農(nóng)業(yè)無人機精準噴藥現(xiàn)狀

..目錄一．背景1二．現(xiàn)狀及實例21.飛行平臺21>發(fā)展現(xiàn)狀22>實例42.飛控系統(tǒng)71>發(fā)展現(xiàn)狀72>實例73.噴灑系統(tǒng)81>發(fā)展現(xiàn)狀82>實例94.施藥技術(shù)151>發(fā)展現(xiàn)狀152>測試實例175.農(nóng)藥劑型18三．自主飛行噴灑系統(tǒng)研發(fā)示例181.直升機自動噴灑模型[2]182.UAV自主飛行控制系統(tǒng)AFCS<AutonomousFlightControlSystem>193.利用PWM的變量噴灑系統(tǒng)204.硬件配置及重量21文獻：22..農(nóng)業(yè)無人機精準噴藥現(xiàn)狀背景1918年美國第一次用飛機噴灑農(nóng)藥滅棉蟲時,農(nóng)用航空拉開了歷史序幕。隨后,農(nóng)用航空在新西蘭、澳大利亞、英國等國也逐步得到應(yīng)用與推廣。隨著航空工業(yè)的發(fā)展,各種符合農(nóng)業(yè)要求的專用機也相繼出現(xiàn),近年來美國、澳大利亞等國研制了許多農(nóng)業(yè)專用的輕型飛機,如美國的PA-36、AG-1、AG-2、AG-38以及澳大利亞的空中拖拉機等機型。據(jù)國際農(nóng)業(yè)航空組織統(tǒng)計,目前全世界約有70多個國家擁有農(nóng)用飛機近3.2萬架,全球應(yīng)用農(nóng)業(yè)航空處理的耕地面積24666萬hm2,占世界耕地總面積的17%,其中美國、俄羅斯、日本3個國家農(nóng)業(yè)航空處理面積占本國耕地面積分別為45%、35%、39%而我國僅有1.7%。日本是最早將無人駕駛直升機噴灑技術(shù)運用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的國家,也是該技術(shù)發(fā)展最成熟的國家之一。由于日本農(nóng)業(yè)經(jīng)營規(guī)模相對較小,且農(nóng)業(yè)以水稻生產(chǎn)為主,常規(guī)的大型地面施藥技術(shù)裝備難以適應(yīng),而無人機因其外形尺寸小、重量輕、操控靈活、農(nóng)藥噴灑效果好、作業(yè)效率高等優(yōu)點,近年來在日本得以迅猛發(fā)展,已經(jīng)超過了有人駕駛農(nóng)用直升機的防治面積。我國上世紀50年代開展了航空噴灑技術(shù)的研究和應(yīng)用,主要以森林、農(nóng)墾區(qū)和農(nóng)場進行農(nóng)業(yè)航空噴灑作業(yè)。受我國空管問題的約束以及我國傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的發(fā)展方式的影響,我國航空施藥技術(shù)發(fā)展緩慢。目前我國有農(nóng)用飛機140架,直升機60余架,使用航空噴灑防治農(nóng)林業(yè)病蟲草害和施肥的面積達到200萬~233.33萬hm2,和農(nóng)用航空發(fā)達國家相比差距仍十分巨大,無人機噴灑技術(shù)的研究處于初級階段,實際應(yīng)用仍是空白。人駕駛直升機作為直升機的一種除了具有直升機的優(yōu)點外,其外形尺寸更小,重量更輕,操控更加靈活,尤其適應(yīng)于中、小田塊的噴灑或是大田塊內(nèi)局部的精準噴灑等。無人機主要優(yōu)點有:不用安裝任何與飛行員有關(guān)的設(shè)備,這樣可以利用空間和減輕重量裝備更重要的設(shè)備;無人機航空噴灑可在飛行控制系統(tǒng)和噴灑伺服系統(tǒng)等電子設(shè)備的控制下自動完成,操作人員只需在地面控制站通過無線遙測系統(tǒng)發(fā)出指令來控制無人機的動作;操作簡便,避免飛行員中毒、傷亡等問題;超低空飛行能力強,飛行操控靈活,安全系數(shù)高;采用超低空噴灑作業(yè),減少了霧滴在非噴灑區(qū)的飄移。因此,隨著生產(chǎn)制造和航空控制技術(shù)水平的大幅提升,應(yīng)用無人駕駛直升機進行農(nóng)藥噴灑己成為近年來發(fā)展最快的技術(shù)領(lǐng)域?，F(xiàn)狀及實例1911年德國人最早提出用飛機噴撒化學(xué)藥劑,以控制森林害蟲的計劃。1918年美國用雙翼飛機噴藥防治牧草害蟲取得成功。