植保無人機技術(shù)原理及其在作業(yè)中的優(yōu)缺點分析

(額敏縣喇嘛昭鄉(xiāng)農(nóng)機管理服務(wù)站，新疆 額敏 834615)

0 引言

在現(xiàn)代化的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，很多傳統(tǒng)農(nóng)藝步驟的實施方式呈現(xiàn)多樣化特點，植保無人機在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用就是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式變革的典型代表。利用化學(xué)藥劑進行病蟲害防治是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要技術(shù)手段，一直以來農(nóng)藥噴施機械的研究與應(yīng)用都是農(nóng)業(yè)機械研究的重點內(nèi)容，近年來隨著無人機技術(shù)的快速發(fā)展，植保無人機在我國農(nóng)業(yè)植保中的應(yīng)用逐漸增多。植保無人機以其作業(yè)的便捷性和植保的高效性受到了越來越多農(nóng)民的青睞，且相對于傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)植保方式，植保無人機的自動化和功能優(yōu)勢也十分明顯，因此植保無人機在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用具有重要研究價值。

1 植保無人機技術(shù)發(fā)展情況

現(xiàn)階段，我國農(nóng)業(yè)植保作業(yè)總體上看技術(shù)實力還比較落后，大多數(shù)地區(qū)的植保方式仍以手動噴霧器與拖拉機配套背負式機動噴霧器作業(yè)為主，半自動化的人力作業(yè)模式仍占據(jù)著較大比例，拖拉機配套大型噴霧設(shè)備的作業(yè)比例仍顯不足[1]。尤其是在高稈作物生長的中后期，往往存在著植保機械作業(yè)難度大的問題，通常只能采用人工噴施進行植保作業(yè)，相對而言人力植保存在著危害健康、農(nóng)藥噴施不均勻、覆蓋不全面等問題。植保無人機在我國農(nóng)業(yè)機械市場上的興起約在2014年左右，主要以多旋翼植保無人機為主，現(xiàn)階段的植保無人機作業(yè)發(fā)展速度較快，很多先進的植保無人機設(shè)備紛紛應(yīng)用到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，例如，大疆T系列植保無人機和極飛P系列植保無人機在農(nóng)用無人機市場上占據(jù)著較大的比例。但總體來看，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對無人機植保作業(yè)的認識還不充分，無人機在農(nóng)業(yè)植保作業(yè)方面的推廣與普及還有很多的工作要做。

2 植保無人機的結(jié)構(gòu)與原理

2.1 植保無人機的基本結(jié)構(gòu)

農(nóng)用植保無人機的基本結(jié)構(gòu)主要包括了飛行系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、噴藥系統(tǒng)、監(jiān)測系統(tǒng)等幾大部分(圖1)。其主要工作部件包括無刷電機與槳葉、高霧化噴頭、輸藥管路、藥液泵、GPS終端、飛控系統(tǒng)等。現(xiàn)代化的植保無人機在作業(yè)時能夠利用高霧化噴頭實現(xiàn)高精度農(nóng)藥噴施作業(yè)，并利用GPS和視覺系統(tǒng)的共同作用實現(xiàn)自動化農(nóng)藥噴施作業(yè)。

1.槳葉；2.槳葉支臂；3.無刷電機；4.飛控系統(tǒng)；5.藥液箱；6.電池；7.藥液泵；8.輸藥管路；9.噴藥桿圖1 植保無人機的基本結(jié)構(gòu)

2.2 植保無人機的工作原理

2.2.1 無人機的飛行控制原理

農(nóng)用植保無人機多采用4旋翼、6旋翼、8旋翼等布局，分別能夠?qū)崿F(xiàn)升降、翻滾、俯仰、偏航等動作功能。以4旋翼植保無人機的結(jié)構(gòu)為例，說明無人機飛行動作的控制原理。

