徐小杰，陳盛德，周志艷,2，蘭玉彬，羅錫文

(1.華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院/國(guó)家精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)航空施藥技術(shù)國(guó)際聯(lián)合研究中心/廣東省農(nóng)業(yè)航空應(yīng)用工程技術(shù)研究中心/國(guó)際農(nóng)業(yè)航空施藥技術(shù)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，廣州 510642； 2.南方糧油作物協(xié)同創(chuàng)新中心，長(zhǎng)沙 410128)

0 引言

我國(guó)是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，隨著糧食產(chǎn)量的增長(zhǎng)，我國(guó)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)進(jìn)入到了新的階段[1]。近年來，我國(guó)的農(nóng)業(yè)種植經(jīng)營(yíng)方式已從家家戶戶小農(nóng)業(yè)向合作社、種糧大戶、農(nóng)場(chǎng)等規(guī)?；筠r(nóng)業(yè)發(fā)展，擁有大面積土地的種植戶在現(xiàn)有的機(jī)械化基礎(chǔ)上向農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化、農(nóng)業(yè)信息化、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)等方向發(fā)展，對(duì)農(nóng)業(yè)高新技術(shù)的需求提出了更高的要求[2-3]。

植保作業(yè)是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中必不可少的環(huán)節(jié)，其勞動(dòng)周期長(zhǎng)、勞動(dòng)強(qiáng)度大且時(shí)效性要求高[4]。隨著大規(guī)?；r(nóng)業(yè)的發(fā)展，必然對(duì)植保器械的作業(yè)方式和作業(yè)效率有更高的要求。目前，我國(guó)農(nóng)用植保器械主要包括人力器械、地面動(dòng)力機(jī)械及航空植保器械。其中，傳統(tǒng)的人力器械作業(yè)方式勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低、耗時(shí)長(zhǎng)且對(duì)作業(yè)人員有危害，難以應(yīng)對(duì)突發(fā)性病蟲害[5-6]；地面動(dòng)力機(jī)械作業(yè)方式成本高、藥劑有效利用率低[7]，且下田作業(yè)困難，易損傷農(nóng)作物及土壤物理結(jié)構(gòu)，影響農(nóng)作物后期生長(zhǎng)[8]；而農(nóng)用航空器械作為我國(guó)近年來的新型植保作業(yè)方式，克服了我國(guó)傳統(tǒng)噴施方式的弊端，航空植保器械作業(yè)效率高，成本低，防控效果好，其作業(yè)能力是地面機(jī)械的3倍、人工的30倍[9-10]，且可解決水稻生長(zhǎng)過程中地面機(jī)械難以下田作業(yè)等問題[11]，正逐漸成為人們首選的噴施作業(yè)方式。其中，作為航空植保器械的重要組成之一的植保無人機(jī)，近年來的迅速發(fā)展和應(yīng)用引起了人們的廣泛關(guān)注[12-14]。在航空植保器械中，農(nóng)用無人機(jī)與有人駕駛農(nóng)用飛機(jī)相比，具有無需專用機(jī)場(chǎng)和專業(yè)飛行員、維護(hù)成本低、航空管制少等特點(diǎn)[15]。農(nóng)用無人機(jī)體積較小，作業(yè)精度高，進(jìn)行航空植保作業(yè)時(shí)可在田間地頭完成起降、加油和加注藥液等工作，減少了往返機(jī)場(chǎng)的飛行時(shí)間及燃料消耗，保證了作業(yè)效率[16]；同時(shí)，還具有作業(yè)地形適應(yīng)性廣的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于農(nóng)民用戶耕地面積較小、地形多山的作業(yè)地形而言，農(nóng)用無人機(jī)比農(nóng)用有人機(jī)更適合進(jìn)行作業(yè)[17-19]。

無人機(jī)技術(shù)在農(nóng)業(yè)等方面的應(yīng)用無疑是農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程中一場(chǎng)偉大的變革，隨著土地向種糧大戶和家庭農(nóng)場(chǎng)主逐漸集中，植保無人機(jī)在未來的農(nóng)業(yè)應(yīng)用中必將大顯身手。據(jù)統(tǒng)計(jì)，近年來無人機(jī)在我國(guó)主要農(nóng)作物施藥需求的市場(chǎng)規(guī)模產(chǎn)值將達(dá)到2 298億元。隨著無人機(jī)在農(nóng)業(yè)方面應(yīng)用的興起，全國(guó)各地都在競(jìng)相研發(fā)和推廣植保無人機(jī)應(yīng)用技術(shù)[20-21]；但是，目前如何在我國(guó)大規(guī)模推廣植保無人機(jī)應(yīng)用技術(shù)還存在許多的問題。首先，我國(guó)的農(nóng)業(yè)航空政策法規(guī)體系不完善，缺乏詳細(xì)的發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃；其次，農(nóng)業(yè)航空社會(huì)化服務(wù)體系不健全，專業(yè)隊(duì)伍人才匱乏[22]；最后，農(nóng)用無人機(jī)配套核心科學(xué)技術(shù)研究不足，缺乏高穩(wěn)定性、高可靠性的植保無人機(jī)。在無人機(jī)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)激烈的今天，農(nóng)民用戶必然傾向性能好、壽命高、可靠性高的產(chǎn)品；而現(xiàn)在越來越多的無人機(jī)生產(chǎn)商只注重生產(chǎn)量，而忽略了飛機(jī)性能的好壞,過多的低性能無人機(jī)在市場(chǎng)上的出現(xiàn)已經(jīng)嚴(yán)重阻礙了植保無人機(jī)應(yīng)用技術(shù)的推廣。因此，植保無人機(jī)的性能指標(biāo)測(cè)試就顯得尤為重要，科學(xué)、全面地實(shí)現(xiàn)對(duì)植保無人機(jī)性能指標(biāo)測(cè)評(píng)是解決阻礙我國(guó)植保無人機(jī)應(yīng)用技術(shù)大規(guī)模推廣問題的重要途徑之一。

