農(nóng)業(yè)無人機(jī)精準(zhǔn)噴藥現(xiàn)狀

TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"背景 1\o"CurrentDocument"現(xiàn)狀及實(shí)例 2\o"CurrentDocument"飛行平臺(tái) 2\o"CurrentDocument"發(fā)展現(xiàn)狀 2\o"CurrentDocument"實(shí)例 4\o"CurrentDocument"飛控系統(tǒng) 6\o"CurrentDocument"發(fā)展現(xiàn)狀 6實(shí)例 7噴灑系統(tǒng) 7發(fā)展現(xiàn)狀 7實(shí)例 8施藥技術(shù) 10發(fā)展現(xiàn)狀 10測(cè)試實(shí)例 12\o"CurrentDocument"農(nóng)藥劑型 13\o"CurrentDocument"自主飛行噴灑系統(tǒng)研發(fā)示例 13\o"CurrentDocument"直升機(jī)自動(dòng)噴灑模型［2 13\o"CurrentDocument"UAV自主飛行控制系統(tǒng)AFCS(AutonomousFlightControlSystem) 14\o"CurrentDocument"利用PWM的變量噴灑系統(tǒng) 14\o"CurrentDocument"硬件配置及重量 15\o"CurrentDocument"文獻(xiàn)： 15農(nóng)業(yè)無人機(jī)精準(zhǔn)噴藥現(xiàn)狀一背景?1918年美國(guó)第一次用飛機(jī)噴灑農(nóng)藥滅棉蟲時(shí)，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(guó)等國(guó)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(jī)也相繼出現(xiàn)，近年來美國(guó)、澳大利亞等國(guó)研制了許多農(nóng)業(yè)專用的輕型飛機(jī)，如美國(guó)的PA-36、AG-1、AG-2、AG-38以及澳大利亞的空中拖拉機(jī)等機(jī)型。據(jù)國(guó)際農(nóng)業(yè)航空組織統(tǒng)計(jì),目前全世界約有70多個(gè)國(guó)家擁有農(nóng)用飛機(jī)近3.2萬(wàn)架,全球應(yīng)用農(nóng)業(yè)航空處理的耕地面積24666萬(wàn)hm2,占世界耕地總面積的17%,其中美國(guó)、俄羅斯、日本3個(gè)國(guó)家農(nóng)業(yè)航空處理面積占本國(guó)耕地面積分別為45%、35%、39%而我國(guó)僅有1.7%。日本是最早將無人駕駛直升機(jī)噴灑技術(shù)運(yùn)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的國(guó)家，也是該技術(shù)發(fā)展最成熟的國(guó)家之一。由于日本農(nóng)業(yè)經(jīng)營(yíng)規(guī)模相對(duì)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(jī)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(diǎn)，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(jī)的防治面積。我國(guó)上世紀(jì)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(chǎng)進(jìn)行農(nóng)業(yè)航空噴灑作業(yè)。受我國(guó)空管問題的約束以及我國(guó)傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的發(fā)展方式的影響，我國(guó)航空施藥技術(shù)發(fā)展緩慢。目前我國(guó)有農(nóng)用飛機(jī)140架,直升機(jī)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(dá)到200萬(wàn)?233.33萬(wàn)hm2,和農(nóng)用航空發(fā)達(dá)國(guó)家相比差距仍十分巨大，無人機(jī)噴灑技術(shù)的研究處于初級(jí)階段,實(shí)際應(yīng)用仍是空白。人駕駛直升機(jī)作為直升機(jī)的一種除了具有直升機(jī)的優(yōu)點(diǎn)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(zhǔn)噴灑等。無人機(jī)主要優(yōu)點(diǎn)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(jī)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(dòng)完成，操作人員只需在地面控制站通過無線遙測(cè)系統(tǒng)發(fā)出指令來控制無人機(jī)的動(dòng)作;操作簡(jiǎn)便，避免飛行員中毒、傷亡等問題;超低空飛行能力強(qiáng)，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(jī)進(jìn)行農(nóng)藥噴灑己成為近年來發(fā)展最快的技術(shù)領(lǐng)域。