1922年用JN-6軍用飛機的改良型噴灑棉花,同年前蘇聯(lián)用飛機噴灑農(nóng)藥撲滅了蝗蟲。第二次世界大戰(zhàn)后,各種殺蟲劑、殺菌劑和除草劑大量問世,要求用高效能的噴灑機具來滿足植物保護工作的需要,與此同時,大量軍用飛機和駕駛員轉(zhuǎn)向農(nóng)業(yè),促使農(nóng)業(yè)航空迅速發(fā)展。1949年美國開始研制專門用于農(nóng)業(yè)的農(nóng)用飛機,20世紀50年代開始設(shè)計制造多用途農(nóng)業(yè)飛機,20世紀50年代末,直升機也加入農(nóng)業(yè)航空行列。隨著農(nóng)用飛機的不斷發(fā)展,航空噴霧技術(shù)也發(fā)生了很大的進步,從噴灑量大于30L/hm2的常量噴灑,發(fā)展到5-30L/hm2的低量噴灑,再到小于5L/hm2的超低量噴灑,如美國1944年已有半數(shù)采用低量噴霧,噴液量為9-28L/hm2。20世紀60年代靜電噴霧技術(shù)開始應(yīng)用于農(nóng)業(yè)航空。在美國航空噴霧使用的主要機載設(shè)備包括GPS、GIS、流量控制器、實時氣象系統(tǒng)和噴施校準設(shè)備。我國系統(tǒng)研究微小型無人機航空是要噴霧技術(shù)開始于20XX,XX大學(xué)、農(nóng)業(yè)部XX農(nóng)業(yè)機械化研究所、華南農(nóng)業(yè)大學(xué)等單位為代表開展了航空施藥技術(shù)、GPS自動導(dǎo)航技術(shù)、農(nóng)用無人機平臺技術(shù)、航空施藥污染評價技術(shù)、低空遙感平臺等技術(shù)的額研究,出現(xiàn)了多項技術(shù)成果：包括無人駕駛自動導(dǎo)航低空施藥技術(shù)、低量低漂移施藥技術(shù)研究、在高精度GPS的無人駕駛自動導(dǎo)航低空施藥技術(shù)研究方面取得突破性進展,精確航路規(guī)劃解決了航空噴霧作業(yè)噴福的精確對接,提高作業(yè)質(zhì)量。截止至20XX末,生產(chǎn)航空施藥無人機整機與配套設(shè)備的企業(yè)達80余家。飛行平臺發(fā)展現(xiàn)狀目前,農(nóng)用無人機噴藥航空平臺主要有3種:固定翼式飛機、單旋翼直升機和多旋翼直升機。固定翼飛機主要應(yīng)用于農(nóng)田信息采集與農(nóng)田遙感。固定翼飛機載量大、飛行速度快、作業(yè)效率高,作業(yè)時采用超低空飛行,距作物冠層5~7m,對作業(yè)區(qū)域地形條件要求較高,易受田間周邊障礙物如電線、電桿、樹木等影響,引起飛行安全問題。單旋翼直升機和多旋翼直升機多用于植保作業(yè),使用直升機作業(yè),螺旋槳造成的空氣渦流能使農(nóng)藥噴灑到植物莖葉的背面,提高噴灑效果,與固定翼飛機相比耗油量稍大,可以垂直起降,起飛降落的場地占用少,空中飛行速度調(diào)節(jié)靈活,適應(yīng)于地形較復(fù)雜的地區(qū),裝載質(zhì)量在5kg到30kg之間,能夠滿足中小田塊的農(nóng)藥噴灑需求。單旋翼直升機分為燃料動力、電池動力和混合動力三種機型。電動直升機由于動力源和輸出功率與多旋翼相似,所以其續(xù)航時間和載質(zhì)量等與多旋翼接近但抗風(fēng)能力差,續(xù)航時間短、電池價格高壽命短、電池折舊成本高,電池充電時間長。燃料動力直升機載質(zhì)量可以達到30kg,續(xù)航時間可達1.5h,適合較大地塊的噴灑作業(yè)但噪音較大,維護程度相對復(fù)雜。油電混合動力的續(xù)航能力超過60分鐘,油電混合動力的一些機型能達到35kg以上。單旋翼直升機價格較為昂貴,維護保養(yǎng)成本略高,操作手培訓(xùn)周期長。多旋翼直升機采用對稱結(jié)構(gòu)的多個旋轉(zhuǎn)中心帶動旋翼產(chǎn)生風(fēng)力進行飛行作業(yè)。多旋翼直升機價格適中,操作靈活,培訓(xùn)周期短。但由于采用電池作為動力來源,使得多旋翼直升機的作業(yè)覆蓋半徑在300m之內(nèi),單次作業(yè)時間在30min之內(nèi),比較適合于田間小地塊〔<6.7hm2。