朱祖武

(江西工業(yè)貿(mào)易職業(yè)技術(shù)學(xué)院，南昌 330000)

0 引言

近年來，隨著科技的進(jìn)步，農(nóng)作物病蟲害的防治方式有了新的突破：之前廣泛應(yīng)用于軍事偵探、空中航拍、交通監(jiān)測及地形勘察[1]等領(lǐng)域的無人機(jī)技術(shù)，被引入到農(nóng)業(yè)發(fā)展中。目前，在加快農(nóng)業(yè)發(fā)展的進(jìn)程中，農(nóng)藥噴灑這一環(huán)節(jié)顯得尤為重要。中國現(xiàn)階段主要防止病蟲害的方式為地面噴灑農(nóng)藥，而這一舉措促使植保無人機(jī)農(nóng)藥噴灑技術(shù)的誕生。針對我國農(nóng)藥噴灑方式正在由傳統(tǒng)的人工噴灑作業(yè)逐步向無人機(jī)噴灑技術(shù)轉(zhuǎn)變，及落后的噴灑機(jī)具與先進(jìn)的探測、控制技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)藥噴灑技術(shù)的對比，本文主要闡述了無人機(jī)農(nóng)藥噴灑關(guān)鍵技術(shù)，并與傳統(tǒng)的人工農(nóng)藥噴灑作業(yè)方式進(jìn)行對比試驗(yàn)。

1 人工作業(yè)農(nóng)藥噴灑技術(shù)

農(nóng)作物病蟲害的存在是制約玉米、水稻、蔬菜等農(nóng)作物產(chǎn)量高低的關(guān)鍵因素。長期以來，對于病蟲害的防治措施之一主要采用人工地面噴灑農(nóng)藥：一方面，小面積人工噴灑農(nóng)藥，引起作業(yè)人員中毒的概率為85%左右；據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，全國農(nóng)業(yè)農(nóng)藥施肥作業(yè)過程中引起中毒事件的人數(shù)高達(dá)10萬余人，死亡人數(shù)占10%以上，同時(shí)勞動強(qiáng)度大，不利于作業(yè)效率的提高。另一方面?zhèn)鹘y(tǒng)的農(nóng)藥噴灑機(jī)具主要結(jié)構(gòu)包括存儲農(nóng)藥箱體、噴灑機(jī)構(gòu)、各種動力驅(qū)動裝置(圖1為機(jī)械化噴灑農(nóng)藥作業(yè)實(shí)拍)，作業(yè)效率較人工施藥有所提高；但是農(nóng)藥的利用效率不高，作業(yè)場地也存在一定的局限性。

2 無人機(jī)農(nóng)藥噴灑技術(shù)

無人機(jī)農(nóng)藥噴灑技術(shù)在國內(nèi)外的發(fā)展較為迅速，一些發(fā)達(dá)國家的無人機(jī)控制技術(shù)更為成熟。圖2為多旋翼型無人機(jī)外觀示意圖。

圖2 多旋翼無人機(jī)外觀示意圖Fig.2 Appearance figure of the rotary wings unmanned aerial vehicle (UAV)

其工作原理可簡要描述為：無人機(jī)通過在空中定向定點(diǎn)噴灑農(nóng)藥，旋翼產(chǎn)生的強(qiáng)大氣流將藥液直接作用于農(nóng)作物的各個(gè)層面，農(nóng)藥隨氣流可深入到農(nóng)作物的根部、葉子的正反面等。無人機(jī)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)農(nóng)藥噴灑，關(guān)鍵是實(shí)現(xiàn)無人機(jī)作業(yè)時(shí)與地面監(jiān)控中心的實(shí)時(shí)通訊與控制。無人機(jī)平臺與地面監(jiān)控中心之間的簡易框圖，如圖3所示。

圖3 無人機(jī)平臺與地面監(jiān)控中心框圖Fig.3 Block figure between the UAV platform and the ground monitoring center

