旋翼無人機氣流特征及大田施藥作業研究進展

李繼宇，蘭玉彬※，施葉茵

（1.國家精準農業航空施藥技術國際聯合研究中心，廣州 510642；2.華南農業大學工程學院，廣州 510642；3.內布拉斯加大學林肯分校生物系統工程系，林肯，美國，68583）

0 引 言

旋翼植保無人機一般是指具有一個或多個旋翼、能夠垂直起降、具有一定載荷量和續航時間、在田間低空低速進行植保作業的無人駕駛飛行器。由于其具有作業效率高、霧滴穿透性強、無需專用起降機場、自動或自主飛行、機動性好等優點，近年來發展迅猛[1]。大田作物是重要的糧食作物，以水稻為例，在120個國家和地區廣泛種植，全球一半以上的人口以稻米為主食[2]。中國是水稻生產大國，水稻面積約占全國谷物面積1/3，約占世界水稻面積21%；稻谷產量約占全國糧食總產量37%，約占世界稻谷產量34%，居世界第一位[3]。提高大田作物生產全程機械化水平是保障國家糧食安全、增強中國農業綜合生產能力、增加農業收入和推進農業現代化的重要措施之一[4-5]。旋翼植保無人機在水田、高稈作物間進行植保和授粉作業以及應對爆發性病蟲害等方面已經表現出突出的優勢[6]，近年來已經逐步在水稻、小麥、玉米、棉花等大田作物上展開應用。

1 旋翼植保無人機發展現狀

旋翼植保無人機在大田展開施藥與授粉作業目前主要在國內蓬勃展開，屬于精準農業航空應用體系中一個重要環節[1]。國外農業航空發達國家比如美國主要以載人大型固定翼開展施藥與授粉作業[7]，其飛行參數與工作方式與小型旋翼無人機存在根本不同；美國多利用小型旋翼無人機進行農業遙感監測[8]，近年也逐步開始對小型旋翼無人機噴施作業參數展開研究[9]。而日本雅馬哈公司生產的油動力單旋翼無人直升機在日本國內開展田間作業已有多年[10]，仍以人工操控模式為主，購機費高昂、培訓時間長以及維護保養復雜繁瑣[11]，日本將其列為對中國禁售商品和技術保密[12]，極少有渠道能獲取相關研究資料。近期，以中國深圳大疆創新科技有限公司、廣州極飛科技有限公司為代表的一批植保無人機公司已開始在日本、韓國開設子公司從事旋翼無人機植保作業[11,13]。其他國家如巴西、印度近年來也對旋翼無人機田間施藥作業控制方法展開相關研究[14-15]。

隨著國內外相關行業的推動與發展，旋翼植保無人機迅速成為當前學者研究的焦點。圍繞旋翼植保無人機的施藥作業系統、作業參數以及作業模式等方面做了大量研究[16-17]，在機型、施藥關鍵技術、施藥配套裝與技術等方面取得了一系列成果[18]。但仍然存在施藥作業基礎體系不夠清晰、關鍵問題研究不夠深入等問題，本文擬圍繞氣流作業特征探討旋翼無人機作業基礎體系的構建，同時對國內外旋翼植保無人機的研究進展和現狀進行梳理和歸納，指出現有研究中存在的遺漏，提出基礎研究方向，以期為國內相關科研機構、企業的深入研究提供參考。

2 旋翼無人機氣流作業特征

旋翼的存在使無人機可以在田間垂直起降，旋翼旋轉與空氣的相互作用既為機體提供了必要升力，也同時產生了包裹機體并作用在作物冠層的旋翼氣流。旋翼氣流向下“包裹”住機體及附屬噴灑裝備，裹挾著噴灑出來的霧滴“拍擊”在作物冠層上，與作物莖葉互相作用呈現出類似錐體的渦旋（水稻、小麥），這是旋翼無人機大田低空作業的典型特征，如圖1所示。機體低速作業時機載噴施裝備將藥液轉化為霧滴后脫離機體，噴灑目標是地面作物冠層，此時決定霧滴如何附著到作物冠層的重要因素就是旋翼氣流，旋翼氣流的體積大小決定了霧滴在空間的分布范圍，旋翼氣流作用在作物冠層上的接觸區域即是噴施霧滴的靶標區域，決定了霧滴的沉積位置。在作業效果的角度來說，旋翼氣流本質上是旋翼無人機大田作業體系中制約機體飛行參數以及決定地面作業效果的重要作業參數，對無人機田間作業體系研究具有基礎意義。

圖1 旋翼無人機氣流作業特征Fig.1 Performance characteristics in airflow of rotor UAV

3 旋翼無人機氣流作業體系

旋翼植保無人機在大田作業歸根到底就是要將農藥轉化為霧滴噴灑在植株上，達到植物保護的目的。其作業體系本質上是：①農藥的裝載搬運過程（主要與無人機本體載重性能相關）；②農藥轉化為霧滴的過程（與機載噴施裝備有關）；③霧滴空間運動過程（主要由旋翼氣流分布規律決定，并影響霧滴的沉積與飄移）；④霧滴在作物上擴散過程（必須要考慮氣流與作物的互作及霧滴在植株的附著性）；⑤作業方法等的集合。⑤是對①-④過程綜合的具體方法。上述過程關系如圖2所示，圍繞旋翼無人機氣流作業特征，無人機本體及旋翼提供了農藥載運所需的裝置與升力，旋翼產生的氣流流場必然受到包裹于其中的機體及噴施裝備影響，進而決定了霧滴在空間中的運動規律，最終氣流與作物之間的互相作用體現了霧滴的擴散與沉積效果，并用具體施藥作業方法實現。

