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/國家精準農(nóng)業(yè)航空施藥技術(shù)國際聯(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/國際農(nóng)業(yè)航空施藥技術(shù)聯(lián)合實驗室，廣州 510642； 2.南方糧油作物協(xié)同創(chuàng)新中心，長沙 410128)

0 引言

我國是一個農(nóng)業(yè)大國，隨著糧食產(chǎn)量的增長，我國的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)進入到了新的階段[1]。近年來，我國的農(nóng)業(yè)種植經(jīng)營方式已從家家戶戶小農(nóng)業(yè)向合作社、種糧大戶、農(nóng)場等規(guī)?；筠r(nóng)業(yè)發(fā)展，擁有大面積土地的種植戶在現(xiàn)有的機械化基礎(chǔ)上向農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化、農(nóng)業(yè)信息化、精準農(nóng)業(yè)等方向發(fā)展，對農(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)，其勞動周期長、勞動強度大且時效性要求高[4]。隨著大規(guī)?；r(nóng)業(yè)的發(fā)展，必然對植保器械的作業(yè)方式和作業(yè)效率有更高的要求。目前，我國農(nóng)用植保器械主要包括人力器械、地面動力機械及航空植保器械。其中，傳統(tǒng)的人力器械作業(yè)方式勞動強度大、效率低、耗時長且對作業(yè)人員有危害，難以應(yīng)對突發(fā)性病蟲害[5-6]；地面動力機械作業(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[8]；而農(nóng)用航空器械作為我國近年來的新型植保作業(yè)方式，克服了我國傳統(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)能力是地面機械的3倍、人工的30倍[9-10]，且可解決水稻生長過程中地面機械難以下田作業(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，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)用無人機與有人駕駛農(nóng)用飛機相比，具有無需專用機場和專業(yè)飛行員、維護成本低、航空管制少等特點[15]。農(nóng)用無人機體積較小，作業(yè)精度高，進行航空植保作業(yè)時可在田間地頭完成起降、加油和加注藥液等工作，減少了往返機場的飛行時間及燃料消耗，保證了作業(yè)效率[16]；同時，還具有作業(yè)地形適應(yīng)性廣的優(yōu)點，對于農(nóng)民用戶耕地面積較小、地形多山的作業(yè)地形而言，農(nóng)用無人機比農(nóng)用有人機更適合進行作業(yè)[17-19]。

無人機技術(shù)在農(nóng)業(yè)等方面的應(yīng)用無疑是農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進程中一場偉大的變革，隨著土地向種糧大戶和家庭農(nóng)場主逐漸集中，植保無人機在未來的農(nóng)業(yè)應(yīng)用中必將大顯身手。據(jù)統(tǒng)計，近年來無人機在我國主要農(nóng)作物施藥需求的市場規(guī)模產(chǎn)值將達到2 298億元。隨著無人機在農(nóng)業(yè)方面應(yīng)用的興起，全國各地都在競相研發(fā)和推廣植保無人機應(yīng)用技術(shù)[20-21]；但是，目前如何在我國大規(guī)模推廣植保無人機應(yīng)用技術(shù)還存在許多的問題。首先，我國的農(nóng)業(yè)航空政策法規(guī)體系不完善，缺乏詳細的發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃；其次，農(nóng)業(yè)航空社會化服務(wù)體系不健全，專業(yè)隊伍人才匱乏[22]；最后，農(nóng)用無人機配套核心科學(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。在無人機市場競爭激烈的今天，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生產(chǎn)商只注重生產(chǎn)量，而忽略了飛機性能的好壞,過多的低性能無人機在市場上的出現(xiàn)已經(jīng)嚴重阻礙了植保無人機應(yīng)用技術(shù)的推廣。因此，植保無人機的性能指標測試就顯得尤為重要，科學(xué)、全面地實現(xiàn)對植保無人機性能指標測評是解決阻礙我國植保無人機應(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綜合性能指標中的可靠性能指標、抗風(fēng)性能指標、載荷性能指標、振動性能指標和噴施作業(yè)性能等5個主要性能指標測試必要性的基礎(chǔ)上，對當前這5個主要性能指標的測試方法進行深入剖析，指出各種測試方法的優(yōu)點及不足，并對目前關(guān)于植保無人機綜合性能測試中還存在的問題進行歸納，以期指出未來植保無人機性能指標測試體系完善和技術(shù)發(fā)展的方向。