2.1 無人機(jī)噴灑系統(tǒng)控制

無人機(jī)農(nóng)藥噴灑系統(tǒng)主要包括液位測量系統(tǒng)和無線電波遙控系統(tǒng)[2]。液位測量與控制通過在藥箱中設(shè)置一個(gè)電容式液位傳感器來實(shí)現(xiàn)，無線電波遙控系統(tǒng)主要是對農(nóng)藥的液位高度數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)射端與接收端之間的傳輸，進(jìn)而處理器進(jìn)行相關(guān)控制操作。

無人機(jī)成功完成一次農(nóng)藥噴灑作業(yè)，關(guān)鍵在于獲取實(shí)時(shí)的監(jiān)測數(shù)據(jù)及噴灑裝置的實(shí)時(shí)作業(yè)動態(tài)。在滿足無人機(jī)平穩(wěn)飛行前提下，對農(nóng)作物進(jìn)行均勻、精準(zhǔn)的施藥，離不開精密的姿態(tài)控制，將無人機(jī)的平移速度與機(jī)翼的旋轉(zhuǎn)角度、噴嘴噴灑角度實(shí)現(xiàn)高效的耦合，并通過傳感器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)傳遞、實(shí)時(shí)定位及動態(tài)調(diào)整，從而實(shí)施精確噴藥。相關(guān)控制模塊如圖4所示。

圖4 噴灑系統(tǒng)控制框圖Fig.4 Spraying system control block diagram

2.2 噴灑系統(tǒng)硬件與軟件構(gòu)成

1)硬件配置上，主控芯片可采用ARM。其中，姿態(tài)測量部分的傳感器主要包含高精度的角速度計(jì)、加速度計(jì)和陀螺儀、氣壓傳感器、電子羅盤，以及超聲波測距模塊等，如圖5所示。

圖5 噴灑系統(tǒng)內(nèi)部硬件結(jié)構(gòu)Fig.5 Internal hardware structure of spraying system

另外，對于噴灑系統(tǒng)的噴頭進(jìn)行專業(yè)選型，主要考慮噴嘴材質(zhì)及噴霧效果和液滴沉降等因素，同時(shí)硬件回路設(shè)計(jì)多種信號隔離、抗干擾電路等，以達(dá)到噴灑系統(tǒng)運(yùn)行精準(zhǔn)的目標(biāo)。

2)軟件設(shè)計(jì)上，充分利用編程語言對多個(gè)功能傳感器進(jìn)行融合，獲取無人機(jī)農(nóng)藥噴灑作業(yè)實(shí)時(shí)姿態(tài)，并使用PID控制算法[3]，如圖6所示。

圖6 PID控制簡圖Fig.6 A brief diagram of PID control

針對無人機(jī)噴灑系統(tǒng)存在的擾動和相關(guān)參數(shù)變化，李永偉[12]等在六旋翼植保無人機(jī)模糊PID控制中得出，模糊自適應(yīng)PID算法優(yōu)于傳統(tǒng)PID算法，性能參數(shù)比較如表1所示。

表1 傳統(tǒng)PID與模糊自適應(yīng)PID主要性能參數(shù)[12]的比較

結(jié)合農(nóng)藥噴灑系統(tǒng)的硬件配置，實(shí)現(xiàn)對姿態(tài)的識別和目標(biāo)控制，設(shè)計(jì)高效、合理的噴灑控制作業(yè)方式。一般無人機(jī)噴灑系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程圖[4]，如圖7所示。

圖7 噴灑系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)大體流程圖Fig.7 The general flow chart of spraying system software design

2.3 噴灑系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)

無人機(jī)在進(jìn)行農(nóng)藥噴灑的過程中，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注噴灑系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)，如目標(biāo)植株、霧滴流場的輸運(yùn)特性、農(nóng)藥液滴的霧化程度及穿透性[5]等，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)農(nóng)藥噴灑作業(yè)的效率最大化。影響技術(shù)參數(shù)大致可分為以下3類：

