馮 玲 劉 貝 歐 建

（荊楚理工學(xué)院 湖北荊門(mén) 448000）

隨著無(wú)人駕駛技術(shù)的不斷發(fā)展，無(wú)人駕駛飛行器也在迅速發(fā)展，此種飛行器包括直升機(jī)、旋翼式飛行器、軟式飛行器等。我國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)，農(nóng)業(yè)進(jìn)出口貿(mào)易總額位居世界前列，近年來(lái)呈現(xiàn)上漲趨勢(shì)，但傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的作業(yè)方式已經(jīng)無(wú)法滿足飛速發(fā)展的現(xiàn)代化作業(yè)需求。將飛行器技術(shù)和農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化相結(jié)合，能夠提高勞動(dòng)生產(chǎn)效率，提高農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量，降低勞動(dòng)成本，從本質(zhì)上提升我國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展水平[1]。旋翼式飛行器因噪音小、低速飛行等優(yōu)勢(shì)，近年來(lái)逐步被應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中。鑒于此，文章研究了飛行器技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的具體應(yīng)用[2-3]。

1 多旋翼飛行器組成及優(yōu)缺點(diǎn)

1.1 組成分析

多旋翼飛行器主要由動(dòng)力系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、旋翼、導(dǎo)航系統(tǒng)、電子調(diào)速系統(tǒng)等結(jié)構(gòu)組成。多旋翼飛行器的核心部件是動(dòng)力系統(tǒng)，動(dòng)力系統(tǒng)構(gòu)成飛行平臺(tái)，一般動(dòng)力系統(tǒng)由4、6、8、10 個(gè)旋翼構(gòu)成，各個(gè)旋翼的分布一般按照前后左右四個(gè)方向，呈對(duì)稱方式分布。旋翼的高度在同一水平面，且結(jié)構(gòu)和半徑均相等，無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)螺旋槳組成單組旋翼動(dòng)力系統(tǒng)[4]。此外，四個(gè)電機(jī)采用對(duì)稱方式固定在機(jī)架的支架部位，支架內(nèi)部放置飛行器的控制系統(tǒng)和其他輔助設(shè)備。

1.2 優(yōu)缺點(diǎn)分析

多旋翼飛行器優(yōu)勢(shì)明顯。飛行過(guò)程中因其依靠高能電池對(duì)其供電，因此噪音較小，進(jìn)行農(nóng)業(yè)施工任務(wù)時(shí)，能最大限度避免對(duì)周邊環(huán)境造成噪聲污染；安全可靠且穩(wěn)定，能夠降低安全事故發(fā)生的概率，且對(duì)起降的環(huán)境要求很低，跑道的距離只要滿足幾十米即可；操作培訓(xùn)簡(jiǎn)單，對(duì)于多旋翼飛行器的操作人員要求低，一般兩天即可學(xué)會(huì)所有操作技能，可獨(dú)立駕駛；在機(jī)器的維護(hù)方面，由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，和直升機(jī)相比維護(hù)所需成本小，流程相對(duì)簡(jiǎn)單。但是多旋翼飛行器也存在缺點(diǎn)[5]。在移動(dòng)速度上，多旋翼飛行器和固定旋翼飛行器不在同一檔次上，所以大多數(shù)用于有特殊要求的作業(yè)場(chǎng)合。另外，靈活激動(dòng)性不夠好，雖然安全性比較高，但其靈活性和直升機(jī)不能相提并論[6]。如果想要實(shí)現(xiàn)垂直起停，就要另外設(shè)計(jì)更多復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，安全操控的優(yōu)勢(shì)也會(huì)大受影響。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)是飛行器的大腦，其主要作用是通過(guò)感知地面信息實(shí)現(xiàn)地面與飛行器平臺(tái)的交互，以完成對(duì)飛行器位置的檢測(cè)、遙控，借助導(dǎo)航算法，通過(guò)對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)整，實(shí)現(xiàn)飛行器飛行參數(shù)的計(jì)算。其中感知系統(tǒng)主要包括IMU 傳感器、GPS 系統(tǒng)、氣壓高度計(jì)、電子羅盤(pán)等。

因此，其控制系統(tǒng)的硬件主要包含電機(jī)驅(qū)動(dòng)、數(shù)據(jù)采集感知和傳輸、核心控制模塊等。在系統(tǒng)中，由于底層感知接口較多，因此需要預(yù)留多個(gè)臨時(shí)擴(kuò)展接口。且由于需要進(jìn)行的各類參數(shù)分析和算法控制邏輯復(fù)雜，因此需要選取嵌入式系統(tǒng)作為系統(tǒng)的控制載體，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集分析和飛行的控制。本系統(tǒng)選擇DSP 作為嵌入式系統(tǒng)，芯片選擇型號(hào)為T(mén)MS320F28335，F(xiàn)PGA 選擇EP3C10，氣壓高度計(jì)、IMU、GPS 和電子羅盤(pán)分別選擇MPX4115A 氣壓高度計(jì)、ADISl6350、LEA-5A、HMC5843 三軸磁傳感器。

