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        植保無人機的發(fā)展歷程及應(yīng)用現(xiàn)狀

        2019-03-18 23:19:29宋修鵬宋奇琦張小秋梁永檢覃振強韋金菊顏梅新吳建明李楊瑞
        廣西糖業(yè) 2019年3期
        關(guān)鍵詞:飛防植保藥劑

        宋修鵬,宋奇琦,張小秋,梁永檢,覃振強,韋金菊,顏梅新,吳建明,李楊瑞

        (1.廣西壯族自治區(qū)農(nóng)業(yè)科學(xué)院甘蔗研究所/中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院甘蔗研究中心/農(nóng)業(yè)部廣西甘蔗生物技術(shù)與遺傳改良重點實驗室,廣西 南寧 530007;2.廣州極飛科技有限公司,廣東 廣州 5100007)

        農(nóng)業(yè)是我國的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè),其中農(nóng)藥的使用在作物的種植和病害防治中占有重要地位。傳統(tǒng)農(nóng)藥施用主要以人工背負藥箱、手持噴桿噴霧為主,作業(yè)時間長,勞動強度大,而且噴藥量較大,容易導(dǎo)致用藥過量、成本增加及環(huán)境和農(nóng)產(chǎn)品污染。

        近幾年,我國農(nóng)業(yè)從傳統(tǒng)走向現(xiàn)代,在生產(chǎn)方式、生產(chǎn)技術(shù)、體制機制等方面不斷發(fā)展創(chuàng)新。我國農(nóng)業(yè)機械化在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的耕地、播種、田間管理、收割環(huán)節(jié),均有大、中、小型農(nóng)業(yè)機械做保障,機械化程度較高,而農(nóng)業(yè)植保領(lǐng)域因其特殊性導(dǎo)致機械化程度低,基本處于人工和半機械化狀態(tài),嚴重制約著農(nóng)業(yè)集約化生產(chǎn)和農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的實現(xiàn)。在農(nóng)藥噴灑方面,高地隙自走式噴桿噴霧機、無人機技術(shù)逐漸發(fā)展應(yīng)用起來,但使用植保無人機施藥僅占1%。高地隙自走式噴桿噴霧機是大型農(nóng)業(yè)裝備之一,適用于水田、旱田作物和菜地的除草、殺蟲、滅菌等的噴灑作業(yè),具有機械化自動化程度高、通過性好、施藥精準高效等優(yōu)點,但也存在一次性投入成本高、坡地易傾覆、作物碾壓損傷相對大等問題[1]。另外,中國作為農(nóng)業(yè)大國,人口老齡化趨勢加劇,未來土地承包,種田大戶會越來越多,市場需求會更大。經(jīng)過多年的發(fā)展和推廣,植保無人機已經(jīng)有了比較切實可行的持久模式。

        1 植保無人機的發(fā)展

        利用植保無人機進行飛防,日本和美國等發(fā)達國家涉及較早,產(chǎn)業(yè)體系相對成熟。從1987年日本Yamaha公司生產(chǎn)出世界上第一臺農(nóng)用植保無人機(R-50),已經(jīng)歷了30多年的發(fā)展歷程[2]。由于日本國土面積小,耕地面積小且分散,水稻地多,對無人機依賴性大,促使農(nóng)用無人機快速發(fā)展,已從1995年的307架增加到現(xiàn)在的2400多架,用于播種、監(jiān)測、施肥、噴藥等作業(yè)。美國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)則以大農(nóng)場居多,經(jīng)營規(guī)模大,往往使用載重量更大、續(xù)航時間更長、工效比更高的有人機進行植保作業(yè)。據(jù)統(tǒng)計,目前美國農(nóng)用航空相關(guān)企業(yè)有2000多家,年處理40%以上的耕地面積,全美65%的化學(xué)農(nóng)藥采用飛機作業(yè)完成噴灑,其中水稻施藥作業(yè)100%采用航空作業(yè)方式,自2002年以來已投入約700萬美元用于農(nóng)業(yè)航空技術(shù)研發(fā)[3,4]。此外,韓國、巴西、俄羅斯、加拿大等都已將無人機應(yīng)用于飛防作業(yè)[5]。

