[论文解读] Review on Application of Drone in Spraying Pesticides and Fertilizers

Sane Souvanhnakhoomman|arXiv (Cornell University)|Jan 3, 2024

Smart Agriculture and AI参考文献 16被引用 8

一句话总结

本文综述了无人机在农业农药与肥料喷洒中的应用，强调了配备全球定位系统（GPS）、Arduino 和 ArduPilot 等控制器以及喷洒系统的无人机在实现自动化、精准和安全喷洒方面的优势。研究结果表明，基于无人机的喷洒方式可显著减少人类接触化学药剂，提高施用效率，并支持实时监控，报告指出可节省 20–90% 的人力、水和化学品使用量。

ABSTRACT

In today's agriculture, there are far too many innovations involved. One of the emerging technologies is pesticide spraying using drones. Manual pesticide spraying has a number of negative consequences for the people who are involved in the spraying operation. The result of exposure symptoms can include minor skin inflammation and birth abnormalities, tumors, genetic modifications, nerve and blood diseases, endocrinal interference, coma or death. However, Drone can be used to automate fertilizer application, pesticide spraying, and field tracking. This paper provides a concise overview of the use of drones for field inspection and pesticide spraying. displays different methodologies and controllers of agriculture drone and explains some essential Drone Hardware, Software elements and applications

研究动机与目标

• 评估无人机在自动化农药与肥料施用中的作用，以降低农业中人类健康风险。
• 分析用于农业喷洒任务的不同无人机架构、控制器及软硬件配置。
• 评估各类无人机系统在实际喷洒应用中的效率、有效载荷能力和作业续航时间。
• 识别优化喷洒精度与覆盖范围的关键技术组件，如 GPS、飞行控制器和喷嘴。
• 总结关于雾滴分布、喷洒幅宽和化学品效率的研究成果，以支持精准农业的推广。

提出的方法

• 通过关键词检索系统性地回顾了 Scopus、Web of Science 和 Google Scholar 中与无人机、喷洒和农业相关的文献。
• 评估了配备无刷直流电机（BLDC）、锂聚合物电池及 Arduino Uno 和 ArduPilotMega 等飞行控制器的无人机平台，包括四旋翼和六旋翼机型。
• 分析了适用于液体和固体物料的通用喷洒系统，配备可调节喷嘴和压力泵。
• 审查了利用射频发射器、蓝牙以及智能手机集成（如用于四旋翼控制的 Android 应用）实现的实时控制机制。
• 评估了传感器（如 LDR、MQ6、LM35、MPU-6050）在环境监测和自主飞行中的集成应用。
• 评估了包括最大载荷（达 5.5L）、飞行续航时间（最高达 16 分钟）以及雾滴大小与分布均匀性在内的性能指标。

实验结果

研究问题

• RQ1 不同无人机配置（如四旋翼与六旋翼）在农业喷洒应用中如何影响喷洒效率与飞行稳定性？
• RQ2 哪些关键软硬件组件可实现基于无人机的农药与肥料喷洒的精确、自动化施用？
• RQ3 与人工喷洒相比，无人机喷洒在化学品使用量、人力投入和健康风险方面有何差异？
• RQ4 GPS、飞行控制器和实时传感器在提升农业无人机精度与自主性方面发挥什么作用？
• RQ5 使用无人机喷洒系统在施用均匀性、雾滴沉积量和覆盖幅宽方面可实现哪些可测量的改进？

主要发现

• 基于无人机的喷洒方式可显著减少人类接触有害农药，从而降低皮肤炎症、肿瘤及遗传损伤等风险。
• 无人机的应用可实现人力、水和化学品使用量节省 20–90%，主要得益于精准、自动化的施用方式。
• 配备 Arduino Uno 和 Atmega328 控制器的四旋翼无人机表现出稳定的性能，载荷能力达 1 kg，续航时间达 16 分钟。
• 采用微型喷嘴和压力泵的喷洒系统可提升雾滴分布的均匀性与覆盖范围，尤其在结合 GPS 引导飞行路径时效果更佳。
• 研究表明，飞行高度和树冠结构显著影响雾滴沉积效果，最佳结果出现在作物上方 3–5 米处。
• 集成 MQ6（气体检测）、LDR（光照）和 MPU-6050（惯性测量单元）等传感器可实现实时环境监测与自适应喷洒控制。