3.1 農藥裝載搬運研究

農藥的裝載與搬運主要體現在無人機機體、藥箱及其技術。

3.1.1機體

無人機機體主要包括機架結構、旋翼結構（槳、電機或發動機）和能源動力（傳動、電池或燃料）。旋翼無人機機體傳統構造是單旋翼直升機結構，韓建達等設計了一種手動操控噴藥和自動導航噴藥相結合、施藥精準度高的施藥無人直升機，通過攝像機實時采集反饋作物數據，并通過控制系統控制噴灑裝置施藥時間和快慢，從而實現施藥準確[19]；張遜等[20]設計的直升機機載電氣系統包括飛行控制器，GPS，航向計，微型慣性測量組件，測控鏈路，舵機控制器，供電系統。機體框架中部裝有由藥箱、液泵、噴桿及噴頭組成的施藥裝置。

圖2 旋翼無人機作業體系Fig.2 Rotor UAV operating system

而多旋翼結構中目前最常見的是四旋翼無人機，其結構較傳統直升機簡單，設計門檻低。X4Z四旋翼農用植保無人機采用獨創的傾角合力升舉式設計，該設計有效地降低了多旋翼農用植保無人機在農田飛防過程中的機械晃動問題，提高了農用無人機在高荷載作業情況下的飛行穩定性[21]。張文星[22]用2對4個旋翼組成內外2套“共桿反槳”，且4個旋翼弧面分布，鏡像對稱，旋翼的轉軸線共面，用1對2個旋翼組成一套“共軸反漿”，再通過幾根碳纖維管和連接固定件，構成1個左右鏡像對稱、前后不對稱的六旋翼無人機結構；顧文杰等[23]設計了一種適合中小田塊的六旋翼農藥噴灑無人機。采用Solidworks軟件進行建模，確定機體中央倉、機臂折疊件和噴灑裝置腳架安裝結構，機臂整體實現上翹以增強無人機抗風能力。苑進等采用發動機驅動的橫列式反轉雙旋翼，采用2對電動小旋翼，提供無人機水平方向姿態調整和作業飛行所需的推力，具有結構和控制原理簡單的特點[24]；李俊杰[25]提供一種多旋翼農用無人機螺旋槳裝置，包括蓋體、鎖定部件、若干機臂和若干連桿；萬丹[26]公開了一種雙并聯舵機結構，能分攤緩解1個舵機受到的扭矩，保證了植保無人機的控制及傳動平穩。

李繼宇等[27-30]提出了對稱和非對稱布局多旋翼無人機動態受力中心位置的檢測方法；以及定載荷與動載荷的電動力無人機的分段能耗評價方法，周志艷等與廣州天翔航空科技有限公司一起提出了一種折疊快拆式多旋翼無人飛行器，方便田間地頭運載[31]；海南崇航無人機服務有限公司黎勇創新地提出一種無時間限制、地面供電供藥植保無人機[32]。

上述研究涵蓋了各類旋翼無人機機體，但對于無人機機體的載質量需求大的基本特點關注不多。無人機機體是一個很復雜的系統，旋翼結構同時承擔著機體的載質量能力和姿態控制需求，不同的本體架構、旋翼配置和能源供給會帶來不同的系統表現，特別是系統在機體載質量需求與機體控制需求的資源分配比例上，會涉及到槳效、螺距、槳速、能量密度、氣動布局等幾乎所有機體部件參數。而不同于普通航拍、遙感和測繪等行業無人機，為提高作業效率，植保無人機當然需要裝載搬運盡可能多的農藥，對機體系統載質量資源的分配要求更高。現階段中國各植保無人機企業在機體研發、制造與組裝上已有較豐富經驗，表1為目前市場上具有代表性的4種旋翼無人機機體載質量參數[33-36]。在大田作業基礎體系中，植保無人機更加關注的是最大起飛質量、滿載懸停時間以及標準載荷等更能體現其搬運農藥能力的參數。

表1 四種旋翼無人機機體參數Table 1 Four types of rotor UAV body parameters

以表1中參數為例，從載質量的絕對參數最大起飛質量和懸停時間來看，油機表現好于同類型電機；從相對參數推重比和載荷比來看，電機則相比油機有優勢。從旋翼作業有效面積來看，單旋翼大于多旋翼；而從旋翼施加于空氣的作用力形成的有效面積風壓壓強來看，多旋翼優于單旋翼。上述指標哪些對植保無人機更重要？植保無人機機體的設計是以發展絕對載質量能力為主還是強調相對載質量能力？是有效面積重要還是風壓壓強更重要？回答這些問題需要展開大量基礎研究。在國防科技、航模競技中，能夠衡量機體載質量能力、控制厄余的參數推重比、載荷比、能耗等已經具有相當的研究成果，而針對植保無人機大載質量特點的機體資源配置研究尚未見報道。2017年由農業部南京農業機械化研究所主持的國家重點研發計劃“農用航空作業關鍵技術研究與裝備研發/2017YFD0701000”已經開始對旋翼無人機的“大載荷機體”和“能源載荷匹配”技術立項研究[37]。

3.1.2藥箱

藥箱是無人機機體上裝載農藥的容器，圍繞藥箱構造與防振蕩技術，近年來不少學者開展了研究工作。王大偉對無人機噴灑過程中藥箱進行了分析和建模，推導出長方體藥箱質量和轉動慣量隨時間變化的公式，進一步得到了植保無人機精確的時變性動力學模型[38]；姜銳等[39-40]提出一種雙氣壓式液量監測裝置的設計方案，包括雙氣壓式液位監測、藥箱液面震蕩干擾濾波、機身傾斜干擾校正以及液位-液量換算模型等；何勇等[41-43]分別都提出了一種減輕藥液傾蕩的農用植保無人機藥箱。類似于無人機機體研究，藥箱作為機載裝備體積最大的部位，其形狀與大小影響到整個機體的載質量性能與控制性能，甚至會影響旋翼氣流的分布特性。圍繞無人機載質量性能與控制性能的平衡點，研究設計與機體一體化的藥箱將會是未來旋翼無人機發展的一個方向。

