近年来，中国农业航空产业发展迅速，特别是植保无人机在近年来的迅猛发展和应用引起了人们广泛的关注^[1-2]。植保无人机航空施药技术作为我国近年来的新型植保作业方式，改变了中国传统植保作业方式的弊端，植保无人机采用低容量或超低容量喷雾，喷施作业效率高、雾化效果好、成本低，且可解决作物生长过程中地面机械难以下田作业等问题，正逐渐成为人们首选的植保作业方式^[3-6]。因此，植保无人机航空喷施是减少农药用量，降低农药残留，提升农药防效的有力手段^[7]。随着植保无人机在中国的广泛应用，其低空低量航空施药技术研究逐步成为研究热点^[8-14]。陈盛德等^[15]研究了HY-B-10L型单旋翼电动无人直升机在不同作业参数下对杂交水稻植株冠层喷施作业的雾滴沉积分布效果；王昌陵等^[16]探究了3WQF80-10型单旋翼油动植保无人机飞行方式、飞行参数及侧风等因素对无人机喷雾雾滴空间质量平衡分布和旋翼下旋气流场分布的影响；张宋超等^[17]通过模拟和试验研究了N-3型农用无人机在不同飞行参数和不同等级侧风的条件下，喷施雾滴在非靶标区域的药液漂移情况；张盼等^[18]探究了QJ-460小型四旋翼无人机在不同类型喷头和飞行高度下，雾滴在柑橘树体冠层的雾滴沉积效果，并对喷雾效应做出了初步评价。

植保无人机飞行质量对喷施作业效果的提升有着重要意义。目前，国内关于植保无人机喷施应用研究主要集中于航空喷施作业参数对雾滴沉积分布特性影响的层面上，缺乏对不同类型植保无人机航空喷施作业时飞行质量(飞行参数均匀性、航线精度和航线长度均匀性)的整体评价。目前飞控手主要采用半自主飞行控制模式进行喷施作业，其飞行高度和飞行速度难以保持稳定。当前市场上植保无人机类型多样，主要有单旋翼油动植保无人机、单旋翼电动植保无人机和多旋翼电动植保无人机等，飞行性能好坏参差不齐；导致喷施的雾滴沉积在农作物表面极不均匀，容易造成对农作物的多喷、少喷甚至漏喷，难以达到理想的防治效果，造成农户的经济损失。本文采用微轻型机载北斗导航定位系统获取植保无人机航空喷施作业时的飞行轨迹和飞行参数，对市场上半自主飞行控制模式下的单旋翼油动植保无人机、单旋翼电动植保无人机和四旋翼电动植保无人机的飞行质量进行比较和评价，并对全自主飞行控制模式下的多旋翼电动植保无人机的飞行质量进行了测试和评价，以期为航空喷施作业机型的选择和植保无人机技术的改进及发展提供数据支持和指导。

1 材料与方法 1.1 无人机类型及参数

本次测试的植保无人机(UAV)是选取目前市场上存在的3种主要类型的植保无人机，分别是单旋翼油动植保无人机(So-UAV)、单旋翼电动植保无人机(Se-UAV)和四旋翼电动植保无人机(Qe-UAV)，其中，单旋翼油动植保无人机和单旋翼电动植保无人机均采取飞控手手动控制方式，即半自主控制方式；四旋翼电动植保无人机选取2种类型的植保无人机，分别采用半自主控制方式和全自主控制方式，主要性能指标如表1所示。

北斗定位系统为航空用北斗系统UB351(上海司南卫星导航技术股份有限公司)，具有RTK差分定位功能，平面精度达(10+5×10^–7D) mm，高程精度达(20+1×10^–6D) mm，其中，D表示该系统实际测量的距离(单位：km)。无人机搭载该系统移动站给作业航线绘制轨迹、获取无人机作业参数并给各个采样点定位，通过北斗系统绘制的作业轨迹观察实际作业航线与地面站规划航线之间的关系^[15]。

