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无人机低空施药技术发展

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《农业工程杂志》2014年第五期

1国内外无人机低空施药技术发展概况

无人机低空施药技术是由农用航空技术发展而来的,1903年,莱特兄弟发明了世界上第1架载人动力飞机,1918年,美国第1次用飞机喷洒农药灭虫,开创了农业航空的历史[3]。不久,前苏联、加拿大、德国和新西兰等国也开始使用飞机为农林服务。由于无人机低空施药技术是以航空技术为基础的,所以在无人机低空施药技术研究领域,美国、俄罗斯和日本等航空技术发达国家处于领先地位。

1.1国外无人机低空施药技术发展概况日本是无人机飞防最成熟的国家,由于日本是一个人口多、耕地少的国家,农民每户平均耕地面积较小,种植规模较小,所以日本的施药装备以小型机动喷雾机和直升飞机航空喷雾设备为主。近几年来,具有作业效率高、单位面积施药液量小和农药飘移少等优点的无人驾驶超低空作业农用轻型直升飞机在日本发展迅猛。目前在田间作业的无人机有3000多架,飞手14000多人[5]。无人机的防治面积已经超过了有人驾驶农业直升飞机的防治面积[6]。日本雅马哈植保无人机有近30年的技术积累和持续改进,该产品成为全球行业的标杆。其中最具有代表性的机型是YAMAHAMOTOR公司生产的R系列无人直升机,图1是YAMAHAR-MAX型无人喷药直升机。该机型可载30kg农药,飞行控制系统具有较高的软硬件水平,系统集成度高,容错能力强,适应多种复杂环境下的作业需求;能实现人工控制和自主控制相互切换,并且具备较高的自主飞行能力。美国是世界上农业航空最发达的国家之一,农业生产高度规模化,目前美国农业航空也正在走精准农业的道路[7]。在那些拥有无人机的农民家里一般都有专用电脑,无人机上安装各种摄像头和传感器,从电脑屏幕上就可以看到农作物生长情况;另外无人机上加装有GPS接收器,在农田工作时就能接收到卫星定位信号,从而更准确地知道自己所在的坐标位置。图2是美国AUH型农用无人喷药直升机。该型无人直升机自身质量76kg,可负载20kg左右的农药进行喷洒作业,作业效率10hm2h。配备有GPS导航系统,并采用电子伺服系统和陀螺增稳系统,整个飞控系统自动化程度高,能实现精确喷洒。图3是美国GT-MAX型农用无人喷药直升机。该机是美国佐治亚理工大学引进YAMAHAR系列无人直升机开发的GT-MAX系列农用无人直升机,其飞行控制系统配备三轴惯性加速度计、DGPS、航向磁力计、声纳和雷达高度计等传感器,其中飞行控制结构采用内外回路结构形式。该无人直升机能对周围环境状况变化做出快速反应,并且能在障碍物中间机动飞行,根据摄像头拍摄的信息独立选择飞行路线,检查随航系统工作中出现的故障。

1.2国内无人机低空施药技术发展概况我国的无人机研究始于20世纪50年代后期,60年代中后期投入无人驾驶飞机的研制,前期的无人机研究主要涉及军事领域,研制经费以国家投入为主。研制工作以西安理工大学、南京航空航天大学和北京航空航天大学为主导,其他科研院所和相关企业(工厂)协作参与,相继研制成功了靶机、高空侦察机等无人机,在无人机相关技术方面取得了一定的进步,之后研究的方向才涉及农业领域。虽然我国的农用无人机技术发展较晚,但是随着投入研究力量的加大,近年来我国农用无人机的研究也步入了新的阶段。其中农业应用的小型无人植保飞机发展势头最为迅猛,目前国内生产无人植保飞机的厂家已经超过10家,并呈快速增长趋势。现有的农用无人植保机以农用小型无人直升机较多,而农用固定翼无人机研发的较少。南京农业机械化研究所与总参谋部合作研发的天鹰-3小型农用无人喷药直升机,如图4所示。该机主旋翼直径3.2m,质量80kg左右,一次可携带20kg农药,续航能力达到1h,一次起降可以喷洒2.67hm2农田,作业效率5.33hm2h。该型农用无人直升机之前应用于军事领域,后来经改造应用于农业领域。无人机采用远距离遥控操作,喷洒时距离地面3~5m,飞行控制系统具有良好的操控性和实时性,能够按照事先规划好的路线自主悬停和飞行。广西田园生化有限公司与中航工业618所共同研发的小型农用无人直升机,如图5所示,在四川崇州进行了农药喷洒演示。该型无人直升机由两块快速充电蓄电池供电,多组蓄电池轮换使用,确保长时间循环作业,飞行系统通过远程地面站操控,可按照预先设定的航线自主飞行,作业效率4hm2h,农药喷洒量4.5~7.5Lhm2。2010年,山东卫士植保机械有限公司与农业部、中国农业大学、南京农业机械化研究所等国家机关和科研院所共同出资研发专业生产农用遥控式电动多旋翼飞行施药机械,借鉴飞云航空3旋翼、4旋翼、6旋翼等产品使用和开发经验及技术优势,开发出了针对农药喷洒为主要用途的10旋翼电动无人遥控植保机,如图6所示,并进行了田间试验。多旋翼直升机具有结构紧凑、稳定性高、易操作和载质量大等优点,该机载药量达18kg,作业效率4.67hm2h。昆明飞艇新艺模型有限公司研制的新艺XYZB-8型电动无人低空喷药直升机,如图7所示,该机载药量8kg,作业效率3.33hm2h左右,在实地试验中取得了不错的效果。总参谋部第60研究所与农业部南京农业机械化研究所共同研制的农用无人喷药直升机在三亚市海棠湾进行了作业演示,收到不错的效果。该机能够自动记录飞行时间、地点和作业面积等数据,自身质量100kg,可载药物30kg。上述我国的农用无人直升机飞行控制系统基本都是以地面操纵杆控制的形式,能自主飞行机型很少。虽然具备一定的完全自主喷洒功能,但是成本较高,机身载质量小,配备的传感器有限,飞行控制系统功能较少,抗扰动因素能力弱,容错能力也较差。我国农用无人喷洒直升机尚处于研发起步阶段,在无人机制造技术、飞行控制系统集成化程度、微小型传感器精度、人工控制与完全自主控制以及安全保障等方面,与国外先进机型存在一定的差距。另外,在药物的喷雾方式、智能化精准施药领域还有很长的路要走。尽管研发出了不少机型,但离大规模投入实际应用仍有一段距离。