1 評價植保無人機綜合性能的主要測評指標

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

對于植保無人機綜合性能來說，主要有任務(wù)成功率、有效載荷量、有效飛行時間、續(xù)航時間、抗風(fēng)等級、航線精度、作業(yè)質(zhì)量及作業(yè)效率等多個指標；而以上植保無人機的綜合性能均可通過可靠性能指標、載荷性能指標、抗風(fēng)性能指標、振動性能指標及噴施作業(yè)性能等比較全面地概括出來。植保無人機綜合性能的主要測評指標如圖1所示。

1.1 可靠性能指標

可靠性能是指系統(tǒng)在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間內(nèi)完成規(guī)定功能的能力[23-24]，植保無人機的可靠性能主要是指其飛行作業(yè)任務(wù)的成功率[25]。在植保無人機的眾多性能指標中，可靠性能是首要的指標。當飛機的可靠性能不能保證時，其他的任何性能指標都會成為空談。無人機系統(tǒng)作為一個整體，主要由機身結(jié)構(gòu)系統(tǒng)和飛行控制軟件系統(tǒng)組成，因此無人機的可靠性能主要分為機身材料和結(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 植保無人機主要測評指標Fig.1 Main evaluation indexes of plant protection UAV

1.1.1 機身材料和結(jié)構(gòu)可靠性能

為了進一步優(yōu)化植保無人機的機動靈活性和任務(wù)載荷性，無人機的機身設(shè)計正朝著體積小和質(zhì)量輕的方向發(fā)展[27]。機身結(jié)構(gòu)作為飛機系統(tǒng)中的硬件，機身材料的好壞必然會影響到無人機的可靠安全性能的高低[28]，因此植保無人機的零部件材料、機身結(jié)構(gòu)的損傷和疲勞壽命必須重新加以測試和鑒定。

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)作為無人機的核心，對植保無人機至關(guān)重要，一旦出現(xiàn)故障，無人機就會出現(xiàn)事故[29-30],其可靠性能程度的高低決定著無人機的工作狀態(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可靠性能保障的核心要素[31]，其能測試是植保無人機可靠性能測試中非常重要的一個環(huán)節(jié)。

1.1.3 系統(tǒng)可靠性能

對于整個無人機系統(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系統(tǒng)的可靠性能[32-33]。無人機系統(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)可靠性能測試，不僅可以確認生產(chǎn)出來的無人機系統(tǒng)是否滿足可靠性定量要求，還可以不斷發(fā)現(xiàn)缺陷。完善整個無人機可靠性設(shè)計，是植保無人機系統(tǒng)在研制和生產(chǎn)階段提高和驗證可靠性能的必要工作。

1.2 抗風(fēng)性能指標

飛機的抗風(fēng)性能是飛機的穩(wěn)定性能參數(shù)之一。植保無人機在空中飛行作業(yè)時，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)場作為一種不可避免的飛行環(huán)境，極大地影響植保無人機的飛行精度和作業(yè)品質(zhì)，甚至影響到無人機的飛行安全。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)性能指標測試也顯得尤為重要。

1.3 載荷性能指標

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

1.4 振動性能指標

隨著無人機的快速發(fā)展，植保無人機已經(jīng)被應(yīng)用到高要求、高精度的農(nóng)業(yè)作業(yè)中。無人機在飛行過程中，由旋翼、動力系統(tǒng)等產(chǎn)生的高頻振動，將會嚴重影響無人機的飛行品質(zhì)和作業(yè)質(zhì)量[36]，植保無人機在農(nóng)田噴施作業(yè)過程中較大的振幅也會影響到飛機的噴施作業(yè)質(zhì)量。因此，如何盡量檢測機身振動性能指標和降低振動幅度已經(jīng)成為植保無人機設(shè)計領(lǐng)域面臨的重要問題。