(1)無人機的升降動作需要四個電機同時調(diào)整轉(zhuǎn)速，以調(diào)整垂直升力的大小，當(dāng)垂直升力大于無人機重力時，植保無人機則實現(xiàn)上升動作，當(dāng)垂直升力小于植保無人機重力時，則實現(xiàn)下降動作(圖2a)。(2)當(dāng)植保無人機前后兩側(cè)的電機轉(zhuǎn)速進行調(diào)整，而左右兩側(cè)電機轉(zhuǎn)速維持不變時，若前方電機轉(zhuǎn)速增加，后方電機轉(zhuǎn)速降低，則實現(xiàn)上仰動作，反之實現(xiàn)下俯動作(圖2b)。(3)與仰俯動作類似，當(dāng)前后方向電機轉(zhuǎn)速不變，左右兩側(cè)電機呈現(xiàn)速度增減時，則實現(xiàn)無人機的翻滾動作(圖2c)。(4)當(dāng)植保無人機進行偏航運動時，兩對角線上相同轉(zhuǎn)向的電機轉(zhuǎn)速同時進行調(diào)整，使前后或左右方向同一對角線的電機產(chǎn)生反轉(zhuǎn)，無人機受到飛行過程的反扭力使機身重心沿順或逆時針轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)偏航運動(圖2d)。

圖2 植保無人機飛行控制原理

2.2.2 植保噴施工作原理

無人機的藥物噴施工作主要依靠GPS技術(shù)與噴灑系統(tǒng)配合完成，通過GPS定位實現(xiàn)飛行速度的合理控制，再輔以科學(xué)的農(nóng)藥噴施量，則能達到最佳的藥物噴施效果。在進行植保作業(yè)時，無人機在距田間一定距離的平坦位置起飛，到達預(yù)定工作的起點位置后開啟噴灑系統(tǒng)，并按照預(yù)設(shè)軌跡飛行，執(zhí)行農(nóng)藥噴灑工作。正常情況下，無人機呈勻速直線飛行，并均有合理的飛行行間距，當(dāng)遇到障礙物或信號干擾時，無人機實施自動避障或停噴懸停預(yù)警，待異常狀態(tài)解除后無人機可實現(xiàn)斷點續(xù)噴功能[3]。當(dāng)作業(yè)過程遇到農(nóng)藥不足或電量不足時，無人機執(zhí)行自動返航功能，并在更換電池或補充藥液后飛回原位置，執(zhí)行斷點續(xù)噴作業(yè)。

3 植保無人機作業(yè)的優(yōu)缺點分析

3.1 植保無人機的主要優(yōu)勢

3.1.1 作業(yè)效率高，噴施均勻性好

植保無人機作業(yè)靈活機動，不受地形和作物生長狀態(tài)的影響，能夠?qū)崿F(xiàn)全地形、全作物種類的高效率作業(yè)，作業(yè)過程中對環(huán)境的適應(yīng)性好，能實現(xiàn)貼地飛行或指定高度的飛行植保作業(yè)，由于植保無人機采用了高霧化噴頭和高濃度藥液，噴施均勻度更高，農(nóng)藥可利用槳葉旋轉(zhuǎn)的風(fēng)力進入作物下部或根部，進一步提高藥物作用范圍[3]。

3.1.2 作業(yè)安全性高，環(huán)境污染小

植保無人機的作業(yè)只需要操作人員在遠處操作無人機飛行，飛手距離實際植保噴霧位置較遠，對自身的健康危害較少。同時，高精度的噴施使農(nóng)藥的使用量更為精準(zhǔn)，農(nóng)藥的過量噴施問題得到改善，減少了農(nóng)藥噴施對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境造成的危害。

3.2 植保無人機作業(yè)的不足之處

3.2.1 作業(yè)能力仍待提升

一方面，現(xiàn)階段的植保無人機作業(yè)因為需要攜帶大量農(nóng)藥，因此高負重情況下無人機的飛行時間相對較短，作業(yè)過程需要頻繁更換電池，影響了實際作業(yè)效率；另一方面國產(chǎn)植保無人機在噴頭技術(shù)的應(yīng)用上仍處于落后局面，植保無人機的噴施霧化效果仍有待提升。

3.2.2 購置成本較高，操作難度相對較大

由于大多數(shù)的農(nóng)用植保無人機沒有獲得農(nóng)機購置補貼的資金支持，因此現(xiàn)階段農(nóng)民購置植保無人機存在一定的經(jīng)濟壓力，同時植保無人機要求具有一定的遙控飛行技能，導(dǎo)致農(nóng)民很難快速實現(xiàn)對植保無人機的應(yīng)用。

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