雷楠　金晨鐘　李靜波

摘要 植保無(wú)人機(jī)具有較高的靈活性和施藥效率，省工、省力、節(jié)約人力成本，近年來(lái)受到高度重視。無(wú)人機(jī)作業(yè)質(zhì)量需要考慮作業(yè)環(huán)境、作業(yè)條件、作業(yè)參數(shù)、藥液配方、藥液濃度、無(wú)人機(jī)參數(shù)等因素。選擇合適的無(wú)人機(jī)作業(yè)條件和參數(shù)以及合理的藥液，結(jié)合現(xiàn)代精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)優(yōu)化無(wú)人機(jī)性能，可提高植保無(wú)人機(jī)的作業(yè)質(zhì)量，促進(jìn)植保無(wú)人機(jī)的發(fā)展。

關(guān)鍵詞 植保無(wú)人機(jī)；作業(yè)參數(shù)；作業(yè)質(zhì)量；性能優(yōu)化

中圖分類(lèi)號(hào) S252+.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-5739（2017）13-0140-02

Abstract Recently，unmanned aerial vehicle（UAV） for plant protection is considered as an alternative to traditional pesticide application tools，due to advantages from UAV of reduction in cost and labor force as well as flexible and efficient pesticide application.For UAV operation quality，many factors should be taken into account，including the operating environment，conditions，parameters，liquid formula，liquid concentration，UAV parameters and so on.Optimizing aforesaid factors combined with the technology of modern precision agriculture，can improve UAV performance，thus the development of plant protection UAV can be promoted.

Key words plant protection UAV；UAV parameters；operation quality；performance optimization

近年來(lái)，許多由科技創(chuàng)新衍生的植保器械逐漸代替人工進(jìn)行植保作業(yè)，植保無(wú)人機(jī)代表了這一類(lèi)高新農(nóng)業(yè)技術(shù)，在植保作業(yè)中擔(dān)任著重要的角色。其優(yōu)勢(shì)如下：一是在對(duì)大面積作物進(jìn)行防治時(shí)，空中飛行作業(yè)可以克服人工和地面設(shè)備對(duì)農(nóng)作物的損傷，克服某些地形地勢(shì)劣勢(shì)，如山地、林地等；二是在進(jìn)行田間作業(yè)時(shí)，只需要很小的一塊起降區(qū)域，靈活性高，適合中國(guó)土地田塊相對(duì)分散的國(guó)情；三是機(jī)防手對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程操控，可遠(yuǎn)離施藥現(xiàn)場(chǎng)，避免機(jī)防手受到大量農(nóng)藥的危害；四是無(wú)人機(jī)運(yùn)用GPS導(dǎo)航，只需根據(jù)作物區(qū)域的跨距預(yù)先定位，規(guī)劃航線(xiàn)，就可自主接力，同時(shí)可以減少人工施藥出現(xiàn)的漏噴、重噴現(xiàn)象，節(jié)約資源，提高施藥質(zhì)量；作業(yè)時(shí)距離作物2～3 m，旋翼產(chǎn)生的下旋氣流使藥液在作物的垂直結(jié)構(gòu)上穿透力更強(qiáng)，能更有效地到達(dá)作物靶標(biāo)部位[1]。

目前，無(wú)人機(jī)從機(jī)翼結(jié)構(gòu)上可分為固定翼、單旋翼、多旋翼3種。固定翼造價(jià)較高、施藥效果一般、飛行操控較難，故很少用于農(nóng)業(yè)植保。多旋翼無(wú)人機(jī)由于其可操作性好、經(jīng)濟(jì)、安全、技術(shù)成熟度高，在國(guó)內(nèi)應(yīng)用比較廣泛。從動(dòng)力裝置上可以把無(wú)人機(jī)劃分為油動(dòng)無(wú)人機(jī)和電動(dòng)無(wú)人機(jī)。電動(dòng)多旋翼無(wú)人機(jī)靈動(dòng)方便，但是在電池的續(xù)航能力上一直難以突破[2]。在實(shí)際施藥過(guò)程中，1塊鋰電池大約能使無(wú)人機(jī)工作15 min，幾乎是每噴完1箱藥液就需要更換1塊電池，并且電池?cái)y帶不方便，降低了使用效率。油動(dòng)多旋翼無(wú)人機(jī)在施藥精準(zhǔn)性和續(xù)航能力上表現(xiàn)不錯(cuò)，安全性較高，其進(jìn)步與發(fā)展有更大的潛力。