1.5 噴施作業(yè)性能指標

農(nóng)業(yè)航空噴施作業(yè)是植保無人機最主要的作業(yè)項目，其噴施作業(yè)性能是衡量植保無人機是否適于噴施作業(yè)的唯一指標[37-38]。理想的噴施作業(yè)效果是：所有的藥液都沉積在目標區(qū)域內(nèi)的目標害蟲和作物上。然而在實際施藥過程中，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，測評和優(yōu)化植保無人機的噴施作業(yè)性能對保證我國糧食安全、環(huán)境安全和生態(tài)安全有特別重大的意義。植保無人機噴施作業(yè)性能指標主要以霧化性能指標、作業(yè)質(zhì)量性能指標及作業(yè)效率性能指標為體現(xiàn)。

1.5.1 霧化性能指標

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。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)場及其他流場的作用下，霧滴極易發(fā)生大量飄移，降低農(nóng)藥利用率，且還會造成鄰近作物的藥害和環(huán)境污染[41]。因此，霧化性能指標是影響植保無人機噴施作業(yè)效果與效率的一個關(guān)鍵因素。

1.5.2 作業(yè)質(zhì)量性能指標

作業(yè)質(zhì)量性能指標決定了航空噴施作業(yè)對病蟲草害的防治效果，是植保無人機噴施作業(yè)性能指標測試中最重要的一項。在航空噴施作業(yè)質(zhì)量性能指標測試中，主要從單位面積霧滴沉積量、霧滴覆蓋密度及均勻度3個方面進行分析[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

作業(yè)效率性能指標是衡量植保無人機噴施作業(yè)性能好壞的另一重要指標[43]，是在保證作業(yè)質(zhì)量指標的基礎(chǔ)上，對植保無人機有效作業(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對突發(fā)性、爆發(fā)性病蟲害的及時防控具有重要意義，因此實現(xiàn)植保無人機作業(yè)效率性能指標的有效測定對植保無人機噴施作業(yè)性能指標是一個必要的補充和完善。

2 主要性能測評方法的現(xiàn)狀與分析

2.1 可靠性能指標測試

2.1.1 機身材料和結(jié)構(gòu)可靠性能測試

現(xiàn)階段，無人機機身材料和結(jié)構(gòu)可靠性能測試主要是通過振動法(即由單軸或多軸振動試驗臺產(chǎn)生振動)來實現(xiàn)的[44-45]。飛機在飛行時，機身會發(fā)生多方向、高頻率的振動，振動試驗是對構(gòu)件或產(chǎn)品在真實環(huán)境下的可靠性能進行鑒定的有效方法。振動試驗臺通過在一定的溫度、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[27,46-47]，來模擬無人機的真實飛行的振動情況，如圖2所示。對飛機的機身材料及結(jié)構(gòu)進行振動和疲勞復(fù)合測試，以測得被測樣飛機機身構(gòu)件和結(jié)構(gòu)在環(huán)境及振動與疲勞的耦合作用下的損傷和壽命。對于單軸振動試驗和單軸振動并施加任務(wù)載荷試驗而言，雖然如今國外單軸振動試驗技術(shù)比較成熟[48-49]且施加載荷較接近真實飛行情況，但單軸振動試驗臺只能提供單點單向激勵，而實際上無人機的振源往往是多點多方向的，因此試驗測得的被測樣飛機構(gòu)件及結(jié)構(gòu)的損傷和壽命與實際使用情況必然有較大差別。多軸振動試驗臺可以提供多點多方向的振源，并沒有在試驗中給構(gòu)件及整機施加任務(wù)載荷，沒有施加載荷的多軸振動試驗臺顯然是不完備的，與真實的飛行情況必然有一定的差距。

