植保无人机技术原理及其在农业生产中应用的优缺点分析

张 良

(正阳县农业综合行政执法大队，河南 正阳 463600)

0 引言

随着农业机械化的快速发展，我国的农业机械普及率显著提高，目前来看，在耕整地、播种、收获等工序上已经基本实现了可靠的机械化作业，但是从机械化植保作业来看，受到农作物生长中后期植株状态的影响，现阶段植保作业中的手工作业和半自动化作业仍占据较大比例，化学防治作为农业生产的基础保障，科学的实施喷施作业对于提升生产效率和农作物产量具有重要意义，而现阶段很多地区以人工为主的作业形式，不仅工作效率低下，而且喷施的均匀度、喷施量存在较多的不合理问题，人工喷施还易对工作人员造成健康危害，其应当被机械化技术所取代。近年来，除传统的轮式植保机具应用量不断上升外，以多旋翼无人机为代表的植保无人机应用量也显著增多，为农业机械化植保作业的实施提供了新的实施思路。

1 植保机械发展现状

据统计，我国现阶段的植保机械化水平约落后发达国家60年左右，其中人工作业的手动喷施、背负式机动喷施和担架式机动喷施所占比例接近97%，拖拉机悬挂喷雾机、高地隙自走式喷雾机、植保无人机作业面积仅占3%左右，机械化植保作业已经成为我国农业机械化发展中最薄弱环节之一。随着土地流转政策的进一步实施，农业生产的规模化经营逐渐扩大，高效机械化植保技术的需求不断提升，且对于喷施合理性、环保性、节约性的要求也会越来越高，总体上讲，无论是植保无人机还是轮式植保机，在技术和普及程度上都有很大的提升空间。

2 植保无人机的种类划分

植保无人机的应用具有效率高、均匀度好等很多优势，在现阶段的农业生产中能够发挥巨大的作用，尤其是在现阶段农村劳动力逐渐向城镇转移的情况下，植保无人机的应用更能显示出其突出优势。总体上讲，我国的航空植保技术应用已经有较长的历史，但是无人机植保作业的形式是近10年左右才开始逐渐被重视和应用的。在科学技术快速发展的推动下，植保无人机产业得到了快速的发展，从目前的农用无人机市场来看，植保无人机具有品牌、型号较多，技术特点各异的现象，但从总体的无人机结构来看，按照飞行特点可将其分为单旋翼植保无人机和多旋翼植保无人机两类，受到机械结构的限制，单旋翼植保无人机主要以燃油机型为主，部分产品也配套有电动机，而多旋翼植保无人机均为电动机型。从操控的难易程度来看，单旋翼植保无人机的专业性更强，操控难度更大，多旋翼植保无人机机型更小，操控更为简易，从技术发展和市场表现来看，多旋翼植保无人机更可能成为未来植保无人机的主要发展方向。

单从多旋翼植保无人机来看，主要根据旋翼的数量来进行划分，可分为四旋翼、六旋翼、八旋翼、十二旋翼等多种机型，为满足农业生产的不同需求，多旋翼植保无人机多采用航空铝材或碳纤维两类材料的主机身，并须配套安装有无刷电机、桨叶、电源、药箱、喷杆等装置。根据体积、机身材料和旋翼数量的不同，多旋翼植保无人机机身重量在15～40 kg(不含药液)，可携带5～20 L左右的农药药液进行作业，通常的植保作业效率可达0.07～0.15 hm2·min-1，具有较高的作业效率。

3 植保无人机的工作原理

3.1 植保无人机的主要功能部件

植保无人机的主要功能部件包括飞行机构、喷洒机构、控制机构、电源及辅助机构等组成。飞行机构包括了无刷电机、桨叶两大主要元件；喷洒机构包括喷杆、喷头、输药管路、喷药泵、药箱等；控制机构包括GPS接收机、陀螺仪、速度及加速度传感器、红外测距、遥控接收装置等。通过各个功能部件的配合，植保无人机能够实现在指定高度、指定速度、指定喷药量的情况下来进行高效且可靠的植保喷施作业。

3.2 飞行控制原理

无人机的飞行主要依靠桨叶旋转产生的提升力来克服重力，使飞机飞离地面，无人机飞行的过程中需要执行不同的动作以满足前后左右移动、升降、调头等功能要求。以结构简单的四旋翼无人机为例，其能够实现的飞行动作共有6种，分别为垂直升降、前后移动、左右移动、俯仰、滚转、偏航。