1)進(jìn)行農(nóng)藥噴灑時(shí)的氣象條件，如風(fēng)向、風(fēng)速等；

2)無人機(jī)位于植株上空的相關(guān)飛行參數(shù)，如飛行速度、飛行高度[6]等；

3)無人機(jī)噴霧流量、噴霧粒徑與霧滴的沉積分布[7]之間的相互影響。

對于關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)的選取及優(yōu)化通常采用高速攝影技術(shù)、計(jì)算機(jī)模擬檢測技術(shù)相結(jié)合經(jīng)過準(zhǔn)確計(jì)算而設(shè)定：針對農(nóng)藥噴灑中涉及到的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)確定，在環(huán)境參數(shù)：風(fēng)速v=0～0.1m/s，溫度t=27～28℃的條件下，構(gòu)建以飛行高度X1、飛行速度X2和噴嘴流量X3等參數(shù)為設(shè)計(jì)變量，以噴灑的農(nóng)藥霧滴沉積水平M為優(yōu)化目標(biāo)的參數(shù)優(yōu)化模型。首先進(jìn)行單因素試驗(yàn)，利用響應(yīng)面回歸分析方法確定二次回歸模型，進(jìn)而進(jìn)行模型交互項(xiàng)解析，并通過利用Design Expert軟件獲取最優(yōu)無人機(jī)農(nóng)藥噴灑關(guān)鍵參數(shù)條件(即3個(gè)關(guān)鍵參數(shù)X1、X2、X3分別取某個(gè)確定值得到最佳的霧滴沉積水平。根據(jù)秦維彩等[6]試驗(yàn)結(jié)果，對于無人機(jī)噴灑作業(yè)過程中的最佳關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)進(jìn)行選擇：無人機(jī)飛行高度在2m左右、飛行速度約在4m/s左右、噴頭流量約在450mL/min時(shí)，可達(dá)到霧滴最大沉積水平在69%左右。

旋翼型無人機(jī)構(gòu)件可選取超低容量旋流噴嘴[8],該旋流噴嘴的結(jié)構(gòu)組成及霧化機(jī)理決定了其能夠在無人機(jī)進(jìn)行農(nóng)藥噴灑過程中，在表面張力和離心力的共同作用下形成均勻霧滴，直接附著于農(nóng)作物表面、背面或根部。根據(jù)旋流噴嘴的湍流流場特性選取氣液兩相流控制方程,選用Fluent軟件中的流體體積函數(shù)VOF方法進(jìn)行數(shù)值模擬與分析，控制方程為

(1)

(2)

(3)

(4)

式中ρ—流體的密度(kg/m3)；

ui—流體速度在i方向上的分量(m/s)；

t—時(shí)間(s)；

xi、xj—i、j方向上的空間坐標(biāo)(m)；

γ—體積分?jǐn)?shù)；

μ—流體的粘度(Pa·s)；

FV—作用在體單元上的力(N)；

σ—流體的表面張力系數(shù)(N/m)；

κ—界面曲率(m-1)；

δ—狄拉克函數(shù)；

n—交界面上的法線向量。

根據(jù)文晟等[8]所做試驗(yàn)結(jié)果，噴嘴出口直徑直接影響噴灑霧化性能，出口直徑增大，噴霧流量、噴霧角隨之增大且幅度較大；且農(nóng)藥流體的相對壓強(qiáng)對噴嘴流量和霧滴粒徑影響也較明顯，噴灑系統(tǒng)的相對壓強(qiáng)從70kPa 升至160kPa，旋流噴嘴平均直徑約下降30%左右。

3 對比分析

通過對人工噴灑農(nóng)藥的了解調(diào)查及無人機(jī)農(nóng)藥噴灑工作方式的闡述，明確植保無人機(jī)農(nóng)藥噴灑效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的人工農(nóng)藥噴灑。無人機(jī)應(yīng)用了國內(nèi)外較為先進(jìn)的控制監(jiān)測裝置，提高了工作效率，減輕了作業(yè)人員的勞動強(qiáng)度，保證了作業(yè)人員的人身安全。