類型作用分類動力優(yōu)點缺點固定翼信息采集遙感燃料載量大、速度快、作業(yè)效率高,采用超低空飛行,距冠層5~7m地形要求高,易受周邊障礙物影響引起飛行安全問題直升機植保作業(yè)單旋翼燃料可載重30kg,續(xù)航達1.5h,適合較大地塊垂直起降,速度調(diào)節(jié)靈活,適用地形復(fù)雜地區(qū),裝載5-30kg,3-6m噴灑效果好耗油稍大,噪音大,維護相對復(fù)雜價格較貴,維護成本略高,培訓(xùn)周期長載量小,時間短,抗風(fēng)力稍弱電池整機輕續(xù)航時間短、電池價高壽命短、充電時間長,抗風(fēng)能力差混合續(xù)航超過60分鐘,有些載重達35kg以上能耗大多旋翼電池價格適中,操作靈活,培訓(xùn)周期短作業(yè)覆蓋半徑<300m,作業(yè)時間<30min,適合小地塊〔<6.7hm2近年來我國農(nóng)用小型無人植保飛機發(fā)展勢頭迅猛,目前國內(nèi)生產(chǎn)無人植保飛機的廠家已經(jīng)超過10家,并呈快速增長趨勢?，F(xiàn)有的農(nóng)用無人植保機以農(nóng)用小型無人直升機較多,而農(nóng)用固定翼無人機研發(fā)的較少,主要機型有單旋翼直升機和多旋翼直升機兩種。農(nóng)用航空施藥機型以大型固定翼飛機為主,用于中國東北三省、新疆、XX等大面積的農(nóng)墾地區(qū);以旋翼無人機為輔,用于中國南方丘陵、地形復(fù)雜的山地地區(qū)。國內(nèi)農(nóng)用無人機研發(fā)始于2005年,目前已有10多家企業(yè)和科研單位研發(fā)生產(chǎn)農(nóng)用無人機,并呈現(xiàn)快速增長的趨勢。生產(chǎn)的無人機分為油動力、電池動力和油電混合動力3種,油動力的又有風(fēng)冷和水冷兩種,載藥能力在5kg～20kg之間,價格在6萬～20萬之間。目前已基本定型的農(nóng)業(yè)植保系列無人機型任務(wù)載荷在10、15、20kg,產(chǎn)品已經(jīng)進入小批量生產(chǎn)。此類無人機由于受機體和載重限制,大多采用了半自駕的方式,經(jīng)濟性較差,飛行高度、速度與航線易受操控手目測判斷差異的影響而產(chǎn)生一定的偏差,對施藥效果造成一定的影響。實例外國常用農(nóng)用無人噴藥直升機實例：開發(fā)者/使用者型號特點圖日本雅馬哈公司YamahaRMAX系列農(nóng)用無人噴藥直升機具有直升機的優(yōu)點外,外形尺寸更小、重策更輕、操控更加靈活、尤其適應(yīng)于,小型地塊的病蟲害防治或是大型地塊內(nèi)局部的精準噴灑美國AUH型農(nóng)用無人噴藥直升機自身質(zhì)量76KG,負載20kg,作業(yè)效率10hm2/h,配備有VE7導(dǎo)航系統(tǒng),并采用電子伺服系統(tǒng)和陀螺增穩(wěn)系統(tǒng)GT-MAX型農(nóng)用無人噴藥直升機飛控系統(tǒng)配備三軸慣性加速度計"OVE7"航向磁力計"聲納和雷達高度計等傳感器,飛行控制結(jié)構(gòu)采用內(nèi)外回路結(jié)構(gòu)形式。能對周圍環(huán)境狀況變化做出快速反應(yīng),且能在障礙物間機動飛行,根據(jù)攝像頭拍攝信息獨立選擇飛行路線,檢查隨航系統(tǒng)工作中出現(xiàn)的故障RotomotionSR200汽油發(fā)動機提供動力,主旋冀直徑3米<118英寸>,最大有效載荷為22.7kg<50磅>RotomotionSR20電池動力,主旋翼自徑1.75米<69英寸>中國開發(fā)農(nóng)用無人噴藥飛機實例：開發(fā)者/使用者型號特點圖總參16所天鷹-3型主旋翼直徑3.2m,質(zhì)量80kg,負載20kg,續(xù)航1h,單次2.67hm2,作業(yè)效率5.33hm2中國天鷹9R型作業(yè)效率7-10hm2/h廣西田園生化有限公司與中航工業(yè)所1800E折疊式農(nóng)用噴藥無人機兩塊快速充電蓄電池供電,多組蓄電池輪換使用,飛行系統(tǒng)遠程地面站操控,可按照預(yù)先設(shè)定的航線自主飛行,作業(yè)效率4hm2/h,農(nóng)藥噴灑量2XX衛(wèi)士植保機械有限公司W(wǎng)SZ-1805WSZ-2410多旋翼電動農(nóng)用噴藥無人機多旋翼直升機具有結(jié)構(gòu)緊湊、穩(wěn)定性高、易操作和載質(zhì)量大等優(yōu)點,該機載藥量達18kg,作業(yè)效率4.67hm2/hXX飛艇新藝模型有限公司新藝XYZB-8型農(nóng)用噴藥無人機電動機載藥量8kg,作業(yè)效率3.33hm2/h總參謀部第60研究所z-3型自動記錄飛行時間、地點和作業(yè)面積等數(shù)據(jù),可載藥物25kgXX自動化所ServoHeli-120型最大負載