农业无人机精准喷药现状文档格式.docx
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我国系统研究微小型无人机航空是要喷雾技术开始于2008年，浙江大学、农业部南京农业机械化研究所、华南农业大学等单位为代表开展了航空施药技术、GPS自动导航技术、农用无人机平台技术、航空施药污染评价技术、低空遥感平台等技术的额研究，出现了多项技术成果：
包括无人驾驶自动导航低空施药技术、低量低漂移施药技术研究、在高精度GPS的无人驾驶自动导航低空施药技术研究方面取得突破性进展，精确航路规划解决了航空喷雾作业喷福的精确对接，提高作业质量。
截止至2012年末，生产航空施药无人机整机与配套设备的企业达80余家。
1.飞行平台
1）发展现状
目前,农用无人机喷药航空平台主要有3种:
固定翼式飞机、单旋翼直升机和多旋翼直升机。
固定翼飞机主要应用于农田信息采集与农田遥感。
固定翼飞机载量大、飞行速度快、作业效率高，作业时采用超低空飞行，距作物冠层5~7m，对作业区域地形条件要求较高，易受田间周边障碍物如电线、电杆、树木等影响，引起飞行安全问题。
单旋翼直升机和多旋翼直升机多用于植保作业，使用直升机作业，螺旋桨造成的空气涡流能使农药喷洒到植物茎叶的背面，提高喷洒效果，与固定翼飞机相比耗油量稍大，可以垂直起降，起飞降落的场地占用少，空中飞行速度调节灵活，适应于地形较复杂的地区，装载质量在5kg到30kg之间，能够满足中小田块的农药喷洒需求。
单旋翼直升机分为燃料动力、电池动力和混合动力三种机型。
电动直升机由于动力源和输出功率与多旋翼相似，所以其续航时间和载质量等与多旋翼接近但抗风能力差，续航时间短、电池价格高寿命短、电池折旧成本高，电池充电时间长。
燃料动力直升机载质量可以达到30kg，续航时间可达1.5h，适合较大地块的喷洒作业但噪音较大，维护程度相对复杂。
油电混合动力的续航能力超过60分钟，油电混合动力的一些机型能达到35kg以上。
单旋翼直升机价格较为昂贵，维护保养成本略高，操作手培训周期长。
多旋翼直升机采用对称结构的多个旋转中心带动旋翼产生风力进行飞行作业。
多旋翼直升机价格适中，操作灵活，培训周期短。
但由于采用电池作为动力来源，使得多旋翼直升机的作业覆盖半径在300m之内，单次作业时间在30min之内，比较适合于田间小地块（<
6.7hm2）。
类型
作用
分类
动力
优点
缺点
固定翼
信息采集
遥感
---
燃料
载量大、速度快、作业效率高，采用超低空飞行，距冠层5~7m
地形要求高，易受周边障碍物影响引起飞行安全问题
直升机
植保作业
单旋翼
可载重30kg，续航达1.5h，适合较大地块
垂直起降，速度调节灵活，适用地形复杂地区，装载5-30kg，3-6m喷洒效果好
耗油稍大，噪音大，维护相对复杂
价格较贵，维护成本略高，培训周期长
载量小，时间短，抗风力稍弱
电池
整机轻
续航时间短、电池价高寿命短、充电时间长，抗风能力差
混合
续航超过60分钟，有些载重达35kg以上
能耗大
多旋翼
价格适中，操作灵活，培训周期短
作业覆盖半径<
300m，作业时间<
30min，适合小地块（<
6.7hm2）
近年来我国农用小型无人植保飞机发展势头迅猛，目前国内生产无人植保飞机的厂家已经超过10家，并呈快速增长趋势。
现有的农用无人植保机以农用小型无人直升机较多，而农用固定翼无人机研发的较少，主要机型有单旋翼直升机和多旋翼直升机两种。
农用航空施药机型以大型固定翼飞机为主，用于中国东北三省、新疆、内蒙古等大面积的农垦地区;
以旋翼无人机为辅，用于中国南方丘陵、地形复杂的山地地区。
国内农用无人机研发始于2005年，目前已有10多家企业和科研单位研发生产农用无人机，并呈现快速增长的趋势。
生产的无人机分为油动力、电池动力和油电混合动力3种，油动力的又有风冷和水冷两种，载药能力在5kg～20kg之间，价格在6万～20万之间。