        我國農(nóng)用無人機起步較晚,目前正處于快速發(fā)展的初期階段。2004年在科技部863計劃的支持下,農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)機化所等開始無人機植保的研究和推廣。2007年開始植保無人機的產(chǎn)業(yè)化探索。2010年漢和航空制造出第一架植保無人機交付市場,正式揭開了中國植保無人機產(chǎn)業(yè)化的序幕。據(jù)農(nóng)業(yè)部發(fā)布的數(shù)據(jù),截至2017年底,全國植保無人機保有量達到14000多架,從事航空植保的服務(wù)組織已超過400家[6]。植保無人機保有量雖全球第一,但短板仍然明顯,技術(shù)、體制尚不成熟,有些技術(shù)還待進一步研發(fā),如適合無人機的劑型、沉降劑、軟件等。一些國外廠家如拜耳、陶氏、巴斯夫等都投入了一定的資源去研究相應(yīng)的領(lǐng)域,國內(nèi)的新安化工、諾普信、廣西田園生化等企業(yè)也有了自己的無人機隊伍,大疆、極飛等無人機企業(yè)也在研發(fā)相應(yīng)的技術(shù)。

        2 植保無人機分類及特點

        2.1 按動力分類

        根據(jù)動力分類可分為電動植保無人機、油動植保無人機及油電混合無人機三種[7,8]。

        電動植保無人機通常利用鋰電池作為動力源,它的特點是無人機構(gòu)造比較簡單,平時維護容易,對操作人員技能要求低;場地適應(yīng)能力強,展開迅速,輕便靈活;電動輸出功率不受含氧量影響,可在高原地區(qū)使用;電池可充電重復(fù)使用,成本低;震動小,成像質(zhì)量好。缺點是抗風(fēng)能力弱,續(xù)航能力不足,電池報廢后存在環(huán)境污染問題。市場價格一般在5~18萬元之間。

        油動植保無人機采用燃油作為動力源,其特點是燃料易取,載重大,續(xù)航能力強,具有較好的抗風(fēng)能力。但油動無人機自主飛行能力差,油門響應(yīng)速度慢,不易掌握,對飛行員操作水平要求高;控制精準度低;在高原性能不足;震動大。市場價一般在20萬元以上。

        油電混合型植保無人機動力來自發(fā)動機和電機,將前兩者結(jié)合互相彌補不足,具有很好的發(fā)展前景,但仍存在一些技術(shù)上問題需要解決,如需要對飛控算法有著較高的掌控,因為油機會因輸出功力變化而帶來延遲,需要電機來提供補充動力;油機動力和電機動力的配比問題,油動力大了姿態(tài)不平穩(wěn),因為電機地轉(zhuǎn)速下升力衰減快,不成線性,而電動力大了就失去航時優(yōu)勢。

        2.2 按機型結(jié)構(gòu)分類

        根據(jù)機型結(jié)構(gòu)可分為固定翼植保無人機、單旋翼植保無人機和多旋翼植保無人機[8,9]。

        固定翼植保無人機載量大、飛行速度快、作業(yè)效率高,作業(yè)時采用超低空飛行,具備簡易、安全的起降系統(tǒng),可按照多種模式自動執(zhí)行飛行植保的任務(wù)。不過對作業(yè)區(qū)域地形條件要求較高,需要有較為寬敞的無障礙地用于起降,會受作業(yè)區(qū)域或周圍障礙物如電線、電桿、樹木等影響,引起飛行安全問題,并且無法實現(xiàn)懸停。

        單旋翼植保無人機是無人機初入農(nóng)業(yè)植保市場的嘗試選擇,其風(fēng)場穩(wěn)定,霧化效果好,向下風(fēng)場大,穿透力強,可以把藥打到作物根莖部,抗風(fēng)能力強。缺點是造價高,飛行操作員培訓(xùn)難,并且一旦發(fā)生炸機事故,單旋翼無人機造成的損害可能更大。

