植保无人机研究应用

　　摘 要：近几年来，我国植保无人机在农林植保领域的应用迎来了井喷式的发展，针对市售植保无人机的不足之处开展研发工作，使其具有自主绕障、地形跟随、载药量更大、作业效率高等特点。

　　关键词：无人植保飞机;自主绕障;地形跟随;研究;应用

　　《植物保护》创刊于1963年，是由中国植物保护学会和中国农业科学院植物保护研究所共同主办，中国科协主管的植保专业科技期刊。

　　0 引言

　　植保无人机是指用于农林植物保护作业的无人驾驶飞机，由飞行平台与喷洒系统组成。通过地面人员遥控或飞控自主作业来实现植保作业，可以完成农药喷雾作业、叶面肥喷雾作业、促进授粉作业等农业作业。近年来，随着植保无人机技术的不断进步与成熟，其在我国农林植保领域得到广泛的推广应用。与传统植保手段相比，植保无人机具有精确、高效、环保、智能、操作简单等特点[1]。但是，在其应用实践中还是会存在着一些问题，影响植保无人机在农林植保领域的大规模使用，针对目前存在的田间障碍物、地形跟随、载药量小等问题展开如下研究。

　　1 植保无人机的研究

　　1.1 整机结构

　　植保无人机的整机结构如图1所示，主要由飞控系统、动力系统、链路系统、喷洒系统四大系统组成。

　　1.螺旋桨 2.电机 3.电调 4.机臂 5.机头指示灯(位于前方3个机臂上) 6.软管 7.喷头 8.泄压阀 9.喷嘴

　　10.航电系统 11.FPV摄像头 12.USB-C接口(位于航电系统底部，带防水盖) 13.流量计 14.液泵 15.DBF成像雷达

　　16.起落架 17.作业箱 18.电池仓 19.OcuSync天线 20.机载D-RTK天线 21.飞行器状态指示灯(位于前方3个机臂上)

　　1.2 主要功能

　　1.2.1 飞行器

　　采用工业级飞控系统，机身结构更加紧凑，整机采用模块化设计理论，更换零部件方便快捷;具备多种飞行模式和作业模式，满足用户的不同需求;配备DBF成像雷达，可实现地形跟随、自主绕障;此外，飞行器还具有作业恢复、数据保护、无药报警、返航、低电量保护等功能。

　　1.2.2 DBF成像雷达

　　全新的DBF成像雷达，不受环境光线及尘土影响。在满足工作条件情况下，可预测飞行器距离前方、后方及下方作物的高度，使飞行器在作业时保持与农作物的相对高度不变，实现地形跟随，以确保药液喷洒的均匀性。同时，雷达模块可检测最远30 m处的障碍物，并进行避障，保证作业安全。具备数字波束合成技术，可实现三维点云成像。在航线作业模式及A-B点作业模式下，可有效识别复杂场景，实现自主绕障飞行。此外，在飞行器降落过程中，雷达模块将根据距离地面的高度来限制飞行器下降速度，以实现平稳降落。

　　1.2.3 无药报警

　　当作业箱中无药时，APP将显示相关信息，飞行器原地悬停，自动关闭喷头停止喷洒。

　　1.2.4 智能返航

　　提供智能返航和失控返航两种返航方式。智能返航可通过长按遥控器上的返航按键启动，其返航过程与失控返航一致，区别在于用户可通过遥控器搖杆控制飞行器速度和高度躲避障碍物。

　　1.2.5 遥控器

　　遥控器具备一控多机功能，有效提升单人作业效率，适合在大面积作业区域使用。

　　1.2.6 高压喷头

　　高压雾化喷头形成的雾滴可以使药物在作物叶片上形成良好的附着效果，大幅提高药物的利用率。利用离心机原理，将药液经过喷盘加速甩出，形成微米级雾化颗粒;优化后的螺旋桨下压风场可显著减少药液漂移，提高喷洒分布均匀性和着药率。通过控制喷盘和水泵的转速，轻松调整雾化颗粒的大小及喷洒流量，满足精准农业的要求。

　　1.3 研究方向

　　针对现有植保无人机的缺点展开如下研究：

　　(1)单架次载药量过小。加大药箱容积提高有效载重量。设计可快速插拔的药箱，缩短了加注药液时间，从而提高作业效率。

　　(2)针对以往植保无人机田间遇障碍物后只能躲避而无法自主绕障的情况，应用数字波束合成技术设计开发自主避障绕障的飞控功能。

　　(3)雷达系统应用地形坡度检测功能，实现斜坡仿地形飞行。

　　(4)应用高清数字图传技术，实现半径3 km范围内的实时监控作业，提高了作业安全性。

　　2 植保无人机的应用

　　以黑龙江方正、通河地区的水稻田为主要试验地区展开了一系列试验。由于采用了大药箱设计与可快速更换的快速插拔药箱，药箱容积提高了60%，节省时间约80%以上，作业效率提升了约66.67%。水田中的树木、电线杆等障碍物可以完全避让，无一起因避障不及时导致的撞机事故发生。实时监控的作业，可以让飞手提前对作业环境进行预判，从而避免了不必要的飞行作业事故。

　　3 未来展望

　　随着我国农业现代化进程的加速，农业新型经营主体迅速发展，农村劳动力短缺、人工成本不断急速上涨。对作业效率高、适用范围广的航空植保机械的需求越来越迫切。AI技术、高效电池技术、低容量喷雾技术在植保无人机领域的应用的不断深入，未来的植保无人机的效率将会越来越高，人的参与度会大大降低。基于大数据与云存储条件下的植保无人机专家系统，可为农民提供参考价值很高的植保飞防建议，从而为我国的农药高效施用、减量施用提供强有力的机械保障。

　　参考文献：

　　[1] 蔡银杰，孙娟，丁晓辉，等.我国植保无人机发展现状与展望[J].世界农药，2018，40(6)：15-18+36.