二.現(xiàn)狀及實(shí)例1911年德國(guó)人最早提出用飛機(jī)噴撒化學(xué)藥劑，以控制森林害蟲的計(jì)劃。1918年美國(guó)用雙翼飛機(jī)噴藥防治牧草害蟲取得成功。1922年用JN-6軍用飛機(jī)的改良型噴灑棉花，同年前蘇聯(lián)用飛機(jī)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(jī)具來滿足植物保護(hù)工作的需要，與此同時(shí)，大量軍用飛機(jī)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(guó)開始研制專門用于農(nóng)業(yè)的農(nóng)用飛機(jī)，20世紀(jì)50年代開始設(shè)計(jì)制造多用途農(nóng)業(yè)飛機(jī)，20世紀(jì)50年代末，直升機(jī)也加入農(nóng)業(yè)航空行列。隨著農(nóng)用飛機(jī)的不斷發(fā)展，航空噴霧技術(shù)也發(fā)生了很大的進(jìn)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(guó)1944年已有半數(shù)采用低量噴霧，噴液量為9-28L/hm2。20世紀(jì)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(guó)航空噴霧使用的主要機(jī)載設(shè)備包括GPS、GIS、流量控制器、實(shí)時(shí)氣象系統(tǒng)和噴施校準(zhǔn)設(shè)備。我國(guó)系統(tǒng)研究微小型無人機(jī)航空是要噴霧技術(shù)開始于2008年，浙江大學(xué)、農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機(jī)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(dòng)導(dǎo)航技術(shù)、農(nóng)用無人機(jī)平臺(tái)技術(shù)、航空施藥污染評(píng)價(jià)技術(shù)、低空遙感平臺(tái)等技術(shù)的額研究，出現(xiàn)了多項(xiàng)技術(shù)成果:包括無人駕駛自動(dòng)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(dòng)導(dǎo)航低空施藥技術(shù)研究方面取得突破性進(jìn)展，精確航路規(guī)劃解決了航空噴霧作業(yè)噴福的精確對(duì)接，提高作業(yè)質(zhì)量。截止至2012年末，生產(chǎn)航空施藥無人機(jī)整機(jī)與配套設(shè)備的企業(yè)達(dá)80余家。1.飛行平臺(tái)1）發(fā)展現(xiàn)狀目前，農(nóng)用無人機(jī)噴藥航空平臺(tái)主要有3種:固定翼式飛機(jī)、單旋翼直升機(jī)和多旋翼直升機(jī)。固定翼飛機(jī)主要應(yīng)用于農(nóng)田信息采集與農(nóng)田遙感。固定翼飛機(jī)載量大、飛行速度快、作業(yè)效率高，作業(yè)時(shí)采用超低空飛行，距作物冠層5?7m，對(duì)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(jī)和多旋翼直升機(jī)多用于植保作業(yè)，使用直升機(jī)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(jī)相比耗油量稍大，可以垂直起降，起飛降落的場(chǎng)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(jī)分為燃料動(dòng)力、電池動(dòng)力和混合動(dòng)力三種機(jī)型。電動(dòng)直升機(jī)由于動(dòng)力源和輸出功率與多旋翼相似，所以其續(xù)航時(shí)間和載質(zhì)量等與多旋翼接近但抗風(fēng)能力差，續(xù)航時(shí)間短、電池價(jià)格高壽命短、電池折舊成本高，電池充電時(shí)間長(zhǎng)。燃料動(dòng)力直升機(jī)載質(zhì)量可以達(dá)到30kg，續(xù)航時(shí)間可達(dá)1.5h，適合較大地塊的噴灑作業(yè)但噪音較大，維護(hù)程度相對(duì)復(fù)雜。油電混合動(dòng)力的續(xù)航能力超過60分鐘，油電混合動(dòng)力的一些機(jī)型能達(dá)到35kg以上。單旋翼直升機(jī)價(jià)格較為昂貴，維護(hù)保養(yǎng)成本略高，操作手培訓(xùn)周期長(zhǎng)。多旋翼直升機(jī)采用對(duì)稱結(jié)構(gòu)的多個(gè)旋轉(zhuǎn)中心帶動(dòng)旋翼產(chǎn)生風(fēng)力進(jìn)行飛行作業(yè)。多旋翼直升機(jī)價(jià)格適中，操作靈活，培訓(xùn)周期短。