目前已基本定型的农业植保系列无人机型任务载荷在10、15、20kg，产品已经进入小批量生产。
此类无人机由于受机体和载重限制，大多采用了半自驾的方式，经济性较差，飞行高度、速度与航线易受操控手目测判断差异的影响而产生一定的偏差，对施药效果造成一定的影响。
2）实例
外国常用农用无人喷药直升机实例：
开发者/使用者
型号
特点
图
日本雅马哈公司
YamahaRMAX系列农用无人喷药直升机
具有直升机的优点外,外形尺寸更小、重策更轻、操控更加灵活、尤其适应于,小型地块的病虫害防治或是大型地块内局部的精准喷洒
美国
AUH型农用无人喷药直升机
自身质量76KG，负载20kg，作业效率10hm2/h，配备有VE7导航系统，并采用电子伺服系统和陀螺增稳系统
GT-MAX型农用无人喷药直升机
飞控系统配备三轴惯性加速度计"
OVE7"
航向磁力计"
声纳和雷达高度计等传感器，飞行控制结构采用内外回路结构形式。
能对周围环境状况变化做出快速反应，且能在障碍物间机动飞行，根据摄像头拍摄信息独立选择飞行路线，检查随航系统工作中出现的故障
RotomotionSR200
汽油发动机提供动力,主旋冀直径3米（118英寸）,最大有效载荷为22.7kg（50磅）
RotomotionSR20
电池动力,主旋翼自径1.75米（69英寸）
中国开发农用无人喷药飞机实例：
总参16所
天鹰-3型
主旋翼直径3.2m，质量80kg，负载20kg，续航1h，单次2.67hm2，作业效率5.33hm2
中国
天鹰9R型
作业效率7-10hm2/h
广西田园生化有限公司与中航工业所
1800E折叠式农用喷药无人机
两块快速充电蓄电池供电，多组蓄电池轮换使用，飞行系统远程地面站操控，可按照预先设定的航线自主飞行，作业效率4hm2/h，农药喷洒量4.5-7.5L/hm2
山东卫士植保机械有限公司
WSZ-1805WSZ-2410多旋翼电动农用喷药无人机
多旋翼直升机具有结构紧凑、稳定性高、易操作和载质量大等优点，该机载药量达18kg，作业效率4.67hm2/h
昆明飞艇新艺模型有限公司
新艺XYZB-8型农用喷药无人机
电动机载药量8kg，作业效率3.33hm2/h
总参谋部第60研究所
z-3型
自动记录飞行时间、地点和作业面积等数据，可载药物25kg
沈阳自动化所
ServoHeli-120型
最大负载40kg，续航1.5h，最大飞行速度120km/h
中航工业自控所
AR-100/AF811农用喷药无人机
负载10kg
淮坊天翔
V-750
最大负载80kg，续航4h，抗风5级，航油
无锡汉和
CD-10;
CD-15；
CD-20~40农用喷药无人机
第三代全自动、半自动飞行状态自动切换；
气压传感、GPS传感、加速传感融合系统；
自动航路规划；
定高飞行（精度达到0.5m）；
自动增稳；
自动悬停；
自动起降；
“儿”字形规定姿态飞行（或其他规定姿态自动飞行）；
三合一设计：
飞控计算机＋IMU＋GPS；
安全设计：
3台飞控计算机备份表决系统；
配备轨迹记录仪（汉和专利，自动喷洒覆盖率统计，漏喷、复喷警告）
北方天途
M6A农用喷药无人机
载重6kg，飞行时间10-30min，速度0-10m/s，喷洒0-8m/s，高度0-1000m
PM8农用喷药无人机
喷洒0-8m/s，载重10kg，行时间10-30min，速度0-10m/s，高度0-1000m
M8A农用喷药无人机
悬停15-35min，负载15kg，喷洒高度1-3m
EH3、VH1、RH1等直升机
载重8-25kg，续航30-70min，
SP-3、SP-01固定翼
负载12-25kg，抗风6-7级，续航3-10h
博航联合
BH330系列农用喷药直升机
燃油，配备综合遥控器，计算机辅助人工导航系统，智能化农药喷洒系统，载重5kg，续航15min
珠海银通
YT-A5
