植保无人机技术研究

王 猛 陶曾杰 唐 培 瞿雨秋

(湖南信息学院电子信息学院，湖南长沙，410151)

1 植保无人机研究内容

1.1 基于运载性能分析的无人机组装调试

通过分析植保无人机的运载能力和飞行要求，选购满足性能指标要求的机翼、机体、飞控系统和电池等组成模块，设计喷洒系统的安装接口，完成组装、调试与飞行试验，能够按照设定路径和承载进行稳定飞行。

1.2 均匀喷洒系统设计

基于喷洒效果分析，选用雾化性能好的喷头和液泵；研究喷头流量与喷洒压力之间的对应关系，根据飞行速度和高度自动调节液体流量、喷洒角度；采用传感器和阀门开关，实现液位监测与控制。

1.3 数据传输控制

图1 研究内容路线图

传输数据分为2部分：飞行数据、喷洒状态数据；工作过程中，无人机的飞行速度、高度和电池容量等数据传回控制系统，采用组合方式与飞控系统配合使用；液位高度、作业路径、断药位置等数据传回遥控装置，通过开发的系统软件进行分析和控制。

1.4 系统软件设计

以Android为开发环境，为植保无人机设计App软件平台，实时监测无人机和喷洒系统的工作状态；采用手机或电脑进行控制，通过定位获取作业区域的位置信息，判定断药位置、电池容量、喷洒高度，设定作业范围和路径，输入系统软件后实现自主工作。

研究内容路线如图1所示。

2 植保无人机的关键技术研究

植保无人机主要由陀螺仪、加速计、地磁感应、气压传感器、喷洒、导航、续航、遥控以及控制器等组成，实现姿态稳定和控制、任务设备管理、应急控制功能，组成框图如图2所示[1]。

图2 系统组成框图

2.1 检测监控技术

植保无人机的检测监控技术主要包括液位监测、地面监控等。其中液位监控主要监控药量不够时无药喷洒继续飞行作业，植保无人机由于无法获取上次未喷洒药物的具体位置造成重喷、漏喷现象，同时造成药剂、种子、粉剂等喷洒物浪费[1]。要选择适合植保无人机质量轻、功耗小、精度高、耐腐蚀药箱液位监测方法及装置。植保无人机还能检测药物喷洒后农作物的生长状况、病虫害的密度等[1]。在设计时配置高精度液位传感器，实时监控药箱药量，断药时控制器自动报警，并记录当前航点。

2.2 喷洒技术

植保无人机的喷洒系统主要包括药箱、水泵、软管和喷头。喷洒技术的关键在于要使药物喷洒均匀、精准。在设计时可以配置高精度微波雷达，测量喷洒位置与农作物表面的相对高度，实现均匀喷洒。植保无人机从悬停状态加速到匀速航行状态，又从匀速航行状态减速到悬停状态，其飞行速度也是一个变化的过程，飞行速度越快，喷洒的面积也就越大，要做到均匀喷洒，只有做到变量喷洒，即飞行速度快时，加快喷洒流速，飞行速度慢时，降低喷洒流速。另外为了确保药量喷洒过程中无人机稳定的飞行姿态、强势的抗风性、高安全性能，在设计时利用高速姿态处理和高鲁棒性控制算法来实施。

2.3 续航技术

续航能力是于植保无人机性能的一项重要指标。目前，无人机续航主要采用电动和油动2种方式。电动植保无人机的电池可以重复使用，低碳环保，使用成本低且输出功率不受含氧量的影响，但是它的抗风能力低、续航也略显不足；油动植保无人机虽然抗风能力不错、续航时间也比较长，但是它的稳定性、适应性、安全性都比不上电动的。针对这些问题，考虑采用电力供能，通过无线充电技术续航，配置高效电源管理模块，实时监控电池电量，电量低时控制器语音报警，记录当前航点并自主返航。

2.4 导航技术

导航是按照要求的精度，沿着预定的航线在指定的时间内正确地引导无人机至目的地，对植保无人机而言，一方面对喷洒的农作物做到精准喷洒，另一方面当中间作业暂停返回后能在导航记录点再续。目前的导航技术主要有美国的GPS、中国的北斗等，在设计时可以采用GPS或北斗系统的三频卫星导航模块和信号融合算法，自主规划作业路线。

2.5 遥控技术

遥控主要对植保无人机机体实施控制，遥控方式既可以用专门的遥控器操作，也可以采用手机终端实施遥控。

3 植保无人机发展方向研究

(1)易操作。植保无人机操作复杂，尤其是无人直升机对操作手要求更高。随着植保无人机技术的不断发展，飞行、喷洒等操作会更加简单化，以利于使用者上手。

(2)载重增加。目前市面上的植保无人机载荷维持在5～20kg，载药量过少会使经济效益大打折扣，预计未来植保无人机的载荷会越来越大。

(3)价格下降。这是阻碍植保无人机普及的关键因素之一，国内价格在5万元以上；随着技术的不断发展，植保无人机成本将下降。

(4)服务完善。国内目前关于植保无人机的配套服务比较滞后。随着行业的不断发展，维修、保险等相关配套服务也将更加完善和成熟。

4 结语

植保无人机具有精准作业、高效作业、环保作业等特点，对于当前科技水平还不是太高、科技还没有普及的农产业来说，植保无人机能大幅度地加快其发展进程，但是，由于资金、时间、技术的问题，植保无人机的研发项目还存在许多的节点，我们还需要更多的时间精力去攻克。