但由于采用電池作為動(dòng)力來源，使得多旋翼直升機(jī)的作業(yè)覆蓋半徑在300m之內(nèi)，單次作業(yè)時(shí)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(dòng)力優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)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(jī)植保作業(yè)單旋翼燃料可載重30kg，續(xù)航達(dá)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(hù)相對(duì)復(fù)雜價(jià)格較貴，維護(hù)成本略高，培訓(xùn)周期長(zhǎng)載量小，時(shí)間短，抗風(fēng)力稍弱電池整機(jī)輕續(xù)航時(shí)間短、電池價(jià)高壽命短、充電時(shí)間長(zhǎng)，抗風(fēng)能力差混合續(xù)航超過60分鐘，有些載重達(dá)35kg以上能耗大多旋翼電池價(jià)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(shí)間＜30min，適合小地塊（＜6.7hm2）近年來我國(guó)農(nóng)用小型無人植保飛機(jī)發(fā)展勢(shì)頭迅猛，目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)無人植保飛機(jī)的廠家已經(jīng)超過10家，并呈快速增長(zhǎng)趨勢(shì)?，F(xiàn)有的農(nóng)用無人植保機(jī)以農(nóng)用小型無人直升機(jī)較多，而農(nóng)用固定翼無人機(jī)研發(fā)的較少，主要機(jī)型有單旋翼直升機(jī)和多旋翼直升機(jī)兩種。農(nóng)用航空施藥機(jī)型以大型固定翼飛機(jī)為主，用于中國(guó)東北三省、新疆、內(nèi)蒙古等大面積的農(nóng)墾地區(qū)；以旋翼無人機(jī)為輔，用于中國(guó)南方丘陵、地形復(fù)雜的山地地區(qū)。國(guó)內(nèi)農(nóng)用無人機(jī)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(jī)，并呈現(xiàn)快速增長(zhǎng)的趨勢(shì)。生產(chǎn)的無人機(jī)分為油動(dòng)力、電池動(dòng)力和油電混合動(dòng)力3種，油動(dòng)力的又有風(fēng)冷和水冷兩種，載藥能力在5kg?20kg之間，價(jià)格在6萬(wàn)?20萬(wàn)之間。目前已基本定型的農(nóng)業(yè)植保系列無人機(jī)型任務(wù)載荷在10、15、20kg，產(chǎn)品已經(jīng)進(jìn)入小批量生產(chǎn)。此類無人機(jī)由于受機(jī)體和載重限制，大多采用了半自駕的方式，經(jīng)濟(jì)性較差，飛行高度、速度與航線易受操控手目測(cè)判斷差異的影響而產(chǎn)生一定的偏差，對(duì)施藥效果造成一定的影響。2）實(shí)例外國(guó)常用農(nóng)用無人噴藥直升機(jī)實(shí)例:開發(fā)者/使用者型號(hào)特點(diǎn)圖日本雅馬哈公司YamahaRMAX系列農(nóng)用無人噴藥直升機(jī)具有直升機(jī)的優(yōu)點(diǎn)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(zhǔn)噴灑美國(guó)AUH型農(nóng)用無人噴藥直升機(jī)自身質(zhì)量76KG，負(fù)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(jī)飛控系統(tǒng)配備三軸慣性加速度計(jì)"OVE7”航向磁力計(jì)”聲納和雷達(dá)高度計(jì)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(duì)周圍環(huán)境狀況變化做出快速反應(yīng)，且能在障礙物間機(jī)動(dòng)飛行，根據(jù)攝像頭拍攝信息獨(dú)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(dòng)機(jī)提供動(dòng)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(dòng)力,主旋翼自徑1.75米（69英寸）中國(guó)開發(fā)農(nóng)用無人噴藥飛機(jī)實(shí)例:開發(fā)者/使用型號(hào)特點(diǎn)圖

者總參16所天鷹-3型主旋翼直徑3.2m，質(zhì)量80kg，負(fù)載20kg，續(xù)航1h，單次2.67hm2,作業(yè)效率5.33hm2中國(guó)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(jī)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(yuǎn)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4.5-7.5L/hm2山東衛(wèi)士植保機(jī)械有限公司W(wǎng)SZ-1805WSZ-2410多旋翼電動(dòng)農(nóng)用噴藥無人機(jī)多旋翼直升機(jī)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(diǎn)，該機(jī)載藥量達(dá)18kg，作業(yè)效率4.