3.2 . 農藥轉化霧滴研究

農藥轉化成霧滴依靠機載噴霧系統完成，主要考慮2個問題：霧滴的初始物理狀態（大小、角度、均勻度、是否攜帶荷電）和霧滴的初始運動狀態（流量、流速）。

3.2.1 霧滴初始物理狀態

蘭玉彬關注氣流-噴頭作用時影響霧滴4種特性的相關性，有助于對噴頭選擇漂移還原劑來滿足特定應用下漂移緩解標準[44]；茹煜等[45-48]就航空靜電噴霧過程中霧滴的霧化過程、荷電過程、輸運過程和沉積過程進行了基礎理論分析和測試研究；國家農業信息化工程技術研究中心王繼環等通過在一種現有噴頭TXVK-6的基礎上進行靜電噴霧系統的搭建，對靜電噴霧的霧化過程、充電過程以及無靜電狀態下沉積過程進行理論分析[49]；文晟等[50]基于旋流霧化的原理并采用模塊化方法，提出了一種超低容量旋流噴嘴結構。劉武蘭等提出了航空靜電噴霧技術應用在植保無人機飛行航空作業上所面臨的難題和未來可能的發展趨勢和解決方案[51]；而廉琦[52]則設計了無人機靜電噴霧系統的組成方案，對霧滴的荷電機理進行研究，確定了充電電極的荷電方式；確定了靜電噴頭類型并建立該靜電噴頭的荷電量數學模型；找出影響荷電量的關鍵因素進行試驗優化；田源等[53]設計了基于無人機的靜電離心霧化裝置，在噴頭部分采用了將靜電霧化和離心霧化結合的方法，進一步細化霧滴；孫竹等[54]使用電機、噴嘴、離心霧化轉盤，并設計以單片機和外圍電路構成的嵌入式控制系統，根據無人機當前的飛行高度調整霧化轉盤的轉速，達到改變霧滴尺寸的目的；周晴晴通過對比液力噴嘴和離心噴嘴的霧化原理，選擇窄霧滴譜的離心噴嘴作為研究對象。采用變頻器調整電機轉速，采用回水閥穩定噴灑液體的流量和壓力，設計并搭建了離心霧化試驗臺。試驗研究了噴嘴的霧化形狀[55]；高圓圓[56]運用霧滴粒徑測試系統對Af-811小型無人機霧化系統的性能參數進行了初步研究。霧滴物理初始狀態研究以噴嘴結構和靜電噴霧系統為主。

3.2.2 霧滴初始運動狀態

Huang等[57]開發了一個低容量噴霧系統，配合全自主的無人機應用在特殊小區域指定作物農田中，取得了不錯的效果；Giles等[58]在無人機上針對噴頭與靜電釋放處的位置關系進行研究，并安裝商業噴施系統在加利福尼亞價值較高作物上作業，獲得較好效果；武志明等[59]提供了一種植保無人機噴頭、雷達自動調節裝置及其使用方法；于海濤等[60]設計了植保無人機噴霧性能綜合實驗臺，可以模擬農業植保無人機工作狀態下，對噴頭的壓力、流量、霧錐角、噴幅、霧滴粒徑、霧滴沉積量、霧滴分布規律、霧滴分布變異系數等重要參數的測試；徐興等[61]提出一種用于多旋翼無人施藥機的噴頭增穩裝置及方法用于霧滴運動測量，李繼宇等[62]發明一種無人機作業飛行器用的伸縮裝置調節噴頭位置，改變霧滴初始運動狀態；王飛等[63]對植保無人機的噴灑方向進行控制進而影響霧滴的運動狀態。

3.2.3小結

從上述內容可看出，機載噴霧系統作為無人機系統中除了機體外唯一可以有效控制的部位，已經成了旋翼無人機系統研究的熱點，特別是靜電噴霧方式吸引了很多科研工作者的注意力，也已經取得了豐碩的成果。然而，目前幾乎所有機載噴霧系統都處于旋翼氣流的包裹中，針對旋翼無人機的特征：旋翼氣流對霧滴的物理和運動狀態所產生的影響，卻鮮有提及。宋堅利等[64]公開了一種單旋翼植保無人機用農藥噴灑系統，根據主旋翼下旋氣流場邊界來確定扇形霧噴頭的安裝位置，能夠有效避免無人機主旋翼和尾翼對噴頭霧化產生的噴霧扇面的卷揚影響，定向沉積到靶標上，大大提高了農藥利用率；王森[65]則進行了單旋翼植保無人機垂直風場的研究，然后針對無人機風場研究結論，選用一種航空專用噴頭，并對其進行了試驗室內的特性試驗研究。上述兩位學者都注意到了旋翼氣流對霧滴運動狀態的影響，指引出未來研究需要注意的方向。值得指出的是，除工程應用研究外，霧滴在旋翼氣流環境下與噴頭或噴嘴脫離的過程中，其物理與運動狀態的變化機理也是需要探究的基礎科學問題。

3.3 霧滴空間運動研究

傳統固定翼飛機噴灑農藥時主要依靠霧滴自然沉降達到靶標區域[66]。區別于此，旋翼無人機大田植保作業時總是保持低空低速飛行，是為了利用旋翼氣流對霧滴的的“風送”性能，從而提高霧滴對靶標的穿透性和均勻性[67]。旋翼氣流直接決定了霧滴在空間中的運動規律，不僅是影響霧滴的風送對靶沉積量的主要因素，也是霧滴在空間脫靶產生漂移的主要原因。

