宋雷潔 李建平 楊欣 王鵬飛 劉洪杰

摘要? ? 農(nóng)用植保無人作業(yè)機(jī)是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中防治病蟲害的新興植保裝備之一。通過分析、總結(jié)近幾年植保無人機(jī)在田間病蟲害防治、智能調(diào)控、作業(yè)航路規(guī)劃等方面的施藥技術(shù)研究與應(yīng)用，分析植保無人機(jī)作業(yè)模式與作業(yè)特點(diǎn)，明確了現(xiàn)階段利用植保無人機(jī)進(jìn)行病蟲害防控的發(fā)展趨勢，以期為植保無人機(jī)的推廣應(yīng)用提供參考。

關(guān)鍵詞? ? 無人機(jī);智能;噴霧;病蟲害防控

中圖分類號? ? S43;S252+.3? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼? ? A? ? ? ? 文章編號? ?1007-5739（2019）11-0125-04

Abstract? ? Agricultural plant protection drone is one of the new plant protection equipment for pest control in agricultural production. Through analysis and summary of research and application of drone pesticide application technology in plant pest control，intelligent regulation，and operation route planning and so on in recent years，the operation mode and characteristics of plant protection drones were analyzed，and the development trend of using plant protection drones to prevent pests and diseases was clarified at this stage，in order to provide references for the promotion and application of plant protection drones.

Key words? ? drone;intelligence;spray;pest and disease prevention and control

隨著我國農(nóng)業(yè)的飛速發(fā)展，農(nóng)業(yè)病蟲害防治依然是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重點(diǎn)內(nèi)容，噴施化學(xué)農(nóng)藥是現(xiàn)階段果園及農(nóng)田防治病蟲害的主要方法。但近年來我國農(nóng)村勞動力人口不斷減少，農(nóng)業(yè)勞動力短缺、用工成本高等現(xiàn)象在一定程度上阻礙了病蟲害防治工作的開展[1]。為了實(shí)現(xiàn)快速高效地防治病蟲害，亟需利用更先進(jìn)科學(xué)的施藥技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的植保作業(yè)方式。相比于傳統(tǒng)施藥作業(yè)方式，農(nóng)用無人機(jī)在植保作業(yè)中表現(xiàn)出了明顯的特點(diǎn)和優(yōu)勢。

1? ? 農(nóng)用無人機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀

目前，我國植保作業(yè)投入的勞動力多且勞動強(qiáng)度大，使用手動噴霧器與背負(fù)式機(jī)動噴霧器分別約占國內(nèi)植保機(jī)械的93.07%和5.53%[2]。但傳統(tǒng)噴霧器械工作效率低，作業(yè)時(shí)間長，農(nóng)藥利用率低，有50%～70%的農(nóng)藥流失到土壤或飄移到環(huán)境中，大部分農(nóng)藥不僅沒有起到防控作用，反而污染了環(huán)境[3]。植保無人機(jī)具有高效省藥等優(yōu)點(diǎn)，成為農(nóng)業(yè)植保領(lǐng)域的一個(gè)利器[4]。近年來，為了提高植保作業(yè)效率，降低農(nóng)業(yè)植保的污染度，植保無人機(jī)已經(jīng)在部分地區(qū)使用[5]。無人機(jī)噴藥相比于傳統(tǒng)噴藥方式，具有很多優(yōu)點(diǎn)。但是其發(fā)展和需求仍然存在著較大的不平衡，我國植保無人機(jī)航空施藥面積占總耕地面積的比例不足2%[6]。隨著科技的發(fā)展，我國植保無人機(jī)已轉(zhuǎn)化成了多種化的植保方式，為實(shí)現(xiàn)減量控害、提高作業(yè)效率、降低勞動力成本、科學(xué)使用農(nóng)藥、降低損耗，植保無人機(jī)在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用將會更廣泛[7]。