67hm2/h昆明飛艇新藝模型有限公司新藝XYZB-8型農(nóng)用噴藥無人機(jī)電動(dòng)機(jī)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(dòng)記錄飛行時(shí)間、地點(diǎn)和作業(yè)面積等數(shù)據(jù)，可載藥物25kg沈陽(yáng)自動(dòng)化所ServoHeli-120型最大負(fù)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(jī)負(fù)載10kg淮坊天翔V-750最大負(fù)載80kg，續(xù)航4h，抗風(fēng)5級(jí)，航油無錫漢和CD-10; CD-15；CD-20?40農(nóng)用噴藥無人機(jī)第三代全自動(dòng)、半自動(dòng)飛行狀態(tài)自動(dòng)切換；氣壓傳感、GPS傳感、加速傳感融合系統(tǒng)；自動(dòng)航路規(guī)劃；定高飛行（精度達(dá)到0.5m）；自動(dòng)增穩(wěn)；自動(dòng)懸停；自動(dòng)起降；“兒”字形規(guī)定姿態(tài)飛行（或其他規(guī)定姿態(tài)自動(dòng)飛行）；三合一設(shè)計(jì)：飛控計(jì)算機(jī)+IMU+GPS；安全設(shè)計(jì)：3臺(tái)飛控計(jì)算機(jī)備份表決系統(tǒng)；配備軌跡記錄儀（漢和專利，自動(dòng)噴灑覆蓋率統(tǒng)計(jì)，漏噴、復(fù)噴警告）北方天途M6A農(nóng)用噴藥無人機(jī)載重6kg，飛行時(shí)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(jī)噴灑0-8m/s，載重10kg，行時(shí)間10-30min，速度0-10m/s，高度0-1000mM8A農(nóng)用噴藥無人機(jī)懸停15-35min，負(fù)載15kg，噴灑高度1-3mEH3、VH1、RH1等直升機(jī)載重8-25kg，續(xù)航30-70min，SP-3、SP-01固定翼負(fù)載12-25kg，抗風(fēng)6-7級(jí)，續(xù)航3-10h博航聯(lián)合BH330系列農(nóng)用噴藥直升機(jī)燃油，配備綜合遙控器，計(jì)算機(jī)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15min珠海銀通YT-A5無人駕駛電動(dòng)單旋翼直升機(jī)，飛機(jī)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(shí)間20min。使用Fulaba2.4GHz10通道遙控器，配備R6014HS接收機(jī)。浙江得偉等農(nóng)機(jī)農(nóng)藥生產(chǎn)廠家及浙江大學(xué)合作4款噴灑農(nóng)藥無人機(jī)中國(guó)北京航空學(xué)院蜜蜂16直升機(jī)M16共軸反槳直升機(jī)，續(xù)航1.6h，有自動(dòng)駕駛儀，自主導(dǎo)航系統(tǒng)，遙控遙測(cè)系統(tǒng)北京科源輕型飛機(jī)實(shí)業(yè)有限公司I型無人機(jī)負(fù)載6.5kg，續(xù)航3-6h，測(cè)控半徑90km河南田秀才植保股份有限公司TXC8-3/5型八旋翼無人機(jī)TXC16-10型多旋翼無人機(jī)各國(guó)農(nóng)用常用機(jī)型表:國(guó)家類型類型美國(guó)AT-402,510G農(nóng)用飛機(jī)、無人機(jī)俄羅斯M-18農(nóng)用飛機(jī)、無人機(jī)巴西AT-402,510G農(nóng)用飛機(jī)、無人機(jī)中國(guó)Y-5，Y-12，M-18，510G,RH-2，EH-3，YR-H-15農(nóng)用飛機(jī)、無人機(jī)日本YamahaRmax無人機(jī)韓國(guó)Roll-balancedhelicopter無人機(jī)2.飛控系統(tǒng)1）發(fā)展現(xiàn)狀國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家的農(nóng)用航空飛機(jī)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(jī)施藥飛行線，以避免重噴和漏噴。我國(guó)的農(nóng)用無人直升機(jī)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(jī)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(jī)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(dòng)因素能力弱，容錯(cuò)能力也較差。我國(guó)針對(duì)農(nóng)用噴藥目的的無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)現(xiàn)階段處于空白狀態(tài)，基本采用國(guó)外開發(fā)成型的非空平臺(tái)或國(guó)內(nèi)自主研發(fā)的非空平臺(tái)加載噴藥系統(tǒng)形成，具體情況可見上一節(jié)飛行平臺(tái)。