3.3.1 旋翼氣流

張文星設計了“槳葉弧面分布六旋翼的農用植保無人機”，這種結構相對于市面上的“槳葉平面分布中心對稱結構的六旋翼無人機”，有效地降低了下洗氣流的流速，增大了下洗氣流的面積[68]；另外 “共桿反槳”和“共軸反漿”通過幾根碳纖維管和連接固定件，“桿”垂直“軸”。下洗氣流的方向，就是弧面的外向法線方向；梁建等[69-70]提出移動式無人機農用噴灑作業風場測試設備及測試方法；并在對水稻品質影響研究中設計了無人旋翼機噴灑作業風場與測試方法，研究無人旋翼機旋翼下洗氣流場；胡煉等[71]為了實現田間多點、多風向、可移動、實時采集無人直升機旋翼氣流在作物冠層所形成的風場相關參數，設計了一種風場無線傳感器網絡測量系統，李繼宇等[72-74]提出2種不同的適用于無人機的立體風場測量系統及其使用方法和一種零點可調的動壓式風速測量裝置；蘭玉彬等[75]模擬無人機室外飛行環境提出一種帶檢測功能的無人機測試風房；李誠龍[76]結合旋翼動力學模型給出多旋翼無人機在高空飛行風場環境下的仿真建模方法，在半實物仿真環境基礎上，結合對飛行試驗過程中的數據分析，討論了飛行過程中海拔高度變化引起的空氣密度改變對旋翼氣動特性的影響；楊璐鴻[77]對縱列式六旋翼大載荷無人機氣動特性數值進行了模擬及優化研究；廣東華南農業航空工程研究院提出了一種檢測旋翼無人機氣動特性的裝置及檢測方法[78]。綜上，學者主要對機體氣動特性和旋翼氣流的檢測方法提出了各自見解。

3.3.2 對靶沉積量

Lan等[79]通過對霧滴、沉積量、順風漂移量和液滴在棉花冠層光譜特征4種因素，收集水敏紙和聚酯薄膜卡的測量，分析出沉積量、霧滴大小、霧滴覆蓋率，漂移距離和處理手段或制劑高度相關；廖娟等[80]研究不同因素條件下的霧滴分布情況，為航空噴施作業時選擇相對合適的噴嘴型號、噴霧壓力、噴施角度、作業高度、作業速度、藥劑配方及藥劑濃度的選擇提供參考，提出了作物航空植保技術規程中作業參數的優選及評價方法；中國農業大學張京等用紅外熱像儀與無人機聯用測試噴霧前、后作物冠層溫度，通過溫度變化率反映霧滴在水稻冠層的沉積效果。以霧滴沉積量與冠層溫度變化率為評價指標得到的結果一致，紅外熱成像技術可以準確反映霧滴在水稻上的沉積規律[81]；王昌陵則提出了一種無人機施藥霧滴空間質量平衡測試試驗方法，并且使用該方法對3種無人機進行了田間實際試驗研究，可以有效獲得準確飛行速度和高度下無人機施藥霧滴空間分布情況和下旋氣流場分布情況[82-83]；北京市植物保護站技術人員在順義科技展示基地，針對3種旋翼無人機，開展了最佳作業參數、相應有效噴幅、作業效率的測定，以及適用農藥劑型比較[84]；許童羽等[85]發現植保無人機低空噴霧在水稻垂直方向的霧滴覆蓋率存在顯著差異，有效噴幅內旋翼下方區域的霧滴覆蓋效果最好，而遠離旋翼的位置，霧滴覆蓋率較差。上述研究顯示，通過地面沉積量來間接驗證霧滴空間運動情況是目前使用最多的一種手段。

3.3.3 脫靶飄移

秦維彩等[86]為了找出多旋翼無人機噴灑農藥時影響農藥沉積的因素及其影響程度，提高霧滴在靶標上的沉積水平，在單因素試驗的基礎上，采用Box-Benhnken的中心組合試驗設計理論對施藥機具的噴霧參數進行研究；薛新宇則研究了航空噴灑霧滴沉降飄移規律、農藥植株沉降附著基本特性、低量高濃度噴灑劑型對水稻安全性；進行室內及田間噴灑試驗驗證[87]；陳盛德等[88-92]以HY-B-10L型單旋翼電動無人機搭載北斗定位系統UB351繪制作業軌跡，以質量分數為5‰的麗春紅2R水溶液模擬生長調節劑噴施沉積情況，以圖像處理軟件DepositScan、對比人工、有效噴幅的角度來分析靶區和非靶區的霧滴沉積參數得出霧滴的沉積分布與飄移結果，蘭玉彬等[93]提出一種農用無人機噴霧防漂移裝置及其使用方法；中國農業大學王瀟楠等研究油動單旋翼植保無人機在精準作業參數（速度、高度）條件下的霧滴飄移分布特性，建立了霧滴飄移收集測試平臺，分別用霧滴飄移測試框架、等動量霧滴收集裝置和培養皿收集3WQF80-10型油動單旋翼植保無人機在作業時空中及地面飄移的霧滴[94-95]。

3.3.4小結

國內外學者聚焦旋翼氣流及靶標沉積與飄移問題已經展開了大量研究工作，增加霧滴沉積，減小霧滴漂移。但大部分方法都是通過改變機載噴施參數，然后觀察噴施效果的間接手段來描述霧滴空間運動狀態，能夠知道霧滴沉積了多少和飄移了多少，但并不知道其本質原因，缺乏對旋翼氣流具體形態的直接分析，缺乏能夠指導施藥實踐的霧滴運動模型，2016年由華南農業大學主持的國家重點研發計劃“地面與航空高工效施藥技術及智能化裝備/2016YFD0200700”中涉及到旋翼氣流及霧滴空間運動狀態相關研究[96]；在中國農業工程學會2017年學術年會農業航空分會場上，也有該項目參與單位做了相關研究進展報告[97]，期待進一步深入研究內容見諸報道。