圖2 3軸振動試驗臺工作示意圖Fig.2 3-axis vibration test bed

2.1.2 飛行控制軟件系統(tǒng)可靠性能測試

軟件可靠性能測試是指在模擬環(huán)境下為檢驗軟件是否達到所指定的可靠性要求所進行的一系列測試動作[50-51]。軟件可靠性能測試主要可以分為覆蓋性測試和故障注入測試。覆蓋性測試通過對飛控軟件的文檔、源代碼和運行程序等各個方面進行測試，從程序的覆蓋率中找出相對應(yīng)的程序出錯率，根據(jù)出錯率的大小來判斷被測試軟件的可靠性程度[52-53]。覆蓋性測試的優(yōu)點是對軟件測試的覆蓋率廣，但是所有的實時軟件都對硬件具有極強的依賴性。由于飛控軟件的開發(fā)過程是在宿主機上完成的，因此目標機與宿主機的硬件環(huán)境的差異導(dǎo)致的軟件錯誤是很難檢測出來的。故障注入測試是采用隨機性測試和選擇性測試相結(jié)合的方式將故障測試注入被測試軟件，在仿真環(huán)境下運行目標程序，采集測試數(shù)據(jù)，分析這些測試信息進行軟件可靠性模型的參數(shù)估計，并得到被測飛行控制軟件的可靠性能結(jié)果[54-55]。故障注入測試是測試軟件魯棒性的有效方法，對軟件的容錯能力設(shè)計是一種嚴格的考驗，但因為有太多類型的故障及太多途徑導(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，因此故障注入測試對整個飛控軟件可靠性測試是不完整的。

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、發(fā)行傳播等方面得以應(yīng)用，使得出版流程實現(xiàn)智能化。借助機器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)、自然語言處理、文本生成等新興算法，人工智能可以將語音實時正確地轉(zhuǎn)錄成文字，還可以自主寫出新聞報道并編輯加工，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，從而實現(xiàn)推送內(nèi)容的個人定制，向用戶推送其感興趣的內(nèi)容。

2.1.3 系統(tǒng)可靠性能測試

目前，用于植保無人機系統(tǒng)可靠性測試的方法并不多見。由于對于無人機來說，可靠性能一般為一定置信度下的飛行可靠度，其飛行試驗只有成功或失敗兩種結(jié)果，且每次飛行試驗結(jié)果在統(tǒng)計意義上是獨立的，不受其他試驗結(jié)果的影響。無人機系統(tǒng)的可靠性能測試符合成敗型二項分布，因此植保無人機系統(tǒng)可靠性能測試主要是通過在多次試驗飛行架次中統(tǒng)計飛行成功架次或者在一定的飛行試驗時間中統(tǒng)計出現(xiàn)的飛行故障數(shù)來評估無人機整機系統(tǒng)的可靠性能[56]，如通過5×7(每天飛行5個架次，持續(xù)7天)或10×7(每天飛行10個架次，持續(xù)7天)等實戰(zhàn)試驗來評估無人機系統(tǒng)的可靠性能。此種測試方法的優(yōu)點是接近實戰(zhàn)環(huán)境，能驗證配套設(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(只有簡單的故障記錄)、計算方法不規(guī)范(不具有可比性)的缺陷。若加大樣本數(shù)，投入巨大，時間太長，需要更多的基礎(chǔ)試驗支持，不適合可靠性能長久測試。

