單旋翼無(wú)人機(jī)植保作業(yè)系統(tǒng)的研制與實(shí)驗(yàn)研究

趙洪光 滕文建

關(guān)鍵詞： 無(wú)人機(jī) 植保 單旋翼 噴灑作業(yè)

中圖分類號(hào)： S224.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1672-3791（2024）01-0009-06

近年來(lái)，不合理的種植方式和不科學(xué)的施肥習(xí)慣使農(nóng)作物的病蟲(chóng)害越來(lái)越嚴(yán)重，而在病蟲(chóng)害防治過(guò)程中，噴灑農(nóng)藥的勞動(dòng)強(qiáng)度大、作業(yè)頻次高，使機(jī)械化病蟲(chóng)害防治作業(yè)成為越來(lái)越重要的植保方式。這種方式可以從而促使機(jī)械化病蟲(chóng)害防治技術(shù)快速發(fā)展。植保無(wú)人機(jī)成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)航空技術(shù)應(yīng)用的一個(gè)重要領(lǐng)域［1］。

在病蟲(chóng)害防治的機(jī)械化發(fā)展過(guò)程中，固定翼飛機(jī)植保技術(shù)受限于建設(shè)專用機(jī)場(chǎng)和跑道，不利于推廣。多旋翼無(wú)人機(jī)植保系統(tǒng)具有重量輕、操作靈活、適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，但起降頻繁且需要專業(yè)無(wú)人機(jī)操控人員的特點(diǎn)，限制了病蟲(chóng)害防治機(jī)械化的高效性［2-3］。單旋翼輕型無(wú)人機(jī)經(jīng)過(guò)改進(jìn)后，載重量大、工作效率高且能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制的飛行方式，能有效提高病蟲(chóng)害防治機(jī)械化的效率。

北京大運(yùn)通航科技有限公司經(jīng)過(guò)市場(chǎng)需求和現(xiàn)有產(chǎn)品的調(diào)研，聯(lián)合618所、54所共同研制了載藥量180 kg的單旋翼無(wú)人機(jī)植保作業(yè)系統(tǒng)，并進(jìn)行了飛行實(shí)驗(yàn)和噴灑實(shí)驗(yàn)研究。DP180 型單旋翼無(wú)人機(jī)植保作業(yè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了植保作業(yè)過(guò)程中飛行和噴灑的全自動(dòng)化，改善了我國(guó)目前施藥技術(shù)落后、農(nóng)藥有效利用率低、施藥作業(yè)效率低等關(guān)鍵問(wèn)題。

1 DP180 型單旋翼無(wú)人機(jī)植保作業(yè)系統(tǒng)的研制

1.1 作業(yè)任務(wù)設(shè)計(jì)

根據(jù)無(wú)人機(jī)植保作業(yè)剖面圖（如圖1 所示）來(lái)設(shè)計(jì)DP180 型單旋翼無(wú)人機(jī)植保系統(tǒng)的噴灑作業(yè)流程，具體如表1 所示。

根據(jù)作業(yè)流程，DP180 型單旋翼無(wú)人機(jī)植保系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)、預(yù)熱、起飛、飛行、噴灑作業(yè)、加藥和返航等全過(guò)程無(wú)人工干預(yù)的自動(dòng)飛行作業(yè)。

1.1.1 啟動(dòng)

飛行控制操作手通過(guò)地面站系統(tǒng)一鍵啟動(dòng)控制直升機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)，副飛行控制器啟動(dòng)用作手動(dòng)飛行控制的備份。

1.1.2 發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)熱

發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后進(jìn)入怠速狀態(tài)，飛機(jī)狀態(tài)正常，飛行控制系統(tǒng)自動(dòng)控制發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)入2 000 RPM 保持預(yù)熱狀態(tài)。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)滑油溫度、滑油壓力、氣缸溫度達(dá)到要求，飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)入額定狀態(tài)，如果系統(tǒng)狀態(tài)正常，則達(dá)到起飛狀態(tài)準(zhǔn)備起飛；如果系統(tǒng)不正常則返回錯(cuò)誤狀態(tài)信息。

1.1.3 起飛

無(wú)人機(jī)達(dá)到允許起飛狀態(tài)后，可接收地面站的起飛指令自動(dòng)起飛。

1.1.4 飛行

無(wú)人機(jī)根據(jù)預(yù)設(shè)的航線及噴灑任務(wù)，依次完成加速、爬升、減速、下降、回轉(zhuǎn)等飛行，自主機(jī)動(dòng)達(dá)到任務(wù)區(qū)域并保持作業(yè)高度。

