旋翼无人机气流-冠层互作机理及水稻精准对靶作业研究

Small rotary wing UAV spraying and pollination operation has shown prominent advantages in paddy field, which is the powerful supplement to the Completely Mechanized Rice Production. But there are still many shortcomings, such as the droplet on target is not accurate, deposition position is difficult to control, the flight speed is too fast, etc. Aiming at the core problem of the UAV operating system, which are insufficient research of the air - canopy mechanism, poor correlation of operating parameters and operation mode indirectly characterize the operation effect. Based on the early basis of distribution of rice canopy wind field, the project group research focusing on the characteristics of vortex formed by the interaction between the wind field and the rice canopy. Around the elements of "canopy vortex", in the three level scheme of three-dimensional space this project make a creative fusion of image information, speed information and physical information of rice, extracting the feature parameters in multi-dimensional expression. Around the relative movement of "canopy vortex", in pollination, spraying and other typical operation this project make an innovative construction of the follow-up model including the aircraft body motion parameters and canopy vortex motion parameters, moving precise positioning target in UAV operation system from the aircraft body to the canopy vortex. This study will form a small rotary UAV precision rice target spraying operation mode with low velocity, and provide theoretical and practical basis for the improvement of the field effect of the rotary UAV.

小型旋翼无人机在水田进行施药和授粉作业已经表现出突出优势，是对水稻生产全程机械化短板的有力补充，但仍然存在雾滴对靶差，药液沉积位置难以控制、飞行速度过快等缺点。针对作业体系中气流-冠层作用机理研究不足、作业参数关联性不强、作业模式无法直接表征作业效果的核心问题，项目组在前期水稻冠层风场分布规律研究基础上，聚焦旋翼风场与水稻冠层交互形成的特征涡旋展开相关研究。围绕“冠层涡旋”的构成要素，在三层次立体空间方案中创新性融合图像信息、风速信息和水稻物性信息，提炼多维度表达方式下的特征参数；揭示旋翼气流在水稻冠层上的随动规律，围绕“冠层涡旋”的相对运动，在授粉、施药等典型作业中创新性构建包含机体本体运动参数与冠层涡旋运动参数的随动模型，将无人机作业系统中的精准定位目标从机体本体转移到冠层涡旋，形成小型旋翼无人机低速气流对靶精准作业模式，为切实提高旋翼无人机田间作业效果提供理论和实践上的依据。

课题总体进展顺利，能够按照计划推进研究内容发展。任务实施过程中，课题分别在农用无人机作业气流特征及气动特性及气流检测、气流风涡水稻冠层分布与作业效果、水稻风涡图像识别方法与柔性植株特性提取方法、基于风涡特征水稻田间作业参数与模式4项任务中完成了9项基础理论或发现特征（1.旋翼无人机大田施药作业基础体系：农药装载搬运-农药转化雾滴-雾滴空间运动-雾滴植株扩散-施药作业方法；2.旋翼无人机气动特性：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，但机身尺寸明显增加。3.气流检测传感器、装备、技术与方法。4.发现水稻风涡冠层分布特征，利用无人机旋翼面积、等差高度量化面积衰减率和等差风速量化面积衰减率构造出理想“圆锥漏斗”模型；5.验证无人机水稻风涡雾滴作业效果。发现较为明显的涡旋形态有助于雾滴在作物冠层垂直空间的穿透，达到更好的施药效果。6.更适用于揭示旋涡实际状态的凸包算法，建立了一种标准化的涡旋图像提取方法，为今后涡旋图像的研究提供了标准水稻风涡图像识别方法；7.建立无人机-水稻相互作用涡三维模型并提取涡空间参数的精确方法，为研究作物冠层旋涡风场机理提供了三维数据；8.设计气流作业柔性作物形变响应物性、物理参数及系统、介质、设备和提取装置及方法；9.飞行参数(风涡形态F = 518.688)、雾滴大小(F = 123.813)和作物表型参数(F = 83.688)对雾滴沉降量的影响由大到小依次减小;这些因素对雾滴沉降均匀性的重要性依次为飞行参数(风涡形态F = 31.868)、作物表型参数(F = 15.442)和雾滴大小(F = 9.105)），形成4项研究成果（1.农用无人机气流特征，气动特性及气流检测传感器、装备、技术与方法；2.气流风涡水稻冠层分布与作业效果；3.水稻风涡图像识别方法与柔性植株特性提取方法；4.基于风涡特征水稻田间作业参数与模式），梳理了多旋翼无人机气流作业体系，提出旋翼无人机作业的核心特征；研制了识别田间风涡特征的无人机双机系统作业系统，发展多旋翼无人机水稻大田作业新平台；探讨了旋翼无人机水稻大田风涡形成机制，优选了多种无人机水稻风涡作业参数，提高无人机水稻作业质量，提升大田喷施作业效果。同时取得了较好的社会经济效益。