農(nóng)用植保無人機(jī)動力系統(tǒng)現(xiàn)狀及應(yīng)用

王俊凱 劉萍 王軍建

摘要 ? ?隨著農(nóng)業(yè)耕作技術(shù)的發(fā)展，人工噴灑農(nóng)藥的方式逐漸消失，出現(xiàn)無人噴灑作業(yè)。本文介紹了農(nóng)用植保無人機(jī)機(jī)型及動力，闡述了農(nóng)用植保無人機(jī)的動力系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)狀，以期為我國農(nóng)業(yè)發(fā)展提供參考。

關(guān)鍵詞 ? ?農(nóng)用植保無人機(jī);動力系統(tǒng);應(yīng)用現(xiàn)狀

中圖分類號 ? ?S252 ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼 ? ?A

文章編號 ? 1007-5739（2019）20-0158-02 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）

農(nóng)業(yè)病蟲害防治直接影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。在工業(yè)落后時期，病蟲害防治主要靠人力田間捕捉。隨著社會的發(fā)展，人力背負(fù)機(jī)械噴霧器、空中植保飛行器陸續(xù)被用于病蟲害防治。航空動力技術(shù)的發(fā)展，提高了植保無人機(jī)的性能。匹配的動力系統(tǒng)不僅能保證飛行安全，同時保證了高效的作業(yè)效率以及高機(jī)動性能。植保無人機(jī)在安全飛防范圍內(nèi)可以完成山地、丘陵、平原植保作業(yè)，對各類作物施藥噴灑作業(yè)。隨著農(nóng)用植保無人機(jī)噴灑技術(shù)的不斷成熟，其已成為農(nóng)業(yè)病蟲害防治的主要手段[1]。

1 ? ?農(nóng)用植保無人機(jī)機(jī)型及動力

農(nóng)用植保無人機(jī)是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)工具的一種，是一種用于農(nóng)業(yè)病蟲防治的、飛手在地面操控、無人駕駛的飛行器，可用于完成各項(xiàng)農(nóng)業(yè)植保作業(yè)。按主要動力來源一般可以分為燃油動力和電動動力，但近年有相關(guān)公司研制出混動（燃油動力和電動動力組合）動力植保機(jī)，燃油動力多出現(xiàn)在固定翼以及單旋翼機(jī)型中，電動動力多出現(xiàn)在多旋翼（四軸及以上機(jī)型）機(jī)型中。這些機(jī)型因動力系統(tǒng)差異在操控方式上也有一定差異。

1.1 ? ?固定翼植無人機(jī)

該機(jī)型載荷大、續(xù)航作業(yè)能力強(qiáng)，可視噴灑藥劑及燃料多少而定，遇到強(qiáng)風(fēng)操控性好，缺點(diǎn)是起降要有跑道等特殊場地，機(jī)動性能不如單旋翼及多旋翼[2]。動力以常規(guī)燃油動力發(fā)動機(jī)系統(tǒng)為主，也有一些機(jī)型會采用重油動力發(fā)動機(jī)。

1.2 ? ?單旋翼植無人機(jī)

該機(jī)型操控靈活性好、載荷力強(qiáng)、抗風(fēng)效果好、氣流大霧滴附著效果好。普遍采用常規(guī)燃油動力，但近2年也有電動動力及混動動力出現(xiàn)。

1.3 ? ?多旋翼

該機(jī)型因外觀機(jī)翼旋翼不同又分為3種，分別為四旋翼、六旋翼、八旋翼等機(jī)型。目前，我國市場上使用最廣泛的也是這類機(jī)型。這類機(jī)型因操控簡單、使用方便而備受喜愛，同時其全部采用電動動力驅(qū)動系統(tǒng)，比較環(huán)保，但存在續(xù)航弱的問題。

2 ? ?農(nóng)用植保無人機(jī)的動力系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)狀

農(nóng)用植保無人機(jī)在動力系統(tǒng)上的應(yīng)用，主要有以下3種形式。一是燃油動力，主要以固定翼和單旋翼機(jī)型為主。二是電動動力，主要以多旋翼機(jī)型為主。三是混動動力，主要以多旋翼和單旋翼為主，目前該動力與以上2種驅(qū)動相比普及率不高。

2.1 ? ?燃油動力

燃油動力系統(tǒng)應(yīng)用最廣泛的是固定翼和單旋翼植保無人機(jī)，它們的主要動力來源于機(jī)身發(fā)動機(jī)帶動螺旋槳旋轉(zhuǎn)，利用機(jī)翼和機(jī)身流體性能通過空氣動力學(xué)原理帶動飛機(jī)飛行工作，最終實(shí)現(xiàn)植保作業(yè)[3]。

目前，市場上使用的航空燃油動力發(fā)動機(jī)分為2種。一種是重油發(fā)動機(jī)，其價格較高且農(nóng)業(yè)使用普及率不高;另一種是常規(guī)燃油發(fā)動機(jī)，它也是市場上目前普遍使用的一種發(fā)動機(jī)。