另旋翼無人機作業系統從旋翼氣流特征、霧滴運動目的來看，更類似于一個“會飛的”風送式噴霧系統。除了噴施角度、機體位置、噴施量[98]等參數不同外，最大的區別在于該系統的風送氣流來源于旋翼對空氣的反作用力，而該作用力決定了無人機的飛行高度與飛行速度。故借鑒風送式噴霧系統的研究成果，深入研究無人機的飛行參數（高度、速度等）與霧滴空間運動狀態的關系也是未來旋翼無人機作業體系的重要研究方向。

3.4 霧滴作物擴散研究

霧滴經旋翼氣流“風送”的最終目的地是作物，大田不同作物植株對旋翼氣流的作用表現不一，如水稻、小麥等禾本科莖葉小穗形態適合風媒，會迎風飄揚[99]。此時霧滴擴散需要考慮2個問題，一是氣流與作物植株之間的互作關系，二是霧滴在氣流下對作物植株的附著能力。

3.4.1 氣流與作物互作研究

李繼宇等[100-101]提出旋翼所產生氣流到達作物冠層后形成的風場也有較大差異，對應的風速、風向和風場寬度等參數對作業效果均不同，單軸單旋翼與圓形多軸多旋翼的旋翼氣流在水稻冠層形成的風場分布就各不相同，冠層平面風場的覆蓋寬度、風場內各方向風速的大小以及風場的分布規律將會直接影響到農用無人機田間作業效果[102]，還對旋翼無人機風場下花粉在水稻冠層處的分布規律做了總結與研究[103]；徐文彬等[104-105]研究大載荷植保無人直升機近地飛行時下洗流場的特征，建立了FR-200植保無人機三維實體模型，并對計算區域進行網格劃分，采用SSTk-ω湍流模型計算了大載荷植保無人直升機近地飛行流場，植株冠層處風場隨著飛行高度的降低，風場寬度增加，獲得較佳的飛行高度為H=4 m。王森[106]則試驗研究作物不同冠層高度的沉積率變化，垂直風場及飛行氣流對霧滴在冠層的穿透性沉積影響；李中秋等[107]分析了氣流作用下植株受力及氣力作用層下層的花粉運動情況，對氣流不同作用位置產生的彎曲變形進行了對比分析，從花粉的分散密度、水平分布、豎直分布3個方面評價氣流作用位置對花粉分布的影響效果。

3.4.2 霧滴附著植株研究

王景旭等[108]探討在溫室環境中用氣流輔助方式噴施農藥時，施藥對象（靶標）周圍的流場對霧滴飛行軌跡及霧滴附著行為產生的影響；王志強等[109]結合氣力霧化、風送和靜電的彌霧技術增強了霧化效果，提高了霧滴的均勻性和吸附性；董祥[110]對霧滴撞擊植物葉面過程試驗測試及仿真的研究增加農藥噴霧液滴在植物葉面上的附著率，減少霧滴的滾動或濺射，使之在葉面上穩定沉積；張鐵等[111]發現風幕式施藥技術能夠有效提高霧滴在大豆冠層中的穿透性和分布均勻性，增加霧滴在植株各冠層葉片背面的附著率，但霧滴的地面流失率相對不使用風幕有所增加。

霧滴附著參數快速獲取方面，張瑞瑞等[112-113]基于變介電常數電容器原理設計霧滴沉積傳感器及檢測系統，由此實現對航空施藥中霧滴地面沉積量的快速獲取；蔡坤等[114]提供一種農藥霧滴沉積與蒸發檢測裝置及方法，當霧滴沉積到共平面插指式電容器表面時，電容值變大，而當霧滴蒸發時，電容值逐漸變小恢復至初始狀態值；李繼宇等發明了一種田間顆粒物作業參數實時檢測裝置及其方法[115]；吳亞壘等[116]提出一種基于駐波率原理的叉指型霧滴采集極板結構。應用三維電磁仿真軟件HFSS對系統進行電磁仿真結果表明，叉指型極板內部出現了靜電屏蔽，極板間通過霧滴能夠實現電磁耦合，可用于霧滴沉積量檢測，系統靈敏程度將隨著極板間距的增大而減小。

薛新宇等結合國家863項目“水田超低空低量施藥技術研究與裝備創制”研究內容，對9種水稻常規農藥及劑型對表面潤濕展布性能展開研究[87]；周曉欣[117]選用不同種類噴霧助劑進而探索篩選出一種能夠抗蒸發，抗飄移，潤濕性好的飛防專用噴霧助劑，從而減少蒸發飄移產生的藥害問題；楊帥[118]則分別使用WSZ-2410型、VH-2型、EH-3型及TXC-8-5-0-1型無人機噴灑霧滴蒸發問題進行了探索。

3.4.3小結

相對于農藥轉換霧滴和霧滴空間運動，霧滴擴散過程研究相對較少，尚未得到足夠重視。現有研究中，華南農業大學對旋翼氣流在水稻冠層上分布規律做了大量研究，但未見實質體現旋翼氣流與作物之間互作關系的報道；而在氣流環境下霧滴在植株上附著性能的研究報道基本來自于風送式果園研究領域，這與旋翼無人機氣流環境存在本質區別。另外，霧滴在氣流環境中在葉面上的潤濕展布及蒸發的機理研究有待深入。由此可見，該領域具備研究潛力，尚存在大量的基礎性問題需要廣大學者做出進一步探索。

3.5 施藥作業方法研究

施藥作業方法是通過對無人機機體及機載裝備的控制，實現農藥-霧滴的轉化，達到霧滴精準抵達作物靶標的目的。施藥作業方法目前也是企業、科研院所研究的熱點，近2年研究成果數量增長很快，展現出許多新思路和新方法。主要包括機體控制與導航、噴施量控制和作業模式3個方面。