本文擬在分析植保無人機(jī)綜合性能指標(biāo)中的可靠性能指標(biāo)、抗風(fēng)性能指標(biāo)、載荷性能指標(biāo)、振動(dòng)性能指標(biāo)和噴施作業(yè)性能等5個(gè)主要性能指標(biāo)測(cè)試必要性的基礎(chǔ)上，對(duì)當(dāng)前這5個(gè)主要性能指標(biāo)的測(cè)試方法進(jìn)行深入剖析，指出各種測(cè)試方法的優(yōu)點(diǎn)及不足，并對(duì)目前關(guān)于植保無人機(jī)綜合性能測(cè)試中還存在的問題進(jìn)行歸納，以期指出未來植保無人機(jī)性能指標(biāo)測(cè)試體系完善和技術(shù)發(fā)展的方向。

1 評(píng)價(jià)植保無人機(jī)綜合性能的主要測(cè)評(píng)指標(biāo)

植保無人機(jī)的性能指標(biāo)不僅是無人機(jī)本身性能好壞的直接體現(xiàn)，更是無人機(jī)航空作業(yè)性能優(yōu)劣與安全的間接反映。因此，科學(xué)、全面的植保無人機(jī)綜合性能測(cè)評(píng)指標(biāo)體系不但對(duì)于植保無人機(jī)的研制和生產(chǎn)有一定的參考指導(dǎo)意義，而且對(duì)于我國(guó)無人機(jī)在農(nóng)業(yè)各方面的應(yīng)用推廣更具有積極的推動(dòng)作用。

對(duì)于植保無人機(jī)綜合性能來說，主要有任務(wù)成功率、有效載荷量、有效飛行時(shí)間、續(xù)航時(shí)間、抗風(fēng)等級(jí)、航線精度、作業(yè)質(zhì)量及作業(yè)效率等多個(gè)指標(biāo)；而以上植保無人機(jī)的綜合性能均可通過可靠性能指標(biāo)、載荷性能指標(biāo)、抗風(fēng)性能指標(biāo)、振動(dòng)性能指標(biāo)及噴施作業(yè)性能等比較全面地概括出來。植保無人機(jī)綜合性能的主要測(cè)評(píng)指標(biāo)如圖1所示。

1.1 可靠性能指標(biāo)

可靠性能是指系統(tǒng)在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成規(guī)定功能的能力[23-24]，植保無人機(jī)的可靠性能主要是指其飛行作業(yè)任務(wù)的成功率[25]。在植保無人機(jī)的眾多性能指標(biāo)中，可靠性能是首要的指標(biāo)。當(dāng)飛機(jī)的可靠性能不能保證時(shí)，其他的任何性能指標(biāo)都會(huì)成為空談。無人機(jī)系統(tǒng)作為一個(gè)整體，主要由機(jī)身結(jié)構(gòu)系統(tǒng)和飛行控制軟件系統(tǒng)組成，因此無人機(jī)的可靠性能主要分為機(jī)身材料和結(jié)構(gòu)可靠性能、飛行控制軟件系統(tǒng)可靠性能和系統(tǒng)可靠性能[26]。

圖1 植保無人機(jī)主要測(cè)評(píng)指標(biāo)Fig.1 Main evaluation indexes of plant protection UAV

1.1.1 機(jī)身材料和結(jié)構(gòu)可靠性能

為了進(jìn)一步優(yōu)化植保無人機(jī)的機(jī)動(dòng)靈活性和任務(wù)載荷性，無人機(jī)的機(jī)身設(shè)計(jì)正朝著體積小和質(zhì)量輕的方向發(fā)展[27]。機(jī)身結(jié)構(gòu)作為飛機(jī)系統(tǒng)中的硬件，機(jī)身材料的好壞必然會(huì)影響到無人機(jī)的可靠安全性能的高低[28]，因此植保無人機(jī)的零部件材料、機(jī)身結(jié)構(gòu)的損傷和疲勞壽命必須重新加以測(cè)試和鑒定。

1.1.2 飛行控制軟件系統(tǒng)可靠性能

飛行控制軟件系統(tǒng)作為無人機(jī)的核心，對(duì)植保無人機(jī)至關(guān)重要，一旦出現(xiàn)故障，無人機(jī)就會(huì)出現(xiàn)事故[29-30],其可靠性能程度的高低決定著無人機(jī)的工作狀態(tài)和壽命。所以說，飛行控制軟件系統(tǒng)的可靠性能是無人機(jī)可靠性能保障的核心要素[31]，其能測(cè)試是植保無人機(jī)可靠性能測(cè)試中非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。