植保無(wú)人機(jī)自面世至今一直頗受關(guān)注，爭(zhēng)議不斷。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，農(nóng)戶(hù)更為關(guān)心此類(lèi)植保器械是否省時(shí)、省力、高效。植保無(wú)人機(jī)的作業(yè)質(zhì)量直接決定了無(wú)人機(jī)是否能夠勝任飛防植保的重任，更是影響著病蟲(chóng)草害的防治，進(jìn)一步關(guān)聯(lián)著作物的產(chǎn)量和品質(zhì)。對(duì)于植保無(wú)人機(jī)作業(yè)質(zhì)量，影響因素很多，可對(duì)這些因子進(jìn)行研究取優(yōu)，以逐步提高植保無(wú)人機(jī)的作業(yè)質(zhì)量。

1 根據(jù)作業(yè)參數(shù)施藥

1.1 作業(yè)條件

植保無(wú)人機(jī)在進(jìn)行作業(yè)時(shí)可能受到各種環(huán)境因素的影響。一是作業(yè)對(duì)象。不同的作物可能存在生長(zhǎng)區(qū)域、地勢(shì)、生長(zhǎng)態(tài)勢(shì)、施藥時(shí)間等的不同，在進(jìn)行科學(xué)合理的植保作業(yè)前，應(yīng)該先對(duì)這種作物做一定的試驗(yàn)研究，再確定噴施方案。二是氣象條件。包括風(fēng)向、風(fēng)速、降雨、濕度、氣溫，其中風(fēng)向、風(fēng)速對(duì)無(wú)人機(jī)噴施過(guò)程中霧滴在作物上的沉積影響最大。根據(jù)農(nóng)用航空器噴施技術(shù)作業(yè)規(guī)程[3]：①風(fēng)速超過(guò)5 m/s時(shí)不宜進(jìn)行航空噴霧；②最佳施藥氣溫為24～30 ℃，當(dāng)大氣溫度 ≥35 ℃時(shí)應(yīng)暫停作業(yè)；③在進(jìn)行噴霧時(shí)，作業(yè)環(huán)境的相對(duì)濕度應(yīng)在60%以上；④?chē)娛┮话慊瘜W(xué)農(nóng)藥保證在24 h內(nèi)無(wú)降雨。環(huán)境中存在適宜的風(fēng)能使霧滴更為細(xì)小均勻，下風(fēng)利于霧滴沉積，側(cè)風(fēng)引起飄移。

1.2 無(wú)人機(jī)作業(yè)參數(shù)

飛行器作業(yè)參數(shù)主要是飛行高度和飛行速度，二者會(huì)對(duì)霧滴沉降特性造成明顯影響，最終影響作業(yè)效果和農(nóng)藥利用率[4]。

1.2.1 飛行高度。植保無(wú)人機(jī)在進(jìn)行噴施作業(yè)時(shí)，在氣象條件一定的前提下，飛行高度對(duì)作業(yè)效率的影響較大。飛行高度過(guò)高，在藥液沉降過(guò)程中會(huì)導(dǎo)致更多的揮發(fā)，并且更容易發(fā)生飄移，損害非靶標(biāo)作物的同時(shí)又造成了浪費(fèi)；飛行高度過(guò)低，特別是無(wú)人機(jī)的噴施高度低于1 m時(shí)，無(wú)人機(jī)旋翼造成的渦流旋場(chǎng)，會(huì)打亂藥液在作物上的均勻分布，同時(shí)有一部分藥液也會(huì)落于地面，降低了作物上的沉積量，造成浪費(fèi)，影響效率。

1.2.2 飛行速度。一般而言，旋翼無(wú)人機(jī)的最佳飛行速度為4～6 m/s[3]。飛行速度過(guò)快，可能造成漏噴，達(dá)不到預(yù)期液滴覆蓋效果；飛行速度過(guò)慢，則影響工作效率，浪費(fèi)資源和污染環(huán)境。

2 增加靶標(biāo)區(qū)的作用效果

植保無(wú)人機(jī)在藥液噴施過(guò)程中受氣流的影響，相對(duì)于地面施藥器械而言，更容易產(chǎn)生飄移[5]。藥液在下降過(guò)程中的揮發(fā)和飄移，既造成資源浪費(fèi)又污染環(huán)境，尤其除草劑的飄移會(huì)對(duì)非靶標(biāo)區(qū)域的作物造成傷害，在作物種植密集的地區(qū)，會(huì)造成其他經(jīng)濟(jì)作物的損失。同時(shí)，使用合適的農(nóng)藥劑型、配方、助劑能增加藥液在作物上的沉積，提高藥液作用效果。

