基于能量优化的无人机喷施规划组合算法研究

针对目前无人机喷施规划并未达到能量利用率最大化的问题,以总航程最短、有效载荷和安全作业为作业目标,研究了一种基于能量优化的无人机喷施规划组合算法。利用栅格法对工作区域进行划分,得到全覆盖航线后,通过设置补给点,合理地分配各架次的返航点和有效载荷,从航线和载荷上降低无人机的能量消耗率,提高了作业效率。所设计的配套地面站软件对算法进行仿真,结果表明,在同等作业条件下,采用本组合算法进行无人机喷施规划,相比于传统以药液或能量耗尽为返航依据、偶有迫降或坠机危险的喷施规划,航程规划得到的能量节省率达16. 25%,载荷规划得到的能量节省率为18. 92%。田间对比试验表明,经过算法规划的作业比未经算法规划的作业节省了272. 5 m的返航航程,航程节省率为23. 7%;节省载荷1 L,载荷节省率为16. 7%。本组合算法能保证无人机在能量满足安全条件的情况下进行作业,证实了算法的节能性和安全性。     

四旋翼飞行器农田位置信息采集平台设计与实验

作为对传统农田信息采集方式的补充,提出了一种基于小型飞行器的采集方式.阐述了四旋翼飞行器的工作原理,并设计了农田信息采集平台,制作出的样机载重为3.5kg,滞空时间大于20 min.设计了惯性测量系统,在测试翻滚角误差小于0.5°时确定融合算法权重系数K为12,利用PID闭环控制,实现3 m高度悬停飞行的偏移误差不超过5 m.在平台上搭载Trimble 5700型GPS接收机进行了实时数据采样实验,结果表明人工采样与飞行采样数据误差约为1.4m,表明该平台具有采集农田位置信息的基本能力.     

单旋翼农用无人机辅助杂交水稻制种授粉效果研究

2012～2015年采用单旋翼农用无人机分别在湖南、海南、广东杂交水稻制种基地对10个杂交组合父母本大行比制种,在不同自然风速条件下辅助授粉,通过田间花粉密度观测、母本异交结实率及制种产量考查研究授粉效果.结果表明,父母本行比6∶(40～60),单旋翼农用无人机辅助授粉的结实率和产量可达到甚至高于人工辅助授粉,说明单旋翼农用无人机可用于杂交水稻制种辅助授粉,促进制种全程机械化.     

航空喷施与人工喷施方式对水稻施药效果比较

【目的】找出小型无人直升机航空喷施雾滴在水稻植株的沉积分布规律,并比较农用无人机航空喷施方式和人工喷施方式的不同。【方法】通过喷施试验研究了市场上主流的2种不同型号无人机(油动单旋翼和电动单旋翼小型无人直升机)、不同作业参数对水稻冠层雾滴沉积分布结果的影响,并比较了不同农用无人机航空喷施方式和人工喷施方式的效果和效率。【结果】航空喷施方式下的作业参数对雾滴沉积量和穿透性均有着相同的影响趋势,均表现出作业速度越慢,雾滴在植株间的沉积量越多,穿透性越好;作业高度越低,沉积量越多,但穿透性较差。但由于不同类型无人机旋翼风场强度的不同,油动单旋翼小型无人直升机喷施作业时作业高度对雾滴的沉积均匀性影响明显,而电动单旋翼小型无人直升机喷施作业时作业速度对雾滴的沉积均匀性影响明显。人工喷施作业的雾滴在水稻植株上、中、下3层的沉积均匀性最差,且雾滴在水稻植株间的穿透性也最差,为110.42%,人工喷施雾滴大部分都沉积在植株上层,只有3.27%的药液量到达植株的底部,而航空喷施作业有10%~30%的药液量能到达植株的底部。【结论】从不同喷施作业方式的效果和效益来看,航空喷施雾滴沉积效果优于人工喷施雾滴沉积效果,作业效率约为人工喷施方式的10倍,且成本低,效益高。     