1.1.3 系統(tǒng)可靠性能

對(duì)于整個(gè)無人機(jī)系統(tǒng)來說，可靠性能不僅僅包括硬件結(jié)構(gòu)可靠性能和軟件可靠性能，還應(yīng)考慮硬件和軟件融合成一個(gè)系統(tǒng)的可靠性能[32-33]。無人機(jī)系統(tǒng)可靠性能主要是指硬件和軟件融合后其飛行任務(wù)的成功率，即任務(wù)可靠性。通過系統(tǒng)可靠性能測(cè)試，不僅可以確認(rèn)生產(chǎn)出來的無人機(jī)系統(tǒng)是否滿足可靠性定量要求，還可以不斷發(fā)現(xiàn)缺陷。完善整個(gè)無人機(jī)可靠性設(shè)計(jì)，是植保無人機(jī)系統(tǒng)在研制和生產(chǎn)階段提高和驗(yàn)證可靠性能的必要工作。

1.2 抗風(fēng)性能指標(biāo)

飛機(jī)的抗風(fēng)性能是飛機(jī)的穩(wěn)定性能參數(shù)之一。植保無人機(jī)在空中飛行作業(yè)時(shí)，一般都是按照預(yù)定的軌跡路線或人為遙控路線飛行，但是風(fēng)場(chǎng)作為一種不可避免的飛行環(huán)境，極大地影響植保無人機(jī)的飛行精度和作業(yè)品質(zhì)，甚至影響到無人機(jī)的飛行安全。農(nóng)業(yè)航空由于其復(fù)雜多變的作業(yè)環(huán)境，已經(jīng)受到了很大的環(huán)境限制。因此，隨著植保無人機(jī)在農(nóng)業(yè)方面更大規(guī)模的應(yīng)用，其抗風(fēng)性能越來越被重視，抗風(fēng)性能指標(biāo)測(cè)試也顯得尤為重要。

1.3 載荷性能指標(biāo)

由于無人機(jī)在農(nóng)業(yè)噴施方面的應(yīng)用越來越廣，植保無人機(jī)的有效載荷越來越被重視。在無人機(jī)的設(shè)計(jì)中確定其有效載荷是植保無人機(jī)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)性工作，是在無人機(jī)結(jié)構(gòu)安全性和無人機(jī)飛行性能與作業(yè)品質(zhì)之間取得恰當(dāng)協(xié)調(diào)的重要環(huán)節(jié)[34-35]。對(duì)有人駕駛飛機(jī)而言，載荷設(shè)計(jì)的確定一般是在強(qiáng)度規(guī)范的指導(dǎo)下完成的，但在植保無人機(jī)載荷設(shè)計(jì)領(lǐng)域目前尚無專門的強(qiáng)度規(guī)范，多是在借鑒有人駕駛飛機(jī)強(qiáng)度規(guī)范的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。因此，在參照有人駕駛飛機(jī)強(qiáng)度規(guī)范的基礎(chǔ)上，結(jié)合無人機(jī)的特點(diǎn)，較為系統(tǒng)地研究植保無人機(jī)有效載荷的設(shè)計(jì)與測(cè)試就顯得非常重要與迫切。

1.4 振動(dòng)性能指標(biāo)

隨著無人機(jī)的快速發(fā)展，植保無人機(jī)已經(jīng)被應(yīng)用到高要求、高精度的農(nóng)業(yè)作業(yè)中。無人機(jī)在飛行過程中，由旋翼、動(dòng)力系統(tǒng)等產(chǎn)生的高頻振動(dòng)，將會(huì)嚴(yán)重影響無人機(jī)的飛行品質(zhì)和作業(yè)質(zhì)量[36]，植保無人機(jī)在農(nóng)田噴施作業(yè)過程中較大的振幅也會(huì)影響到飛機(jī)的噴施作業(yè)質(zhì)量。因此，如何盡量檢測(cè)機(jī)身振動(dòng)性能指標(biāo)和降低振動(dòng)幅度已經(jīng)成為植保無人機(jī)設(shè)計(jì)領(lǐng)域面臨的重要問題。

1.5 噴施作業(yè)性能指標(biāo)

農(nóng)業(yè)航空噴施作業(yè)是植保無人機(jī)最主要的作業(yè)項(xiàng)目，其噴施作業(yè)性能是衡量植保無人機(jī)是否適于噴施作業(yè)的唯一指標(biāo)[37-38]。理想的噴施作業(yè)效果是：所有的藥液都沉積在目標(biāo)區(qū)域內(nèi)的目標(biāo)害蟲和作物上。然而在實(shí)際施藥過程中，受環(huán)境和其他因素的影響，大部分藥液都最終流失到非目標(biāo)區(qū)域的環(huán)境中，導(dǎo)致鄰近作物的藥害、造成環(huán)境污染及人員中毒[39-40]。因此，測(cè)評(píng)和優(yōu)化植保無人機(jī)的噴施作業(yè)性能對(duì)保證我國(guó)糧食安全、環(huán)境安全和生態(tài)安全有特別重大的意義。植保無人機(jī)噴施作業(yè)性能指標(biāo)主要以霧化性能指標(biāo)、作業(yè)質(zhì)量性能指標(biāo)及作業(yè)效率性能指標(biāo)為體現(xiàn)。

1.5.1 霧化性能指標(biāo)

藥液霧化是指通過壓力或高速旋轉(zhuǎn)使液體分散成微小液滴的操作過程，是植保無人機(jī)噴施作業(yè)能有效地結(jié)合超低容量施藥技術(shù)從而大幅度提高農(nóng)藥利用率和減少農(nóng)藥用量的關(guān)鍵點(diǎn)。在航空噴施過程中，如果噴施霧滴粒徑較大，農(nóng)藥沉降到作物表面后容易流失而造成水土污染，且粗大的霧滴還會(huì)減少霧滴的覆蓋密度，將很大程度上降低藥液的效果；如果噴施霧滴粒徑過小，在環(huán)境風(fēng)場(chǎng)及其他流場(chǎng)的作用下，霧滴極易發(fā)生大量飄移，降低農(nóng)藥利用率，且還會(huì)造成鄰近作物的藥害和環(huán)境污染[41]。因此，霧化性能指標(biāo)是影響植保無人機(jī)噴施作業(yè)效果與效率的一個(gè)關(guān)鍵因素。