無人機(jī)農(nóng)藥噴灑將遠(yuǎn)距離遙控操作與飛行控制導(dǎo)航自主作業(yè)相結(jié)合,達(dá)到高效施藥效果，在一定程度上解決了噴藥難、利用率低等問題。無人機(jī)采用超低量農(nóng)藥噴灑，在大多數(shù)情況下明顯優(yōu)于傳統(tǒng)人工噴灑作業(yè)方式，無人機(jī)農(nóng)藥噴灑平均噴灑667m2只需要2min，每天可噴灑20hm2；而人工每人每天噴灑作業(yè)[9]僅能完成0.67 hm2。無人機(jī)與手動噴霧器、機(jī)械噴霧器相比效率可提高30～80倍以上，具體對比項(xiàng)目如表2所示。

表2 無人機(jī)農(nóng)藥噴灑與人工噴灑[10]的比較

續(xù)表2

無人機(jī)農(nóng)藥噴灑技術(shù)相對于傳統(tǒng)人工農(nóng)藥噴灑，不但實(shí)現(xiàn)了自動化，更對無人機(jī)技術(shù)領(lǐng)域提出更高的技術(shù)要求：

1)在了解農(nóng)田地理地形的前提下，量身設(shè)計(jì)并規(guī)劃好噴灑任務(wù)的作業(yè)路線和飛行軌跡，以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)噴灑；

2)確保滿足噴灑的精度要求，選擇合適的導(dǎo)航控制算法；

3)對于接收、發(fā)射信號的傳感器關(guān)鍵部件要求極高，需保證實(shí)時(shí)定位、了解無人機(jī)的飛行及噴灑姿態(tài)；

4)針對圖像無線傳輸，要選取功耗低、運(yùn)行處理速度快的集成芯片[11](DSP、FPGA等)，融入可有效解決復(fù)雜作業(yè)環(huán)境之下的糾錯(cuò)編碼技術(shù)、無人機(jī)目標(biāo)圖像穩(wěn)像技術(shù)和實(shí)時(shí)傳輸技術(shù)等。

另一方面，針對無人機(jī)農(nóng)藥噴灑技術(shù)本身而言，存在自身關(guān)鍵掌控點(diǎn)：

1)高精度遙感監(jiān)測。無人機(jī)進(jìn)行遙感監(jiān)測的技術(shù)精度應(yīng)達(dá)到90%以上，從分析掌握相關(guān)農(nóng)田地形、當(dāng)?shù)貧夂蚝蜌v史有效數(shù)據(jù)入手，以提供準(zhǔn)確作業(yè)數(shù)據(jù)，包括了解農(nóng)情遙感機(jī)理和定量研究，建立符合實(shí)際地況、農(nóng)作物狀況的數(shù)據(jù)模型，減少或最大限度降低遙感監(jiān)測。

2)最佳作業(yè)效率。只有在確保合適的飛行高度、飛行速度條件下實(shí)現(xiàn)作業(yè)效率最大化。此時(shí)，無人機(jī)的噴藥系統(tǒng)通過無人機(jī)旋翼產(chǎn)生的向下氣流，擾動各種農(nóng)作物的葉片，使藥液更容易滲入，可減少20%以上的農(nóng)藥量，達(dá)到最佳噴藥效果。相關(guān)資料及試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，在h≥3m、v<10m/s時(shí)，作業(yè)效率最佳。

4 結(jié)論

與傳統(tǒng)人工作業(yè)相比，無人機(jī)農(nóng)藥噴灑技術(shù)具有明顯的優(yōu)勢，該技術(shù)在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)發(fā)展中具有非常重要的應(yīng)用推廣價(jià)值，應(yīng)成為我國農(nóng)業(yè)發(fā)展創(chuàng)新的一股重要推動力量。為了使農(nóng)藥噴灑效果發(fā)揮最佳、噴灑目標(biāo)性更強(qiáng)，應(yīng)從理論、試驗(yàn)及應(yīng)用上不斷開展無人機(jī)農(nóng)藥噴灑技術(shù)新研究。

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