垂直升降主要是控制对角线方向的两个电机反向旋转，使桨叶旋转产生的对机身的反扭矩形成平衡，当各个电机的转速同步提高时，无人机则垂直上升，当各个电机的转速同步降低时，无人机则垂直下降；前后移动主要是针对前后两个方向的桨叶转速进行调节，当后方桨叶转速上升、前方桨叶转速降低，左右两侧电机转速不变的情况下，无人机向前倾斜推进，当前方桨叶转速上升、后方桨叶转速降低，无人机则向后倒退；同理无人机的左右移动只需要对左右两个方向的桨叶进行转速调整，而前后方向电机转速维持不变，既能实现左右移动；俯仰运动是在瞬时增减前后方向的电机转速，使无人机在原地实现俯仰动作；滚转运动与俯仰运动类似，是瞬时增减左右方向的电机转速，使无人机在原地实现左右方向翻滚动作；偏航运动主要是借助旋翼产生的反扭矩来实现的，当四个电机转速相同时，由于对角线电机转向相反，四个旋翼产生的反扭矩相互平衡，使植保无人机不发生转动；当四个电机转速不完全相同时，反扭矩会产生不平衡现象，引起植保无人机转动，则形成偏航运动。

3.3 精准定位原理

植保无人机的定位技术主要有两种形式，一种是仅利用植保无人机上的接收端进行定位，通过接收端与多个卫星(3个以上)之间的位置关系，来为无人机的空间位置赋予坐标，这种卫星定位的方式属于传统的定位技术，其精确度与车辆导航、手机定位等近似，只能达到米级的精准度，对于无人机的精量定位和定点悬停功能的实现，难以提供足够的技术保障；另一项应用于植保无人机的定位技术是GPS差分技术，主要是在传统的三维卫星定位技术的基础上，利用地面基站的位置信息进行卫星定位的精度校正，无人机所应用的GPS差分技术以单基准站差分、多基准站的局部区域差分技术为主，能够利用GPS接收机观测4颗卫星后便可对基站位置进行三维定位，而基站的位置已经固定且具有准确坐标，因此利用无人机附近的基站定位过程与无人机定位过程进行对比，能够消除二者之间的共同误差，减少大气、卫星轨道等误差影响，使定位精确度达到厘米级精度。

4 植保无人机应用的优缺点

4.1 植保无人机的应用优势

(1)药物喷施质量较高。植保无人机采用高雾化喷头配合低喷施量的作业方案，配合预设的喷施速度和喷施高度，使农药的使用量在满足植保需求的同时，尽可能的降低残留问题对人身健康的影响，同时，利用无人机桨叶产生的下旋风作用，农药更容易到达作物根部，防治效果能得到进一步提高。

(2)喷施效率明显提高。植保无人机的作业不受地形条件的限制，同时无人机便于携带，通过私家车即可运输至田地，农药喷施速度显著高于轮式机具。

(3)操作人员的安全性较好。植保无人机采用自动化作业的模式，操作人员确定无人机工作范围和起止点后，无人机即可自行工作，操作人员在远离田地的位置查看或调整无人机的工作状态即可，避免了传统作业人员接触农药产生的危害。

(4)机具对田地的适应性较好。植保无人机体积小巧，对于大面积田地和小块田地的作业都能很好的适应，且作业过程按照预设路线飞行，重喷漏喷问题较少。

4.2 植保无人机技术的不足之处

尽管植保无人机的应用具有诸多优点，但在实际应用过程中也存在一定的技术限制，一是植保无人机的使用对于操作技术的要求相对较高，农民使用无人机进行植保必须经过较长时间的专业学习和训练才能实现；二是植保无人机采用飞行的模式，作业中需要携带较重的药液，这影响了电池的续航时间，导致植保无人机连续作业仅能维持在10～15 min，现阶段不得不采用更换电池的方式连续作业。此外，现阶段我国很多农村地区的GPS基站建设密度不足，导致GPS差分技术的实施精确度受到一定程度的影响，使植保机作业中常出现定位误差、精确度不足问题，影响喷施的质量，因此，植保无人机技术要得到进一步提升，还必须要不断提升人员操作能力和电池续航能力，并在良好的基础设施保障下实现高效率、高质量的作业任务。

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