1.5.2 作業(yè)質(zhì)量性能指標(biāo)

作業(yè)質(zhì)量性能指標(biāo)決定了航空噴施作業(yè)對(duì)病蟲草害的防治效果，是植保無人機(jī)噴施作業(yè)性能指標(biāo)測(cè)試中最重要的一項(xiàng)。在航空噴施作業(yè)質(zhì)量性能指標(biāo)測(cè)試中，主要從單位面積霧滴沉積量、霧滴覆蓋密度及均勻度3個(gè)方面進(jìn)行分析[42]。霧滴覆蓋密度和均勻性是提高噴霧質(zhì)量和農(nóng)藥利用效率的重要參考和依據(jù)。

1.5.3 作業(yè)效率性能指標(biāo)

作業(yè)效率性能指標(biāo)是衡量植保無人機(jī)噴施作業(yè)性能好壞的另一重要指標(biāo)[43]，是在保證作業(yè)質(zhì)量指標(biāo)的基礎(chǔ)上，對(duì)植保無人機(jī)有效作業(yè)快慢的重要體現(xiàn)。具有高作業(yè)效率性能的植保無人機(jī)對(duì)突發(fā)性、爆發(fā)性病蟲害的及時(shí)防控具有重要意義，因此實(shí)現(xiàn)植保無人機(jī)作業(yè)效率性能指標(biāo)的有效測(cè)定對(duì)植保無人機(jī)噴施作業(yè)性能指標(biāo)是一個(gè)必要的補(bǔ)充和完善。

2 主要性能測(cè)評(píng)方法的現(xiàn)狀與分析

2.1 可靠性能指標(biāo)測(cè)試

2.1.1 機(jī)身材料和結(jié)構(gòu)可靠性能測(cè)試

現(xiàn)階段，無人機(jī)機(jī)身材料和結(jié)構(gòu)可靠性能測(cè)試主要是通過振動(dòng)法(即由單軸或多軸振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)產(chǎn)生振動(dòng))來實(shí)現(xiàn)的[44-45]。飛機(jī)在飛行時(shí)，機(jī)身會(huì)發(fā)生多方向、高頻率的振動(dòng)，振動(dòng)試驗(yàn)是對(duì)構(gòu)件或產(chǎn)品在真實(shí)環(huán)境下的可靠性能進(jìn)行鑒定的有效方法。振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)通過在一定的溫度、濕度環(huán)境中，分別在X、Y、Z軸單軸產(chǎn)生高頻振動(dòng)并在另外兩軸施加載荷或者在X、Y、Z軸多軸產(chǎn)生高頻振動(dòng)[27,46-47]，來模擬無人機(jī)的真實(shí)飛行的振動(dòng)情況，如圖2所示。對(duì)飛機(jī)的機(jī)身材料及結(jié)構(gòu)進(jìn)行振動(dòng)和疲勞復(fù)合測(cè)試，以測(cè)得被測(cè)樣飛機(jī)機(jī)身構(gòu)件和結(jié)構(gòu)在環(huán)境及振動(dòng)與疲勞的耦合作用下的損傷和壽命。對(duì)于單軸振動(dòng)試驗(yàn)和單軸振動(dòng)并施加任務(wù)載荷試驗(yàn)而言，雖然如今國(guó)外單軸振動(dòng)試驗(yàn)技術(shù)比較成熟[48-49]且施加載荷較接近真實(shí)飛行情況，但單軸振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)只能提供單點(diǎn)單向激勵(lì)，而實(shí)際上無人機(jī)的振源往往是多點(diǎn)多方向的，因此試驗(yàn)測(cè)得的被測(cè)樣飛機(jī)構(gòu)件及結(jié)構(gòu)的損傷和壽命與實(shí)際使用情況必然有較大差別。多軸振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)可以提供多點(diǎn)多方向的振源，并沒有在試驗(yàn)中給構(gòu)件及整機(jī)施加任務(wù)載荷，沒有施加載荷的多軸振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)顯然是不完備的，與真實(shí)的飛行情況必然有一定的差距。

圖2 3軸振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)工作示意圖Fig.2 3-axis vibration test bed

