植保無人機(jī)技術(shù)研究

王 猛 陶曾杰 唐 培 瞿雨秋

(湖南信息學(xué)院電子信息學(xué)院，湖南長沙，410151)

1 植保無人機(jī)研究內(nèi)容

1.1 基于運(yùn)載性能分析的無人機(jī)組裝調(diào)試

通過分析植保無人機(jī)的運(yùn)載能力和飛行要求，選購滿足性能指標(biāo)要求的機(jī)翼、機(jī)體、飛控系統(tǒng)和電池等組成模塊，設(shè)計(jì)噴灑系統(tǒng)的安裝接口，完成組裝、調(diào)試與飛行試驗(yàn)，能夠按照設(shè)定路徑和承載進(jìn)行穩(wěn)定飛行。

1.2 均勻噴灑系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于噴灑效果分析，選用霧化性能好的噴頭和液泵；研究噴頭流量與噴灑壓力之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，根據(jù)飛行速度和高度自動(dòng)調(diào)節(jié)液體流量、噴灑角度；采用傳感器和閥門開關(guān)，實(shí)現(xiàn)液位監(jiān)測與控制。

1.3 數(shù)據(jù)傳輸控制

圖1 研究內(nèi)容路線圖

傳輸數(shù)據(jù)分為2部分：飛行數(shù)據(jù)、噴灑狀態(tài)數(shù)據(jù)；工作過程中，無人機(jī)的飛行速度、高度和電池容量等數(shù)據(jù)傳回控制系統(tǒng)，采用組合方式與飛控系統(tǒng)配合使用；液位高度、作業(yè)路徑、斷藥位置等數(shù)據(jù)傳回遙控裝置，通過開發(fā)的系統(tǒng)軟件進(jìn)行分析和控制。

1.4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

以Android為開發(fā)環(huán)境，為植保無人機(jī)設(shè)計(jì)App軟件平臺(tái)，實(shí)時(shí)監(jiān)測無人機(jī)和噴灑系統(tǒng)的工作狀態(tài)；采用手機(jī)或電腦進(jìn)行控制，通過定位獲取作業(yè)區(qū)域的位置信息，判定斷藥位置、電池容量、噴灑高度，設(shè)定作業(yè)范圍和路徑，輸入系統(tǒng)軟件后實(shí)現(xiàn)自主工作。

研究內(nèi)容路線如圖1所示。

2 植保無人機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)研究

植保無人機(jī)主要由陀螺儀、加速計(jì)、地磁感應(yīng)、氣壓傳感器、噴灑、導(dǎo)航、續(xù)航、遙控以及控制器等組成，實(shí)現(xiàn)姿態(tài)穩(wěn)定和控制、任務(wù)設(shè)備管理、應(yīng)急控制功能，組成框圖如圖2所示[1]。

圖2 系統(tǒng)組成框圖

2.1 檢測監(jiān)控技術(shù)

植保無人機(jī)的檢測監(jiān)控技術(shù)主要包括液位監(jiān)測、地面監(jiān)控等。其中液位監(jiān)控主要監(jiān)控藥量不夠時(shí)無藥噴灑繼續(xù)飛行作業(yè)，植保無人機(jī)由于無法獲取上次未噴灑藥物的具體位置造成重噴、漏噴現(xiàn)象，同時(shí)造成藥劑、種子、粉劑等噴灑物浪費(fèi)[1]。要選擇適合植保無人機(jī)質(zhì)量輕、功耗小、精度高、耐腐蝕藥箱液位監(jiān)測方法及裝置。植保無人機(jī)還能檢測藥物噴灑后農(nóng)作物的生長狀況、病蟲害的密度等[1]。在設(shè)計(jì)時(shí)配置高精度液位傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)控藥箱藥量，斷藥時(shí)控制器自動(dòng)報(bào)警，并記錄當(dāng)前航點(diǎn)。

2.2 噴灑技術(shù)