2? ? 植保無人機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

無人機(jī)噴藥是用植保無人機(jī)將農(nóng)藥帶到作物上空，從上往下噴灑農(nóng)藥殺滅病蟲害的一種作業(yè)方式。無人機(jī)植保起源于1987年的日本，2012年后在我國正式推廣[8]。

農(nóng)業(yè)植保無人機(jī)主要由動力系統(tǒng)、噴灑系統(tǒng)、飛控系統(tǒng)等部分組成。其中，常見的動力系統(tǒng)為電力動力系統(tǒng)，主要包括無人機(jī)的動力電池、電機(jī)、電子調(diào)速器、旋翼等部分，為無人機(jī)的運(yùn)行提供動力能源;噴灑系統(tǒng)為植保無人機(jī)進(jìn)行施藥作業(yè)的主要工作部件，在整機(jī)結(jié)構(gòu)中具有重要作用;飛控系統(tǒng)是指無人機(jī)的控制系統(tǒng)，用于提供控制與決策指令，使無人機(jī)完成GPS定位、導(dǎo)航、數(shù)據(jù)采集等工作[9]。

無人機(jī)是通過電機(jī)的旋轉(zhuǎn)，使螺旋槳產(chǎn)生升力，當(dāng)飛機(jī)全部旋翼同時(shí)產(chǎn)生的升力之和等于飛機(jī)自身總重量時(shí)，飛機(jī)的升力與重力相平衡，飛機(jī)就會自動保持懸停狀態(tài)。通過調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，可以改變各個(gè)旋翼的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)升力的變化，控制飛行器的運(yùn)動狀態(tài)[10]。當(dāng)全部旋翼產(chǎn)生的升力之和大于無人機(jī)機(jī)身總重量時(shí)，無人機(jī)向上飛起;反之則下降。當(dāng)無人機(jī)后端旋翼轉(zhuǎn)速增大、前端旋翼轉(zhuǎn)速降低時(shí)，無人機(jī)前進(jìn);反之則后退。當(dāng)左側(cè)旋翼轉(zhuǎn)速增大、右側(cè)旋翼轉(zhuǎn)速降低時(shí)，無人機(jī)向右側(cè)飛行;反之則向左側(cè)飛行。

無人機(jī)噴灑農(nóng)藥，更省時(shí)省力、省水省藥，在提高作業(yè)效率的同時(shí)節(jié)約成本。作業(yè)不受地形、作物長勢限制，能夠適應(yīng)不同的施藥環(huán)境，操作靈活[11]。且可通過遠(yuǎn)距離遙控操作作業(yè)任務(wù)，避免了作業(yè)人員暴露在農(nóng)藥之下的危險(xiǎn)，保障了人員的安全。

近年來，我國廣大研究學(xué)者從不同方面對無人機(jī)植保技術(shù)進(jìn)行了研究。

3? ? 無人機(jī)植保技術(shù)

3.1? ? 無人機(jī)田間植保技術(shù)

劉道奇等[12]通過應(yīng)用3W16-10型多旋翼植保無人機(jī)開展噴霧均勻性試驗(yàn)，得到的最佳作業(yè)參數(shù)為飛行高度1.39 m、飛行速度2.38 m/s、噴霧壓力0.5 MPa。

陶? 波等[13]利用植保無人機(jī)開展田間飛防試驗(yàn)，對比田間雜草防效，分析了植保無人機(jī)最佳作業(yè)狀態(tài)，并提出了無人機(jī)作業(yè)狀態(tài)為飛行高度1 m、飛行速度5 m/s、噴液流量1 800 mL/min。

李繼宇等[14]通過試驗(yàn)檢測了無人機(jī)形成的不同粒徑霧滴在水稻冠層的沉積效果及穿透性，結(jié)果表明，水稻冠層下部的霧滴沉積量均高于上部和中部;且噴霧粒徑越小，單位面積藥液沉積量越多，霧滴穿透性也越好。