40kg,續(xù)航1.5h,最大飛行速度120km/h中航工業(yè)自控所AR-100/AF811農(nóng)用噴藥無人機負載10kgXX天翔V-750最大負載80kg,續(xù)航4h,抗風(fēng)5級,航油XX漢和CD-10;CD-15；CD-20~40農(nóng)用噴藥無人機第三代全自動、半自動飛行狀態(tài)自動切換；氣壓傳感、GPS傳感、加速傳感融合系統(tǒng)；自動航路規(guī)劃；定高飛行〔精度達到0.5m；自動增穩(wěn)；自動懸停；自動起降；"兒"字形規(guī)定姿態(tài)飛行〔或其他規(guī)定姿態(tài)自動飛行；三合一設(shè)計：飛控計算機＋IMU＋GPS；安全設(shè)計：3臺飛控計算機備份表決系統(tǒng)；配備軌跡記錄儀〔漢和專利,自動噴灑覆蓋率統(tǒng)計,漏噴、復(fù)噴警告北方天途M6A農(nóng)用噴藥無人機載重6kg,飛行時間10-30min,速度0-10m/s,噴灑0-8m/s,高度0-1000mPM8農(nóng)用噴藥無人機噴灑0-8m/s,載重10kg,行時間10-30min,速度0-10m/s,高度0-1000mM8A農(nóng)用噴藥無人機懸停15-35min,負載15kg,噴灑高度1-3mEH3、VH1、RH1等直升機載重8-25kg,續(xù)航30-70min,SP-3、SP-01固定翼負載12-25kg,抗風(fēng)6-7級,續(xù)航3-10h博航聯(lián)合BH330系列農(nóng)用噴藥直升機燃油,配備綜合遙控器,計算機輔助人工導(dǎo)航系統(tǒng),智能化農(nóng)藥噴灑系統(tǒng),載重5kg,續(xù)航15minXX銀通YT-A5無人駕駛電動單旋翼直升機,飛機的最大起飛質(zhì)量為14kg最大有效載荷5kg農(nóng)藥容器容量5L,作業(yè)速率1-8m/s,續(xù)航時間20min。使用Fulaba2.4GHz10通道遙控器,配備R6014HS接收機。XX得偉等農(nóng)機農(nóng)藥生產(chǎn)廠家及XX大學(xué)合作4款噴灑農(nóng)藥無人機中國北京航空學(xué)院蜜蜂16直升機M16共軸反槳直升機,續(xù)航1.6h,有自動駕駛儀,自主導(dǎo)航系統(tǒng),遙控遙測系統(tǒng)北京科源輕型飛機實業(yè)有限公司I型無人機負載6.5kg,續(xù)航3-6h,測控半徑90kmXX田秀才植保股份有限公司TXC8-3/5型八旋翼無人機TXC16-10型多旋翼無人機各國農(nóng)用常用機型表：國家類型類型美國AT-402,510G農(nóng)用飛機、無人機俄羅斯M-18農(nóng)用飛機、無人機巴西AT-402,510G農(nóng)用飛機、無人機中國Y-5,Y-12,M-18,510G,RH-2,EH-3,YR-H-15農(nóng)用飛機、無人機日本YamahaRmax無人機韓國Roll-balancedhelicopter無人機飛控系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀國外發(fā)達國家的農(nóng)用航空飛機都配備精密的GPS導(dǎo)航設(shè)備與系統(tǒng),便于操作人員根據(jù)GPS儀制定出施藥作業(yè)航線圖,確定飛機施藥飛行線,以避免重噴和漏噴。我國的農(nóng)用無人直升機飛行控制系統(tǒng)基本都是以地面操縱桿控制的形式,能自主飛行機型很少。雖然具備一定的完全自主噴灑功能,但是成本較高,機身載質(zhì)量小,配備的傳感器有限,飛行控制系統(tǒng)功能較少,抗擾動因素能力弱,容錯能力也較差。我國針對農(nóng)用噴藥目的的無人機飛行控制系統(tǒng)現(xiàn)階段處于空白狀態(tài),基本采用國外開發(fā)成型的非空平臺或國內(nèi)自主研發(fā)的非空平臺加載噴藥系統(tǒng)形成,具體情況可見上一節(jié)飛行平臺。實例開發(fā)者達到目的開發(fā)特點陳天華,盧思翰小型無人機導(dǎo)航控制系統(tǒng)導(dǎo)航控制與數(shù)據(jù)采集采用單獨DSP芯片進行處理。系統(tǒng)以TMS320F2812芯片為核心,集成了GPS、紅外傳感器和電子羅盤,擴展了DSP芯片異步串行通信接口,實現(xiàn)了無人機的自主導(dǎo)航控制基于DSP的小型農(nóng)用無人機導(dǎo)航控制系統(tǒng)設(shè)計[1]飛機總體結(jié)構(gòu)采用上單翼、上反角、大舵面、前置發(fā)動機,對俯仰、滾轉(zhuǎn)、偏航<PRY>3個自由度設(shè)置控制面,飛行器設(shè)置水平尾翼、垂直尾翼、副翼和襟翼,實現(xiàn)精確控制。