环境监测系统包括便携式风速风向仪Kestrel 4500 (美国NK公司)和试验用数字温湿度表LS-204 (中山市朗信电子有限公司)。风速风向仪用于监测和记录试验时环境的风速和风向，温湿度表用于测量试验时环境的温度及湿度。

1.2 方法

选取一块100 m×150 m的地块进行植保无人机喷施作业。携带北斗定位系统移动站对无人机的飞行航线进行绘制，获取无人机飞行作业参数和航线长度；采用无人机精准航迹观测系统将无人机的实际飞行航线与规划航线进行对比，获取每条作业航线的飞行偏差以观测其飞行精度。

1.2.1 作业参数及轨迹处理

图1和图2分别表示由北斗定位系统UB351对4种不同类型植保无人机在作业区域内飞行速度和飞行高度变化对应的飞行航线轨迹，其中，北斗定位系统UB351在喷施作业时的轨迹定位频率为1 Hz。半自主控制方式下，So-UAV、Se-UAV和Qe-UAV的飞行质量测试时间为09:00—10:00之间，据环境监测系统获取的环境风为微风，平均风速均小于1.0 m/s，风向均垂直于飞行航线方向；全自主控制方式下，Qe-UAV的飞行质量测试时间为16:30—17:00之间，平均风速为1.6 m/s，风向垂直于飞行航线方向。

1.2.2 数据处理

为了表征试验中植保无人机飞行速度、飞行高度和航线长度的均匀性，采用变异系数(CV)来衡量试验中各飞行参数的均匀性。

${\rm CV} = \frac{S}{{\overline X }} \times 100{\text\%} ,$

(1)

$S = \sqrt {\sum\limits_{i = 1}^n {{{({X_i} - \overline X )}^2}/(n - 1)} } ,$

(2)

式中， $S$ 为同组试验飞行参数或航线长度的标准差， ${X_i}$ 为植保无人机在各条航线上的飞行参数或航线长度， $\overline X $ 为各组试验飞行参数或航线长度的平均值， $n$ 为各组试验航线数量。

为进一步表明植保无人机飞行方向和航线长度对飞行速度、飞行高度和飞行精度的影响，对所有试验结果通过SPSS 16.0软件采用逐步回归法进行方差分析和回归分析，建立植保无人机飞行参数之间的回归方程，并检验其显著性(P<0.05)^[19]。

2 结果与分析 2.1 植保无人机飞行作业参数

从图1和图2中的飞行航线和图例可以看出，植保无人机的飞行速度在单条作业航线上均经历加速到减速的过程，其中，在航线中段飞行速度达到最大值，在航线两侧飞行速度达到最小值；半自主控制方式下植保无人机的飞行高度随着飞行距离的变大而逐渐升高，而全自主控制方式下植保无人机的飞行高度在整个飞行轨迹上保持稳定。

表2为4种不同类型植保无人机在作业区域内不同飞行航线所对应的平均飞行速度和平均飞行高度参数。从表2中单条作业航线的飞行参数可以看出，So-UAV(半自主)最大平均速度出现在6#回程航线轨迹上，为5.16 m/s；最小平均速度出现在9#去程航线轨迹上，为3.25 m/s；最大平均高度出现在8#回程航线轨迹上，为1.75 m；最小平均高度出现在3#去程航线轨迹上，为1.22 m。Se-UAV(半自主)最大平均速度出现在1#去程航线轨迹上，为7.43 m/s；最小平均速度出现在2#回程航线轨迹上，为4.99 m/s；最大平均高度出现在4#回程航线轨迹上，为1.12 m；最小平均高度出现在15#去程航线轨迹上，为0.70 m。Qe-UAV(半自主)最大平均速度出现在7#去程航线轨迹上，为3.18 m/s；最小平均速度出现在6#回程航线轨迹上，为2.30 m/s；最大平均高度出现在6#回程航线轨迹上，为1.27 m；最小平均高度出现在15#去程航线轨迹上，为0.72 m；Qe-UAV(全自主)最大平均速度出现在9#去程航线轨迹上，为3.68m/s；最小平均速度出现在10#回程航线轨迹上，为3.27 m/s；最大平均高度出现在6#回程航线轨迹上，为1.69 m；最小平均高度出现在1#去程航线轨迹上，为1.57 m。