胡中澤等[15]通過進(jìn)行田間藥效試驗(yàn)得出，相比于電動噴霧器防治處理，無人機(jī)防治處理在第10天對病害的防治效果更好;添加助劑處理的發(fā)病率和病情指數(shù)均低于不加助劑的處理，說明助劑能夠輔助提高小麥植株對藥液的吸收能力，顯著提高對病蟲害的防治能力。

胡紅巖等[16]提出，在棉花生產(chǎn)過程中，尤其是生長中后期，棉花冠層葉片相互遮擋嚴(yán)重，采用植保無人機(jī)噴施脫葉劑，可以極大地提高作業(yè)效率和脫葉催熟效果。

淦 城等[17]研究表明，無人機(jī)田間作業(yè)能避免作業(yè)期間因踩踏產(chǎn)生的油菜損傷，作業(yè)效率高、節(jié)水、省工、勞動強(qiáng)度低，節(jié)本增收效益明顯。

顏貞龍等[18]通過進(jìn)行植保無人機(jī)與常規(guī)電動噴霧機(jī)防治水稻病蟲害的藥效對比試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在使用相同藥劑條件下，水稻分蘗盛期、孕穗末期植保無人機(jī)施藥紋枯病病指防效分別為90.3%和94.7%，均明顯優(yōu)于常規(guī)電動噴霧機(jī)施藥藥效（分別為84.4%和49.7%）。

寧國云等[19]采用植保無人機(jī)、擔(dān)架式機(jī)動噴霧機(jī)和背負(fù)式電動噴霧機(jī)施藥進(jìn)行水稻病蟲害防治試驗(yàn)，結(jié)果表明，植保無人機(jī)在正常情況下，每3人一組，作業(yè)效率可達(dá)2 hm2/h，是背負(fù)式電動噴霧機(jī)的10倍，是擔(dān)架式機(jī)動噴霧機(jī)的3倍，極大地提高了作業(yè)效率、降低了勞動強(qiáng)度。

張 莉等[20]通過使用極飛P20植保無人機(jī)對水稻田稻飛虱進(jìn)行田間藥效試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，植保無人機(jī)能減少作業(yè)用水量，由傳統(tǒng)電動噴霧的450 kg/hm2減少至7.5 kg/hm2，較常規(guī)電動噴霧機(jī)噴藥省工省時(shí)。

陳春玲等[21]研究了多旋翼植保無人機(jī)低空噴施作業(yè)過程中水稻冠層霧滴沉積的分布規(guī)律，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，植保無人機(jī)有效噴幅內(nèi)旋翼下方區(qū)域的霧滴覆蓋效果最好，遠(yuǎn)離旋翼的位置霧滴覆蓋率較差，霧滴冠層覆蓋率為54.86%。

蒙艷華等[22]通過研究植保無人機(jī)高濃度低容量和背負(fù)式噴霧器大容量低濃度噴施30%戊唑醇懸浮劑防治小麥病害發(fā)現(xiàn)，植保無人機(jī)處理組中30%戊唑醇懸浮劑在麥穗和麥葉中的原始沉積量顯著高于背負(fù)式噴霧器。

文純杰等[23]對牽引式吊機(jī)噴霧機(jī)車與植保無人機(jī)用于棉花脫葉作業(yè)的脫葉效果進(jìn)行對比，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，同機(jī)車作業(yè)相比，無人機(jī)作業(yè)既減少了人工分行的費(fèi)用，還無掛落棉桃的弊端;并提出無人機(jī)噴藥將是今后棉田脫葉劑施藥的較好選擇。

蘇小記等[24]研究了常用植保機(jī)械對農(nóng)作物病蟲害防治的應(yīng)用效果，結(jié)果表明，電動噴霧器、機(jī)動彌霧機(jī)和自走式噴桿噴霧機(jī)沉積率較高，達(dá)到51.4%～63.7%;單旋翼無人機(jī)和地面噴霧機(jī)械防治效果達(dá)到80%以上，優(yōu)于其他低空低量植保機(jī)械。