機身長1390mm、翼展1500mm、升力面積0.39m2、發(fā)動機采用46級二沖程甲醇內(nèi)燃機,4個標準舵機,PCM1024數(shù)字比例遙控。同時,為提高場地適應(yīng)性,設(shè)計彈射起飛系統(tǒng)和傘降著陸系統(tǒng)實現(xiàn)無人機的起降,以適應(yīng)小型無人機在不同農(nóng)場使用。噴灑系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀由美國系列靜電噴霧器公司〔SpectrumElectrostaticSprayers,Inc制造的航空靜電噴霧系統(tǒng)〔AirElectrostaticSprayingSystem是自20世紀90年代以來最先進的航空靜電噴霧器械,適用于各種中小型螺旋漿飛機和直升機掛載,該系統(tǒng)設(shè)備綜合應(yīng)用靜電發(fā)生與航空低量和超低量噴霧技術(shù),可廣泛應(yīng)用于森林、草原、果園及農(nóng)作物的航空噴灑作業(yè)。在美國還十分注重航空噴頭的研究,其航空噴頭根據(jù)霧化方式主要分為液力霧化噴嘴和旋轉(zhuǎn)離心霧化器兩種,美國農(nóng)業(yè)部航空應(yīng)用技術(shù)研究中心研究出一種航空噴頭噴灑模型,可以清晰了解噴頭產(chǎn)生的霧滴情況,以便選擇并設(shè)計合適的作業(yè)參數(shù)。我國農(nóng)業(yè)航空噴霧設(shè)備的發(fā)展同樣經(jīng)歷了漫長的歷程,在70年代中期以前,使用的噴霧設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單、機動性小、精度低,霧滴大小不能調(diào)控,霧化性能差。在1975年以后,開始使用旋轉(zhuǎn)霧化器<如AU5000>進行超低量噴霧,隨后又不斷研制和從國外引進了多種類型的噴霧設(shè)備,如GP-81、GA2000等,這些類型的噴霧設(shè)備,霧滴大小可以調(diào)控,霧化性能較好,能夠滿足不同作業(yè)方式的流量需求。超輕型飛機配套設(shè)計的3WQF型農(nóng)藥噴灑設(shè)備可廣泛用于小麥、棉花、森林等的農(nóng)藥以及葉面肥的噴灑；1999年由中國林業(yè)科學(xué)研究院研制的HU2-HW1型超低容量噴灑設(shè)備及NT100GPS導(dǎo)航系統(tǒng)與海燕650B飛機配套技術(shù),在廣西武鳴林區(qū)用于防治病蟲害,并進行了相關(guān)試驗研究。在我國,航空噴霧設(shè)備品種少、性能較差,控制系統(tǒng)一般只是簡單的壓力計、流量計,少數(shù)的裝有GPS自助導(dǎo)航儀,與發(fā)達國家相比,差距甚大。實例基于航模的農(nóng)藥噴灑機[2]工作原理：通過航模遙控器控制航模飛行到達需要噴灑區(qū)域上空,控制航模飛行速度和方向,再通過噴灑按鍵自動控制農(nóng)藥噴灑。噴灑機上還裝有液位傳感器,通過液位傳感器輸出數(shù)據(jù),單片機可以準確地讀出噴灑機中農(nóng)藥的剩余量。當農(nóng)藥低于一定量時,單片機控制小型氣泵停止工作,進而自動停止農(nóng)藥噴灑。地面航模遙控器裝有液晶顯示屏,航模遙控器尅實時接收農(nóng)藥噴灑機上傳出的數(shù)據(jù),并把相關(guān)信息顯示到液晶屏上,即可以準確的顯示噴灑機中的剩余農(nóng)藥量,當?shù)陀谝欢繒r還可聲光報警,提醒返航。航模遙控器農(nóng)藥噴灑機無人直升機遠程控制噴霧系統(tǒng)[3]采用德國VARIO公司的多用途無人直升機的遠程控制航空噴霧系統(tǒng),開發(fā)適應(yīng)低空、低量航空噴灑技術(shù)霧化器件。遠程控制系統(tǒng)遠程控制系統(tǒng)通過操作地面發(fā)射端,實現(xiàn)遠程控制無人機中無線接收模塊內(nèi)繼電器的通、斷。將無線控制的接收模塊接入到無人機的噴霧系統(tǒng)的控制箱中,即可實現(xiàn)遠程對泵與噴頭電動機的控制。無人機起飛前,先在地面閉合開關(guān)U,系統(tǒng)進入待命狀態(tài)。