无人驾驶电动单旋翼直升机，飞机的最大起飞质量为14kg最大有效载荷5kg农药容器容量5L，作业速率1-8m/s，续航时间20min。
使用Fulaba2.4GHz10通道遥控器，配备R6014HS接收机。
浙江得伟等农机农药生产厂家及浙江大学合作
4款喷洒农药无人机
中国北京航空学院
蜜蜂16直升机M16
共轴反桨直升机，续航1.6h，有自动驾驶仪，自主导航系统，遥控遥测系统
北京科源轻型飞机实业有限公司
I型无人机
负载6.5kg，续航3-6h，测控半径90km
河南田秀才植保股份有限公司
TXC8-3/5型八旋翼无人机
TXC16-10型多旋翼无人机
各国农用常用机型表：
国家
AT-402，510G
农用飞机、无人机
俄罗斯
M-18
巴西
Y-5，Y-12，M-18，510G,RH-2，EH-3，YR-H-15
日本
YamahaRmax
无人机
韩国
Roll-balancedhelicopter
2.飞控系统
国外发达国家的农用航空飞机都配备精密的GPS导航设备与系统，便于操作人员根据GPS仪制定出施药作业航线图，确定飞机施药飞行线，以避免重喷和漏喷。
我国的农用无人直升机飞行控制系统基本都是以地面操纵杆控制的形式，能自主飞行机型很少。
虽然具备一定的完全自主喷洒功能，但是成本较高，机身载质量小，配备的传感器有限，飞行控制系统功能较少，抗扰动因素能力弱，容错能力也较差。
我国针对农用喷药目的的无人机飞行控制系统现阶段处于空白状态，基本采用国外开发成型的非空平台或国内自主研发的非空平台加载喷药系统形成，具体情况可见上一节飞行平台。
开发者
达到目的
开发特点
陈天华，卢思翰
小型无人机导航控制系统
导航控制与数据采集采用单独DSP芯片进行处理。
系统以TMS320F2812芯片为核心，集成了GPS、红外传感器和电子罗盘，扩展了DSP芯片异步串行通信接口，实现了无人机的自主导航控制
i.基于DSP的小型农用无人机导航控制系统设计[1]
飞机总体结构采用上单翼、上反角、大舵面、前置发动机，对俯仰、滚转、偏航（PRY）3个自由度设置控制面，飞行器设置水平尾翼、垂直尾翼、副翼和襟翼，实现精确控制。
机身长1390mm、翼展1500mm、升力面积0.39m2、发动机采用46级二冲程甲醇内燃机，4个标准舵机，PCM1024数字比例遥控。
同时，为提高场地适应性，设计弹射起飞系统和伞降着陆系统实现无人机的起降，以适应小型无人机在不同农场使用。
3.喷洒系统
由美国系列静电喷雾器公司（SpectrumElectrostaticSprayers,Inc）制造的航空静电喷雾系统（AirElectrostaticSprayingSystem）是自20世纪90年代以来最先进的航空静电喷雾器械，适用于各种中小型螺旋浆飞机和直升机挂载，该系统设备综合应用静电发生与航空低量和超低量喷雾技术，可广泛应用于森林、草原、果园及农作物的航空喷洒作业。
在美国还十分注重航空喷头的研究，其航空喷头根据雾化方式主要分为液力雾化喷嘴和旋转离心雾化器两种，美国农业部航空应用技术研究中心研究出一种航空喷头喷洒模型，可以清晰了解喷头产生的雾滴情况，以便选择并设计合适的作业参数。
我国农业航空喷雾设备的发展同样经历了漫长的历程，在70年代中期以前，使用的喷雾设备结构简单、机动性小、精度低，雾滴大小不能调控，雾化性能差。
在1975年以后，开始使用旋转雾化器（如AU5000）进行超低量喷雾，随后又不断研制和从国外引进了多种类型的喷雾设备，如GP-81、GA2000等，这些类型的喷雾设备，雾滴大小可以调控，雾化性能较好，能够满足不同作业方式的流量需求。
超轻型飞机配套设计的3WQF型农药喷洒设备可广泛用于小麦、棉花、森林等的农药以及叶面肥的喷洒；
1999年由中国林业科学研究院研制的HU2-HW1型超低容量喷洒设备及NT100GPS导航系统与海燕650B飞机配套技术，在广西武鸣林区用于防治病虫害，并进行了相关试验研究。
