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植保无人机快速发展的这几年,有那些技术革新? 来源:科研管理办公室 作者: 科研管理办公室

       2016年8月6日,“2016中国植保无人机与机器人应用大赛”在江苏苏州正式启动。“一个无人植保机相当于三十个人的作业效率,深受农民欢迎,近年来玉米甘蔗等高秆作物施药,无人机也逐步开始应用”。“但无人机绝不会取代地面施药器械。它只适用于地面施药装备到达不了的地方,作业喷雾效果与防效尚达不到地面机械的水平。这个缺陷, 是天生的,无人机的劣势是气象影响大、重喷与漏喷问题、施药不均匀性超过30%,而地面机械通常可控制在10~15%。优势是可以去到地面机械去不了的地 方,人机与人药分离、作业效率高。因此,无人机作业与地面机械作业,是有机互补的。”在现场,中国农业大学植保机械与施药技术中心主任何雄奎教授表示,面对植保无人机热,我们应冷静看待。何雄奎总结出国内植保无人机面临的四大技术瓶颈:
 
首先是飞行平台本身,关键技术没有解决。
 
       我国单旋翼无人机没有合适的自主研发的油动发动机。目前往往采用进口国外的航模发动机。问题是,航模或玩具日常都是小载荷(通常不超过7公斤),随便带上农药负载后,发动机会出现寿命不够与大大缩短问题。而多旋翼无人机面临的则是续航时间问题,频繁更换电池限制了 无人机的使用效率。
 
二是飞控系统的问题。
 
       重喷漏喷现象较为普遍。无人机如果按照预定轨迹飞行,过程其实很复杂,要把信息预先收集起来。受气象条件影响,精确度很难把握,由于负载小,喷施农药浓度几乎接近于原药。
 
第三是农药雾化系统。
 
       一亩地喷洒300到500毫升药液,且要求非常均匀的沉积覆盖,意味着一平方厘米范围只有几个到20来个雾滴,对于除草剂可能只有8到10个雾滴。“目前市面上,很多植保无人机都达不到这个水平。”
 
最后是专业的农药剂型。
 
       “试想,雾滴这么小,在南方高温高湿的气候条件下,风一吹,一下就蒸发和飘失掉了,这样一来,农药就对环境造成污染。”所以适合于植保无人机低空低量喷雾的防蒸发与飘失的专用剂型的研发生产技术非常重要。我国的专用剂型和植保无人机一样,其实刚刚起步。
 
有人指出,植保无人机目前亟需解决的核 心关键技术主要包括:
 
       ①农业航空喷施专用剂型不足:航空植保使用的农药剂型及助剂的要求与地面机械施药有很大的不同,目前中国还缺乏与航空植保作业中采用的有人直升机、单轴和多轴无人机配套的农药制剂相关技术标准,缺乏应用于无人机航空喷施中农药药液的表面张力、黏度、农药有效成份含量、剂型等的评价标准,缺乏航空施药条件下,对农药药效与作物生理影响的室内、室外检测标准。现有作业大多凭经验或参考地面喷雾确定剂量和配置方法,往往因为用量或配置不科学影响了作业质量,对环境造成较大的负面影响。
 
       ②缺乏完善的航空喷施作业技术标准:中国采用航空喷施作业的时间较晚,大多采用有人驾驶的固定翼飞机进行航空植保作业,对于旋翼直升机,特别是单轴和多轴微小型农用无人机等机型喷施作业的相关技术参数缺乏系统深入的研究,尚未形成一套科学完善的判别标准和对不同作物、不同喷施剂型进行航空喷施时的作业时机、作业环境(温度、湿度、风速)、飞行高度、飞行速度、航线规划与导航控制等参数的优化选择,以及满足喷施作业要求所需要的沉积量、雾滴粒径、雾滴沉积分布密度、农药浓度等作业指标。
 
       ③缺乏高稳定、高可靠性的农用无人机自主飞行控制系统:虽然目前有人驾驶农用飞机的操控技术已较成熟,但在微小型农用无人机方面,在低空飞行时,由于农田作物冠层结构而造成的复杂地效,对气压高度计的影响很大,飞行的稳定性难以保证,目前仍缺乏适合复杂农田环境下(海拔不同、地理位置不同、作物种类不同)作业的微小型农用无人机的高稳定、高可靠性的自主飞行控制系统,以适应田间超视距、超低空、随时起降等特殊要求。
 
       ④缺乏高效轻量化的航空喷施装备关键部件:有效任务载荷量及续航时间是农业航空作业飞机非常重要的两项指标,直接关系到航空作业的效率,因此,在航空喷施装备方面必须满足轻量化、低量喷施、均匀喷施的要求。
2016年可以说是植保无人机行业的一个分水岭。2016年之前,植保机功能较为简单,只能保证基本的飞行功能,植保飞防作业过程中体力劳动占很大比重,一架飞机至少需要3个人伺候。2016年之后植保机开始向智能化快速发展。植保无人机快速发展的这几年,到底出现了哪些技术革新呢?
 