2.1 減少非靶標(biāo)區(qū)的飄移

目前，關(guān)于航空植保作業(yè)過(guò)程中飄逸霧滴的控制方面，最具代表性的應(yīng)屬航空靜電噴霧技術(shù)。靜電噴霧技術(shù)在植保器械上的使用已然頗多，其與航空噴霧相結(jié)合，一是無(wú)人機(jī)在進(jìn)行噴灑作業(yè)時(shí)可以利用靜電場(chǎng)提高霧滴對(duì)靶標(biāo)的吸附；二是霧滴從無(wú)人機(jī)落至地面作物上受到重力和下風(fēng)的作用，在此基礎(chǔ)上增加的靜電力場(chǎng)加速了霧滴的向下運(yùn)動(dòng)，能大大減少霧滴的逸散[6]。

2008年，新疆農(nóng)墾科學(xué)院從美國(guó)SES公司引進(jìn)了一套航空靜電噴霧系統(tǒng)，對(duì)新疆墾區(qū)的棉田進(jìn)行作業(yè)。結(jié)果表明，該靜電噴霧系統(tǒng)噴霧均勻，霧化效果好，荷電霧滴能更多地吸附在作物的正反面，且沉降速度快[7]。通過(guò)對(duì)該系統(tǒng)的研究，我國(guó)在自主研制靜電噴霧系統(tǒng)方面也得到了啟發(fā)[8]。南京林業(yè)大學(xué)的茹 煜等通過(guò)對(duì)國(guó)外航空靜電噴霧設(shè)備的學(xué)習(xí)后，開(kāi)始自主研制基于固定翼飛機(jī)的靜電噴霧系統(tǒng)[9]。靜電噴霧技術(shù)可顯著增加霧滴在作物表面的沉積數(shù)量，可以有效提高無(wú)人機(jī)小載重量、低噴量作業(yè)特點(diǎn)下的藥液利用率。此項(xiàng)技術(shù)的使用在中國(guó)尚不成熟，還需要進(jìn)行大量的研究以促進(jìn)發(fā)展。

2.2 無(wú)人機(jī)用藥的配制及濃度

2.2.1 航空噴霧助劑。無(wú)人機(jī)噴灑作業(yè)，影響霧滴飄移與沉積最重要的參數(shù)是霧滴的直徑[10]。小霧滴易飄移，但若能均勻地分布在靶標(biāo)作物上會(huì)有良好的覆蓋性，提高防治效果；大霧滴不易飄移，能較好沉積，但低容量噴灑時(shí)效果會(huì)變差。通過(guò)在無(wú)人機(jī)噴液中加入助劑，如液體肥料、礦物油、人工合成的非離子表面活性劑、植物油等，可以改變藥液的性質(zhì)，如表面張力、展著性、與作物的接觸角等，有利于使藥液霧化更為均勻和促進(jìn)霧滴沉降，減少藥液飄移，改善藥液在靶標(biāo)作物表面的滲透性、展著性，提高附著率[11]。

2.2.2 施藥濃度。在農(nóng)藥田間噴霧時(shí)，對(duì)病蟲(chóng)草害的防治效果起決定性作用的是霧滴沉積密度。國(guó)內(nèi)已有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)[12-13]，在一定范圍內(nèi)，增大藥劑濃度，防治效果會(huì)上升，但是霧滴的沉積量到達(dá)限值之后，防治效果差異不明顯，且沉積量過(guò)大會(huì)造成資源浪費(fèi)、影響生態(tài)環(huán)境，特別是在噴施除草劑時(shí)，霧滴沉積量過(guò)大可能會(huì)傷害有效作物。用無(wú)人機(jī)噴施農(nóng)藥時(shí)，需要對(duì)噴施濃度做合理的分析，以達(dá)到節(jié)約資源、避免污染、提高效率的目的。

2.2.3 劑型選擇。目前，無(wú)人機(jī)在作業(yè)過(guò)程中，工作人員配制農(nóng)藥尚無(wú)一套可供參考的屬于無(wú)人機(jī)專(zhuān)用的配藥標(biāo)準(zhǔn)，大多根據(jù)傳統(tǒng)手動(dòng)機(jī)械的經(jīng)驗(yàn)配制農(nóng)藥，但傳統(tǒng)農(nóng)藥的劑型和濃度不適合進(jìn)行無(wú)人機(jī)噴灑作業(yè)。植保無(wú)人機(jī)采用的是霧化噴頭，其噴霧藥滴直徑約為傳統(tǒng)植保機(jī)械的1/10。因此，傳統(tǒng)農(nóng)藥的噴霧配方往往容易堵塞噴頭，達(dá)不到最佳防治效果。專(zhuān)業(yè)的無(wú)人機(jī)飛防專(zhuān)用農(nóng)藥必須具有滲透強(qiáng)、潤(rùn)濕快、飄移小、分布更均勻、沉降速度快、用量小、效率高等特點(diǎn)。就當(dāng)前經(jīng)驗(yàn)及研究發(fā)現(xiàn)，在劑型上不能選用粉劑，宜選擇水乳劑或水劑進(jìn)行無(wú)人機(jī)的作業(yè)噴灑[14]。