圆形多轴多旋翼电动无人机辅助授粉作业参数优选

圆形多轴多旋翼无人直升机与单轴单旋翼无人直升机相比,结构上有很大差异,因而其旋翼所产生气流到达作物冠层后形成的风场参数亦有所不同。该文采用3种圆形多轴多旋翼无人直升机,根据正交试验设计法设计了3因素(飞行高度、飞行速度以及飞机与负载质量)3水平的正交试验,通过考察平行于飞行方向(X)、垂直于飞行方向(Y)、垂直地面(Z)3个方向上的峰值风速、Y向风场宽度(越宽越好)、动力电池的压降(放电越慢越好)3个指标,对该机型用于水稻制种辅助授粉的田间作业参数进行优选,试验结果分析表明:圆形多轴多旋翼无人直升机在水稻冠层形成的X向风场宽度明显大于Y向的风场宽度;有别于单旋翼无人直升机,圆形多轴多旋翼无人直升机X向风场只有1个峰值风速中心,Y向风场存在2个峰值风速中心,这一现象主要由飞行器多个旋翼的侧向气流叠加形成,相互之间存在干扰,而且也影响了Y向风场的有效宽度。在实际应用中,对于能实现GPS自主导航飞行的机型,应根据作业的便利程度尽量利用X向的风力,更有益于辅助授粉作业;而对于未采用GPS自主导航飞行的机型,为便于飞控手对飞机位置的判断与姿态操控而必须沿父本行方向进行飞行作业时(即利用Y向风力),应充分考虑垂直于飞行方向风场宽度较窄的实际情况,通过降低作业效率来弥补。圆形多轴多旋翼无人直升机在水稻冠层所形成风场的峰值风速主要受飞机的飞行速度、飞机与负载质量、飞行高度影响。结合有效风场宽度及电池电量消耗程度来考量,3种主要因素的主次排序及其较优水平依次为飞行速度1.30 m/s、飞机与负载质量18.85 kg和飞行高度2.40 m。该结果可为其他圆形多轴多旋翼无人直升机用于水稻制种辅助授粉的田间作业参数设置提供参考,而且也可为制定基于农用无人直升机的水稻制种辅助授粉作业技术规范提供依据。     

白粉病胁迫下小麦叶片光谱响应与智能分类识别

目的 开展基于高光谱技术的白粉病胁迫下田间小麦光谱的响应研究,实现小麦白粉病感染等级的快速确定。方法 采用光纤光谱仪配合积分球和叶片夹采集大田活体小麦叶片可见-近红外光谱;通过光谱数据拟合得到的SF-SPAD (Spectrum fitting SPAD)值来反映叶绿素含量,对叶片感染白粉病进行初步判定;使用PROSPECT模型进行光谱敏感度分析确定敏感波段;结合主成分分析(Principal component analysis, PCA)降维和支持向量机(Support vector machine,SVM)建模,实现对光谱数据的二分类;根据二分类模型判断的病点百分比对小麦病虫害感染程度进行分级。结果 SF-SPAD值随自下而上的叶序的增大而逐渐上升;SF-SPAD值≤0.90的全是病点,≥1.05的全是好点。光谱敏感度分析确定了敏感波段为可见光波段440~500和540~780 nm,降低了数据维度。确定了感染等级(R)与病点百分比(%)的关系为R₁：0~30%、R₂：30%~50%、R₃：50%~70%、R₄：70%~100%。本研究所建模型适用的检测株数最少为20株。结论 结合SF-SPAD值和光谱PCA-SVM二分类建立的监测模型可以准确、快速地判定小麦白粉病感染与否及感染等级,同时可以降低采样数量、减少地面检测工作量、提高检测效率,是一项实用性强、简单、易推广的智能化监测技术。     

我国微耕机技术现状与发展趋势

根据我国国情,分析了微型耕耘机(微耕机)的实用意义和国内外微耕机发展历程与研究现状,简述了发达国家和发展中国家在微耕机研究领域的不同特点和我国微耕机目前存在的主要问题。适合棚室作业的电动力微耕机是最近研究的热点,指出在该研究方向的核心技术集中在电源问题上。目前,国内微耕机消费市场和生产规模迅速扩大,对其质量检测工作的要求不断提高,因此分析了该领域目前存在的主要问题。最后展望了我国微耕机的几个发展趋势。     