3.5.1 機體控制

在旋翼無人機控制系統與噴灑系統結合的算法設計方面，Fai?al等[119]考慮到具體作物特征和無人機機械結構，提出了微調設置控制規則的進化算法；李繼宇等[120-121]分別設計了四旋翼無人機的慣性測量系統，在測試翻滾角誤差小于0.5o時確定融合算法權重系數K為12，利用PID閉環控制實現3 m高度懸停飛行的偏移誤差不超過5 m；劉浩蓬[122]發現傳統PID控制算法在調試穩定后只在飛行器結構參數固定時具有較好的控制品質，而在外界環境干擾較大或者飛行器自身機構特性發生改變時的控制品質較差，基于模糊PID控制的四軸飛行器，能夠在線優化控制系數，具有很好的抗干擾能力；孫策等[123]以ARM9為控制核心，設計遙控器或PC計算機為交互設備的無人機農業值保系統；蔡紅專等[124]同時采取了模塊化設計思路，便于調試和測試，采用了導航級和控制級兩級PID控制方式設計了農用噴灑無人直升機飛控系統；李永偉等[125]將六旋翼植保無人機各個傳感器的測量參數輸入到模糊自適應PID算法中，可以得到對應的控制量，實現飛行器穩定運行；丁力等[126]提出了一種基于線性自抗擾控制（LADRC）算法來實現航向通道高性能控制方法，能夠使Trex-600型無人直升機的航向角快速、精確地跟蹤參考軌跡。牟濤等[127-128]分別基于Pixhawk開源飛行控制系統的基礎上，開展了對植保無人機控制系統的研究，驗證了Pixhawk飛行控制的穩定性與可靠性以及與噴灑系統間串口通信的可行性；苑進等[129-130]提出了一種植保無人機的自主飛行控制，鉛垂升力與水平推力的驅動解耦保證控制系統的簡單可靠，并提出了一種植保無人機專用飛控系統。機體控制方法從PID參數整定到開源飛控Pixhawk研究，從進化算法到驅動解耦，多種方法反映出該領域的研究熱度。

除此之外，在旋翼無人機作業的定高、定位、監測、避障方面，盧致輝等[131]設計了一種基于植保無人機超聲波可控定高作業系統則使植保無人機實現自我調節并可以實現可控高度；龍文等[132]針對負載發生變化時無人機的高度控制會出現不穩定現象，采用了基于氣壓計和加速度計卡爾曼濾波融合的高度測量系統，并設計了一個雙閉環PID控制加前饋控制的高度控制器；袁玉敏[133]為提高農業植保無人機的定位精度基于GPS和GPRS，設計混合農業植保無人機高精度定位系統可以有效地彌補GPS在復雜環境的定位不足；盧璐等[134]基于RTK技術結合北斗衛星導航系統優化了植保無人機飛控系統，大幅度提高了航線飛行精度；張昆等[135]為了實現無人機飛行狀態信息的自動化采集和性能評估，設計了基于 Labview的無人機飛行狀態實時監測評估系統，能夠用于實時監測、圖形化顯示、評估和記錄無人機飛行狀態信息；楊澤等[136]基于Django架構構建了一個用于監聽無人機的各種信息服務器端系統實時監聽端口數據，采集農業植保無人機實時回傳的定位信息、各個傳感器以及重要組件的工作狀態信息；張遜遜等[137]將無人機與障礙物的相對運動速度引入到人工勢場中，給出基于改進人工勢場的避障控制算法；肖儒亮[138]采用開源飛控APM，避障控制系統采用開源模塊Arduino mega2560，避障測距系統采用超聲波測距模塊US-016，提出了避障系統控制策略并進行軟件設計。

3.5.2 噴施量控制

Zhu等[139]早在2010年設計了一種脈沖寬度調制（PWM）控制器，基于TL494固定頻率與數據采集板的精細農業噴霧器，使用LabVIEW 8.2在實驗室中進行分析，PWM控制器具有較高的精度噴霧技術的應用前景，提高農藥的應用效率；Xue等[140]采用高度集成、超低功耗MSP430單片機設計具有獨立功能的模塊，設計機載自動控制噴霧系統，在自主規劃路線的模式下，取得了噴霧均勻性優于超低體積噴霧變異系數的標準要求；王大帥等[141-142]設計了基于ARM架構單片機的施藥控制系統，提出基于PWM（脈寬調制）的施藥流量控制方法，采用多傳感器融合技術，實現施藥參數的實時動態監測；廣州極飛科技有限公司公開了一種噴灑控制裝置，微控制器根據流量檢測信號獲取水泵輸送液體的實時流量值，并根據實時流量值調節水泵電機的轉速，從而準確控制流過水泵的液體流量[143]；無錫漢和航空技術有限公司提供一種無人機噴灑農藥的作業方法根據不同農作物的特點、農藥種類、農藥稀釋比例、單位面積的噴灑藥量并結合無人機的飛行速度，精確計算出液泵控制電壓，實現對噴灑流量的精確控制[144]；徐旻等[145-146]提供一種基于流量動態預測的無人機噴灑控制系統及方法；蘭玉彬等[147-148]提出了一種適用于無人機的變量噴施系統以及噴施系統自動調節裝置和方法；王玲等[149-150]設計了微型無人機脈寬調制型變量噴藥系統，基于LabWindows/CVI的地面測控軟件，采用頻率為10 Hz、占空比可調的脈沖信號經無線數傳模塊遠程控制機載噴施系統，以ARM Cortex-M3系列的STM32F103VC微處理器為核心，接收地面控制信號實時調節電動隔膜泵電動機轉速，以改變系統噴霧壓力和噴藥量，實現變量噴霧調節。廣大學者集中對PWM流量控制及智能控制方法的研究凸顯該方法的重要性。