2.2 抗風(fēng)性能指標測試

無人機的抗風(fēng)性能指標測試是基于飛機在不同等級風(fēng)的環(huán)境中位置控制的思路和方法[57]。目前，測試方法主要有單邊掛重物試驗和風(fēng)場模擬試驗。單邊掛重物試驗是在飛機飛行時通過在飛機的某一側(cè)機臂掛上相應(yīng)的重物，來模擬飛機在飛行時受到陣風(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傾斜角度的平均大小和飛機晃動到平衡所需的時間長短，來測得該測樣飛機抗風(fēng)性能的好壞。單邊掛重物試驗是最基本的抗風(fēng)性測試方法，也是最簡單的測試方法，但是此種測試方法比較粗糙，測試結(jié)果極不準確且容易摔機。風(fēng)場模擬試驗是在模擬飛機飛行環(huán)境(即在飛機的航程及航線推算中引入風(fēng)場數(shù)據(jù)后)，測量出飛機飛行的位置和航線，再模擬推算出飛機在無風(fēng)環(huán)境下所飛行的位置和航線[59-60]。通過比較引入風(fēng)場數(shù)據(jù)所得的飛機位置和航線與無風(fēng)環(huán)境所得的位置和航線差來評估被測試無人機的抗風(fēng)性能的好壞。風(fēng)場模擬試驗是目前無人機抗風(fēng)性能研究中一種應(yīng)用較多的方法，雖然在飛機的航程中引入了風(fēng)場數(shù)據(jù)，但由于風(fēng)場種類復(fù)雜，模擬風(fēng)場與實際風(fēng)場有很大的區(qū)別，抗風(fēng)性能測試結(jié)果精度并不高。

2.3 載荷性能指標測試

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

FP=n·F1-m0g

其中，F(xiàn)p為無人機的有效載荷；F1為單個電機拉力；n為電機個數(shù)；m0g為空機質(zhì)重。

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

2.4 振動性能指標測試

無人機的振動性能主要是通過振動信號的大小來體現(xiàn)的[66-67]。目前，測量飛機振動信號主要是通過兩種方法來實現(xiàn)：一種是試驗臺測試，另一種是傳感器測試。試驗臺測試是將無人機的某一部位通過夾具固定在搖擺試驗臺上，正?？刂茻o人機飛行的一些動作，通過試驗臺的振動情況來衡量飛機振動性能的好壞[68-70]。試驗臺測試方法簡單，能明顯地觀測到飛機的正常振動信號大小，但植保無人機在戶外飛行過程中存在大量異常振動，該種測試是通過固定飛機測試部位來實現(xiàn)的，因此試驗臺測試是無法觀測到飛機飛行過程中的異常振動。傳感器測試則是在飛機的機身、機臂等多個不同部位安裝振動加速度傳感器，利用設(shè)備完成對飛機正常飛行過程中傳感器信號的采集[71]，然后分析采集到的數(shù)據(jù)來評估被測無人機的振動性能的好壞[72-73]。傳感器測試是在真實的飛行環(huán)境中來測試飛機振動信號，是目前最為常用的一種測量振動信號的方法，精度高，范圍廣，能測量出機身及機臂等多處的振動信號；但是傳感器測試時難以保障測試的多種無人機在相同的環(huán)境及相同的航線進行測試，因此對不同的飛機所測得的振動性能指標結(jié)果是有區(qū)別的。

2.5 噴施作業(yè)性能指標測試

2.5.1 霧化性能指標測試

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

2.5.2 作業(yè)質(zhì)量性能指標測試

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

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/cm2)。

圖像測量法方法簡單，但由于霧滴在試樣表面存在鋪展及斑點形狀不規(guī)則等問題，導(dǎo)致圖像測量法精度不高；洗脫測量法是指對添加了某種示蹤劑的藥液進行噴施作業(yè)，并對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，但測量過程復(fù)雜，且時效性要求高。