无人机喷雾粒径对水稻冠层雾滴沉积效果的影响

为了解无人机喷雾粒径对水稻冠层雾滴沉积效果的影响,以丽春红2R为示踪剂,检测了粒径分别为218、200、178、145μm的雾滴在水稻冠层上、中、下部的沉积分布。结果表明:雾滴在水稻冠层上、中、下部的沉积量之间差异显著,下部的雾滴沉积量高于上部和中部;不同粒径雾滴沉积量之间差异极显著,即喷雾粒径显著影响雾滴在靶标上的沉积量。不同粒径雾滴的小区试验中,采样点平均单位面积药液沉积量具有随喷雾粒径减小而增大的趋势,粒径218μm喷雾的冠层中部单位面积平均沉积量最小,为0.52μL/cm~2,粒径145μm喷雾的冠层下部的平均单位面积沉积量最大,为0.99μL/cm~2。粒径145μm喷雾在植株上、中、下部冠层采样点沉积量变异系数最低,分别为8.40%、17.86%、14.92%,粒径218μm喷雾的冠层采样点沉积量变异系数最高,分别为33.86%、32.04%、34.06%。以上结果说明,雾滴在水稻冠层的分布均匀性和穿透性都较好,且雾滴粒径越小,水稻冠层单位面积药液沉积量越大,分布均匀性越好。     

多翼单臂纵列式电动无人机旋翼间距优化及能耗试验

针对现代农业航空技术的发展对电动多旋翼农用无人机的载荷能力、持续作业能力、作业效率提出更高的要求,而目前电动多旋翼植保无人机存在续航时间短、载质量小、作业效率低等问题,该文通过试验测试平台,首先对共轴式双旋翼进行不同纵向间距下的升力性能及能耗测试,分析纵向间距对双旋翼升力的影响规律,根据分析结果,针对纵列式双旋翼进行升力随横向间距的变化规律研究,得出横向间距比等于1.8为双旋翼纵列式方式的最优横向间距比。随后对不同尺寸纵列式双旋翼和纵列式多旋翼升力随横向间距比的变化规律进行测试,验证最优横向间距比1.8的普遍适用性。最后,对多旋翼单机臂结构六轴十二旋翼纵列式布局无人机的综合性能参数进行优化分析,并对平面式、纵列式布局方式下的六轴十二旋翼无人机进行飞行试验,验证旋翼间距的优化结果。优化分析结果表明,横向间距比均分别在最优化条件下时,纵列式和平面式布局的升力远高于共轴式布局。与纵列式布局相比,平面式布局机型升力差别不大,但机身尺寸增加38.70%。飞行试验结果表明,在相同负载下,相对于优化后的纵列式机型,平面式机型在单位时间内悬停功率仅减小0.062%,而机身质量增加6.8%。该研究在保证无人机能效的前提下,通过改变旋翼间的相对位置,对多旋翼单机臂结构电动无人机的旋翼间距进行优化,从而优化机身尺寸及质量,改善多翼单臂结构无人机的气动特性,降低惯性,提升有效负载能力,从而提升整机性能。     

多旋翼无人机旋翼下方风场对航空喷施雾滴沉积的影响

风场是影响航空喷施雾滴沉积分布特性的重要因素之一。为了揭示多旋翼无人机旋翼下方风场对雾滴沉积分布的影响机理,通过无人机旋翼风场测量系统测量多旋翼电动无人机旋翼下方的风场分布,同时结合航空喷施雾滴在水稻冠层的沉积情况,分析旋翼下方X、Y、Z 3个方向的风场对雾滴沉积分布的影响,并对试验结果进行了方差分析和回归分析。结果表明:在无人机旋翼下方3向风场中,X和Y向风速对有效喷幅区内雾滴沉积量的影响不显著,Z向风速的影响极显著;X向风速对有效喷幅区内雾滴沉积穿透性的影响不显著,Y和Z向风速的影响分别为显著和极显著;X和Y向风速对雾滴沉积飘移的影响均不显著,Z向风场的影响显著;且当水平方向上X、Y向风速峰值越小、垂直方向上Z向风速峰值越大时,雾滴沉积均匀性越好,最佳值达到36.44%。另外,有效喷幅区内雾滴沉积量与因素Z向风速之间的回归模型及有效喷幅区内雾滴沉积穿透性与因素Y和Z向风速之间的回归模型的决定系数R~2分别为0.868和0.842,表明模型可以为实际作业提供指导。