植保無人機(jī)的噴灑系統(tǒng)主要包括藥箱、水泵、軟管和噴頭。噴灑技術(shù)的關(guān)鍵在于要使藥物噴灑均勻、精準(zhǔn)。在設(shè)計(jì)時(shí)可以配置高精度微波雷達(dá)，測量噴灑位置與農(nóng)作物表面的相對(duì)高度，實(shí)現(xiàn)均勻噴灑。植保無人機(jī)從懸停狀態(tài)加速到勻速航行狀態(tài)，又從勻速航行狀態(tài)減速到懸停狀態(tài)，其飛行速度也是一個(gè)變化的過程，飛行速度越快，噴灑的面積也就越大，要做到均勻噴灑，只有做到變量噴灑，即飛行速度快時(shí)，加快噴灑流速，飛行速度慢時(shí)，降低噴灑流速。另外為了確保藥量噴灑過程中無人機(jī)穩(wěn)定的飛行姿態(tài)、強(qiáng)勢的抗風(fēng)性、高安全性能，在設(shè)計(jì)時(shí)利用高速姿態(tài)處理和高魯棒性控制算法來實(shí)施。

2.3 續(xù)航技術(shù)

續(xù)航能力是于植保無人機(jī)性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)。目前，無人機(jī)續(xù)航主要采用電動(dòng)和油動(dòng)2種方式。電動(dòng)植保無人機(jī)的電池可以重復(fù)使用，低碳環(huán)保，使用成本低且輸出功率不受含氧量的影響，但是它的抗風(fēng)能力低、續(xù)航也略顯不足；油動(dòng)植保無人機(jī)雖然抗風(fēng)能力不錯(cuò)、續(xù)航時(shí)間也比較長，但是它的穩(wěn)定性、適應(yīng)性、安全性都比不上電動(dòng)的。針對(duì)這些問題，考慮采用電力供能，通過無線充電技術(shù)續(xù)航，配置高效電源管理模塊，實(shí)時(shí)監(jiān)控電池電量，電量低時(shí)控制器語音報(bào)警，記錄當(dāng)前航點(diǎn)并自主返航。

2.4 導(dǎo)航技術(shù)

導(dǎo)航是按照要求的精度，沿著預(yù)定的航線在指定的時(shí)間內(nèi)正確地引導(dǎo)無人機(jī)至目的地，對(duì)植保無人機(jī)而言，一方面對(duì)噴灑的農(nóng)作物做到精準(zhǔn)噴灑，另一方面當(dāng)中間作業(yè)暫停返回后能在導(dǎo)航記錄點(diǎn)再續(xù)。目前的導(dǎo)航技術(shù)主要有美國的GPS、中國的北斗等，在設(shè)計(jì)時(shí)可以采用GPS或北斗系統(tǒng)的三頻衛(wèi)星導(dǎo)航模塊和信號(hào)融合算法，自主規(guī)劃作業(yè)路線。

2.5 遙控技術(shù)

遙控主要對(duì)植保無人機(jī)機(jī)體實(shí)施控制，遙控方式既可以用專門的遙控器操作，也可以采用手機(jī)終端實(shí)施遙控。

3 植保無人機(jī)發(fā)展方向研究

(1)易操作。植保無人機(jī)操作復(fù)雜，尤其是無人直升機(jī)對(duì)操作手要求更高。隨著植保無人機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，飛行、噴灑等操作會(huì)更加簡單化，以利于使用者上手。

(2)載重增加。目前市面上的植保無人機(jī)載荷維持在5～20kg，載藥量過少會(huì)使經(jīng)濟(jì)效益大打折扣，預(yù)計(jì)未來植保無人機(jī)的載荷會(huì)越來越大。

(3)價(jià)格下降。這是阻礙植保無人機(jī)普及的關(guān)鍵因素之一，國內(nèi)價(jià)格在5萬元以上；隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，植保無人機(jī)成本將下降。

(4)服務(wù)完善。國內(nèi)目前關(guān)于植保無人機(jī)的配套服務(wù)比較滯后。隨著行業(yè)的不斷發(fā)展，維修、保險(xiǎn)等相關(guān)配套服務(wù)也將更加完善和成熟。

4 結(jié)語

植保無人機(jī)具有精準(zhǔn)作業(yè)、高效作業(yè)、環(huán)保作業(yè)等特點(diǎn)，對(duì)于當(dāng)前科技水平還不是太高、科技還沒有普及的農(nóng)產(chǎn)業(yè)來說，植保無人機(jī)能大幅度地加快其發(fā)展進(jìn)程，但是，由于資金、時(shí)間、技術(shù)的問題，植保無人機(jī)的研發(fā)項(xiàng)目還存在許多的節(jié)點(diǎn)，我們還需要更多的時(shí)間精力去攻克。