張長坤 劉豪睿 張 琦

(德州學(xué)院能源與機械學(xué)院，山東 德州 253023)

1 植保無人機推廣的意義

在我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理的過程中，土地翻耕、播種、收獲等環(huán)節(jié)都已經(jīng)實現(xiàn)機械化，但農(nóng)作物病蟲害防治機械化水平還很低，大多數(shù)仍采取傳統(tǒng)的人工背負(fù)式作業(yè)方式。傳統(tǒng)的人工背負(fù)式作業(yè)方式，工人的勞動強度大，作業(yè)效率低，噴藥不均勻，發(fā)生農(nóng)藥中毒的情況很多。自走式噴藥機械近幾年得到一定推廣應(yīng)用，作業(yè)效率要比人工背負(fù)式噴藥機械提高很多，但它不適合長勢密集、高桿作物中后期的農(nóng)藥噴灑。

我國作為一個擁有1.3億hm2主要農(nóng)業(yè)用地的農(nóng)業(yè)大國，每年需要大量的農(nóng)業(yè)植保作業(yè)。據(jù)統(tǒng)計，每年由于植保作業(yè)不到位浪費的農(nóng)作物占總種植面積的1/10。每年由于農(nóng)藥噴灑而中毒的人數(shù)約有10萬人，死亡率約為 20%。使用植保無人機噴灑農(nóng)藥，工作高度低，無需特殊起飛地，操作簡單。遠程操作可以絕對保證不會再有人因為噴灑農(nóng)藥而受到傷害。而且，植保無人機作業(yè)可以大量減少農(nóng)藥的浪費，有效節(jié)省水資源，顯著降低資源成本，可廣泛應(yīng)用于農(nóng)作物病蟲害防治。植保無人機具有作業(yè)效率高、作業(yè)質(zhì)量好、適應(yīng)性廣、安全性強等優(yōu)勢，更加適合我國的土地國情。

2 國內(nèi)外植保無人機發(fā)展現(xiàn)狀分析

2.1 國外植保無人飛機的發(fā)展現(xiàn)狀

美國是使用植保無人機最早的國家，早在 1949年美國就著手研制應(yīng)用于農(nóng)林方向的農(nóng)用飛機。植保無人機技術(shù)最成熟，無人機作業(yè)面積占總耕地面積的60%。日本也是將無人機應(yīng)用于農(nóng)業(yè)病蟲害防治比較早的國家。日本由于其耕地較為分散，且山地較多，農(nóng)業(yè)勞動力嚴(yán)重短缺，為植保無人機快速發(fā)展提供了先天條件，植保無人機發(fā)展迅猛。目前日本無人機植保技術(shù)已經(jīng)位居世界前列，無人機植保作業(yè)面積達45%。韓國植保無人機起步較晚，2003年才開始引進植保無人機，而且本國無人機生產(chǎn)企業(yè)較少，大部分從我國進口。但是韓國植保無人機推廣應(yīng)用較快。另外，世界上一些農(nóng)業(yè)發(fā)達國家，植保無人機也已經(jīng)廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)病蟲害的防治。

2.2 我國植保無人機的發(fā)展現(xiàn)狀

我國農(nóng)用植保無人機起步較晚。2010年之前，我國植保無人機都屬于起步階段，植保無人機沒有真正投入使用。2010-2014年國家出臺了一系列有利于植保無人機發(fā)展的政策，加速了植保無人機的發(fā)展。2015年，部分省市實施植保無人機補貼政策，植保無人機得到迅速推廣，多旋翼無人機受到廣泛歡迎。從2016年開始我國植保無人機發(fā)展進入成熟階段，2017年全國農(nóng)用無人機保有量達12000架。

我國農(nóng)用植保無人機推廣比較晚，近年來隨著植保無人機技術(shù)的不斷成熟，各地都開始使用植保無人機進行病蟲害的防治工作。但病蟲害防治機械化水平仍然很低，僅為10%。在植保環(huán)節(jié)，全球耕地使用航空植保作業(yè)面積占總耕地面積的17%，而我國使用無人機進行植保的耕地面積只占總耕地面積的1.7%。

3 植保無人機的工作原理

植保無人機分為固定翼機和旋翼機，旋翼機又分為單旋翼機和多旋翼機。多旋翼機操作簡單、性能穩(wěn)定，在我國使用較為廣泛。

在多旋翼植保無人機中，為保證重心在中心位置，每個軸一樣長，且都在同一平面上。多旋翼植保無人機的飛行姿態(tài)有3種：懸停、繞軸的轉(zhuǎn)動和線運動。

飛機懸停：飛行時旋翼旋轉(zhuǎn)方向兩兩相反，如果所有旋翼轉(zhuǎn)速相等，飛機在水平方向上不受力，只受到空氣給的向上的升力和自身的重力。當(dāng)無人機受到的升力等于重力時，植保無人機在空中保持懸停狀態(tài)。

