飞行器进行药物喷洒的使用效果分析

冯 玲 刘 贝 欧 建

（荆楚理工学院 湖北荆门 448000）

随着无人驾驶技术的不断发展，无人驾驶飞行器也在迅速发展，此种飞行器包括直升机、旋翼式飞行器、软式飞行器等。我国是农业大国，农业进出口贸易总额位居世界前列，近年来呈现上涨趋势，但传统农业的作业方式已经无法满足飞速发展的现代化作业需求。将飞行器技术和农业现代化相结合，能够提高劳动生产效率，提高农产品产量，降低劳动成本，从本质上提升我国农业发展水平[1]。旋翼式飞行器因噪音小、低速飞行等优势，近年来逐步被应用于农业生产过程中。鉴于此，文章研究了飞行器技术在农业生产中的具体应用[2-3]。

1 多旋翼飞行器组成及优缺点

1.1 组成分析

多旋翼飞行器主要由动力系统、控制系统、旋翼、导航系统、电子调速系统等结构组成。多旋翼飞行器的核心部件是动力系统，动力系统构成飞行平台，一般动力系统由4、6、8、10 个旋翼构成，各个旋翼的分布一般按照前后左右四个方向，呈对称方式分布。旋翼的高度在同一水平面，且结构和半径均相等，无刷电机驱动螺旋桨组成单组旋翼动力系统[4]。此外，四个电机采用对称方式固定在机架的支架部位，支架内部放置飞行器的控制系统和其他辅助设备。

1.2 优缺点分析

多旋翼飞行器优势明显。飞行过程中因其依靠高能电池对其供电，因此噪音较小，进行农业施工任务时，能最大限度避免对周边环境造成噪声污染；安全可靠且稳定，能够降低安全事故发生的概率，且对起降的环境要求很低，跑道的距离只要满足几十米即可；操作培训简单，对于多旋翼飞行器的操作人员要求低，一般两天即可学会所有操作技能，可独立驾驶；在机器的维护方面，由于其结构简单，和直升机相比维护所需成本小，流程相对简单。但是多旋翼飞行器也存在缺点[5]。在移动速度上，多旋翼飞行器和固定旋翼飞行器不在同一档次上，所以大多数用于有特殊要求的作业场合。另外，灵活激动性不够好，虽然安全性比较高，但其灵活性和直升机不能相提并论[6]。如果想要实现垂直起停，就要另外设计更多复杂的结构，安全操控的优势也会大受影响。

2 系统设计

2.1 控制系统设计

控制系统是飞行器的大脑，其主要作用是通过感知地面信息实现地面与飞行器平台的交互，以完成对飞行器位置的检测、遥控，借助导航算法，通过对电动机转速的调整，实现飞行器飞行参数的计算。其中感知系统主要包括IMU 传感器、GPS 系统、气压高度计、电子罗盘等。

因此，其控制系统的硬件主要包含电机驱动、数据采集感知和传输、核心控制模块等。在系统中，由于底层感知接口较多，因此需要预留多个临时扩展接口。且由于需要进行的各类参数分析和算法控制逻辑复杂，因此需要选取嵌入式系统作为系统的控制载体，以实现数据的采集分析和飞行的控制。本系统选择DSP 作为嵌入式系统，芯片选择型号为TMS320F28335，FPGA 选择EP3C10，气压高度计、IMU、GPS 和电子罗盘分别选择MPX4115A 气压高度计、ADISl6350、LEA-5A、HMC5843 三轴磁传感器。

2.2 电机系统设计

电动机和驱动器共同组成电机系统，本设计采用直流无刷电机。直流无刷电机是一种典型的一体化产品，具备直流电动机的高效运行特点，且调速性能平稳，没有励磁损耗。同时，还具备交流电机运行稳定、维护简便、结构简约等特点。其结构可以分为三部分：电机、传感器和开关电路。转子是永磁体，定子为可通电的电驱绕组。当三相绕组通电时，则可在转子周围产生周期交替变化的磁场，对定子产生驱动力，从而转动。依照传统方式，直流无刷电机的绕组控制电流为直流方波。

2.3 运动参数检测

运动参数检测主要采用航迹推位算法，一般采用惯性导航法。此种方法大多是通过安装仪表和陀螺的方式测量载体的角速度和比力，同时采用微积分算法对被测量物体的位置、姿态进行计算。捷联式惯性导航系统（SINS）是惯性导航的一种，它具有完全自主、全天候工作、机动灵活等特点，可以连续提供包括姿态、速度、位置在内的各种导航参数信息。因其具有性能好、体积小、可随时使用等特点而被广泛应用。目前全球普遍应用的定位系统中GPS 系统应用最广泛，惯性导航和GPS 的深度融合可以实现不同的耦合方式，如深度耦合、松耦合、紧耦合等。

