性。

　　2 植保無人機的應用

　　以黑龍江方正、通河地區的水稻田為主要試驗地區展開了一系列試驗。由于采用了大藥箱設計與可快速更換的快速插拔藥箱，藥箱容積提高了60%，節省時間約80%以上，作業效率提升了約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致的撞機事故發生。實時監控的作業，可以讓飛手提前對作業環境進行預判，從而避免了不必要的飛行作業事故。

　　3 未來展望

　　隨著我國農業現代化進程的加速，農業新型經營主體迅速發展，農村勞動力短缺、人工成本不斷急速上漲。對作業效率高、適用范圍廣的航空植保機械的需求越來越迫切。AI技術、高效電池技術、低容量噴霧技術在植保無人機領域的應用的不斷深入，未來的植保無人機的效率將會越來越高，人的參與度會大大降低。基于大數據與云存儲條件下的植保無人機專家系統，可為農民提供參考價值很高的植保飛防建議，從而為我國的農藥高效施用、減量施用提供強有力的機械保障。

　　參考文獻：

　　[1] 蔡銀杰，孫娟，丁曉輝，等.我國植保無人機發展現狀與展望[J].世界農藥，2018，40(6)：15-18+36.