2)實(shí)例開發(fā)者達(dá)到目的開發(fā)特點(diǎn)陳天華，盧思翰小型無人機(jī)導(dǎo)航控制系統(tǒng)導(dǎo)航控制與數(shù)據(jù)采集采用單獨(dú)DSP芯片進(jìn)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(kuò)展了DSP芯片異步串行通信接口，實(shí)現(xiàn)了無人機(jī)的自主導(dǎo)航控制i.基于DSP的小型農(nóng)用無人機(jī)導(dǎo)航控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[1]飛機(jī)總體結(jié)構(gòu)采用上單翼、上反角、大舵面、前置發(fā)動(dòng)機(jī)，對(duì)俯仰、滾轉(zhuǎn)、偏航(PRY)3個(gè)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(shí)現(xiàn)精確控制。機(jī)身長(zhǎng)1390mm、翼展1500mm、升力面積0.39m2、發(fā)動(dòng)機(jī)采用46級(jí)二沖程甲醇內(nèi)燃機(jī)，4個(gè)標(biāo)準(zhǔn)舵機(jī)，PCM1024數(shù)字比例遙控。同時(shí)，為提高場(chǎng)地適應(yīng)性，設(shè)計(jì)彈射起飛系統(tǒng)和傘降著陸系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無人機(jī)的起降，以適應(yīng)小型無人機(jī)在不同農(nóng)場(chǎng)使用。噴灑系統(tǒng)1)發(fā)展現(xiàn)狀由美國(guó)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(jì)90年代以來最先進(jìn)的航空靜電噴霧器械，適用于各種中小型螺旋漿飛機(jī)和直升機(jī)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(guó)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(guó)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(jì)合適的作業(yè)參數(shù)。我國(guó)農(nóng)業(yè)航空噴霧設(shè)備的發(fā)展同樣經(jīng)歷了漫長(zhǎng)的歷程，在70年代中期以前，使用的噴霧設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、機(jī)動(dòng)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(jìn)行超低量噴霧，隨后又不斷研制和從國(guó)外引進(jìn)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(jī)配套設(shè)計(jì)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(guó)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(jī)配套技術(shù)，在廣西武鳴林區(qū)用于防治病蟲害，并進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)研究。在我國(guó)，航空噴霧設(shè)備品種少、性能較差，控制系統(tǒng)一般只是簡(jiǎn)單的壓力計(jì)、流量計(jì)，少數(shù)的裝有GPS自助導(dǎo)航儀，與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，差距甚大。2）實(shí)例基于航模的農(nóng)藥噴灑機(jī)[2]工作原理：通過航模遙控器控制航模飛行到達(dá)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(dòng)控制農(nóng)藥噴灑。噴灑機(jī)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(jī)可以準(zhǔn)確地讀出噴灑機(jī)中農(nóng)藥的剩余量。當(dāng)農(nóng)藥低于一定量時(shí)，單片機(jī)控制小型氣泵停止工作，進(jìn)而自動(dòng)停止農(nóng)藥噴灑。地面航模遙控器裝有液晶顯示屏，航模遙控器剋實(shí)時(shí)接收農(nóng)藥噴灑機(jī)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(zhǔn)確的顯示噴灑機(jī)中的剩余農(nóng)藥量，當(dāng)?shù)陀谝欢繒r(shí)還可聲光報(bào)警，提醒返航。?航模遙控器?