2.1.2 飛行控制軟件系統(tǒng)可靠性能測(cè)試

軟件可靠性能測(cè)試是指在模擬環(huán)境下為檢驗(yàn)軟件是否達(dá)到所指定的可靠性要求所進(jìn)行的一系列測(cè)試動(dòng)作[50-51]。軟件可靠性能測(cè)試主要可以分為覆蓋性測(cè)試和故障注入測(cè)試。覆蓋性測(cè)試通過對(duì)飛控軟件的文檔、源代碼和運(yùn)行程序等各個(gè)方面進(jìn)行測(cè)試，從程序的覆蓋率中找出相對(duì)應(yīng)的程序出錯(cuò)率，根據(jù)出錯(cuò)率的大小來判斷被測(cè)試軟件的可靠性程度[52-53]。覆蓋性測(cè)試的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)軟件測(cè)試的覆蓋率廣，但是所有的實(shí)時(shí)軟件都對(duì)硬件具有極強(qiáng)的依賴性。由于飛控軟件的開發(fā)過程是在宿主機(jī)上完成的，因此目標(biāo)機(jī)與宿主機(jī)的硬件環(huán)境的差異導(dǎo)致的軟件錯(cuò)誤是很難檢測(cè)出來的。故障注入測(cè)試是采用隨機(jī)性測(cè)試和選擇性測(cè)試相結(jié)合的方式將故障測(cè)試注入被測(cè)試軟件，在仿真環(huán)境下運(yùn)行目標(biāo)程序，采集測(cè)試數(shù)據(jù)，分析這些測(cè)試信息進(jìn)行軟件可靠性模型的參數(shù)估計(jì)，并得到被測(cè)飛行控制軟件的可靠性能結(jié)果[54-55]。故障注入測(cè)試是測(cè)試軟件魯棒性的有效方法，對(duì)軟件的容錯(cuò)能力設(shè)計(jì)是一種嚴(yán)格的考驗(yàn)，但因?yàn)橛刑囝愋偷墓收霞疤嗤緩綄?dǎo)致程序執(zhí)行發(fā)生故障，不可能注入所有的可能的故障，因此故障注入測(cè)試對(duì)整個(gè)飛控軟件可靠性測(cè)試是不完整的。

人工智能技術(shù)正在重塑新聞出版行業(yè)。人工智能在新聞選題、內(nèi)容撰寫、編輯加工、校對(duì)、發(fā)行傳播等方面得以應(yīng)用，使得出版流程實(shí)現(xiàn)智能化。借助機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)、自然語(yǔ)言處理、文本生成等新興算法，人工智能可以將語(yǔ)音實(shí)時(shí)正確地轉(zhuǎn)錄成文字，還可以自主寫出新聞報(bào)道并編輯加工，大大提高了新聞的生成速度和編校速度；基于大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，人工智能可以了解用戶偏好，從而實(shí)現(xiàn)推送內(nèi)容的個(gè)人定制，向用戶推送其感興趣的內(nèi)容。

2.1.3 系統(tǒng)可靠性能測(cè)試

目前，用于植保無人機(jī)系統(tǒng)可靠性測(cè)試的方法并不多見。由于對(duì)于無人機(jī)來說，可靠性能一般為一定置信度下的飛行可靠度，其飛行試驗(yàn)只有成功或失敗兩種結(jié)果，且每次飛行試驗(yàn)結(jié)果在統(tǒng)計(jì)意義上是獨(dú)立的，不受其他試驗(yàn)結(jié)果的影響。無人機(jī)系統(tǒng)的可靠性能測(cè)試符合成敗型二項(xiàng)分布，因此植保無人機(jī)系統(tǒng)可靠性能測(cè)試主要是通過在多次試驗(yàn)飛行架次中統(tǒng)計(jì)飛行成功架次或者在一定的飛行試驗(yàn)時(shí)間中統(tǒng)計(jì)出現(xiàn)的飛行故障數(shù)來評(píng)估無人機(jī)整機(jī)系統(tǒng)的可靠性能[56]，如通過5×7(每天飛行5個(gè)架次，持續(xù)7天)或10×7(每天飛行10個(gè)架次，持續(xù)7天)等實(shí)戰(zhàn)試驗(yàn)來評(píng)估無人機(jī)系統(tǒng)的可靠性能。此種測(cè)試方法的優(yōu)點(diǎn)是接近實(shí)戰(zhàn)環(huán)境，能驗(yàn)證配套設(shè)施；但存在樣本太少、受人的操作一致性影響太多、數(shù)據(jù)利用不充分(只有簡(jiǎn)單的故障記錄)、計(jì)算方法不規(guī)范(不具有可比性)的缺陷。若加大樣本數(shù)，投入巨大，時(shí)間太長(zhǎng)，需要更多的基礎(chǔ)試驗(yàn)支持，不適合可靠性能長(zhǎng)久測(cè)試。

2.2 抗風(fēng)性能指標(biāo)測(cè)試

無人機(jī)的抗風(fēng)性能指標(biāo)測(cè)試是基于飛機(jī)在不同等級(jí)風(fēng)的環(huán)境中位置控制的思路和方法[57]。目前，測(cè)試方法主要有單邊掛重物試驗(yàn)和風(fēng)場(chǎng)模擬試驗(yàn)。單邊掛重物試驗(yàn)是在飛機(jī)飛行時(shí)通過在飛機(jī)的某一側(cè)機(jī)臂掛上相應(yīng)的重物，來模擬飛機(jī)在飛行時(shí)受到陣風(fēng)干擾的情況下而產(chǎn)生的力及力矩[58]，然后觀察和獲取飛機(jī)傾斜角度的平均大小和飛機(jī)晃動(dòng)到平衡所需的時(shí)間長(zhǎng)短，來測(cè)得該測(cè)樣飛機(jī)抗風(fēng)性能的好壞。單邊掛重物試驗(yàn)是最基本的抗風(fēng)性測(cè)試方法，也是最簡(jiǎn)單的測(cè)試方法，但是此種測(cè)試方法比較粗糙，測(cè)試結(jié)果極不準(zhǔn)確且容易摔機(jī)。風(fēng)場(chǎng)模擬試驗(yàn)是在模擬飛機(jī)飛行環(huán)境(即在飛機(jī)的航程及航線推算中引入風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)后)，測(cè)量出飛機(jī)飛行的位置和航線，再模擬推算出飛機(jī)在無風(fēng)環(huán)境下所飛行的位置和航線[59-60]。通過比較引入風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)所得的飛機(jī)位置和航線與無風(fēng)環(huán)境所得的位置和航線差來評(píng)估被測(cè)試無人機(jī)的抗風(fēng)性能的好壞。風(fēng)場(chǎng)模擬試驗(yàn)是目前無人機(jī)抗風(fēng)性能研究中一種應(yīng)用較多的方法，雖然在飛機(jī)的航程中引入了風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)，但由于風(fēng)場(chǎng)種類復(fù)雜，模擬風(fēng)場(chǎng)與實(shí)際風(fēng)場(chǎng)有很大的區(qū)別，抗風(fēng)性能測(cè)試結(jié)果精度并不高。