(一)基站RTK和网络RTK的普及 
 
       RTK(Real - time kinematic)载波相位差分技术,是实时处理两个测量站(基准站和流动站)载波相位观测量的差分方法,将基准站采集的载波相位发给流动站接收机,进行求差解算坐标。植保无人机的飞行过程中,最大风险来自于无人机无法及时避让障碍物造成的碰撞、炸机事故。这些事故大多因为人工操作中的视距误差,飞行状态操控失误等不可控因素导致。植保无人机实现高精度自主飞行后,这类风险被大大降低。植保无人机接入RTK技术之后,作业质量也获得进一步提高。人工操作或普通卫星定位的误差通常会造成无人机在一些区域重复喷洒药剂,或遗漏喷洒药剂;实现高精度自主飞行后,植保无人机喷洒范围更精确,解决了重喷、漏喷的问题,同时也通过提升农药使用效率,降低农药用量和成本。
 
(二)双天线定向技术的应用  
 
       双天线定向就是利用两点可以确定一条直线(基点指向另一点方向唯一性)的原理,双天线定向的在植保机上的成功应用,很大程度上避免了磁罗盘干扰的情况,让飞行更加稳定。
 

(三)地形跟随技术的应用  
 
       地形跟随技术又称仿地飞行是定高技术的一种应用(传感器使用定高模块,比如超声波定高模块,激光定高模块),不过地形跟随技术定的是相对高度。为了保证农药的均匀和高效喷洒,植保无人机引进了一种“地形跟随”的技术,该技术可以使植保机在作业过程中始终与农作物保持1~2米的相对高度,大大提高了植保机作业的地形适应能力。

目前主流定高方案的对比分析:

GPS


优点:   应用成熟,成本低

缺点:
1、获取的高度数据是绝对高度且误差相对大。

           2、天气会影响GPS,搜星困难,影响精度。

           3、低成本的GPS数据刷新率不够理想,高速运动的时候数据滞后会导致无人机高度跌落,从而造成掉机。

           4、容易遭受电子干扰。

气压计

优点:应用成熟,成本低

缺点:1、容易穿透植被,精度会下降。

           2、超声换能器的起振时间长,同程声速慢,采样慢。

           3、超声波受温度,压力环境变化影响较大,抗干扰能力稍差。

           4、作用距离短,超声波高度计作用距离一般不超过5m

超声波

优点:原理简单、使用方便、成本低

缺点:1、容易穿透植被,精度会下降。

           2、超声换能器的起振时间长,同程声速慢,采样慢。

           3、超声波受温度,压力环境变化影响较大,抗干扰能力稍差。

           4、作用距离短,超声波高度计作用距离一般不超过5m

       为解决植保无人机定高的痛点,一直致力于“做世界上最好的机器人眼睛”的北醒光子,推出地形跟随模块TF01。TF01是北醒基于TOF激光雷达的原理开发的地形跟随模块,能够以每秒500次的刷新频率实时探测植保机和农作物之间的距离,通过与飞控的配合,保证植保无人机与农作物保持设定的相对高度,误差保持在厘米级,同时不受温度、湿度、光线、电子、气流等干扰。该模块按照IP65级别防护设计,防尘防水抗腐蚀,最大探测高度10米,可适应不同农作物喷洒场景,避免由于地形变化或地势起伏造成重喷、漏喷或掉高,有效提高航空植保的作业效果。
 
(四)随速喷洒技术的应用 
 
       随速喷洒即根据飞行速度控制流速,实现随速喷洒需配备流量计模块,飞控实时采集药泵输出流量,通过控制药泵输出来实现喷洒流速和飞行速度相匹配,该技术也是实现精准喷洒的关键一环。
 
(五)避障技术的应用 
 
       为保障无人机安全飞行,避障技术也获得加速发展。目前,无人机的避障技术中,视觉避障,毫米波雷达避障得到了实际应用。极飞科技的XCope“天目”无人机视觉系统融合了双目避障和地形视觉模块,让植保无人机第一次拥有了感知环境的能力,进一步提升了植保无人机的作业效率和安全性。从技术角度上看,极飞的植保无人机已经完成了:全自主飞行控制、RTK精准导航、动态变量喷洒和视觉环境感知四个关键技术的研发和应用,在植保无人机领域继续领跑,为用户提供更精准、更智能的无人机产品,以及更优质、高效的服务。

(六)全自主航线飞行 

       由于植保机飞行精度,田间地形复杂等原因,自主飞行功能并未得到有效利用;后期RTK技术的引用使得植保机飞行精度大大提高,飞控厂家开始大力完善自主飞行功能,使得航线编辑更加简单方便,飞行控制更加容易,自主航线飞行的完善也使得一控多机成为可能,植保机白天黑夜也可不间断工作,大大提高了工作效率和作业精度。

(七)植保云平台的应用  

       云平台一方面可以通过移动通讯把各式无人机与RTK地面基站、手机APP链接起来,摒弃了传统链路的距离限制,提升了植保无人机的作业效率,也让无人机飞行都时时处在天眼的监控中,另一方面,云平台可以进行作业统计,数据分析。

转载来源:无人机