農(nóng)藥噴灑機(jī)無人直升機(jī)遠(yuǎn)程控制噴霧系統(tǒng)[3]采用德國(guó)VARIO公司的多用途無人直升機(jī)的遠(yuǎn)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(yuǎn)程控制系統(tǒng)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)通過操作地面發(fā)射端，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制無人機(jī)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(jī)的噴霧系統(tǒng)的控制箱中，即可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程對(duì)泵與噴頭電動(dòng)機(jī)的控制。無人機(jī)起飛前，先在地面閉合開關(guān)U，系統(tǒng)進(jìn)入待命狀態(tài)。在無人機(jī)進(jìn)入預(yù)定施藥區(qū)域后，遠(yuǎn)程控制接收模塊中的繼電器導(dǎo)通，泵與噴頭內(nèi)的電動(dòng)機(jī)工作，噴霧系統(tǒng)施藥。離心霧化裝置設(shè)計(jì)了噴灑面積相對(duì)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(dòng)機(jī)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(jì)呈長(zhǎng)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(dòng)機(jī)利用飛機(jī)自帶電源為霧化盤提供動(dòng)力，霧化盤呈圓臺(tái)盆狀，內(nèi)壁設(shè)有多個(gè)細(xì)槽，供藥液均勻分布，實(shí)現(xiàn)超低量噴霧。用于直升機(jī)的航空靜電噴霧系統(tǒng)設(shè)計(jì)[4]針對(duì)美國(guó)羅賓遜公司生產(chǎn)的R44型直升機(jī)設(shè)計(jì)了航空靜電噴霧系統(tǒng)。這個(gè)系統(tǒng)包括可以同時(shí)輸出正、負(fù)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(jī)里，通過低壓輸入分流控制器與飛機(jī)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(jī)直流發(fā)電系統(tǒng)共地，在駕駛艙里可以控制每個(gè)高壓電源，調(diào)整噴霧的輸出電壓。從飛機(jī)的腹部向兩側(cè)伸出兩個(gè)橫噴管，橫噴管采用不銹鋼制作，總長(zhǎng)度為12米。兩組噴嘴（每組14個(gè)）分別通過螺紋方式連接到飛機(jī)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(fù)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(gè)電源的另一端接地到飛機(jī)的機(jī)架上。在飛機(jī)的下面安裝有藥箱，一次載藥量為200L，通過電動(dòng)泵給噴霧裝置提供藥液，實(shí)現(xiàn)航空噴灑作業(yè)。小型無人直升機(jī)霧化系統(tǒng)設(shè)計(jì)[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(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在本文的霧化系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，以無人機(jī)的電源作為噴霧系統(tǒng)的動(dòng)力，在飛機(jī)的腹部安裝一個(gè)支架，用以固定藥液箱、藥液泵和噴桿，兩組霧化噴頭對(duì)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(jī)飛行的安全。通過遙控控制系統(tǒng)可以控制飛機(jī)起飛后霧化系統(tǒng)的工作情況v.小型無人機(jī)載農(nóng)藥變量噴灑系統(tǒng)[7]采用的無人機(jī)為多旋翼結(jié)構(gòu)。多旋翼無人飛行器主要由動(dòng)力系統(tǒng)（包括：電機(jī)、電池、電調(diào)和槳X飛行器主體（包含：機(jī)架、起落架）和控制系統(tǒng)（包括：遙控器、接收機(jī)、飛行控制器）組成。該機(jī)載農(nóng)藥噴灑系統(tǒng)的工作原理是：當(dāng)進(jìn)行農(nóng)藥噴灑時(shí)，操作人員開啟遠(yuǎn)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(hào)發(fā)送給安裝在無人機(jī)上的無線接收機(jī)，噴灑控制板收到無線接收機(jī)傳輸過來的噴灑控制信號(hào)后，通過控制線對(duì)液泵進(jìn)行PWM控制，通過改變PWM的占空比（每個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，使液泵處于導(dǎo)通的時(shí)間比例）來改變液泵的工作時(shí)長(zhǎng)，從而改變農(nóng)藥噴灑流量，實(shí)現(xiàn)變量噴灑。施藥技術(shù)1）發(fā)展現(xiàn)狀我國(guó)農(nóng)用施藥技術(shù)首先從研究國(guó)外施藥技術(shù)入手，但在實(shí)際操作中發(fā)現(xiàn)國(guó)外施藥飛行高度一般在3-5m;，而國(guó)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(guó)需要根據(jù)自身情況研發(fā)適合于我國(guó)飛行平臺(tái)、地理地形特征和噴灑系統(tǒng)的施藥技術(shù)。