趙冰梅等[25]利用KT-10-Ⅱ型四旋翼植保無人機(jī)開展了玉米灌漿期三點(diǎn)斑葉蟬的防治試驗(yàn)，結(jié)果表明，KT-10-Ⅱ型四旋翼無人機(jī)施藥時(shí)，在飛行作業(yè)高度距玉米植株冠層1 m、飛行速度6 m/s、施藥液量15 L/hm2的條件下，螺旋槳產(chǎn)生的下旋氣流能很好地使霧滴具有穿透性，保證玉米植株上、中、下部均能著藥。

胡紅巖等[26]通過霧滴測試發(fā)現(xiàn)，植保無人機(jī)在棉田作業(yè)過程中，不同采樣點(diǎn)霧滴沉積分布情況存在較大差異，中心航線附近采樣點(diǎn)的霧滴沉積量較大，而遠(yuǎn)離航線的旋翼兩側(cè)采樣點(diǎn)的霧滴沉積量較小。

綜上研究結(jié)果可知，采用植保無人機(jī)在田間進(jìn)行施藥作業(yè)，可顯著提高藥液霧滴在作物冠層中的沉降，從而提高農(nóng)藥利用率，達(dá)到防治效果;同時(shí)可避免機(jī)械下地作業(yè)時(shí)對作物造成的損傷，減少損耗。

3.2? ? 無人機(jī)智能噴霧技術(shù)

無人機(jī)施藥在實(shí)際作業(yè)過程中既可依據(jù)作業(yè)對象精準(zhǔn)變量施藥，降低農(nóng)藥用藥量，減少農(nóng)藥殘留;也可以對病害的發(fā)展情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，采集農(nóng)業(yè)信息[27]。朱 超等[28]設(shè)計(jì)了一種高效自適應(yīng)噴霧植保無人機(jī)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，設(shè)計(jì)研發(fā)的噴霧植保無人機(jī)在飛行過程中能根據(jù)植株密度進(jìn)行自適應(yīng)可靠控制噴藥流量，施藥量明顯降低，較常規(guī)作業(yè)噴藥量平均降低16.63%，施藥作業(yè)霧滴沉積量較均勻。

王金星等[29]設(shè)計(jì)了一種實(shí)驗(yàn)室變量噴藥沉積試驗(yàn)測試系統(tǒng)，確定霧化噴頭最佳工作電壓為10 V;通過水稻田間試驗(yàn)，確定最佳作業(yè)高度為2.0 m，作業(yè)速度為1.0 m/s。

白明亮等[30]設(shè)計(jì)了基于Web的無人機(jī)三維仿地飛行規(guī)劃，較傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)植保方式更加快速高效，能準(zhǔn)確完成植保任務(wù)。

明宇[31]研究了一種基于視覺的植保無人機(jī)避障，使用MATLAB軟件進(jìn)行了仿真，表明該方法可以實(shí)現(xiàn)植保無人機(jī)的避障功能。

王? 軍等[32]設(shè)計(jì)研發(fā)了一種無人機(jī)植保無線數(shù)據(jù)傳輸采集控制系統(tǒng)，通過反復(fù)應(yīng)用及測試，該系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)、性能可靠，可實(shí)現(xiàn)植保作業(yè)的數(shù)據(jù)精準(zhǔn)化、控制變量化。

吳冬[33]設(shè)計(jì)研究了一種基于GPS和GPRS的混合農(nóng)業(yè)植保無人機(jī)高精度定位系統(tǒng)，并對系統(tǒng)進(jìn)行了測試，結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)能夠有效滿足無人機(jī)對定位精準(zhǔn)性的要求，且所設(shè)計(jì)的定位系統(tǒng)質(zhì)量輕、投入低，能夠?qū)崿F(xiàn)無人機(jī)自主導(dǎo)航服務(wù)。

