飛行器進行藥物噴灑的使用效果分析

馮 玲 劉 貝 歐 建

（荊楚理工學院 湖北荊門 448000）

隨著無人駕駛技術的不斷發展，無人駕駛飛行器也在迅速發展，此種飛行器包括直升機、旋翼式飛行器、軟式飛行器等。我國是農業大國，農業進出口貿易總額位居世界前列，近年來呈現上漲趨勢，但傳統農業的作業方式已經無法滿足飛速發展的現代化作業需求。將飛行器技術和農業現代化相結合，能夠提高勞動生產效率，提高農產品產量，降低勞動成本，從本質上提升我國農業發展水平[1]。旋翼式飛行器因噪音小、低速飛行等優勢，近年來逐步被應用于農業生產過程中。鑒于此，文章研究了飛行器技術在農業生產中的具體應用[2-3]。

1 多旋翼飛行器組成及優缺點

1.1 組成分析

多旋翼飛行器主要由動力系統、控制系統、旋翼、導航系統、電子調速系統等結構組成。多旋翼飛行器的核心部件是動力系統，動力系統構成飛行平臺，一般動力系統由4、6、8、10 個旋翼構成，各個旋翼的分布一般按照前后左右四個方向，呈對稱方式分布。旋翼的高度在同一水平面，且結構和半徑均相等，無刷電機驅動螺旋槳組成單組旋翼動力系統[4]。此外，四個電機采用對稱方式固定在機架的支架部位，支架內部放置飛行器的控制系統和其他輔助設備。

1.2 優缺點分析

多旋翼飛行器優勢明顯。飛行過程中因其依靠高能電池對其供電，因此噪音較小，進行農業施工任務時，能最大限度避免對周邊環境造成噪聲污染；安全可靠且穩定，能夠降低安全事故發生的概率，且對起降的環境要求很低，跑道的距離只要滿足幾十米即可；操作培訓簡單，對于多旋翼飛行器的操作人員要求低，一般兩天即可學會所有操作技能，可獨立駕駛；在機器的維護方面，由于其結構簡單，和直升機相比維護所需成本小，流程相對簡單。但是多旋翼飛行器也存在缺點[5]。在移動速度上，多旋翼飛行器和固定旋翼飛行器不在同一檔次上，所以大多數用于有特殊要求的作業場合。另外，靈活激動性不夠好，雖然安全性比較高，但其靈活性和直升機不能相提并論[6]。如果想要實現垂直起停，就要另外設計更多復雜的結構，安全操控的優勢也會大受影響。

2 系統設計

2.1 控制系統設計

控制系統是飛行器的大腦，其主要作用是通過感知地面信息實現地面與飛行器平臺的交互，以完成對飛行器位置的檢測、遙控，借助導航算法，通過對電動機轉速的調整，實現飛行器飛行參數的計算。其中感知系統主要包括IMU 傳感器、GPS 系統、氣壓高度計、電子羅盤等。

因此，其控制系統的硬件主要包含電機驅動、數據采集感知和傳輸、核心控制模塊等。在系統中，由于底層感知接口較多，因此需要預留多個臨時擴展接口。且由于需要進行的各類參數分析和算法控制邏輯復雜，因此需要選取嵌入式系統作為系統的控制載體，以實現數據的采集分析和飛行的控制。本系統選擇DSP 作為嵌入式系統，芯片選擇型號為TMS320F28335，FPGA 選擇EP3C10，氣壓高度計、IMU、GPS 和電子羅盤分別選擇MPX4115A 氣壓高度計、ADISl6350、LEA-5A、HMC5843 三軸磁傳感器。

2.2 電機系統設計

電動機和驅動器共同組成電機系統，本設計采用直流無刷電機。直流無刷電機是一種典型的一體化產品，具備直流電動機的高效運行特點，且調速性能平穩，沒有勵磁損耗。同時，還具備交流電機運行穩定、維護簡便、結構簡約等特點。其結構可以分為三部分：電機、傳感器和開關電路。轉子是永磁體，定子為可通電的電驅繞組。當三相繞組通電時，則可在轉子周圍產生周期交替變化的磁場，對定子產生驅動力，從而轉動。依照傳統方式，直流無刷電機的繞組控制電流為直流方波。

2.3 運動參數檢測

運動參數檢測主要采用航跡推位算法，一般采用慣性導航法。此種方法大多是通過安裝儀表和陀螺的方式測量載體的角速度和比力，同時采用微積分算法對被測量物體的位置、姿態進行計算。捷聯式慣性導航系統（SINS）是慣性導航的一種，它具有完全自主、全天候工作、機動靈活等特點，可以連續提供包括姿態、速度、位置在內的各種導航參數信息。因其具有性能好、體積小、可隨時使用等特點而被廣泛應用。目前全球普遍應用的定位系統中GPS 系統應用最廣泛，慣性導航和GPS 的深度融合可以實現不同的耦合方式，如深度耦合、松耦合、緊耦合等。