表3为4种不同类型无人机整个航程中的飞行参数。从表2和表3中可以知道，单旋翼植保无人机去程和回程的飞行参数之间存在较大差别，而多旋翼植保无人机去程和回程的飞行参数之间存在的差别较小。对于植保无人机的飞行速度来说，半自主控制方式下，So-UAV回程的平均速度比去程的平均速度大17.66%，Se-UAV去程的平均速度比回程的平均速度大12.15%；而半自主和全自主控制方式下，Qe-UAV去程的平均速度分别比回程的平均速度大2.85%和0.59%。对于植保无人机的飞行高度来说，4种不同类型植保无人机去程的平均高度均低于回程的平均高度，其中，半自主控制方式下的So-UAV、Se-UAV和Qe-UAV以及全自主控制方式下的Qe-UAV去程的平均高度分别比回程的平均高度小14.96%、13.25%、9.47%和3.13%。

另外，从4种不同类型植保无人机在整个作业过程中飞行参数的变化情况来看，多旋翼植保无人机飞行参数的变化均匀性要优于单旋翼植保无人机飞行参数的变化均匀性，全自主控制方式下，植保无人机飞行参数的变化均匀性要优于半自主控制方式下单旋翼植保无人机飞行参数的变化均匀性；其中，半自主控制方式下So-UAV的飞行速度变化最大，均匀性达到14.80%；半自主控制方式下Se-UAV的飞行高度变化最大，均匀性达到14.53%。Qe-UAV在全自主控制方式下飞行参数的变化均匀性达到最佳，其中，飞行速度参数变化均匀性为3.66%，飞行高度参数变化均匀性为4.67%。表明在半自主控制方式下，多旋翼植保无人机比单旋翼植保无人机更加容易操控其作业；而全自主控制方式比半自主控制方式更加稳定。

2.2 植保无人机飞行轨迹精度参数

图3为通过无人机精准航迹观测系统所获得的4种不同类型植保无人机整个航程中飞行航迹偏差图，表4为4种不同类型植保无人机整个航程中每条飞行航迹的偏差和长度。从图3和表4可以看出，So-UAV航线最小偏差出现在1#去程航线轨迹上，为0.128 m;最大偏差出现在8#回程航线轨迹上，为0.678 m。Se-UAV航线最小偏差出现在2#去程航线轨迹上，为0.136 m；最大偏差出现在6#回程航线轨迹上，为0.703 m；Qe-UAV(半自主)航线最小偏差出现在1#去程航线轨迹上，为0.101 m；最大偏差出现在8#回程航线轨迹上，为0.343 m。Qe-UAV(全自主)航线最小偏差出现在3#去程航线轨迹上，为0.075 m；最大偏差出现在1#去程航线轨迹上，为0.374 m。在整个作业过程中，四旋翼植保无人机的飞行航线精度要好于单旋翼植保无人机的飞行航线精度，且全自主控制方式下的UAV飞行航线精度要好于半自主控制方式；全自主控制方式下，Qe-UAV在整个作业区域内的平均飞行航线偏差最小，为0.172 m；半自主控制方式下，Se-UAV在整个作业区域内的平均飞行航线偏差最大，为0.338 m。

2.3 植保无人机飞行轨迹长度参数

对于植保无人机在作业区域内的航线长度而言，航线长度越整齐，表示作业区域漏喷面积越小，航空喷施作业质量越好。由图3和表4可知，So-UAV、Se-UAV、Qe-UAV(半自主)和Qe-UAV(全自主)的飞行航线长度均匀性分别为11.34%、10.97%、7.81%和5.21%。单旋翼植保无人机的飞行航线长度不一，航线前段存在过长或过短的情况，即存在航空喷施作业多喷或漏喷等情况；四旋翼植保无人机的飞行航线长度均匀性要优于单旋翼植保无人机的飞行航线长度均匀性，且全自主控制方式下的Qe-UAV在整个作业区域内的飞行航线长度均匀性要优于半自主控制方式下的Qe-UAV，表明全自主控制方式下Qe-UAV航空喷施作业漏喷和多喷现象较少，喷施作业质量最佳。