2.3 載荷性能指標(biāo)測(cè)試

植保無人機(jī)的載荷性能測(cè)試方法主要有載荷估算法、載荷計(jì)算法和重物累加法。載荷估算法是根據(jù)飛機(jī)的起飛質(zhì)重來估算飛機(jī)的有效載荷[61-62]。統(tǒng)計(jì)顯示，無人機(jī)的有效載荷一般占起飛質(zhì)重的4%～17%[63]，有效載荷質(zhì)重會(huì)隨著起飛質(zhì)重而發(fā)生變化。估算法的優(yōu)點(diǎn)是快捷簡(jiǎn)便，不需要復(fù)雜的設(shè)備或方法就能較快地得出飛機(jī)的有效載荷，具有一定的參考意義；但估算法得出的結(jié)果只是估計(jì)值，對(duì)于要求嚴(yán)格的植保無人機(jī)來說，估算所得的載荷值不僅不能讓植保無人機(jī)的作業(yè)效率得以充分利用，而且估算不當(dāng)容易造成摔機(jī)炸機(jī)事故的發(fā)生，并不能作為準(zhǔn)確的實(shí)際載荷使用。載荷計(jì)算法又分為單旋翼無人機(jī)載荷計(jì)算和多旋翼無人機(jī)載荷計(jì)算[64-65]。其中，單旋翼無人機(jī)的有效載荷主要要根據(jù)大槳的長(zhǎng)度及截面形狀、發(fā)動(dòng)機(jī)功率、空機(jī)質(zhì)重來計(jì)算；多旋翼無人機(jī)的有效載荷主要是根據(jù)單個(gè)電機(jī)和旋翼的有效拉力、電機(jī)個(gè)數(shù)及空機(jī)質(zhì)重來計(jì)算，即

FP=n·F1-m0g

其中，F(xiàn)p為無人機(jī)的有效載荷；F1為單個(gè)電機(jī)拉力；n為電機(jī)個(gè)數(shù)；m0g為空機(jī)質(zhì)重。

載荷計(jì)算法能彌補(bǔ)估算法的缺點(diǎn)，得出較為準(zhǔn)確的載荷值，但目前無人機(jī)市場(chǎng)上多種多樣無人機(jī)機(jī)型、電機(jī)及槳的出現(xiàn)，使載荷計(jì)算變得復(fù)雜且工作量大。重物累加法是在飛機(jī)起飛前給飛機(jī)掛載重物，通過逐漸累加重物的質(zhì)重直至飛機(jī)不能正常飛行為止。重物累加法是目前無人機(jī)生產(chǎn)廠商應(yīng)用于植保無人機(jī)載荷測(cè)試中最多的一種方法，但此種測(cè)試方法在超重時(shí)存在較大風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)無人機(jī)操控手的專業(yè)性要求比較高。

2.4 振動(dòng)性能指標(biāo)測(cè)試

無人機(jī)的振動(dòng)性能主要是通過振動(dòng)信號(hào)的大小來體現(xiàn)的[66-67]。目前，測(cè)量飛機(jī)振動(dòng)信號(hào)主要是通過兩種方法來實(shí)現(xiàn)：一種是試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試，另一種是傳感器測(cè)試。試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試是將無人機(jī)的某一部位通過夾具固定在搖擺試驗(yàn)臺(tái)上，正?？刂茻o人機(jī)飛行的一些動(dòng)作，通過試驗(yàn)臺(tái)的振動(dòng)情況來衡量飛機(jī)振動(dòng)性能的好壞[68-70]。試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試方法簡(jiǎn)單，能明顯地觀測(cè)到飛機(jī)的正常振動(dòng)信號(hào)大小，但植保無人機(jī)在戶外飛行過程中存在大量異常振動(dòng)，該種測(cè)試是通過固定飛機(jī)測(cè)試部位來實(shí)現(xiàn)的，因此試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試是無法觀測(cè)到飛機(jī)飛行過程中的異常振動(dòng)。傳感器測(cè)試則是在飛機(jī)的機(jī)身、機(jī)臂等多個(gè)不同部位安裝振動(dòng)加速度傳感器，利用設(shè)備完成對(duì)飛機(jī)正常飛行過程中傳感器信號(hào)的采集[71]，然后分析采集到的數(shù)據(jù)來評(píng)估被測(cè)無人機(jī)的振動(dòng)性能的好壞[72-73]。傳感器測(cè)試是在真實(shí)的飛行環(huán)境中來測(cè)試飛機(jī)振動(dòng)信號(hào)，是目前最為常用的一種測(cè)量振動(dòng)信號(hào)的方法，精度高，范圍廣，能測(cè)量出機(jī)身及機(jī)臂等多處的振動(dòng)信號(hào)；但是傳感器測(cè)試時(shí)難以保障測(cè)試的多種無人機(jī)在相同的環(huán)境及相同的航線進(jìn)行測(cè)試，因此對(duì)不同的飛機(jī)所測(cè)得的振動(dòng)性能指標(biāo)結(jié)果是有區(qū)別的。