2.2 電機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電動(dòng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)器共同組成電機(jī)系統(tǒng)，本設(shè)計(jì)采用直流無(wú)刷電機(jī)。直流無(wú)刷電機(jī)是一種典型的一體化產(chǎn)品，具備直流電動(dòng)機(jī)的高效運(yùn)行特點(diǎn)，且調(diào)速性能平穩(wěn)，沒(méi)有勵(lì)磁損耗。同時(shí)，還具備交流電機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定、維護(hù)簡(jiǎn)便、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)約等特點(diǎn)。其結(jié)構(gòu)可以分為三部分：電機(jī)、傳感器和開(kāi)關(guān)電路。轉(zhuǎn)子是永磁體，定子為可通電的電驅(qū)繞組。當(dāng)三相繞組通電時(shí)，則可在轉(zhuǎn)子周?chē)a(chǎn)生周期交替變化的磁場(chǎng)，對(duì)定子產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力，從而轉(zhuǎn)動(dòng)。依照傳統(tǒng)方式，直流無(wú)刷電機(jī)的繞組控制電流為直流方波。

2.3 運(yùn)動(dòng)參數(shù)檢測(cè)

運(yùn)動(dòng)參數(shù)檢測(cè)主要采用航跡推位算法，一般采用慣性導(dǎo)航法。此種方法大多是通過(guò)安裝儀表和陀螺的方式測(cè)量載體的角速度和比力，同時(shí)采用微積分算法對(duì)被測(cè)量物體的位置、姿態(tài)進(jìn)行計(jì)算。捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（SINS）是慣性導(dǎo)航的一種，它具有完全自主、全天候工作、機(jī)動(dòng)靈活等特點(diǎn)，可以連續(xù)提供包括姿態(tài)、速度、位置在內(nèi)的各種導(dǎo)航參數(shù)信息。因其具有性能好、體積小、可隨時(shí)使用等特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用。目前全球普遍應(yīng)用的定位系統(tǒng)中GPS 系統(tǒng)應(yīng)用最廣泛，慣性導(dǎo)航和GPS 的深度融合可以實(shí)現(xiàn)不同的耦合方式，如深度耦合、松耦合、緊耦合等。

3 多旋翼飛行器在農(nóng)業(yè)中的具體應(yīng)用

3.1 農(nóng)作物藥液噴灑

部分農(nóng)作物，如冬棗等，在其整個(gè)生命周期中會(huì)受多種病蟲(chóng)害的威脅，目前在病蟲(chóng)害的防治過(guò)程中大多采用改裝的壓力泵進(jìn)行噴霧，此種方式需要多人協(xié)作配合，在田間對(duì)長(zhǎng)管進(jìn)行拖動(dòng)，勞動(dòng)強(qiáng)度很大，且效率較低。另外在噴灑過(guò)程中，藥液對(duì)作業(yè)人員的身體健康也會(huì)造成不利影響。為解決此問(wèn)題，文章研究了基于多旋翼飛行器的藥液噴灑技術(shù)，使飛行器受遙控控制，在冬棗各個(gè)生長(zhǎng)階段中進(jìn)行防治作業(yè)，效果明顯，具體應(yīng)用如下。

（1）地況概述

冬棗樹(shù)齡為10年，每株間距為2×3 m，土壤有機(jī)質(zhì)的成分含量為1%，土壤的酸堿度為7.9，肥力高。同時(shí)對(duì)于土地的管理水平要求高，是專業(yè)的合作社制。對(duì)其進(jìn)行統(tǒng)一的施肥、澆水和藥物噴灑等工作。

（2）應(yīng)用情況

文章采用對(duì)比試驗(yàn)方式，驗(yàn)證了飛行器在農(nóng)藥噴灑過(guò)程中的作用，從作業(yè)時(shí)間、藥液噴灑量、附著效果三個(gè)方面對(duì)飛行器在農(nóng)藥噴灑中的效果予以驗(yàn)證，對(duì)照組仍然采用噴灌方式進(jìn)行。本試驗(yàn)中飛行器和噴灌分別噴灑1 400 m2區(qū)域，噴灑時(shí)間分別為萌芽、開(kāi)花、結(jié)果三個(gè)時(shí)期。