2.4 方差分析结果

为探明飞行方向和航线长度对飞行质量的影响，分别选用了飞行方向和航线长度对UAV的飞行质量进行方差分析。

由飞行方向对植保无人机的飞行质量进行方差分析可知，飞行方向对半自主控制方式下单旋翼油动植保无人机的飞行高度、单旋翼电动植保无人机的飞行速度和四旋翼电动植保无人机的航线精度对应的显著性水平值分别为0.037、0.02和0.011，均小于0.05，表明飞行方向对半自主控制方式下植保无人机的飞行参数存在一定程度的影响；而飞行方向对全自主控制方式下四旋翼电动植保无人机的飞行速度、飞行高度和飞行精度的显著性水平值均大于0.05，表明飞行方向对全自主控制方式下四旋翼电动植保无人机的飞行参数影响不显著。

由航线长度对植保无人机的飞行质量进行方差分析可知，航线长度对半自主控制方式下单旋翼油动植保无人机、单旋翼电动植保无人机和四旋翼电动植保无人机的飞行参数的显著性水平值均大于0.05，表明航线长度对半自主控制方式下植保无人机的飞行参数影响不显著。而航线长度对全自主控制方式下四旋翼电动植保无人机平均飞行速度的显著性水平值为0.01，表明航线长度对全自主控制方式下四旋翼电动植保无人机的平均飞行速度存在显著性影响；且航线长度与平均飞行速度之间的回归方程显著性检验的概率P<0.01，因此被解释变量与解释变量的线性关系是极显著的，可建立线性方程。

由回归分析结果可知，回归方程的回归系数依次为1.432和0.029，因此，在设定的飞行速度(v)范围内(1～5 m/s)，植保无人机的v与航线长度(l)之间的关系模型为：

$v = 0.029l + 1.432,$

回归模型的决定系数R²为0.729。

在所建立的关系模型中，航线长度(l)的系数大于0且为正值，表示无人机平均飞行速度与航线长度之间呈正相关，说明在设定范围内，航线长度越长，无人机的平均飞行速度会越大，这与实际作业过程是相符的。

另外，在本次不同类型植保无人机飞行质量的测试试验中，半自主控制方式下的So-UAV、Se-UAV和Qe-UAV的飞行质量测试均为飞行操控手人为操控，由于操控手的专业素质和操控习惯存在差异，导致飞行质量的测试结果存在一定程度上的飞行误差；但本次的测试结果与实际作业情况和经验是相一致的。而且全自主控制方式下的Qe-UAV飞行测试时自然风速更大，结合外界自然风速和风向对植保无人机飞行测试的影响，进一步说明了全自主控制方式下Qe-UAV航空喷施作业的飞行质量更佳。

3 结论

飞行方向对半自主控制方式下植保无人机的飞行参数存在一定程度的影响，对全自主控制方式下四旋翼电动植保无人机的飞行参数不存在显著性影响；在整个作业过程中，半自主控制方式下单旋翼油动植保无人机和四旋翼电动植保无人机、全自主控制方式下四旋翼电动植保无人机回程的平均速度大于去程的平均速度，而半自主控制方式下单旋翼电动植保无人机去程的平均速度大于回程的平均速度；另外，半自主控制方式下单旋翼油动植保无人机、单旋翼电动植保无人机和四旋翼电动植保无人机以及全自主控制方式下四旋翼电动植保无人机去程的平均高度均小于回程的平均高度。

四旋翼植保无人机飞行质量优于单旋翼植保无人机，且全自主控制方式下四旋翼植保无人机飞行质量优于半自主控制方式下四旋翼植保无人机。在条件允许的情况下，为保障植保无人机航空喷施作业质量，应优先使用全自主控制方式下的四旋翼植保无人机进行航空植保作业。