3 優(yōu)化無(wú)人機(jī)性能

在農(nóng)用無(wú)人機(jī)作業(yè)時(shí)，其本身的性能對(duì)施藥質(zhì)量有很大的影響。目前，我國(guó)植保無(wú)人機(jī)各項(xiàng)技術(shù)尚不成熟。未來(lái)無(wú)人機(jī)想要適應(yīng)更高的植保要求，必須不斷研發(fā)新技術(shù)，根據(jù)不同型號(hào)無(wú)人機(jī)的參數(shù)特點(diǎn)研發(fā)新的操控手段，結(jié)合衛(wèi)星定位及地理信息實(shí)施精準(zhǔn)施藥。

3.1 操作智能化

遙控式植保無(wú)人機(jī)對(duì)機(jī)手的操作能力要求高，尤其是單旋翼植保無(wú)人機(jī)，操作更是復(fù)雜。一架無(wú)人機(jī)正常作業(yè)需要配藥、遠(yuǎn)程操控，并且無(wú)法超視距飛行，需要有人專(zhuān)門(mén)進(jìn)行位置及障礙的報(bào)告（至少需要2～3人），大大增加了人力成本。無(wú)人機(jī)操控系統(tǒng)需要更加智能，如定速仿地形飛行、自動(dòng)返航、電子圍欄等功能，能大大增加作業(yè)準(zhǔn)確度，提高效率，節(jié)約勞動(dòng)力[15]。

3.2 選擇噴霧參數(shù)

同一種無(wú)人機(jī)機(jī)型，噴霧參數(shù)（包括噴嘴型號(hào)、噴霧壓力、噴射角度、霧滴粒徑等）不同，噴霧質(zhì)量必然會(huì)產(chǎn)生差異。張慧春等[16]以風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)建立了多變量非線(xiàn)性霧滴飄移特性模型，包含采樣距離、風(fēng)速、噴頭類(lèi)型和藥劑類(lèi)型。結(jié)果表明，飄移量的大小與噴頭的結(jié)構(gòu)有關(guān)，試驗(yàn)的幾種噴頭型號(hào)關(guān)系為延長(zhǎng)范圍扇形噴頭>廣角扇形噴頭>氣吸扇形噴頭>渦流氣吸噴頭。通過(guò)反復(fù)試驗(yàn)，選擇最合適的噴霧參數(shù)，將能大大提高噴霧質(zhì)量，增加沉積，減少飄移。

3.3 發(fā)展精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)

依靠信息技術(shù)和信息工具，根據(jù)作物的生長(zhǎng)環(huán)境，高效利用各類(lèi)農(nóng)業(yè)資源，實(shí)現(xiàn)作物生產(chǎn)率的最大化目標(biāo)，精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)已然成為了當(dāng)今世界農(nóng)業(yè)發(fā)展的新潮流[17]。精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)目前有三大熱點(diǎn)，即圖像實(shí)時(shí)處理系統(tǒng)、多傳感數(shù)據(jù)融合技術(shù)、變量噴灑系統(tǒng)。圖像實(shí)時(shí)處理系統(tǒng)，目標(biāo)是建立一個(gè)完備的圖像處理軟件系統(tǒng)，根據(jù)空中圖像的數(shù)據(jù)，分析數(shù)據(jù)之后立即進(jìn)行變量噴灑；多傳感數(shù)據(jù)融合技術(shù)，可以把不同位置環(huán)境、生物、多光譜、多分辨數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合，降低感應(yīng)器傳感器之間的矛盾，完善系統(tǒng)的感知描述，使遙感系統(tǒng)迅速而準(zhǔn)確地做出反應(yīng)、決策和規(guī)劃。變量噴灑系統(tǒng)，可以根據(jù)地理信息的處方圖靈活控制施藥量，達(dá)到精準(zhǔn)施藥。無(wú)人機(jī)想要進(jìn)一步更高層次的發(fā)展，必須結(jié)合未來(lái)的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)。

4 結(jié)語(yǔ)

植保無(wú)人機(jī)在中國(guó)尚處于起步階段，作為航空農(nóng)業(yè)的一部分，在未來(lái)必定會(huì)有更大的施展空間，應(yīng)用會(huì)越來(lái)越廣，在植保作業(yè)中擔(dān)任不可或缺的角色。通過(guò)研究無(wú)人機(jī)噴施的適宜作業(yè)參數(shù)、專(zhuān)用藥劑及配方，借鑒發(fā)達(dá)國(guó)家的航空精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)，并且逐步優(yōu)化飛行器參數(shù)，才能使植保無(wú)人機(jī)適應(yīng)未來(lái)更高的要求[18]。

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