在無人機進入預(yù)定施藥區(qū)域后,遠程控制接收模塊中的繼電器導(dǎo)通,泵與噴頭內(nèi)的電動機工作,噴霧系統(tǒng)施藥。離心霧化裝置設(shè)計了噴灑面積相對較廣、施藥均勻、噴灑效率高的離心霧化噴頭。離心霧化噴頭由導(dǎo)柱、螺套、噴頭座、罩殼、流量器、霧化盤、直流電動機和螺釘?shù)冉M成。噴頭座$罩殼用聚丙烯制成。噴頭固定在噴桿上,塑料輸藥管穿過噴桿與噴頭的流量器連接,將藥箱中的藥液送入噴頭#流量計呈長錐形管狀,伸向霧化盤,用來輸送藥液和控制藥液流量。直流電動機利用飛機自帶電源為霧化盤提供動力,霧化盤呈圓臺盆狀,內(nèi)壁設(shè)有多個細槽,供藥液均勻分布,實現(xiàn)超低量噴霧。用于直升機的航空靜電噴霧系統(tǒng)設(shè)計[4]針對美國羅賓遜公司生產(chǎn)的R44型直升機設(shè)計了航空靜電噴霧系統(tǒng)。這個系統(tǒng)包括可以同時輸出正、負高壓靜電的直流高壓開關(guān)電源和兩組噴嘴。直流高壓開關(guān)電源安裝在飛機里,通過低壓輸入分流控制器與飛機直流發(fā)電系統(tǒng)〔24-36V相連接,可以輸出常用的10kV電壓和最高20kV的電壓。直流高壓開關(guān)電源與飛機直流發(fā)電系統(tǒng)共地,在駕駛艙里可以控制每個高壓電源,調(diào)整噴霧的輸出電壓。從飛機的腹部向兩側(cè)伸出兩個橫噴管,橫噴管采用不銹鋼制作,總長度為12米。兩組噴嘴〔每組14個分別通過螺紋方式連接到飛機左、右橫噴管上,噴嘴上安裝有金屬電極,各組噴嘴的金屬電極與相應(yīng)的直流高壓開關(guān)電源的正、負輸出端并聯(lián)連接,這樣,第一組噴頭所有電極帶的電壓和第二組噴頭所有電極帶的電壓極性相反。兩個電源的另一端接地到飛機的機架上。在飛機的下面安裝有藥箱,一次載藥量為200L,通過電動泵給噴霧裝置提供藥液,實現(xiàn)航空噴灑作業(yè)。小型無人直升機霧化系統(tǒng)設(shè)計[5]一套完整的航空霧化系統(tǒng)一般主要包括噴頭、藥液箱、藥液泵、輸液管路和固定支架五部分。結(jié)合小型無人直升機的結(jié)構(gòu)特點,在本文的霧化系統(tǒng)設(shè)計中,以無人機的電源作為噴霧系統(tǒng)的動力,在飛機的腹部安裝一個支架,用以固定藥液箱、藥液泵和噴桿,兩組霧化噴頭對稱安裝在噴桿的兩側(cè),通過塑料水管與藥箱相接,塑料水管與噴桿通過卡箍固定,保證飛機飛行的安全。通過遙控控制系統(tǒng)可以控制飛機起飛后霧化系統(tǒng)的工作情況小型無人機載農(nóng)藥變量噴灑系統(tǒng)[7]采用的無人機為多旋翼結(jié)構(gòu)。多旋翼無人飛行器主要由動力系統(tǒng)〔包括：電機、電池、電調(diào)和槳、飛行器主體〔包含：機架、起落架和控制系統(tǒng)〔包括：遙控器、接收機、飛行控制器組成。該機載農(nóng)藥噴灑系統(tǒng)的工作原理是：當進行農(nóng)藥噴灑時,操作人員開啟遠程無線遙控器上的噴灑控制開關(guān),無線遙控器根據(jù)開關(guān)位置將噴灑控制信號發(fā)送給安裝在無人機上的無線接收機,噴灑控制板收到無線接收機傳輸過來的噴灑控制信號后,通過控制線對液泵進行PWM控制,通過改變PWM的占空比<每個開關(guān)周期內(nèi),使液泵處于導(dǎo)通的時間比例>來改變液泵的工作時長,從而改變農(nóng)藥噴灑流量,實現(xiàn)變量噴灑。施藥技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀我國農(nóng)用施藥技術(shù)首先從研究國外施藥技術(shù)入手,但在實際操作中發(fā)現(xiàn)國外施藥飛行高度一般在3-5m;,而國內(nèi)因受防風(fēng)林、電力電信布線以及作業(yè)安全的影響,作業(yè)高度一般在4-20m。這就注定了我國需要根據(jù)自身情況研發(fā)適合于我國飛行平臺、地理地形特征和噴灑系統(tǒng)的施藥技術(shù)。與發(fā)達國家的農(nóng)業(yè)航空應(yīng)用相比,我國在航空施藥基礎(chǔ)理論,低空噴灑沉降規(guī)律,航空靜電噴霧技術(shù),航空變量施藥技術(shù)等方面,還存在不足：載藥量小、集成化、智能化程度偏低、生產(chǎn)成本高,耐用性需要檢驗。