1.1.5 噴灑

噴灑作業(yè)包括自動(dòng)噴灑、巡航和返航，無(wú)人機(jī)到達(dá)作業(yè)區(qū)域后，飛行控制系統(tǒng)打開(kāi)噴灑系統(tǒng)進(jìn)行噴灑作業(yè)。在通信距離極限內(nèi)可完成自動(dòng)爬升、協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)彎、下降并重新進(jìn)入作業(yè)區(qū)域進(jìn)行噴灑作業(yè)。在噴灑系統(tǒng)藥量用盡之后，飛行控制系統(tǒng)根據(jù)返航指令，自動(dòng)計(jì)算返航路線。

1.1.6 加藥

無(wú)人機(jī)返航達(dá)到加藥點(diǎn)后自動(dòng)降落，可進(jìn)行不停車加藥，待飛行狀態(tài)一切正常后，重新執(zhí)行噴灑作業(yè)流程。在無(wú)人機(jī)降落、加注農(nóng)藥、加注燃料過(guò)程中，地面航跡規(guī)劃軟件重新計(jì)算飛行航跡后注入航線，完成后續(xù)噴灑作業(yè)任務(wù)。

1.1.7 返航

無(wú)人機(jī)完成噴藥任務(wù)后自動(dòng)返航、降落、停車。

1.2 整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)

DP180 型單旋翼無(wú)人機(jī)植保系統(tǒng)主要包括無(wú)人機(jī)作業(yè)系統(tǒng)與后臺(tái)服務(wù)系統(tǒng)兩大部分，作業(yè)系統(tǒng)包括作業(yè)平臺(tái)、飛行控制、數(shù)據(jù)鏈路、地面站系統(tǒng)、系統(tǒng)應(yīng)用；后臺(tái)服務(wù)系統(tǒng)包括飛行器管理、用戶信息管理、專業(yè)知識(shí)管理、大數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。系統(tǒng)框圖如圖2 所示。

1.3 作業(yè)平臺(tái)的研制

1.3.1 作業(yè)平臺(tái)的功能及組成

作業(yè)平臺(tái)是為植保作業(yè)提供可靠、穩(wěn)定的飛行平臺(tái)，為各種任務(wù)載荷提供電力支持，為噴灑設(shè)備提供有效載荷，為飛行控制、鏈路測(cè)試設(shè)備提供掛載平臺(tái)。作業(yè)平臺(tái)結(jié)構(gòu)采用模塊化設(shè)計(jì)，能便捷地進(jìn)行維修和維護(hù)操作。

作業(yè)平臺(tái)的動(dòng)力傳動(dòng)采用1 臺(tái)功率180 HP 的萊康明IVO-360 活塞發(fā)動(dòng)機(jī)，并通過(guò)改裝提升了發(fā)動(dòng)機(jī)的馬力。主旋翼系統(tǒng)采用兩段式設(shè)計(jì)，能實(shí)現(xiàn)快速、便捷地維護(hù)和拆卸。主供電系統(tǒng)采用1 臺(tái)AL24-P70 發(fā)電機(jī)，供電能力為28 Vdc/70 A。

1.3.2 作業(yè)平臺(tái)的主要指標(biāo)參數(shù)

作業(yè)平臺(tái)的主要指標(biāo)參數(shù)具體如表2 所示。

1.3.3 發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)

為實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的一鍵啟動(dòng)功能，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)各個(gè)狀態(tài)的參數(shù)進(jìn)行完整的監(jiān)控與分析，同時(shí)建立了發(fā)動(dòng)機(jī)的全權(quán)限數(shù)字電子控制系統(tǒng)（Full Authority Digital EngineControl，F(xiàn)ADEC）。在飛行控制系統(tǒng)的配合下，F(xiàn)ADEC 主要實(shí)現(xiàn)以下功能：冷車、預(yù)熱狀態(tài)下一鍵啟動(dòng)，發(fā)動(dòng)機(jī)混合比的控制，油門(mén)的聯(lián)動(dòng)控制，發(fā)動(dòng)機(jī)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與維護(hù)支持等。

FADEC 系統(tǒng)主要由發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元、油門(mén)及各傳感器、被控組件，以及它們之間的電氣線路組成。FADEC 根據(jù)不同的飛行狀態(tài)和動(dòng)力需求來(lái)調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)工況，系統(tǒng)框圖如圖3 所示。