2.5 噴施作業(yè)性能指標(biāo)測(cè)試

2.5.1 霧化性能指標(biāo)測(cè)試

1.半導(dǎo)體激光器 2.擴(kuò)光鏡 3.測(cè)試霧滴 4.富氏透鏡 5.光電接收器陣列

2.5.2 作業(yè)質(zhì)量性能指標(biāo)測(cè)試

目前，單位面積霧滴沉積量的測(cè)量方法主要有圖像測(cè)量法和洗脫測(cè)量法。圖像測(cè)量法是指通過霧滴在試樣的吸收表面而產(chǎn)生斑點(diǎn)，如水敏紙 (Water Sensitive Paper, WSP)，根據(jù)圖像處理技術(shù)測(cè)量出斑點(diǎn)的直徑和霧滴覆蓋密度來計(jì)算單位面積的霧滴沉積量[43,81]。計(jì)算公式為

DR=5.23×10-8×VMD3×Dd

其中，DR為單位面積的霧滴沉積量(μL/cm2)；VMD為霧滴體積中值直徑(μm)；Dd為霧滴覆蓋密度(個(gè)/cm2)。

圖像測(cè)量法方法簡(jiǎn)單，但由于霧滴在試樣表面存在鋪展及斑點(diǎn)形狀不規(guī)則等問題，導(dǎo)致圖像測(cè)量法精度不高；洗脫測(cè)量法是指對(duì)添加了某種示蹤劑的藥液進(jìn)行噴施作業(yè)，并對(duì)沉積在作物表面的藥液用一定體積的蒸餾水洗脫成溶液，通過光學(xué)儀器測(cè)量其吸光度換算成單位面積的霧滴沉積量[82]，具有精度高的特點(diǎn)，但測(cè)量過程復(fù)雜，且時(shí)效性要求高。

霧滴覆蓋密度測(cè)量方法主要有人工計(jì)算法和圖像計(jì)算法。人工計(jì)算法是指人工計(jì)算出霧滴在單位面積的試樣吸收表面上而產(chǎn)生斑點(diǎn)數(shù)[83]，簡(jiǎn)單直接，但耗時(shí)耗力，且容易產(chǎn)生人為誤差；圖像計(jì)算法是指通過圖像處理技術(shù)對(duì)試樣吸收表面上的斑點(diǎn)圖像處理而得出霧滴的覆蓋密度[84-85]，方便快捷，但當(dāng)霧滴密度過大時(shí)，圖像處理技術(shù)難以解決霧滴斑點(diǎn)重疊的問題。

均勻度則主要是通過計(jì)算霧滴沉積(沉積量、覆蓋密度)的變異系數(shù)來計(jì)算[86]，公式為

其中，S為同組試驗(yàn)采集樣本標(biāo)準(zhǔn)差；Xi為各采集點(diǎn)內(nèi)霧滴沉積值；X為各組試驗(yàn)采集點(diǎn)霧滴沉積的平均值；n為各組試驗(yàn)采集點(diǎn)個(gè)數(shù)。

2.5.3 作業(yè)效率性能指標(biāo)測(cè)試

目前，植保無人機(jī)的作業(yè)效率性能指標(biāo)測(cè)試方法比較單一，也是最為經(jīng)典的計(jì)算方法，主要是通過計(jì)算植保無人機(jī)在單位時(shí)間內(nèi)所完成的有效噴施面積，計(jì)算公式為

η=S/t

其中，η為植保無人機(jī)的作業(yè)效率；S為無人機(jī)的有效作業(yè)面積；t為作業(yè)時(shí)間。

3 存在的問題及研究展望

3.1 性能測(cè)試規(guī)范化問題

目前，各大無人機(jī)生產(chǎn)廠家及研究機(jī)構(gòu)仍然用各自的設(shè)備及方法來測(cè)試植保無人機(jī)的某些性能指標(biāo)。不同的測(cè)試設(shè)備及方法所測(cè)得的飛機(jī)性能指標(biāo)結(jié)果必將有區(qū)別，目前市場(chǎng)上的植保無人機(jī)的參數(shù)各異，不排除一些生產(chǎn)廠家對(duì)自己生產(chǎn)的飛機(jī)只會(huì)讓一些有利的性能參數(shù)呈現(xiàn)在用戶面前。這種“揚(yáng)好藏壞”的做法將會(huì)誤導(dǎo)飛機(jī)用戶在飛機(jī)作業(yè)方面的選擇，嚴(yán)重阻礙無人機(jī)在農(nóng)業(yè)應(yīng)用方面的推廣和發(fā)展。隨著無人機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，未來植保無人機(jī)用戶的需求將會(huì)更大，應(yīng)用將會(huì)更廣，因此必須盡快建立起與無人機(jī)綜合性能指標(biāo)測(cè)試相關(guān)的規(guī)范制度。在未來的幾年里，無人機(jī)性能指標(biāo)測(cè)試結(jié)果的規(guī)范化問題將會(huì)是推動(dòng)無人機(jī)市場(chǎng)化發(fā)展的決定性因素。