低容量、超低容量噴霧20世紀70年代中期之前,飛機噴霧均采用常量作業(yè),一般每公頃噴施量為30~40kg,架次作業(yè)面積25~30hm2,雖然作業(yè)效率比地面人工作業(yè)高很多,但在作業(yè)集中繁忙季節(jié),因飛機作業(yè)面積大、時間緊,往返場空中耽誤時間多,不能滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上適時施藥的需要。隨著1975年航空超低容量噴霧試驗的成功和推廣應(yīng)用,我國農(nóng)業(yè)航空噴施技術(shù)的發(fā)展步入了一個新的歷史時期,推動了飛機作業(yè)項目的多元化。特別是飛機超低容量技術(shù)在水源缺乏和作業(yè)區(qū)較遠的地區(qū)的應(yīng)用,顯示了其不可替代的優(yōu)勢,在防治森林病蟲害、草原蝗蟲、蚊蠅及疫情消毒方面也發(fā)揮了突出的作用,這在1976年我國XX發(fā)生大地震時,出動農(nóng)用飛機超低容量噴灑馬拉硫磷殺滅蚊蠅、控制疫病流行的過程中得到了最好的印證。超低容量噴霧在使用的過程中,和其他任何應(yīng)用技術(shù)一樣,也有其局限性,一般需要專用的農(nóng)藥制劑,且適宜的溶劑難以選擇,產(chǎn)生的霧滴漂移和對環(huán)境的污染較嚴重,低容量噴霧就沒有這方面的限制,它不需要專用的農(nóng)藥制劑,可以根據(jù)需要進行不同農(nóng)藥或藥肥混噴,因此,在實際生產(chǎn)中得到了較快和更廣的發(fā)展。復(fù)合噴施技術(shù)進入20世紀80年代以后,隨著科學(xué)技術(shù)和國民經(jīng)濟的發(fā)展,人們開始注重經(jīng)濟效益和綜合技術(shù)的應(yīng)用,航空噴霧綜合作業(yè)技術(shù)應(yīng)運而生。綜合作業(yè)是指在噴施適期相吻合時,在不影響農(nóng)藥使用效果的情況下,將兩種或兩種以上的農(nóng)藥與作物肥料進行混合噴施,達到一次作業(yè)、多重效果的目的。在XX墾區(qū)和新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團、XX及XX等省區(qū)分別在小麥和水稻上得到了大面積的推廣應(yīng)用,產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟效益。農(nóng)業(yè)航空復(fù)合作業(yè)技術(shù)的迅速發(fā)展和應(yīng)用,表明我國農(nóng)業(yè)航空噴施技術(shù)已逐步走向成熟。沉積與飄移自20世紀70年代以來,中國民用航空局第二研究所研究人員針對飛機噴霧飄移問題,開展了農(nóng)業(yè)航空化學(xué)霧滴沉降效應(yīng)研究,建立了霧滴飄移隨下風(fēng)距離關(guān)系的數(shù)學(xué)模型,揭示了霧滴內(nèi)飄失規(guī)律,提出了不同噴施方式、不同作業(yè)對象的適宜霧滴大小、密度和覆蓋均勻度,積累了我國主要糧食作物及部分經(jīng)濟類作物飛機作業(yè)霧滴特性方面的系統(tǒng)資料,并研究得出了基本的結(jié)論。航空靜電噴霧技術(shù)將靜電噴霧技術(shù)與航空噴霧技術(shù)結(jié)合,能較好地解決前述問題,是因為航空靜電噴霧具有獨特的優(yōu)點：一方面飛機噴灑作業(yè)時產(chǎn)生的霧滴借助于靜電場的作用,增強了噴霧粒子對預(yù)定目標的吸附；另一方面,飛噴作業(yè)時的霧滴是由上向下運動,在重力和靜電場力的雙重作用下加速了霧滴向下運動,減少了霧滴飄移損失。此外,飛機飛行時產(chǎn)生較大的氣流,提高了霧滴在植株中的穿透性,提高了藥液的利用率。因此,根據(jù)我國國情,研發(fā)航空靜電噴霧裝置特別是適用于我國運五、運十一、蜜蜂、蜻蜓等飛機掛載的各種靜電噴霧裝置,是我國航空噴灑設(shè)備發(fā)展的重要方面。測試驗證與技術(shù)標準在航空噴灑設(shè)備霧化性能測試、作業(yè)質(zhì)量檢測方面,通過對我國自主研發(fā)的GP－81、Y5B－1、CYD－1型噴灑設(shè)備和引進設(shè)備的霧化性能測試,以及航空噴霧作業(yè)現(xiàn)場質(zhì)量檢測,掌握了較為成熟的檢測手段與技術(shù),在設(shè)備定型檢測、航空噴霧效果評估中得到了廣泛運用；在噴霧作業(yè)設(shè)備技術(shù)研發(fā)以及作業(yè)設(shè)備檢定驗證方面,國家及民航局已先后出臺多項政策予以鼓勵和推動,為提高航空噴霧裝備的技術(shù)水平、強化航空噴霧作業(yè)的安全監(jiān)管提供了有力保障。