在我国，航空喷雾设备品种少、性能较差，控制系统一般只是简单的压力计、流量计，少数的装有GPS自助导航仪，与发达国家相比，差距甚大。
i.基于航模的农药喷洒机[2]
工作原理：
通过航模遥控器控制航模飞行到达需要喷洒区域上空，控制航模飞行速度和方向，再通过喷洒按键自动控制农药喷洒。
喷洒机上还装有液位传感器，通过液位传感器输出数据，单片机可以准确地读出喷洒机中农药的剩余量。
当农药低于一定量时，单片机控制小型气泵停止工作，进而自动停止农药喷洒。
地面航模遥控器装有液晶显示屏，航模遥控器尅实时接收农药喷洒机上传出的数据，并把相关信息显示到液晶屏上，即可以准确的显示喷洒机中的剩余农药量，当低于一定量时还可声光报警，提醒返航。
●航模遥控器
●农药喷洒机
ii.无人直升机远程控制喷雾系统[3]
采用德国VARIO公司的多用途无人直升机的远程控制航空喷雾系统，开发适应低空、低量航空喷洒技术雾化器件。
●远程控制系统
远程控制系统通过操作地面发射端，实现远程控制无人机中无线接收模块内继电器的通、断。
将无线控制的接收模块接入到无人机的喷雾系统的控制箱中，即可实现远程对泵与喷头电动机的控制。
无人机起飞前，先在地面闭合开关U，系统进入待命状态。
在无人机进入预定施药区域后，远程控制接收模块中的继电器导通，泵与喷头内的电动机工作，喷雾系统施药。
●离心雾化装置
设计了喷洒面积相对较广、施药均匀、喷洒效率高的离心雾化喷头。
离心雾化喷头由导柱、螺套、喷头座、罩壳、流量器、雾化盘、直流电动机和螺钉等组成。
喷头座$罩壳用聚丙烯制成。
喷头固定在喷杆上，塑料输药管穿过喷杆与喷头的流量器连接，将药箱中的药液送入喷头#流量计呈长锥形管状，伸向雾化盘，用来输送药液和控制药液流量。
直流电动机利用飞机自带电源为雾化盘提供动力，雾化盘呈圆台盆状，内壁设有多个细槽，供药液均匀分布，实现超低量喷雾。
iii.用于直升机的航空静电喷雾系统设计[4]
针对美国罗宾逊公司生产的R44型直升机设计了航空静电喷雾系统。
这个系统包括可以同时输出正、负高压静电的直流高压开关电源和两组喷嘴。
直流高压开关电源安装在飞机里，通过低压输入分流控制器与飞机直流发电系统（24-36V）相连接，可以输出常用的10kV电压和最高20kV的电压。
直流高压开关电源与飞机直流发电系统共地，在驾驶舱里可以控制每个高压电源，调整喷雾的输出电压。
从飞机的腹部向两侧伸出两个横喷管，横喷管采用不锈钢制作，总长度为12米。
两组喷嘴（每组14个）分别通过螺纹方式连接到飞机左、右横喷管上，喷嘴上安装有金属电极，各组喷嘴的金属电极与相应的直流高压开关电源的正、负输出端并联连接，这样，第一组喷头所有电极带的电压和第二组喷头所有电极带的电压极性相反。
两个电源的另一端接地到飞机的机架上。
在飞机的下面安装有药箱，一次载药量为200L，通过电动泵给喷雾装置提供药液，实现航空喷洒作业。
iv.小型无人直升机雾化系统设计[5]
一套完整的航空雾化系统一般主要包括喷头、药液箱、药液泵、输液管路和固定支架五部分。
结合小型无人直升机的结构特点,在本文的雾化系统设计中,以无人机的电源作为喷雾系统的动力,在飞机的腹部安装一个支架,用以固定药液箱、药液泵和喷杆,两组雾化喷头对称安装在喷杆的两侧,通过塑料水管与药箱相接,塑料水管与喷杆通过卡箍固定,保证飞机飞行的安全。
通过遥控控制系统可以控制飞机起飞后雾化系统的工作情况
v.小型无人机载农药变量喷洒系统[7]
采用的无人机为多旋翼结构。
多旋翼无人飞行器主要由动力系统（包括：
电机、电池、电调和桨）、飞行器主体（包含：
机架、起落架）和控制系统（包括：
遥控器、接收机、飞行控制器）组成。
该机载农药喷洒系统的工作原理是：
当进行农药喷洒时，操作人员开启远程无线遥控器上的喷洒控制开关，无线遥控器根据开关位置将喷洒控制信号发送给安装在无人机上的无线接收机，喷洒控制板收到无线接收机传输过来的喷洒控制信号后，通过控制线对液泵进行PWM控制,通过改变PWM的占空比（每个开关周期内,使液泵处于导通的时间比例）来改变液泵的工作时长,从而改变农药喷洒流量,实现变量喷洒。