1.3无人机施药技术存在的不足

1.3.1载药量小载药量是检验无人机施药能力的主要指标,单次飞行的载药量小势必会影响施药的效率,从而增加作业成本。

1.3.2集成化、智能化程度偏低无人机的制造技术、微小型传感器精度和智能化精准施药等方面的技术都还不太成熟,即使是发达国家有些技术也只是在实验室中的应用,大面积广泛应用还有待时日。

1.3.3生产成本较高,耐用性有待检验较高的成本也是制约无人机施药技术迅速发展的重要因素;另外无人机施药技术是新兴技术,机器的耐用性还有待检验。

2我国无人机低空喷洒技术发展趋势

随着科学技术力量的投入,我国无人机低空喷洒技术将呈现以下趋势。

2.1中小型旋翼为主,大型固定翼为辅中小型旋翼无人机虽然载药量小,作业效率没有大型固定翼无人机高,但是其体积小、质量小和成本低廉,并且具有垂直起降功能,无需专用起降场地、低空作业,不妨碍航空秩序,作业过程不需要报请航空管理部门备案,简化了手续。大型固定翼无人机虽然载药量大、喷洒效率高,但是成本昂贵,需要专用跑道,还需要报请航空管理部门备案,手续较为麻烦,适用于大型农场喷洒作业。

2.2精准施药技术的发展应用无人机采用地理信息系统(GIS)、遥感系统(RS),分析农田植物的水分、营养状况,对农田病虫害进行初步估算,利用空间统计学分析空间图像。通过图像处理将遥感数据转换成处方图,制定变量施药方案,并对喷雾速度、流量和压力等进行控制,结合全球定位系统(GPS)等手段,快速准确测量烟田基本情况和无人机自身位置,结合路径优化算法确定无人机飞行轨迹,进而选择最优航迹实现精准喷药。

2.3喷雾方式的革新目前航空农药喷洒过程中,雾滴云团的形态参数不可控,只能是操作者根据气向变化的经验来控制喷洒方式。未来的喷洒技术应在目前设计的基础上,对风向风速以及外界环境对喷雾装置的耦合作用进行分析,建立雾滴云团有限元模型,并进行模拟仿真,寻求雾滴云团在变量环境中的基础运动理论。利用化学凝胶,控制喷口尺寸、流速、形状等方法对雾滴云团进行控制,减少喷洒过程中农药在非靶标作物上的飘移量,最大程度地优化喷洒质量。

2.4高载质量、高效率是发展趋势目前旋翼无人机普遍存在的缺点就是载质量小,一般为30~40kg。随着土地流转和单位面积喷洒收入的提升,高载药量的无人机需求会逐步显现出来。高载质量、高效率的中小型无人机将是今后的发展趋势。

3结束语

农业航空产业的发展是中国农业现代化建设的重要组成部分,随着相关制度及配套核心技术的不断完善,中国农业航空产业必将得到健康、有序和高速发展。无人机低空施药作为一种新型的有效防治病虫害的手段,正在成为农机行业新的亮点和热点。虽然我国的无人机低空喷药技术还处于起步阶段,也存在载药量小、续航时间短等缺点,装备水平还有待提高,但是随着资金和科技力量的投入,无人机低空施药技术将会得到广泛应用,我国病虫害的防治效率将会大幅提高,促进中国现代农业的发展。

作者:刘剑君贾世通杜新武邓明俐单位:河南烟草公司郑州分公司河南科技大学农业工程学院

农业工程杂志责任编辑:杨雪    阅读:人次