3.5.3 作業模式研究

BS Fai?al,FG Costa根據田間無線傳感器的實時反饋，評估無人機和WSN之間的通信消息數目的影響，利用傳感器反饋信息對線路進行調整的作業模式可顯著減少農藥和化肥的浪費[151]；Costa等[152]也有類似田間傳感器作業模式研究；Heimfarth等[153]則將無人機視為無線節點之間的連接者；Wang等[154]提出了一種低空多平面編隊組成的各種功能模型的無人機作業模式。

彭孝東等[155]為了得到在無導航目視遙控模式下農用無人機的直線飛行特性、檢驗農田作業航線的人為即時規劃情況和評價實際作業質量及效果，設計了基于GPS的坐標采集無線傳輸系統；王林惠等[156]也研制一種基于圖像識別的無人機精準噴霧控制系統；徐博等[157-158]為盡可能地減少飛行總距離和多余覆蓋面積，節省無人機的能耗和藥液消耗，研究了一種基于作業方向的不規則區域作業航線規劃算法；同時利用柵格法對工作區域進行劃分，在以作業架次數最少為約束條件的情況下，研究了一種多架次返航路線規劃算法[159-160]。張喜海等[161-162]提出了一種基于無線傳感器網絡的植保無人機噴施作業方法以及一種農用植保無人機來回往復噴施過程中的轉彎路徑飛行控制方法、裝置及無人機；王宇等[163]運用柵格法構建環境模型，根據實際的作業區域規模、形狀等環境信息和無人機航向，為相應柵格賦予概率，無人機優先選擇概率高的柵格行進，實現了在形狀不規則的作業區域內進行往復回轉式全覆蓋路徑規劃；楊澤等[164-165]設計一種高效可靠的無人機植保作業電子圍欄模式，能夠實時檢測無人機是否越界，并在有越界風險時及時發出預警；肖儒亮等[166]設計的一種農用無人機噴灑系統以四旋翼無人機為平臺，則是利用無線傳輸技術最終實現噴灑系統的液位高度測量、液位臨界點報警、水泵自動關閉等功能；張茂林[167]基于梯田特點，建立梯田覆蓋區域模型，結合激光測距儀和多路超聲波傳感器針對梯田環境模型設計了全區域遍歷法，仿真實現了梯田的全覆蓋路徑飛行。

3.5.4小結

旋翼無人機大田作業首先要控制機體飛行穩定，其次要控制機載噴施設備做變量噴灑，最后結合兩者需要對飛行軌跡及參數進行規劃。圍繞這一主線，施藥作業方法已成為廣大學者研究的熱點，近年來不斷涌現出新的方法。但圍繞旋翼無人機的氣流作業特征，特別是針對旋翼氣流規模大小的控制問題和方法，尚未見報道。這需要充分認識到旋翼氣流在植保旋翼無人機作業體系中的核心地位，并對直接反映氣流作業效果的飛行參數及噴施參數進行融合機理研究。

4 亟待解決的問題及建議

綜上所述，國內外學者聚焦旋翼無人機大田植保作業，對機體架構、藥箱及其技術、噴頭噴嘴系統與方法、旋翼氣流檢測裝置與方法、霧滴沉積、飄移和附著參數、機體控制、噴施控制、路徑規劃等方面展開了大量研究，逐步形成了農藥裝載搬運-農藥轉化霧滴-霧滴空間運動-霧滴作物擴散及施藥作業方法的大田氣流作業研究體系。然而，考慮到旋翼植保無人機氣流作業特征及其核心作用，總體來看，作業體系中現有研究仍然存在著研究內容不均衡、不深入，作業參數關聯性不強和作業模式無法直接表征作業效果等亟待解決的問題。

4.1 旋翼無人機作業體系內容研究不均衡，機理研究不深入

從作業體系整體來看，五要素之間存在內在因果聯系：①農藥裝載搬運與②農藥轉化霧滴過程發生在空中機體部位，也是⑤施藥作業方法中能夠控制到的地方；④霧滴在作物上的擴散發生在地面冠層，而聯系空中機體控制與地面作業效果之間的紐帶即為③霧滴空間運動過程，體系中五個部分要素相輔相承，互為作用，缺一不可。而現階段②與⑤是被多數學者研究的熱點，盡管涌現出一些新的思想與方法，但一些經典的控制方法存在簡單重復的研究報道；①的研究水平主要體現在植保無人機企業制造的機體，研究院所則缺乏相關深入的研究進展報道；③與④更多的聚焦于霧滴沉積性能方面的研究，這與研究手段和實驗工具較易滿足存在一定關系，其他諸如飄移性能、氣流規律和附著性能的研究報道甚少。這種研究不均衡的現象與近年農用無人機專利申請集中于上述幾個熱點[168]的趨勢保持一致，需要學者們對尚未形成熱點的要素深入思考，補充相關研究，構成完整的旋翼無人機作業體系研究鏈。

同時，在已經形成熱點的要素研究中，圍繞旋翼無人機氣流作業特征，仍有許多需要進一步深入研究的科學問題，比如要素①中根據旋翼產生氣流規模如何合理分配載質量與控制資源的問題，要素②中旋翼氣流環境下霧滴與噴頭或噴嘴脫離過程中狀態的變化機理，要素③中無人機飛行參數（高度、速度等）與霧滴空間運動狀態的關系，要素④中實質性反映旋翼氣流與作物冠層互作關系的機理，要素⑤中直接反映氣流作業效果的飛行參數與噴施參數的融合問題，上述問題都是亟需深入展開研究的基礎科學問題。基礎問題的研究是工程實際應用的前提，2016年、2017年國家自然科學基金批準資助的項目中已經出現了涉及上述部分基礎問題的研究課題[169]，但仍需要廣大學者積極對基礎研究投入大量精力。