與發(fā)達(dá)國(guó)家的農(nóng)業(yè)航空應(yīng)用相比，我國(guó)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(yàn)。i.低容量、超低容量噴霧20世紀(jì)70年代中期之前，飛機(jī)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(jī)作業(yè)面積大、時(shí)間緊，往返場(chǎng)空中耽誤時(shí)間多，不能滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上適時(shí)施藥的需要。隨著1975年航空超低容量噴霧試驗(yàn)的成功和推廣應(yīng)用，我國(guó)農(nóng)業(yè)航空噴施技術(shù)的發(fā)展步入了一個(gè)新的歷史時(shí)期，推動(dòng)了飛機(jī)作業(yè)項(xiàng)目的多元化。特別是飛機(jī)超低容量技術(shù)在水源缺乏和作業(yè)區(qū)較遠(yuǎn)的地區(qū)的應(yīng)用，顯示了其不可替代的優(yōu)勢(shì)，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(guó)唐山發(fā)生大地震時(shí)，出動(dòng)農(nóng)用飛機(jī)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(duì)環(huán)境的污染較嚴(yán)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(jìn)行不同農(nóng)藥或藥肥混噴，因此，在實(shí)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(jìn)入20世紀(jì)80年代以后，隨著科學(xué)技術(shù)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們開始注重經(jīng)濟(jì)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(yùn)而生。綜合作業(yè)是指在噴施適期相吻合時(shí)，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(jìn)行混合噴施，達(dá)到一次作業(yè)、多重效果的目的。在黑龍江墾區(qū)和新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)、河南及遼寧等省區(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(jì)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(guó)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(jì)70年代以來，中國(guó)民用航空局第二研究所研究人員針對(duì)飛機(jī)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(duì)象的適宜霧滴大小、密度和覆蓋均勻度，積累了我國(guó)主要糧食作物及部分經(jīng)濟(jì)類作物飛機(jī)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?yàn)楹娇侦o電噴霧具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：一方面飛機(jī)噴灑作業(yè)時(shí)產(chǎn)生的霧滴借助于靜電場(chǎng)的作用，增強(qiáng)了噴霧粒子對(duì)預(yù)定目標(biāo)的吸附；另一方面，飛噴作業(yè)時(shí)的霧滴是由上向下運(yùn)動(dòng)，在重力和靜電場(chǎng)力的雙重作用下加速了霧滴向下運(yùn)動(dòng)，減少了霧滴飄移損失。此外，飛機(jī)飛行時(shí)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(guó)國(guó)情，研發(fā)航空靜電噴霧裝置特別是適用于我國(guó)運(yùn)五、運(yùn)十一、蜜蜂、蜻蜓等飛機(jī)掛載的各種靜電噴霧裝置，是我國(guó)航空噴灑設(shè)備發(fā)展的重要方面。