近10年來,在航空噴霧技術(shù)標準制定方面取得重要成果,先后制訂了《農(nóng)業(yè)航空作業(yè)質(zhì)量技術(shù)指標噴灑作業(yè)》<MH/T1002.1－1995>、《飛機施用農(nóng)藥規(guī)范》<MH/T1026－2009>、《農(nóng)用飛機噴灑設(shè)備性能檢測規(guī)范》<MH/T1031－2010>、《通用航空機場設(shè)備設(shè)施》<GB/T17836－1999>、《飛機噴施設(shè)備性能技術(shù)指標第1部分：噴霧設(shè)備》<MH/T1008.1－1997>、《農(nóng)業(yè)航空技術(shù)術(shù)語》<MH/T0017－1998>、《森林航空消防技術(shù)規(guī)范》<MH/T1033－2011>、《航空噴施設(shè)備的噴施率和分布模式測定》<MH/T1040－2011>、《通用航空術(shù)語》<MH/T1039－2011>、《飛機噴灑設(shè)備設(shè)計規(guī)范》<MH/T1049－2012>、《飛機噴霧飄移現(xiàn)場測量方法》<MH/T1050－2012>、《噴霧飄移的風(fēng)洞實驗室測量方法》<MH/T1051－2012>等10多項行業(yè)標準,對規(guī)范航空噴霧作業(yè)技術(shù)、操作流程、檢測方法起到了積極作用。提高噴灑效率將飛機作業(yè)氣候條件分兩類,一類是適宜作業(yè)氣候條件,溫度13~27°C,空氣相對濕度大于65%,風(fēng)速4m/s以下,藥液中加入噴液量0.5%植物油型噴霧助劑,可減少30%~50%用藥量；另一類是不適宜作業(yè)氣候條件,溫度大于27°C,空氣相對小于65%,風(fēng)速4m/s以下,藥液中加入噴液量1%植物油型噴霧助劑,可減少20%~30%用藥量,此技術(shù)在新疆應(yīng)用仍然可獲得穩(wěn)定的藥效。測試實例序號實驗人機型目的結(jié)論1.北京農(nóng)業(yè)智能裝備技術(shù)研究中心、北大荒通用航空公司M-18B型、510G型飛機有效噴幅寬度,霧滴均一性進行了測試；霧滴飄移、霧滴沉積分布規(guī)律研究。提供了施藥效果測試報告；得到分布規(guī)律。2.黃向東等固定翼飛機與超輕型直升飛機森林病蟲害防治應(yīng)用中的性能、噴灑效果、作業(yè)效率、使用費用、安全性等方面對比在山區(qū)森林病蟲害防治中,超輕型直升飛機比固定翼飛機更能有效地提高防治效果3.茹煜等Y-5B型農(nóng)用飛機配套航空靜電噴霧系統(tǒng)有效噴幅、霧滴沉積、霧滴飄移和滅蟲等試驗霧化盤直徑為80mm離心霧化噴頭最佳4.張京等WPH642型無人機無人駕駛直升機航空噴霧參數(shù)對藥液霧滴沉積效果的影響得到各參數(shù)影像5.薛新宇等N-3型無人直升機稻飛虱和稻縱卷葉螟的防治效果3m作業(yè)高度優(yōu)于5m和7m的殺蟲效果；6.高圓圓等Af-811型無人機不同劑型的毒死蜱防治玉米螟；對霧滴沉積分布狀況及防治效果進行分析飛行速度為5m/s,以2.5m時防治效果好,過高效果不好過低效率不高；離心式霧化噴頭的霧滴沉積密度優(yōu)于液力式霧化噴頭。7.范慶妮天鷹3號小型無人直升機設(shè)計適合低空低量噴灑的液力噴頭確定最佳匹配參數(shù)農(nóng)藥劑型在農(nóng)藥劑型方面,國外航空植保有航空噴霧專用ULV<超低容量制劑>。但我國目前登記注冊的ULV品種較少,是影響國內(nèi)航空噴霧發(fā)展的一個重要因素。飛機直接施用常規(guī)藥劑對水進行作業(yè)時,約有60%的藥液因揮發(fā)或飄移而損失,僅有約25%藥液沉降至作物上。因此,如何增大霧滴在作物表面有效沉積是提高防治效果的關(guān)鍵因素,而開發(fā)航空噴霧霧滴蒸發(fā)抑制劑是改進農(nóng)業(yè)航空噴霧效果的重要手段。作用原理是通過其含有的白油、黃原膠等成分,改變藥液重量與黏度,從而減少霧滴沉降過程中水分蒸發(fā),使霧滴在沉降過程中粒徑變化減小,更好地沉降在作物靶標部位。自主飛行噴灑系統(tǒng)研發(fā)示例直升機自動噴灑模型[2]研究應(yīng)用的UAV分別為RotomotionSR200和RotomotionSR20。SR200是由飛沖程汽油發(fā)動機提供動力的無人直升機,主旋冀直徑3米<118英寸>,最大有效載荷為22.7公斤<50磅>,用于執(zhí)行