4.2 旋翼無人機作業參數關聯性不強，大田試驗條件精準性有待提高

旋翼無人機在田間低空作業時，飛多快，飛多高，載質量多少，藥液流量應該是多少？針對這些作業參數的試驗與研究已不少見，例如在“3種旋翼無人機的最佳飛行作業參數測定”研究表明，“飛行速度—飛行高度”分別為3 m/s—3 m、2 m/s—2 m、3 m/s—1 m；單組動力最佳作業效率分別為1.88、0.41、9.72 hm2[84]，此類研究方法是預先選定離散的無人機作業參數來甄別作業效果；又例如“一種無人機施藥霧滴空間質量平衡測試試驗方法”研究表示，在平均風速1.7 m/s、平均氣溫31.5℃、平均相對濕度34.1%的條件下，飛行高度2.5 m、速度5.0 m/s時，3WQF80-10型無人機噴霧作業霧滴在上風向部、頂部、下風向部和底部的平均分布比例為4.4%，2.3%，50.4%和43.7%[82]，此類研究思路則為滿足一定作業效果后分別測定出對應的無人機作業參數。總體來看，現有無人機作業研究方案普遍缺乏作業參數之間關聯性的深入研究，研究結論可以回答出“需要飛多快，需要飛多高”的問題，但尚不能夠回答“為什么飛這么快并且飛這么高”的問題。該問題的回答需要在旋翼無人機完整作業體系下尋找出反映作業參數內在關聯性的典型物理特征。

精準實施旋翼無人機大田試驗并不容易，首先無人機的作業參數需要精準收集。許多研究報道中獲取無人機的飛行高度、飛行速度等參數數據的精度不夠高，甚至有些是通過估測得來的，由此得到的參數無法體現出實際作業效果；其次田間霧滴參數收集手段精準性需要提高，以水敏紙為代表的霧滴采集卡存在易變色、潮濕環境敏感的問題，如果采樣點數量多，每次收集的樣本容易產生數據不一致的情況；最后則是田間自然風的影響，旋翼無人機主要依靠氣流特征作業，而往往作業過程中自然風直接干擾到旋翼氣流分布，而現階段研究報道中少見對自然風的合理處理方式。今后的旋翼無人機大田試驗需要努力避免上述問題，需要大力發展適應于旋翼無人機的田間測量傳感器技術及提高測量精度，得到精準可靠的試驗數據。

4.3 旋翼無人機作業模式無法直接表征作業效果，高精度飛行參數難轉化為作業參數

旋翼無人機田間作業時協同制定各項作業參數的策略是什么？以旋翼無人機施藥作業為例，在“基于目視遙控的無人機直線飛行與航線作業試驗”中指出根據田塊實際大小智能優化并生成作業航線的自主飛行作業模式是未來農用無人機進行精準作業的發展方向[147]；在“基于無人機航向的不規則區域作業航線規劃算法與驗證”中基于作業方向采用算法進行航線規劃，無人機作業的多余覆蓋率最低可達到11.5%[157]；同時在“多架次作業植保無人機最小能耗航跡規劃算法研究”中以作業架次數最少為約束條件，相比于僅以藥液耗盡為返航依據的航跡規劃，能耗節省率達到了12.89%[158]。上述以田塊大小、作業方向和作業架次為視角，以覆蓋率、能耗為指標的作業模式難以直接體現出實際噴施效果。

而廣州極飛科技有限公司推出的P20系列四旋翼無人機則強調采用GNSS RTK（載波相位差分技術）讓航線飛行精度達厘米級，為精準噴灑提供條件[170]。該作業模式聚焦于機體飛行精度，能夠體現出飛行效果，卻無法直接體現噴灑霧滴附著在作物冠層的作業精度和效果。

聚焦旋翼無人機的氣流特征，尋找出能夠直接表征出作業效果的具體氣流特征的物理參數，將有助于旋翼無人機精準作業模式的提出，同時幫助將無人機作業系統中的精準定位目標從機體本體轉移到作物靶標，切實提高旋翼植保無人機的大田作業效果。

5 結論與展望

近年隨著小型無人機在農業航空上的迅猛發展，旋翼植保無人機大田施藥作業作為精準農業航空體系中非常重要的一個環節，吸引了眾多學者的目光，涌現出許多研究成果。然而，對于旋翼無人機大田的作業特征：旋翼氣流的研究并不多見。旋翼氣流本質上是旋翼無人機大田作業體系中制約機體飛行參數以及決定地面作業效果的重要作業參數，對無人機田間作業體系研究具有基礎意義。

現有研究中圍繞農藥裝載搬運-農藥轉化霧滴-霧滴空間運動-霧滴植株擴散-施藥作業方法的旋翼無人機大田作業體系，尚存在大載質量特點機體資源配置問題、霧滴物理與運動狀態的變化機理、飛行參數與霧滴運動狀態的關系、旋翼氣流與作物冠層互作機理、飛行參數與噴施參數的融合等基礎科學問題需要進一步深入研究。也存在旋翼無人機作業參數關聯性不強，大田試驗條件精準性有待提高以及作業模式無法直接表征作業效果，高精度飛行參數難轉化為作業參數等實踐問題亟需解決。

未來研究需要重視旋翼氣流在旋翼無人機施藥作業體系中的核心紐帶作用，進一步探尋出旋翼控制、載質量性能、作業參數三者之間的內在規律；進一步探尋出旋翼氣流與霧滴運動之間的本質關系；進一步探尋出旋翼氣流與作物植株之間的互作關系將是上述問題的解決思路；加強對旋翼無人機大田施藥作業體系的基礎科學問題凝練與工程實踐問題探索將是上述問題的解決途徑；尋找出能夠直接反映氣流作業特征的各種物理參數將是上述問題的解決方案。

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