        多旋翼植保無人機采用對稱結(jié)構(gòu)的多個旋轉(zhuǎn)中心帶動旋翼產(chǎn)生風(fēng)力進行飛行作業(yè),價格適中,操作方便,對操作人員培訓(xùn)快。但抗風(fēng)性弱,下旋風(fēng)場更弱,造成風(fēng)場散亂,風(fēng)場覆蓋范圍小,若加大噴灑面積把桿加長,會導(dǎo)致飛行不穩(wěn),作業(yè)難度加大,增加摔機風(fēng)險,作業(yè)覆蓋半徑一般在300 m之內(nèi),單次作業(yè)時間在30 min之內(nèi),比較適合于田間小地塊。目前農(nóng)戶使用大多為多旋翼電動植保無人機,未來的趨勢及選擇要看無人機技術(shù)的進一步發(fā)展,需要更多探索與實踐。

        3 植保無人機作業(yè)優(yōu)勢

        3.1 適應(yīng)面廣

        植保無人機具有攜帶方便,使用優(yōu)勢突出,既能適應(yīng)不同地形又可滿足不同作物,而且不受作物種植模式的影響;植保無人機升降簡單,不要求有專用跑道,過去地面大型植保機械較為棘手的水田、山地、坡地、不平整田地等,大都可以用植保無人機進行飛防作業(yè)[10]。針對一些作物的不同生長階段,無人機飛防作業(yè)也有很大優(yōu)勢。以甘蔗施藥為例,在生長前期利用拖拉機作業(yè),會損傷部分甘蔗苗;在甘蔗生長后期施藥更為困難,拖拉機根本無法作業(yè),而人工很難噴到甘蔗頂部且對人身健康存在巨大安全隱患,使用無人機噴灑則可以輕松解決這些問題。

        3.2 節(jié)水節(jié)藥,節(jié)能環(huán)保

        植保無人機為低空霧化噴灑,保證均勻噴施整個植株。常規(guī)每公頃農(nóng)藥用量450~600 kg,而植保無人機飛防作業(yè)每畝地噴施專用農(nóng)藥15 L左右即可達到防治效果,節(jié)省水資源,減少農(nóng)藥使用量,大幅度減少農(nóng)藥對環(huán)境的影響。

        3.3 效率高

        植保無人機噴灑效率約為人工噴灑效率的100倍[11],可在一定程度上解決當(dāng)今勞動力缺乏、勞動力成本高等問題。此外植保無人機飛防作業(yè)大多使用飛防專用藥劑,作物吸收率比傳統(tǒng)農(nóng)藥高得多,無人機飛行時產(chǎn)生的風(fēng)力甚至可以將一些細長葉片翻轉(zhuǎn),使作物受藥均勻[12]。

        3.4 安全性高

        植保飛防作業(yè)為遠程遙控操作,人距離農(nóng)藥相對較遠,減少了有毒農(nóng)藥對人體的傷害,還可以夜間作業(yè),安全生產(chǎn)工作得到更大保障。

        4 植保無人機應(yīng)用存在問題

        4.1 續(xù)航能力不足

        目前我國使用大多為電動植保無人機,配備電池平均續(xù)航能力為8~15分鐘左右,電池充300~400次左右就要報廢,成本較高。

        4.2 載重不足

        植保無人機載重一般為10~20 kg,大面積作業(yè)需要不停地更換藥箱,直接影響到作業(yè)效率,從而影響到成本。

        4.3 飛防專用藥劑缺失

        無人機的飛防效果很大程度上與使用的藥劑有關(guān),目前植保作業(yè)大多憑經(jīng)驗或參考地面噴霧確定劑量與配置方法,往往因為用量、配置不科學(xué)或缺乏助劑而影響作業(yè)質(zhì)量,導(dǎo)致藥劑利用率低、噴灑效果差甚至產(chǎn)生藥害。因此飛防專用藥劑、專用助劑是植保無人機發(fā)展普及的瓶頸,專用藥劑和助劑的研發(fā)是未來發(fā)展的另一重心[13]。