測(cè)試驗(yàn)證與技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)在航空噴灑設(shè)備霧化性能測(cè)試、作業(yè)質(zhì)量檢測(cè)方面，通過對(duì)我國(guó)自主研發(fā)的GP—81、Y5B—1、CYD-1型噴灑設(shè)備和引進(jìn)設(shè)備的霧化性能測(cè)試，以及航空噴霧作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)量檢測(cè)，掌握了較為成熟的檢測(cè)手段與技術(shù)，在設(shè)備定型檢測(cè)、航空噴霧效果評(píng)估中得到了廣泛運(yùn)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(yàn)證方面，國(guó)家及民航局已先后出臺(tái)多項(xiàng)政策予以鼓勵(lì)和推動(dòng)，為提高航空噴霧裝備的技術(shù)水平、強(qiáng)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)噴灑作業(yè)》(MH/T1002.1—1995)、《飛機(jī)施用農(nóng)藥規(guī)范》(MH/T1026—2009)、《農(nóng)用飛機(jī)噴灑設(shè)備性能檢測(cè)規(guī)范》(MH/T1031—2010)、《通用航空機(jī)場(chǎng)設(shè)備設(shè)施》(GB/T17836—1999)、《飛機(jī)噴施設(shè)備性能技術(shù)指標(biāo)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(yǔ)》(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(cè)定》(MH/T1040—2011).《通用航空術(shù)語(yǔ)》(MH/T1039—2011)、《飛機(jī)噴灑設(shè)備設(shè)計(jì)規(guī)范》(MH/T1049—2012).《飛機(jī)噴霧飄移現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量方法》(MH/T1050—2012)、《噴霧飄移的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室測(cè)量方法》(MH/T1051—2012)等10多項(xiàng)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)規(guī)范航空噴霧作業(yè)技術(shù)、操作流程、檢測(cè)方法起到了積極作用。提高噴灑效率將飛機(jī)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(duì)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(duì)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U，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。2)測(cè)試實(shí)例序號(hào)實(shí)驗(yàn)人機(jī)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(jī)有效噴幅寬度，霧滴均一性進(jìn)行了測(cè)試；霧滴飄移、霧滴沉積分布規(guī)律研究。提供了施藥效果測(cè)試報(bào)告；得到分布規(guī)律。2.黃向東等固定翼飛機(jī)與超輕型直升飛森林病蟲害防治應(yīng)用中的性能、噴灑效果、作業(yè)效率、使在山區(qū)森林病蟲害防治中，超輕型直升飛機(jī)比固定翼機(jī)用費(fèi)用、安全性等方面對(duì)比飛機(jī)更能有效地提高防治效果3.茹煜等Y-5B型農(nóng)用飛機(jī)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(yàn)霧化盤直徑為80mm離心霧化噴頭最佳4.張京等WPH642型無人機(jī)無人駕駛直升機(jī)航空噴霧參數(shù)對(duì)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(jī)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(jī)不同劑型的毒死蜱防治玉米螟；對(duì)霧滴沉積分布狀況及防治效果進(jìn)行分析飛行速度為5m/s,以2.5m時(shí)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(hào)小型無人直升機(jī)設(shè)計(jì)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(guó)外航空植保有航空噴霧專用ULV（超低容量制劑）。但我國(guó)目前登記注冊(cè)的ULV品種較少,是影響國(guó)內(nèi)航空噴霧發(fā)展的一個(gè)重要因素。飛機(jī)直接施用常規(guī)藥劑對(duì)水進(jìn)行作業(yè)時(shí)，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(jìn)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(biāo)部位。三?自主飛行噴灑系統(tǒng)研發(fā)示例1.直升機(jī)自動(dòng)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(dòng)機(jī)提供動(dòng)力的無人直升機(jī)，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)行田間噴灑試驗(yàn)。SR20是由電池提供動(dòng)力的直升機(jī)，主旋翼直徑1.75米（69英寸），用來調(diào)