韓? 賓等[34]提出了一種新的彎道姿態(tài)控制算法，對彎道處航路進(jìn)行重新規(guī)劃，由“幾”字形航路變?yōu)楦m合轉(zhuǎn)彎的曲線航路。通過對比試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，對于同一架植保機(jī)，在相同作業(yè)條件下，采用彎道姿態(tài)控制算法轉(zhuǎn)彎植保機(jī)作業(yè)效率提高了20%。

吳開華等[35]提出了一種基于結(jié)構(gòu)光視覺的植保無人機(jī)障礙物檢測方法，設(shè)計(jì)了可探測前方障礙物信息的光學(xué)檢測系統(tǒng)。結(jié)果表明，該方法能夠有效檢測出未知環(huán)境下障礙物的距離、方位角和寬度，并且距離檢測誤差小于6 cm。

宋天明等[36]設(shè)計(jì)了流量微調(diào)噴灑系統(tǒng)，可以通過速度控制噴灑泵，達(dá)到流速微調(diào)噴灑，可以有效解決流量噴灑難以控制的問題，更加精細(xì)地實(shí)施噴灑作業(yè)。

范思儀等[37]設(shè)計(jì)了一種適用于農(nóng)用植保無人直升機(jī)的航路規(guī)劃方案，通過仿真驗(yàn)證了方案的可行性，證明了算法可使無人直升機(jī)在植保環(huán)境下應(yīng)用有較好的效果。

劉小軍等[38]提出了一種基于Cortex-M4內(nèi)核的六旋翼植保無人機(jī)方案，提高了系統(tǒng)動態(tài)擾動下的控制能力，保證了系統(tǒng)控制性能和飛行姿態(tài)的穩(wěn)定。

植保無人機(jī)智能施藥技術(shù)可根據(jù)作物實(shí)際情況調(diào)整藥液的噴施量，減少藥液浪費(fèi)，實(shí)現(xiàn)更精細(xì)的施藥作業(yè)。通過精確定位、避障等技術(shù)可有效提高無人機(jī)作業(yè)的準(zhǔn)確性、安全性。

3.3? ? 其他技術(shù)創(chuàng)新

徐偉誠等[39]設(shè)計(jì)了一款太陽能植保無人機(jī)，通過利用太陽能這種綠色的能源為鋰電池充電，從而達(dá)到增加無人機(jī)續(xù)航時(shí)間的目的。

賈瑞昌等[40]將光固化成型技術(shù)應(yīng)用于無人機(jī)植保噴頭，結(jié)果表明，其性能滿足噴霧工作要求。將光固化成型技術(shù)運(yùn)用于研發(fā)農(nóng)業(yè)機(jī)械及其器件，可以減少制造時(shí)間和降低制造成本。

董? 康等[41]設(shè)計(jì)了一種植保無人機(jī)離心噴頭，優(yōu)化了噴頭的結(jié)構(gòu)參數(shù)，設(shè)計(jì)了一套霧化效果試驗(yàn)裝置，獲得了最佳工作參數(shù)，即電機(jī)電壓12 V、噴霧壓力0.08 MPa、噴嘴口徑0.471 mm。

鄭啟帥等[42]研究了航空噴施作業(yè)時(shí)液滴對葉片的潤濕性能及影響因素。試驗(yàn)結(jié)果表明，添加助劑和保證液滴與葉片接觸速度至少為1.55 m/s，能有效提高葉面肥對葉片的潤濕性。

文? 晟等[43]研究了單旋翼植保無人機(jī)翼尖渦流對霧滴飄移的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)無人機(jī)飛行速度大于3 m/s時(shí)，機(jī)身后方開始出現(xiàn)螺旋型尾渦，且飛行速度越大、飛行高度越高，尾渦向機(jī)身后方的擴(kuò)散距離越遠(yuǎn);當(dāng)飛行速度為5 m/s、飛行高度為3 m時(shí)，38%的霧滴因螺旋尾渦而造成空中飄移，其中粒徑小于100 μm的霧滴約占總飄移霧滴數(shù)的80%。