4.施药技术
我国农用施药技术首先从研究国外施药技术入手，但在实际操作中发现国外施药飞行高度一般在3-5m;
，而国内因受防风林、电力电信布线以及作业安全的影响，作业高度一般在4-20m。
这就注定了我国需要根据自身情况研发适合于我国飞行平台、地理地形特征和喷洒系统的施药技术。
与发达国家的农业航空应用相比，我国在航空施药基础理论，低空喷洒沉降规律，航空静电喷雾技术，航空变量施药技术等方面，还存在不足：
载药量小、集成化、智能化程度偏低、生产成本高，耐用性需要检验。
i.低容量、超低容量喷雾
20世纪70年代中期之前，飞机喷雾均采用常量作业，一般每公顷喷施量为30~40kg，架次作业面积25~30hm2，虽然作业效率比地面人工作业高很多，但在作业集中繁忙季节，因飞机作业面积大、时间紧，往返场空中耽误时间多，不能满足农业生产上适时施药的需要。
随着1975年航空超低容量喷雾试验的成功和推广应用，我国农业航空喷施技术的发展步入了一个新的历史时期，推动了飞机作业项目的多元化。
特别是飞机超低容量技术在水源缺乏和作业区较远的地区的应用，显示了其不可替代的优势，在防治森林病虫害、草原蝗虫、蚊蝇及疫情消毒方面也发挥了突出的作用，这在1976年我国唐山发生大地震时，出动农用飞机超低容量喷洒马拉硫磷杀灭蚊蝇、控制疫病流行的过程中得到了最好的印证。
超低容量喷雾在使用的过程中，和其他任何应用技术一样，也有其局限性，一般需要专用的农药制剂，且适宜的溶剂难以选择，产生的雾滴漂移和对环境的污染较严重，低容量喷雾就没有这方面的限制，它不需要专用的农药制剂，可以根据需要进行不同农药或药肥混喷，因此，在实际生产中得到了较快和更广的发展。
ii.复合喷施技术
进入20世纪80年代以后，随着科学技术和国民经济的发展，人们开始注重经济效益和综合技术的应用，航空喷雾综合作业技术应运而生。
综合作业是指在喷施适期相吻合时，在不影响农药使用效果的情况下，将两种或两种以上的农药与作物肥料进行混合喷施，达到一次作业、多重效果的目的。
在黑龙江垦区和新疆生产建设兵团、河南及辽宁等省区分别在小麦和水稻上得到了大面积的推广应用，产生了巨大的经济效益。
农业航空复合作业技术的迅速发展和应用，表明我国农业航空喷施技术已逐步走向成熟。
iii.沉积与飘移
自20世纪70年代以来，中国民用航空局第二研究所研究人员针对飞机喷雾飘移问题，开展了农业航空化学雾滴沉降效应研究，建立了雾滴飘移随下风距离关系的数学模型，揭示了雾滴内飘失规律，提出了不同喷施方式、不同作业对象的适宜雾滴大小、密度和覆盖均匀度，积累了我国主要粮食作物及部分经济类作物飞机作业雾滴特性方面的系统资料，并研究得出了基本的结论。
iv.航空静电喷雾技术
将静电喷雾技术与航空喷雾技术结合，能较好地解决前述问题，是因为航空静电喷雾具有独特的优点：
一方面飞机喷洒作业时产生的雾滴借助于静电场的作用，增强了喷雾粒子对预定目标的吸附；
另一方面，飞喷作业时的雾滴是由上向下运动，在重力和静电场力的双重作用下加速了雾滴向下运动，减少了雾滴飘移损失。
此外，飞机飞行时产生较大的气流，提高了雾滴在植株中的穿透性，提高了药液的利用率。
因此，根据我国国情，研发航空静电喷雾装置特别是适用于我国运五、运十一、蜜蜂、蜻蜓等飞机挂载的各种静电喷雾装置，是我国航空喷洒设备发展的重要方面。
v.测试验证与技术标准
在航空喷洒设备雾化性能测试、作业质量检测方面，通过对我国自主研发的GP－81、Y5B－1、CYD－1型喷洒设备和引进设备的雾化性能测试，以及航空喷雾作业现场质量检测，掌握了较为成熟的检测手段与技术，在设备
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