3 多旋翼飞行器在农业中的具体应用

3.1 农作物药液喷洒

部分农作物，如冬枣等，在其整个生命周期中会受多种病虫害的威胁，目前在病虫害的防治过程中大多采用改装的压力泵进行喷雾，此种方式需要多人协作配合，在田间对长管进行拖动，劳动强度很大，且效率较低。另外在喷洒过程中，药液对作业人员的身体健康也会造成不利影响。为解决此问题，文章研究了基于多旋翼飞行器的药液喷洒技术，使飞行器受遥控控制，在冬枣各个生长阶段中进行防治作业，效果明显，具体应用如下。

（1）地况概述

冬枣树龄为10年，每株间距为2×3 m，土壤有机质的成分含量为1%，土壤的酸碱度为7.9，肥力高。同时对于土地的管理水平要求高，是专业的合作社制。对其进行统一的施肥、浇水和药物喷洒等工作。

（2）应用情况

文章采用对比试验方式，验证了飞行器在农药喷洒过程中的作用，从作业时间、药液喷洒量、附着效果三个方面对飞行器在农药喷洒中的效果予以验证，对照组仍然采用喷灌方式进行。本试验中飞行器和喷灌分别喷洒1 400 m2区域，喷洒时间分别为萌芽、开花、结果三个时期。

3.2 应用结果分析

根据上述内容，文章从药量消耗、作业时间和药物附着率三个方面对飞行器在药物喷洒中的执行效率加以分析，具体结果如下。

（1）药量消耗

通过对三个阶段药量消耗的分析，萌芽期、开花期、结果期飞行器的药量消耗分别为：73 L、76 L、78 L，而喷灌法消耗的农药量分别为：693 L、810 L、915 L。由此可知，通过改进喷洒方式，农药的消耗量分别降低：620 L、734 L、837 L，大大降低了农药的使用量，节省了管理成本。

（2）作业时间

文章采用单位面积作业时间来衡量农药喷洒效率。通过测算，采用飞行器方式进行药物喷洒，三个阶段所需时间分别为49 min/hm2、51 min/hm2、53 min/hm2，而采用喷灌方式，其作业时间分别为277 min/hm2、320 min/hm2、340 min/hm2。在这三个阶段，药物喷洒节省的时间比例均达到80%以上。

（3）药物附着率

文章选取高度具有代表特点的3 株冬枣，在每株上、中、下、底四个部位，等高平面内均布12 个采样点。利用试纸卡方式，检测雾滴在纸卡上的喷洒情况，最后利用指数法对附着率进行计算。对附着率分5 个等级，0 级为无附着，1 级为覆盖10 %，3 级为覆盖10 %～20 %，以此类推。最终将每级的总卡数×等级指数作为分子，总卡数作为分母，计算附着率。

经分析可知，由于在萌芽期，冬枣的叶片还未长出，飞行器的药物喷洒效果较好，在中部和下部的药物附着率均比上部高，中部、下部和上部的附着率分别为97.53%、82.72%、40.74%，这与飞行器的下降气流有关。开花期，上、中、下、底四个部位的药物吸附率分别为55.43%、56.48%、62.34%、94.25%。由于喷灌方式，所有纸卡全部变色，无法进行统计，因此不具备比较价值，在此不再赘述。

3.3 其他应用

除农药喷洒外，飞行器还用于农田信息获取等场景。传统农田信息获取方式受人力成本和周期的限制，加之我国地貌复杂，作物品种多，因此采用飞行器方式采集农田信息有着更广阔的前景。同时使用飞行器不受作物品种和区域影响，另外还不会对农作物造成破坏。

4 结论

随着计算机技术和农业现代化技术的不断发展，传统农业在成本和周期等管理上的劣势逐步显现出来。为了优化传统农业各方面的不足之处，提高农业技术现代化水平，大批飞行器被开发出来，并应用于农业作业和农业相关工作中。文章以冬枣的药物喷洒为例，介绍了飞行器在农药喷洒中的应用。试验结果表明，通过飞行器技术有效降低了药物喷洒过程中的药物使用量，提升了喷洒效率。尽管在飞行器设计中取得了一些成绩，但飞行器的智能化水平和稳定性还有待提升，基于大数据技术的农业作业过程的数据采集、分析和优化工作也是未来的发展方向。另外，随着5G 技术的发展，基于5G 技术的农业物联网技术也将是未来飞行器技术在农业发展中的方向之一。