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

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

其中，S為同組試驗采集樣本標準差；Xi為各采集點內(nèi)霧滴沉積值；X為各組試驗采集點霧滴沉積的平均值；n為各組試驗采集點個數(shù)。

2.5.3 作業(yè)效率性能指標測試

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

η=S/t

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

3 存在的問題及研究展望

3.1 性能測試規(guī)范化問題

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

3.2 性能測試精度問題

一直以來，試驗結(jié)果的精度問題都是測量和測試領(lǐng)域的重點和難點。無人機在各大領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，其性能指標測試精度問題的重要性更是不言而喻?，F(xiàn)階段，農(nóng)用無人機綜合性能指標的主要測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來得出無人機相應(yīng)的性能指標。首先，由于測試環(huán)境和實際作業(yè)環(huán)境的不同，在測試環(huán)境中測得無人機的綜合性能指標結(jié)果與實際環(huán)境中無人機的綜合性能指標將會有一定的差距。如無人機的抗風(fēng)性能指標測試，模擬環(huán)境與實際環(huán)境的差別將導(dǎo)致測試結(jié)果的不同，抗風(fēng)性能也會有一定程度上的差距。其次，無人機綜合性能測試精度完全取決于相應(yīng)傳感器的精度及傳感器信號的分析和處理。因此，隨著性能測試規(guī)范化的加強，性能測試精度也需要有一定程度的提升。

3.3 性能指標完善化問題

植保無人機作為一個復(fù)雜的作業(yè)搭載平臺，主要包括飛行控制系統(tǒng)和機身兩大部分，其評價性能指標遠遠不止上述的幾種指標，還包括植保無人機的動力系統(tǒng)性能指標、整機設(shè)計性能指標等。隨著無人機在農(nóng)業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域的擴展，將會有更多的性能指標被重視和測試?，F(xiàn)階段的植保無人機綜合性能指標測試設(shè)備及方法將不能滿足未來的植保無人機性能指標測試要求，更多的植保無人機性能指標測試的設(shè)備及方法將被提出和設(shè)計，無人機的綜合性能指標測試技術(shù)將會得到更大的發(fā)展，為未來無人機的發(fā)展和推廣起到明確的指導(dǎo)性作用。

3.4 性能測試自動化水平問題

目前，人們已經(jīng)開發(fā)了大量與無人機性能指標測試相關(guān)的測試工具及方法，但就現(xiàn)階段而言，測試工作還需要較大的人為參與。未來無人機的大量需求和研發(fā)，將會導(dǎo)致無人機大規(guī)?；a(chǎn)和發(fā)展。植保無人機的各項性能指標測試也將會是一項非常復(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，這將嚴重阻礙新型植保無人機的研發(fā)和發(fā)展。因此，必須著力提高無人機綜合性能測試工作的自動化水平，這對無人機在各個領(lǐng)域的發(fā)展都有著極其重大的意義。

4 結(jié)論

通過對當前植保無人機綜合性能指標中的可靠性能指標、抗風(fēng)性能指標、載荷性能指標、振動性能指標和噴施作業(yè)性能指標等5個主要性能指標的測試方法的現(xiàn)狀分析，得知現(xiàn)階段植保無人機性能指標的測評工作還存在的問題有：性能測試指標缺乏規(guī)范化引導(dǎo)，性能測試精度達不到市場要求，性能測試指標不夠完整，性能測試過程自動化程度低。隨著微電子技術(shù)和新型材料制造技術(shù)的飛速發(fā)展，未來的植保無人機性能指標測評體系應(yīng)該是一套自動化程度高、安全及性能測試規(guī)范及精度高的完整體系。

植保無人機性能指標測評是對植保無人機的機身結(jié)構(gòu)和軟件性能進行綜合評定的一項工作，它不僅是植保無人機作業(yè)質(zhì)量保證的關(guān)鍵步驟，而且對未來無人機在農(nóng)業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域的設(shè)計及開發(fā)更有著極其積極的指導(dǎo)意義。

對無人機在農(nóng)業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域的研究和應(yīng)用是一門相對較為新興的學(xué)科，隨著將來植保無人機的大量出現(xiàn)和應(yīng)用，人們對植保無人機的各種性能指標測試指標將會越來越重視，植保無人機的性能指標測試將成為無人機發(fā)展過程中的一項必不可少的工作。