3.2 應(yīng)用結(jié)果分析

根據(jù)上述內(nèi)容，文章從藥量消耗、作業(yè)時(shí)間和藥物附著率三個(gè)方面對(duì)飛行器在藥物噴灑中的執(zhí)行效率加以分析，具體結(jié)果如下。

（1）藥量消耗

通過(guò)對(duì)三個(gè)階段藥量消耗的分析，萌芽期、開(kāi)花期、結(jié)果期飛行器的藥量消耗分別為：73 L、76 L、78 L，而噴灌法消耗的農(nóng)藥量分別為：693 L、810 L、915 L。由此可知，通過(guò)改進(jìn)噴灑方式，農(nóng)藥的消耗量分別降低：620 L、734 L、837 L，大大降低了農(nóng)藥的使用量，節(jié)省了管理成本。

（2）作業(yè)時(shí)間

文章采用單位面積作業(yè)時(shí)間來(lái)衡量農(nóng)藥噴灑效率。通過(guò)測(cè)算，采用飛行器方式進(jìn)行藥物噴灑，三個(gè)階段所需時(shí)間分別為49 min/hm2、51 min/hm2、53 min/hm2，而采用噴灌方式，其作業(yè)時(shí)間分別為277 min/hm2、320 min/hm2、340 min/hm2。在這三個(gè)階段，藥物噴灑節(jié)省的時(shí)間比例均達(dá)到80%以上。

（3）藥物附著率

文章選取高度具有代表特點(diǎn)的3 株冬棗，在每株上、中、下、底四個(gè)部位，等高平面內(nèi)均布12 個(gè)采樣點(diǎn)。利用試紙卡方式，檢測(cè)霧滴在紙卡上的噴灑情況，最后利用指數(shù)法對(duì)附著率進(jìn)行計(jì)算。對(duì)附著率分5 個(gè)等級(jí)，0 級(jí)為無(wú)附著，1 級(jí)為覆蓋10 %，3 級(jí)為覆蓋10 %～20 %，以此類推。最終將每級(jí)的總卡數(shù)×等級(jí)指數(shù)作為分子，總卡數(shù)作為分母，計(jì)算附著率。

經(jīng)分析可知，由于在萌芽期，冬棗的葉片還未長(zhǎng)出，飛行器的藥物噴灑效果較好，在中部和下部的藥物附著率均比上部高，中部、下部和上部的附著率分別為97.53%、82.72%、40.74%，這與飛行器的下降氣流有關(guān)。開(kāi)花期，上、中、下、底四個(gè)部位的藥物吸附率分別為55.43%、56.48%、62.34%、94.25%。由于噴灌方式，所有紙卡全部變色，無(wú)法進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，因此不具備比較價(jià)值，在此不再贅述。

3.3 其他應(yīng)用

除農(nóng)藥噴灑外，飛行器還用于農(nóng)田信息獲取等場(chǎng)景。傳統(tǒng)農(nóng)田信息獲取方式受人力成本和周期的限制，加之我國(guó)地貌復(fù)雜，作物品種多，因此采用飛行器方式采集農(nóng)田信息有著更廣闊的前景。同時(shí)使用飛行器不受作物品種和區(qū)域影響，另外還不會(huì)對(duì)農(nóng)作物造成破壞。

4 結(jié)論

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化技術(shù)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)在成本和周期等管理上的劣勢(shì)逐步顯現(xiàn)出來(lái)。為了優(yōu)化傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)各方面的不足之處，提高農(nóng)業(yè)技術(shù)現(xiàn)代化水平，大批飛行器被開(kāi)發(fā)出來(lái)，并應(yīng)用于農(nóng)業(yè)作業(yè)和農(nóng)業(yè)相關(guān)工作中。文章以冬棗的藥物噴灑為例，介紹了飛行器在農(nóng)藥噴灑中的應(yīng)用。試驗(yàn)結(jié)果表明，通過(guò)飛行器技術(shù)有效降低了藥物噴灑過(guò)程中的藥物使用量，提升了噴灑效率。盡管在飛行器設(shè)計(jì)中取得了一些成績(jī)，但飛行器的智能化水平和穩(wěn)定性還有待提升，基于大數(shù)據(jù)技術(shù)的農(nóng)業(yè)作業(yè)過(guò)程的數(shù)據(jù)采集、分析和優(yōu)化工作也是未來(lái)的發(fā)展方向。另外，隨著5G 技術(shù)的發(fā)展，基于5G 技術(shù)的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)也將是未來(lái)飛行器技術(shù)在農(nóng)業(yè)發(fā)展中的方向之一。