1.4 飛行控制系統(tǒng)研制

1.4.1 飛行控制系統(tǒng)功能

飛行控制系統(tǒng)功能包括發(fā)動(dòng)機(jī)控制、穩(wěn)定飛行控制、機(jī)動(dòng)軌跡控制、程序控制以及飛行管理。

（1）發(fā)動(dòng)機(jī)控制。飛行控制系統(tǒng)設(shè)定了地面和空中兩種基本狀態(tài)，通過(guò)反饋停車、怠速、預(yù)熱和額定4種狀態(tài)下發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速范圍，確定發(fā)動(dòng)機(jī)是否工作正常，是否在額定狀態(tài)工作正常。飛行控制系統(tǒng)進(jìn)一步對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)的傳感器進(jìn)行控制，配合平臺(tái)電氣系統(tǒng)對(duì)電氣控制。

（2）穩(wěn)定飛行控制。飛行控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了9 種穩(wěn)定飛行控制功能，包括三軸姿態(tài)保持（ATT）、速度給定與保持（VEL）、航向給定與保持（HDG）、高度給定與保持（ALT）、自動(dòng)區(qū)域?qū)Ш剑∟AV）以及位置給定與保持（PH）等。

（3）機(jī)動(dòng)軌跡控制。飛行控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了9 種機(jī)動(dòng)軌跡控制功能，包括起飛、著陸、加速、減速、爬升、下降、回轉(zhuǎn)、左盤(pán)旋、右盤(pán)旋。

（4）程序控制。根據(jù)典型任務(wù)剖面，實(shí)現(xiàn)了從起飛到懸停到航線飛行到進(jìn)場(chǎng)到著陸的整個(gè)階段的全自動(dòng)控制飛行，并實(shí)現(xiàn)了不停車加藥后的復(fù)飛作業(yè)。根據(jù)不同的飛行階段，實(shí)現(xiàn)了包括航點(diǎn)管理、航線管理、導(dǎo)航計(jì)算等多項(xiàng)工作，并啟動(dòng)相應(yīng)的工作模式，根據(jù)舵機(jī)指令，控制飛機(jī)按照預(yù)定航線飛行。

（5）飛行管理。飛行控制系統(tǒng)的飛行管理包括以下內(nèi)容：對(duì)直升機(jī)狀態(tài)參數(shù)、發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)及機(jī)載設(shè)備參數(shù)采集與計(jì)算；飛行控制系統(tǒng)與管理系統(tǒng)故障檢測(cè)；對(duì)機(jī)載電氣設(shè)備故障檢測(cè)，測(cè)控與信息傳輸設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控和管理，飛行參數(shù)、故障信息、關(guān)鍵狀態(tài)的實(shí)時(shí)記錄，對(duì)機(jī)載噴灑系統(tǒng)進(jìn)行控制與禁航區(qū)管理。

1.4.2 飛行控制系統(tǒng)組成

飛行控制系統(tǒng)組成具體如圖4 所示。

1.4.3 飛行控制系統(tǒng)主要參數(shù)

飛行控制系統(tǒng)主要參數(shù)具體如表3 所示。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

本實(shí)驗(yàn)于2022 年7 月14 日到8 月6 日在孟州市黃河灘農(nóng)場(chǎng)進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)機(jī)型DP180 型單旋翼機(jī)無(wú)人機(jī)（如圖5 所示）。實(shí)驗(yàn)對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行作業(yè)模式、噴灑效果與噴灑幅度、航線控制精度、地面耗時(shí)測(cè)試。

2.1 無(wú)人機(jī)作業(yè)模式的測(cè)試

無(wú)人機(jī)需要快速完成飛行姿態(tài)的調(diào)節(jié)［4］，飛行操控模式采用飛行控制操作員利用地面設(shè)備以“指令方式”控制飛機(jī)飛行，根據(jù)轉(zhuǎn)彎方式不同分為懸停位置遙調(diào)（飛機(jī)定點(diǎn)180o轉(zhuǎn)彎后進(jìn)行位置遙調(diào)，然后進(jìn)入預(yù)設(shè)航線飛行）、懸停帶速度轉(zhuǎn)彎（飛機(jī)定點(diǎn)轉(zhuǎn)彎145o后進(jìn)行加速且給定航向切入預(yù)設(shè)航線飛行）、協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)彎（飛機(jī)帶速度轉(zhuǎn)彎飛行）。從表4 的數(shù)據(jù)看出，懸停位置遙調(diào)所用的時(shí)間最少，因此無(wú)人機(jī)噴灑測(cè)試選擇懸停位置遙調(diào)方式進(jìn)行飛行測(cè)試。