徐志雄[44]通過研究發(fā)現(xiàn)，無人機(jī)植保效果與槳盤載荷具有很大關(guān)系。試驗(yàn)證明，變槳距四旋翼對藥滴的霧化和擴(kuò)散效果強(qiáng)于同起飛重量的電動四旋翼。合理的槳盤載荷對作業(yè)效果至關(guān)重要，變槳距四旋翼構(gòu)型是達(dá)到合適槳盤載荷較可行的發(fā)展趨勢。

通過對無人機(jī)操控系統(tǒng)、組成結(jié)構(gòu)、零件材料等方面的研究，對現(xiàn)有無人機(jī)技術(shù)進(jìn)行了改進(jìn)和創(chuàng)新，有效提高了無人機(jī)各方面的工作性能，并對未來無人機(jī)作業(yè)的發(fā)展方向提供了依據(jù)。

4? ? 無人機(jī)在果園中的應(yīng)用

李莉[45]通過研究發(fā)現(xiàn)，使用無人機(jī)驅(qū)避技術(shù)可以有效防治鳥害。采用無人機(jī)驅(qū)避技術(shù)防治鳥害，果實(shí)受啄率較采用風(fēng)力驅(qū)鳥器降低了83.08%，較采用超聲波驅(qū)鳥器降低了86.42%，較采用生物驅(qū)避劑降低了71.05%，較采用有色防鳥網(wǎng)阻隔技術(shù)高54.5%，說明無人機(jī)驅(qū)避效果僅次于有色防鳥網(wǎng)阻隔技術(shù)。

崔廣鑫[46]通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，采用無人機(jī)授粉的果實(shí)樣品較自然授粉的果實(shí)樣品平均單果重大，且采用無人機(jī)授粉的果實(shí)果柄長度更長。對于白粉病的防治，無人機(jī)噴藥可以使病梢率減少65%、病葉率減少50%。通過數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，無人機(jī)在果樹行間進(jìn)行植保作業(yè)較在果園上空進(jìn)行植保作業(yè)的效果好。

劉? 暉等[47]研究設(shè)計(jì)了在無人機(jī)上搭載圖像與光譜傳感器，利用無人機(jī)飛行高度的優(yōu)勢，克服普通冠層分析儀只能采集低矮植物冠層圖像的限制。

劉德江等[48]通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，相比于單旋翼，多旋翼產(chǎn)生的下行氣流場更均勻;但單旋翼產(chǎn)生的下行氣流較強(qiáng)，對果樹葉片的擾動較大，提高了霧滴在樹冠中下部的穿透性。

綜上所述，無人機(jī)作業(yè)在果園防鳥、授粉、施藥等多方面工作中均能體現(xiàn)其優(yōu)勢，且適合多種復(fù)雜地形作業(yè)。

5? ? 結(jié)語

無人機(jī)作業(yè)極大地提升了作業(yè)效率，解決了勞動力短缺的問題，在果園及大田作業(yè)中均能體現(xiàn)出較大優(yōu)勢。但農(nóng)用無人機(jī)在作業(yè)過程中仍存在續(xù)航時(shí)間短、載藥量少等問題，需進(jìn)一步進(jìn)行研發(fā)，解決現(xiàn)存問題;同時(shí)，要推進(jìn)植保無人機(jī)智能化，利用無人機(jī)結(jié)合先進(jìn)技術(shù)，對作物進(jìn)行智能分析，實(shí)現(xiàn)植保無人機(jī)高效精準(zhǔn)作業(yè)。

6? ? 參考文獻(xiàn)

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基金項(xiàng)目? ?國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2016YFD0201100）;河北省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系水果創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)（HBCT2018100205）;河北農(nóng)業(yè)大學(xué)社科基金和理工基金（ZD201701，LG201703）;現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專項(xiàng)資金（CARS-27）。

作者簡介? ?宋雷潔（1993-），女，河北邢臺人，在讀碩士研究生。研究方向：農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)研究。

*通信作者

收稿日期? ?2019-02-20