        4.4 定位不精確

        進行飛防作業(yè)首先要熟悉田地的面積、形狀、有無障礙物等信息,目前的了解方法主要有兩種:第一種方法是通過公開發(fā)布的百度地圖、谷歌地圖等地圖數(shù)據(jù),獲取目標區(qū)域的位置信息,這種方法的不足之處是通常會有幾十米的誤差,精準度不高,而且缺少障礙物信息;第二種方法是人工攜帶高精度差分GPS到植保農(nóng)田現(xiàn)場進行測量,獲得高精度的位置信息和障礙物信息,這種方法的缺陷是在作業(yè)前需大面積測繪,作業(yè)效率低且成本高。無人機定位不準會導(dǎo)致重噴、漏噴、誤噴等現(xiàn)象,精準作業(yè)是植保無人機的一個關(guān)鍵問題。

        5 防治效果影響因素

        5.1 藥劑及助劑的選擇

        農(nóng)藥的成分、作用、產(chǎn)品質(zhì)量等直接影響防治效果。此外,普通農(nóng)藥制劑一般含有增稠劑等,直接將多種藥劑互配容易出現(xiàn)沉淀、結(jié)晶、絮凝等現(xiàn)象,導(dǎo)致噴頭堵塞,且配藥花費時間長,嚴重影響作業(yè)效率和效果。使用無人機飛防專用藥劑黏度小、流動性好,多種制劑產(chǎn)品桶混僅有微量沉淀出現(xiàn),作業(yè)效率高。同時也要注意使用合適的施藥濃度和施藥量。

        除飛防專用藥劑的選取外,飛防專用助劑的添加也會影響防治效果。飛防助劑可以提高無人機施藥效果,如提高噴頭霧化效果、增加霧滴沉降速率、增強抗漂移能力等,降低農(nóng)藥使用量[14]。常見的助劑種類有抗漂移劑、擴散劑、濕潤劑、蒸發(fā)抑制劑、吸收劑、安全劑等。

        5.2 飛行參數(shù)設(shè)置

        植保無人機飛行參數(shù)并不是隨意設(shè)置,其中高度、速度等要素都直接影響飛防的實際效果與效率。無人機飛行過低不僅噴灑范圍小,影響作業(yè)效率,而且容易與作物接觸發(fā)生事故,產(chǎn)生的風(fēng)力使作物發(fā)生倒伏;飛得越高,藥物越容易飄離和蒸發(fā),落在作物上的藥劑就越少,建議飛機飛行高度1~2.5m。飛行速度原則上在保證安全和噴灑效果的前提下飛行速度越快,效率就越高,但是在實際作業(yè)過程中發(fā)現(xiàn)機身重量加上電池和藥劑總重量大,慣性也大,如果飛行過快,很難按照自己的想法控制飛機的飛行姿態(tài),出現(xiàn)掉高、停止困難等現(xiàn)象,加大了飛機事故率(也有可能是飛控種類不同,停止方式不同),一般保證效率效果的話,建議把速度設(shè)定為4~6 m/s即可[15]。

        5.3 氣候環(huán)境的影響

        5.3.1 風(fēng)力

        如果風(fēng)力較大會使無人機飛行不穩(wěn),存在安全隱患,同時引起藥物飄移,因此建議在有風(fēng)的情況下,根據(jù)風(fēng)力大小來確定能否使用無人機以及無人機可以飛行的高度。

        5.3.2 溫度

        溫度高時一方面可能使藥物空中蒸發(fā)或者藥物有效成分分解變質(zhì),另一方面植物可能自身氣孔關(guān)閉,影響藥物吸收。同時由于無人機電池對溫度敏感,溫度過高或過低都會影響電池性能,無人機的作業(yè)溫度一般在20~30℃范圍內(nèi)最佳。