2.2 飛行速度對(duì)噴灑效果與噴灑幅度的影響

重載荷會(huì)嚴(yán)重影響植保無(wú)人機(jī)的穩(wěn)定飛行，嚴(yán)重降低噴施作業(yè)的覆蓋率和均勻度［5］。風(fēng)是影響飛機(jī)飛行軌跡和飛行姿態(tài)的主要因素［6］。需要對(duì)噴施作業(yè)進(jìn)行覆蓋率和均勻度試驗(yàn)。單旋翼無(wú)人機(jī)飛行高度保持7 m，風(fēng)速為0～1 m/s時(shí)，分別測(cè)試飛行速度10 m/s、12 m/s、15 m/s時(shí)對(duì)噴灑效果與噴灑幅度的影響。噴灑實(shí)驗(yàn)時(shí)，提前布置水敏紙霧滴測(cè)試卡，間距設(shè)計(jì)為1 m 并記錄編號(hào)，噴灑結(jié)束后，晾干測(cè)試卡，利用DepositScan 軟件對(duì)霧滴覆蓋率和霧滴密度進(jìn)行分析。測(cè)試卡試樣具體如圖6～圖8 所示。

根據(jù)《農(nóng)業(yè)航空作業(yè)質(zhì)量技術(shù)指標(biāo)》（MH/T 1002.1-2016）第1 部分：噴灑作業(yè)中關(guān)于作業(yè)質(zhì)量技術(shù)的要求，當(dāng)飛行速度為10 m/s時(shí)，滿足常量噴灑的有效噴灑幅度12 m；當(dāng)飛行速度為12 m/s 時(shí)，滿足常量噴灑的有效噴灑幅度9 m；當(dāng)飛行速度為15 m/s時(shí)，不滿足任何類型噴灑質(zhì)量技術(shù)指標(biāo)。因此，同樣的條件下，隨著飛行速度的增加噴灑幅寬逐步減小。

2.3 風(fēng)速對(duì)噴灑效果與噴灑幅度的影響

從表5 數(shù)據(jù)可以看出，保持同樣的作業(yè)高度和作業(yè)速度時(shí)，在合適的風(fēng)速下可以滿足常量噴灑標(biāo)準(zhǔn)，但風(fēng)速對(duì)噴灑效果影響比較大。因此，在進(jìn)行噴灑作業(yè)時(shí)，要充分考慮風(fēng)速的影響。

2.4 航線控制精度的測(cè)試

從表6 數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)飛機(jī)穩(wěn)定速度飛行時(shí)，飛機(jī)航線控制精度維持在±11 m 的偏距，推測(cè)由飛機(jī)航向保持精度誤差引起，需進(jìn)一步提高航向保持精度誤差；當(dāng)飛機(jī)加速、減速飛行時(shí)，飛機(jī)航線控制精度也出現(xiàn)較大偏差，推測(cè)加減速是飛機(jī)姿態(tài)不穩(wěn)定因素與機(jī)航向保持精度誤差共同作用的結(jié)果，需進(jìn)一步提高飛機(jī)不同姿態(tài)轉(zhuǎn)變的穩(wěn)定性。

3 結(jié)語(yǔ)

無(wú)人機(jī)作業(yè)模式的實(shí)驗(yàn)表明，懸停位置遙調(diào)所用的時(shí)間最少，飛行模式應(yīng)選擇懸停位置遙調(diào)模式。飛行速度對(duì)噴灑效果與噴灑幅度的影響實(shí)驗(yàn)表明，飛行速度不超過(guò)12 m/s 時(shí)，能夠滿足常量噴灑。風(fēng)速對(duì)噴灑效果與噴灑幅度的影響實(shí)驗(yàn)表明，由于飛行得較高，風(fēng)速對(duì)噴灑效果影響比較大，在飛行高度7 m、飛行速度12 m/s、風(fēng)速1 m/s 時(shí)，能夠滿足常量噴灑。航線精度控制實(shí)驗(yàn)表明，受無(wú)人機(jī)姿態(tài)變化因素和航向保持精度的影響，航線控制精度不高，需要進(jìn)一步提高精度。

綜合分析結(jié)果表明，單旋翼無(wú)人機(jī)植保系統(tǒng)能夠滿足植保時(shí)藥物的噴灑效果，大大提高了植保作業(yè)效率，增加的單架次作業(yè)區(qū)域，縮短了植保時(shí)間，減少了病蟲(chóng)害對(duì)農(nóng)作物的危害時(shí)間。單旋翼無(wú)人機(jī)植保系統(tǒng)的研制與實(shí)驗(yàn)可為植保無(wú)人機(jī)的研究提供參考和指導(dǎo)。