燃油動力植保無人機(jī)一般續(xù)航能力強(qiáng)、載藥量大，適合大面積農(nóng)田作業(yè)，如我國新疆建設(shè)兵團(tuán)種植區(qū)，大面積農(nóng)田種植區(qū)域很適合這類植保機(jī)作業(yè)。但這類植保機(jī)也有一定的弊端，如發(fā)動機(jī)噪聲大，不利于在村莊附近作業(yè)，維護(hù)維修困難，同時燃油動力的機(jī)型體積較大，起降受場地限制，如果沒有足夠大的場地則無法進(jìn)行起降作業(yè)[4]。如彼岸航空發(fā)動機(jī)Rotax582UL是目前市場上適合較大型植保機(jī)使用的一種發(fā)動機(jī)型，它的總排量是580.7 cc，輸出功率48 kW，內(nèi)置發(fā)電機(jī)輸出功率170 kW，最大轉(zhuǎn)速6 800 r/min，扭矩75 N，燃油90#以上無鉛汽油。同時相對較小型的發(fā)動機(jī)在植保機(jī)上也比較常見，但這種發(fā)動機(jī)載荷一般可以被電驅(qū)動代替，因而使用也相對較少。這類機(jī)型采用電機(jī)給電，噴桿多孔加壓方式噴灑，保證每個噴灑桿都能達(dá)到噴灑效果。

2.2 ? ?電動動力

電動動力使用機(jī)型最多的是多旋翼植保無人機(jī)，這類機(jī)型旋翼多，載荷量少，骨架全部采用超輕型復(fù)合材料，因而電驅(qū)動也是最好的驅(qū)動方式，不僅滿足了小型植保機(jī)在農(nóng)業(yè)使用上的便利，也大幅提高了農(nóng)藥噴灑效率[5]。主要是無刷電機(jī)通過電池電能帶動不同螺旋槳高速旋轉(zhuǎn)，從而使機(jī)器完成飛行作業(yè)。電驅(qū)動動力無人機(jī)在小面積作業(yè)上具有很大的優(yōu)勢，迎合了我國當(dāng)前的小塊農(nóng)田使用狀態(tài)。該類驅(qū)動方式成本低，因而也是國內(nèi)植保機(jī)主流的使用方式[6]。國內(nèi)生產(chǎn)多旋翼植保無人機(jī)有一定知名度的品牌有大疆、富盛通、天鷹等，他們生產(chǎn)的這些機(jī)型都采用電驅(qū)動方式。這類機(jī)型在施藥方式上采用多孔加壓方式，保證當(dāng)一個損壞的同時其他能夠正常工作。

2.3 ? ?油電混動動力

混動動力是目前植保機(jī)市場上一種新的動力類型，它能有效解決作業(yè)續(xù)航問題。目前，這款產(chǎn)品也主要應(yīng)用于多旋翼機(jī)型，其他機(jī)型出現(xiàn)相關(guān)產(chǎn)品還相對較少?；靹觿恿χ饕捎冒l(fā)動機(jī)發(fā)電，儲存在蓄電池中，再由蓄電池的電能帶動植保機(jī)作業(yè)[7]。2018年6月在深圳第三屆國際無人機(jī)展覽會上展出了由“南方天途”“瑞深動力”聯(lián)手打造的10 kg級植保噴灑無人機(jī)M4H型機(jī)，這款機(jī)油耗2.5 L/h，續(xù)航>20 min（可延續(xù)噴灑2個循環(huán)），兼具了電動無人機(jī)和油動無人機(jī)的操控靈敏和長續(xù)航雙重優(yōu)點(diǎn)，較傳統(tǒng)以電池為能量源的植保無人機(jī)，在作業(yè)便攜度方面突出作業(yè)時無需更換電池。在施藥方式這類機(jī)型也和上述電動動力一致。

3 ? ?結(jié)語

目前，我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)處于上升水平，農(nóng)業(yè)技術(shù)仍在完善。隨著農(nóng)用植保無人機(jī)的應(yīng)用，相信未來我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平將會上一個更高的臺階，保證農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展，糧食健康穩(wěn)定生產(chǎn)，農(nóng)民收入提高。

4 ? ?參考文獻(xiàn)

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[3] 薛新宇，蘭玉彬.美國農(nóng)業(yè)航空技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢分析[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，2013，44（5）：194-201.

[4] WANG SHI-lIN，SONG JIAN-LI，HE XIONG-KUI，etal.Performances Evaluation of Four Typical Unmanned Aerial Vehicles Used for Pesticide Application in China[J].Int J Agr Biol Eng，2017，10：22-31.

[5] 郭香.植保無人機(jī)廣闊的發(fā)展市場給農(nóng)業(yè)的發(fā)展注入新動力[EB/OL].[2019-06-01]http：//m.robt.ofweek.Com/2016-07/ART-8321204-8420，2016-11-14.

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[7] 周志艷，臧英，羅錫文，等.中國農(nóng)業(yè)航空植保產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展戰(zhàn)略[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2013，29（24）：1-10.