[01419110]基于多旋翼无人机实现山地荔枝园精准施药的农用航空专用装备的研发与示范

1、课题来源与背景：基于多旋翼无人机实现山地荔枝园精准施药的农用航空专用装备的研发与示范（项目编号：201704020076）是广州市民生科技项目（穗科创字[2017]1号）。该项目针对劳动力短缺、药液喷施效率低和地表面条件限制等问题,研制适合山地荔枝园农药高效喷施的成套技术和装备。 2、技术原理及性能指标：（1）通过对适应山地环境的多旋翼飞行器的大负载能力的优化设计,解决农用无人机载荷不足的问题;将RTK实时定位技术与实时位置确定和存储技术有机结合,实现了断电（点）的精准对接,攻克了农用无人机断电（点）续航难题;提出了点面分层判别算法和地形动态仿形算法,实现了不同地理地貌以及不同作物高度仿形的飞行作业需求。开发了双ARM构架具有独立供电系统、三套独立IMU传感器和多种接口的飞控硬件系统和相配套的地面站管理系统,实现了无人机高精度定位、路径自动规划、智能避障、一键起飞与自主降落、仿地飞行、断电（点）续航等功能。（2）通过优化山地荔枝果园航喷参数方法,建立雾滴沉积、漂移预测模型。通过喷头类型、喷雾压力、喷射角度、雾滴粒径等试验优化航喷参数。利用喷头雾化性能试验平台研究扇形喷头和空心锥喷头雾化性能,测量喷头喷雾雾滴的体积中值粒径和喷雾角,进而通过性能对比分析选择最优喷头。分别在1m/s、2m/s、3m/s的作业速度下,0.6m、1.2m、1.8m的作业高度下进行作业,对比讨论无人机不同工作参数下的雾滴沉积密度以及对虫害的防治效果,同时参考地面人工背负式防治效果,进而优化了植保无人机作业参数。为植保无人机在山地荔枝果园防治作业提供依据。（3）通过无人机变量喷施系统开发,建立了关联与权衡药液存量、增压泵输出功率和喷施流量关系的药液存量计算模型,实现了不同药液存量下喷施流量的自适应调节,提高了药液喷施的一致性;揭示了机载药箱内部不同区域的药液运动规律,设计了蜂窝状多腔体、全连通结构的止荡药箱和喷药全程重心自动配平药箱,解决多旋翼无人机喷药过程重心变化大、易倾翻和震荡难题;通过优化设计旋翼下压气流通道与定制喷嘴的有机结合,加速了药液的沉降,有效减少了漂移;研发了飞行速度、作物病害程度、喷药量之间的耦合算法和农药喷施脉宽控制技术,实现作物所需药量和行进速度相适应的变量喷施技术。开发了机载变量喷施作业装备。实现荔枝及相关水果农业增产农民增收,形成良性快速的农业发展局面。（4）建立基于全自动变量航喷的农药减施增效关键技术师范基地。在广州市从化华隆果菜保鲜有限公司位于广州市从化区的荔枝种植基地建立无人机全自动变量喷施关键技术应用示范基地。 3、技术的创造性与先进性：（1）针对作业环境地形地貌和多变气候,利用多源数据高效率实时融合技术,提出飞行和作业的自增稳方法,提高了丘陵山地作业的安全系数; （2）研制果园农业环境实时低空感知作业装备,通过设计可组合替换的小型单波段传感器模块实现多光谱数据的低成本与低重量获取,应用统计学习与模式识别方法,能够无损和快速诊断果树的生长状况、营养情况与虫害影响,实现果园无人机航喷作业的变量喷洒控制; （3）将智能变量精准喷施技术应用在丘陵山地果园环境中,确保不同地形、位置、气候和风向条件下农药喷洒的一致性和均匀性,提高了喷洒效率。 4、技术的成熟程度,适用范围和安全性：本项目所研发的丘陵山地果园环境中无人机作业装置的相关技术已成熟并进入产业化阶段,装置适用于丘陵山地,并交付多家客户使用,在客户在使用系统过程中未发生安全事故,下一步将配合政府政策条件下对进行推广。 5、应用情况及存在的问题：通过本项目的实施,公司对研发的成果进行推广执行,在取得了良好经济效益的同时,并得到广东省内外众多企业的高度认可,如为广州市荔鼎生态农业开发有限公司、上海骏果实业有限公司等企业成功开发的无人机,创造了一定的经济和社会效益。 本项目已经攻克和掌握了全部关键技术难题,拥有自主知识产权,主要问题是对丘陵山地果园环境中无人机作业装置工艺进行进一步优化。在今后的生产工作中,为实现单位可持续发展,继续坚持“科研兴企、科研强企”的观念,走我国节能、环保,低投入、高产出、高附加值的无人机发展道路,为此,我们将不懈努力,进一步加快丘陵山地果园环境中无人机作业装置的推广应用。 6、历年获奖情况：1)广东省科技进步二等奖（智慧农业信息实时获取与智能管控关键技术及装备）1项 2)教育部高校科技进步一等奖（农田信息空天地协同感知与精准管理技术及应用）1项 3)2019年中国产学研合作创新成果奖（农用无人机及机载装备的开发与应用）1项。