        5.3.3 濕度

        由于無人機施藥濃度高,水量少,濕度影響相對大一些。目前無人機主要使用農(nóng)藥為水基化劑型,如果濕度降低,藥液就會有所流失,降低藥效;而對粉劑式農(nóng)藥,濕度低反而能增加對作物的附著性,從而提高藥效及利用率。在作業(yè)時可根據(jù)實際情況調(diào)整藥劑的種類和水量。

        5.3.4 氣象

        無人機的飛行通常受天氣的限制。無人機有些零部件不防水,在雨天、霧天等建議禁飛,還有雷電、霧霾、下雪天等均不適合無人機作業(yè)。

        5.4 霧滴大小

        霧滴大小是無人機飛防作業(yè)中相對容易控制的重要參數(shù),也是直接影響到植保無人機防治效果的關(guān)鍵因素之一。合理地控制霧滴粒徑大小,是用最少的藥量取得最好的防治效果,并減少環(huán)境污染的關(guān)鍵所在。在農(nóng)藥噴施過程中,粒徑大的霧滴易沉降,不易隨風(fēng)漂移或蒸發(fā)散失,但分布不均勻、附著能力差,容易因彈跳和滾落而造成藥液流失,大大降低了農(nóng)藥的防治效果,也污染了水土環(huán)境。霧滴粒徑小對于其在作物葉片表面的覆蓋密度和覆蓋均勻度遠優(yōu)于大霧滴,藥劑附著力好,作物容易吸收,利用率高,但受氣流、風(fēng)力、溫度等影響較大,易發(fā)生漂移和蒸發(fā),要根據(jù)作物和病蟲害進行選擇[16]。

        5.5 作物和病蟲害情況

        作物的種類、生長階段、高矮、密度,以及病蟲害的種類、生活習(xí)性、嚴重程度等,都對防治效果有影響。目前無人機更適合甘蔗、小麥、水稻、甜菜、玉米等大面積種植的作物,而不太適合果樹等相對立體且生長密集的作物,這就需要根據(jù)具體情況調(diào)節(jié)畝用量、作業(yè)參數(shù)和用藥,也需要更專業(yè)的植保知識。

        6 植保無人機的發(fā)展前景

        6.1 植保無人機飛防符合國家農(nóng)業(yè)發(fā)展規(guī)劃

        當(dāng)前,我國的農(nóng)藥用量大,但農(nóng)藥利用率相對于發(fā)達國家來說還很低,大部分農(nóng)藥流失在土壤或水環(huán)境中,導(dǎo)致農(nóng)田環(huán)境污染日趨惡化,而國家提出了實現(xiàn)化肥農(nóng)藥零增加目標,因此無人機精準噴施技術(shù)正符合我國發(fā)展農(nóng)業(yè)發(fā)展規(guī)劃。

        國家出臺了一系列政策大力推進農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化,利用植保無人機進行飛防作業(yè)已成為一種新型農(nóng)業(yè)技術(shù),這幾年無人機數(shù)量及使用人數(shù)飛速上升,得到了很多地方政府的支持。從2017年開始,許多地方政府積極響應(yīng)國家政策,通過政府與無人機飛防公司或組織合作,由具備大面積作業(yè)能力的植保無人機飛防服務(wù)組織來對農(nóng)作物進行植保作業(yè),其效果還是非常令人滿意的。

        6.2 我國農(nóng)田地形地貌及國情必然選擇植保無人機

        我國的植保無人機產(chǎn)業(yè)正起步發(fā)展,且發(fā)展迅速,展示出良好的前景。我國土地類型多樣,像丘陵、山地、水田、坡地等特殊農(nóng)田使用常規(guī)噴藥方式費時費力,效率不高,而且農(nóng)村人口人均擁有土地少,土地相對分散,農(nóng)村存在人口老齡化問題,青年勞動力逐漸減少,在農(nóng)業(yè)日益機械化的時代,農(nóng)業(yè)集約化程度提高,無人機飛防的使用更加符合我國當(dāng)下國情,因而具有不可估量的推廣前景。

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