3 多旋翼飛行器在農業中的具體應用

3.1 農作物藥液噴灑

部分農作物，如冬棗等，在其整個生命周期中會受多種病蟲害的威脅，目前在病蟲害的防治過程中大多采用改裝的壓力泵進行噴霧，此種方式需要多人協作配合，在田間對長管進行拖動，勞動強度很大，且效率較低。另外在噴灑過程中，藥液對作業人員的身體健康也會造成不利影響。為解決此問題，文章研究了基于多旋翼飛行器的藥液噴灑技術，使飛行器受遙控控制，在冬棗各個生長階段中進行防治作業，效果明顯，具體應用如下。

（1）地況概述

冬棗樹齡為10年，每株間距為2×3 m，土壤有機質的成分含量為1%，土壤的酸堿度為7.9，肥力高。同時對于土地的管理水平要求高，是專業的合作社制。對其進行統一的施肥、澆水和藥物噴灑等工作。

（2）應用情況

文章采用對比試驗方式，驗證了飛行器在農藥噴灑過程中的作用，從作業時間、藥液噴灑量、附著效果三個方面對飛行器在農藥噴灑中的效果予以驗證，對照組仍然采用噴灌方式進行。本試驗中飛行器和噴灌分別噴灑1 400 m2區域，噴灑時間分別為萌芽、開花、結果三個時期。

3.2 應用結果分析

根據上述內容，文章從藥量消耗、作業時間和藥物附著率三個方面對飛行器在藥物噴灑中的執行效率加以分析，具體結果如下。

（1）藥量消耗

通過對三個階段藥量消耗的分析，萌芽期、開花期、結果期飛行器的藥量消耗分別為：73 L、76 L、78 L，而噴灌法消耗的農藥量分別為：693 L、810 L、915 L。由此可知，通過改進噴灑方式，農藥的消耗量分別降低：620 L、734 L、837 L，大大降低了農藥的使用量，節省了管理成本。

（2）作業時間

文章采用單位面積作業時間來衡量農藥噴灑效率。通過測算，采用飛行器方式進行藥物噴灑，三個階段所需時間分別為49 min/hm2、51 min/hm2、53 min/hm2，而采用噴灌方式，其作業時間分別為277 min/hm2、320 min/hm2、340 min/hm2。在這三個階段，藥物噴灑節省的時間比例均達到80%以上。

（3）藥物附著率

文章選取高度具有代表特點的3 株冬棗，在每株上、中、下、底四個部位，等高平面內均布12 個采樣點。利用試紙卡方式，檢測霧滴在紙卡上的噴灑情況，最后利用指數法對附著率進行計算。對附著率分5 個等級，0 級為無附著，1 級為覆蓋10 %，3 級為覆蓋10 %～20 %，以此類推。最終將每級的總卡數×等級指數作為分子，總卡數作為分母，計算附著率。

經分析可知，由于在萌芽期，冬棗的葉片還未長出，飛行器的藥物噴灑效果較好，在中部和下部的藥物附著率均比上部高，中部、下部和上部的附著率分別為97.53%、82.72%、40.74%，這與飛行器的下降氣流有關。開花期，上、中、下、底四個部位的藥物吸附率分別為55.43%、56.48%、62.34%、94.25%。由于噴灌方式，所有紙卡全部變色，無法進行統計，因此不具備比較價值，在此不再贅述。

3.3 其他應用

除農藥噴灑外，飛行器還用于農田信息獲取等場景。傳統農田信息獲取方式受人力成本和周期的限制，加之我國地貌復雜，作物品種多，因此采用飛行器方式采集農田信息有著更廣闊的前景。同時使用飛行器不受作物品種和區域影響，另外還不會對農作物造成破壞。

4 結論

隨著計算機技術和農業現代化技術的不斷發展，傳統農業在成本和周期等管理上的劣勢逐步顯現出來。為了優化傳統農業各方面的不足之處，提高農業技術現代化水平，大批飛行器被開發出來，并應用于農業作業和農業相關工作中。文章以冬棗的藥物噴灑為例，介紹了飛行器在農藥噴灑中的應用。試驗結果表明，通過飛行器技術有效降低了藥物噴灑過程中的藥物使用量，提升了噴灑效率。盡管在飛行器設計中取得了一些成績，但飛行器的智能化水平和穩定性還有待提升，基于大數據技術的農業作業過程的數據采集、分析和優化工作也是未來的發展方向。另外，隨著5G 技術的發展，基于5G 技術的農業物聯網技術也將是未來飛行器技術在農業發展中的方向之一。