3.2 性能測(cè)試精度問題

一直以來，試驗(yàn)結(jié)果的精度問題都是測(cè)量和測(cè)試領(lǐng)域的重點(diǎn)和難點(diǎn)。無人機(jī)在各大領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，其性能指標(biāo)測(cè)試精度問題的重要性更是不言而喻?，F(xiàn)階段，農(nóng)用無人機(jī)綜合性能指標(biāo)的主要測(cè)試方法都是在一定的環(huán)境中通過采集和分析傳感器的信號(hào)來得出無人機(jī)相應(yīng)的性能指標(biāo)。首先，由于測(cè)試環(huán)境和實(shí)際作業(yè)環(huán)境的不同，在測(cè)試環(huán)境中測(cè)得無人機(jī)的綜合性能指標(biāo)結(jié)果與實(shí)際環(huán)境中無人機(jī)的綜合性能指標(biāo)將會(huì)有一定的差距。如無人機(jī)的抗風(fēng)性能指標(biāo)測(cè)試，模擬環(huán)境與實(shí)際環(huán)境的差別將導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果的不同，抗風(fēng)性能也會(huì)有一定程度上的差距。其次，無人機(jī)綜合性能測(cè)試精度完全取決于相應(yīng)傳感器的精度及傳感器信號(hào)的分析和處理。因此，隨著性能測(cè)試規(guī)范化的加強(qiáng)，性能測(cè)試精度也需要有一定程度的提升。

3.3 性能指標(biāo)完善化問題

植保無人機(jī)作為一個(gè)復(fù)雜的作業(yè)搭載平臺(tái)，主要包括飛行控制系統(tǒng)和機(jī)身兩大部分，其評(píng)價(jià)性能指標(biāo)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止上述的幾種指標(biāo)，還包括植保無人機(jī)的動(dòng)力系統(tǒng)性能指標(biāo)、整機(jī)設(shè)計(jì)性能指標(biāo)等。隨著無人機(jī)在農(nóng)業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)展，將會(huì)有更多的性能指標(biāo)被重視和測(cè)試。現(xiàn)階段的植保無人機(jī)綜合性能指標(biāo)測(cè)試設(shè)備及方法將不能滿足未來的植保無人機(jī)性能指標(biāo)測(cè)試要求，更多的植保無人機(jī)性能指標(biāo)測(cè)試的設(shè)備及方法將被提出和設(shè)計(jì)，無人機(jī)的綜合性能指標(biāo)測(cè)試技術(shù)將會(huì)得到更大的發(fā)展，為未來無人機(jī)的發(fā)展和推廣起到明確的指導(dǎo)性作用。

3.4 性能測(cè)試自動(dòng)化水平問題

目前，人們已經(jīng)開發(fā)了大量與無人機(jī)性能指標(biāo)測(cè)試相關(guān)的測(cè)試工具及方法，但就現(xiàn)階段而言，測(cè)試工作還需要較大的人為參與。未來無人機(jī)的大量需求和研發(fā)，將會(huì)導(dǎo)致無人機(jī)大規(guī)模化生產(chǎn)和發(fā)展。植保無人機(jī)的各項(xiàng)性能指標(biāo)測(cè)試也將會(huì)是一項(xiàng)非常復(fù)雜繁瑣、工作量較大的工作，需要經(jīng)過一系列復(fù)雜的處理，這將嚴(yán)重阻礙新型植保無人機(jī)的研發(fā)和發(fā)展。因此，必須著力提高無人機(jī)綜合性能測(cè)試工作的自動(dòng)化水平，這對(duì)無人機(jī)在各個(gè)領(lǐng)域的發(fā)展都有著極其重大的意義。

4 結(jié)論

通過對(duì)當(dāng)前植保無人機(jī)綜合性能指標(biāo)中的可靠性能指標(biāo)、抗風(fēng)性能指標(biāo)、載荷性能指標(biāo)、振動(dòng)性能指標(biāo)和噴施作業(yè)性能指標(biāo)等5個(gè)主要性能指標(biāo)的測(cè)試方法的現(xiàn)狀分析，得知現(xiàn)階段植保無人機(jī)性能指標(biāo)的測(cè)評(píng)工作還存在的問題有：性能測(cè)試指標(biāo)缺乏規(guī)范化引導(dǎo)，性能測(cè)試精度達(dá)不到市場(chǎng)要求，性能測(cè)試指標(biāo)不夠完整，性能測(cè)試過程自動(dòng)化程度低。隨著微電子技術(shù)和新型材料制造技術(shù)的飛速發(fā)展，未來的植保無人機(jī)性能指標(biāo)測(cè)評(píng)體系應(yīng)該是一套自動(dòng)化程度高、安全及性能測(cè)試規(guī)范及精度高的完整體系。

植保無人機(jī)性能指標(biāo)測(cè)評(píng)是對(duì)植保無人機(jī)的機(jī)身結(jié)構(gòu)和軟件性能進(jìn)行綜合評(píng)定的一項(xiàng)工作，它不僅是植保無人機(jī)作業(yè)質(zhì)量保證的關(guān)鍵步驟，而且對(duì)未來無人機(jī)在農(nóng)業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域的設(shè)計(jì)及開發(fā)更有著極其積極的指導(dǎo)意義。

對(duì)無人機(jī)在農(nóng)業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域的研究和應(yīng)用是一門相對(duì)較為新興的學(xué)科，隨著將來植保無人機(jī)的大量出現(xiàn)和應(yīng)用，人們對(duì)植保無人機(jī)的各種性能指標(biāo)測(cè)試指標(biāo)將會(huì)越來越重視，植保無人機(jī)的性能指標(biāo)測(cè)試將成為無人機(jī)發(fā)展過程中的一項(xiàng)必不可少的工作。