飛機繞軸的轉(zhuǎn)動有3種：偏航、俯仰和滾轉(zhuǎn)。(1)偏航：當(dāng)增大順時針旋轉(zhuǎn)旋翼轉(zhuǎn)速，減小逆時針旋轉(zhuǎn)旋翼轉(zhuǎn)速，無人機不斷受到來自空氣的逆時針的推力，無人機逆時針偏航；當(dāng)增大逆時針旋轉(zhuǎn)旋翼轉(zhuǎn)速，減小順時針旋轉(zhuǎn)旋翼轉(zhuǎn)速，無人機順時針偏航。(2)俯仰：當(dāng)后端旋翼旋轉(zhuǎn)速度大于前端旋翼旋轉(zhuǎn)速度時，無人機俯；當(dāng)前端旋翼旋轉(zhuǎn)速度大于后端旋翼旋轉(zhuǎn)速度時無人機仰。(3)滾轉(zhuǎn)：當(dāng)左側(cè)旋翼旋轉(zhuǎn)速度大于右側(cè)旋翼旋轉(zhuǎn)速度時，無人機從左往右滾轉(zhuǎn)；當(dāng)右側(cè)旋翼旋轉(zhuǎn)速度大于左側(cè)旋翼旋轉(zhuǎn)速度時無人機仰。無人機從右往左滾轉(zhuǎn)。

飛機的線運動也有3種：升降、進退和左右側(cè)飛。

植保無人機旋翼旋轉(zhuǎn)方向兩兩相反，如果所有旋翼轉(zhuǎn)速相等，則無法產(chǎn)生水平方向上的分力，無人機無法實現(xiàn)水平方向上的前進、倒退和左右側(cè)飛，需要無人機發(fā)生傾斜，這樣合力在水平方向就有一個分力，由這個分力來推動無人機水平移動，所以無人機的線運動通常伴隨有繞軸的轉(zhuǎn)動。(1)升降：無人機懸停在空中，當(dāng)增大所有旋翼旋轉(zhuǎn)速度，無人機受到的升力大于無人機所受的重力，無人機上升；當(dāng)減小所有旋翼旋轉(zhuǎn)速度，無人機受到的升力就小于無人機所受的重力，無人機下降。(2)進退：當(dāng)無人機在空中的姿態(tài)為俯時，無人機所受的合力有一個向前的分力，無人機前進；當(dāng)無人機仰時，旋翼產(chǎn)生的升力有一個向后的分力，無人機倒退。(3)左右側(cè)飛：當(dāng)無人機從左往右滾轉(zhuǎn)，無人機所受的合力有一個向右的分力，無人機向右側(cè)飛行；當(dāng)無人機從右往左滾轉(zhuǎn)，旋翼產(chǎn)生的升力有一個向左的分力，無人機向左側(cè)飛行。

4 植保無人機推廣建議

4.1 出臺相關(guān)政策法規(guī)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)

植保無人機目前既缺乏相關(guān)的政策法規(guī)，又缺少相關(guān)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，處于無人管的狀態(tài)。從制造方面來說，植保無人機缺乏統(tǒng)一的技術(shù)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，市場上產(chǎn)品良莠不齊，影響了人們對于植保無人機作業(yè)效果的正確認(rèn)知，嚴(yán)重影響著植保無人機的推廣應(yīng)用。應(yīng)當(dāng)建立植保無人機市場準(zhǔn)入標(biāo)準(zhǔn)。應(yīng)當(dāng)對機身質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)、作業(yè)流程規(guī)范、作業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)、維修保養(yǎng)規(guī)范等制定統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。從運營過程中來看，存在監(jiān)管不到位的問題。由于政策法規(guī)缺失，對植保無人機操作手培訓(xùn)和監(jiān)管不到位。

4.2 進一步提高植保無人機的性能

(1)為加快植保無人機的推廣應(yīng)用，必須優(yōu)化植保無人機的設(shè)計，進一步提高植保無人機自身的性能，提高無人機的抗風(fēng)性能和噴施農(nóng)藥的精準(zhǔn)性。對于電動植保無人機，還應(yīng)該提高鋰電池的使用耐久性，從而延長無人機的使用時間。

(2)進一步完善植保無人機的控制程序，實現(xiàn)精準(zhǔn)控制，使得植保無人機更加智能化、人性化。

(3)開發(fā)研制專用的噴頭，強化農(nóng)藥的噴施效果。無人機噴施農(nóng)藥時對噴頭有很高的技術(shù)要求，據(jù)統(tǒng)計，理想的噴霧指標(biāo)應(yīng)是 100μm左右。所以，植保無人機生產(chǎn)企業(yè)必須在農(nóng)藥噴施噴頭的研發(fā)上下功夫。

4.3 加快適用無人機的藥劑研發(fā)

植保無人機對農(nóng)藥要求比較高，但現(xiàn)在植保無人機作業(yè)時還是使用傳統(tǒng)的農(nóng)藥。植保無人機作業(yè)時所用農(nóng)藥應(yīng)具備抗揮發(fā)性、抗飄移性等特點。否則，當(dāng)農(nóng)藥霧滴落到植物或病蟲害表面時，面臨蒸發(fā)的問題，藥劑不能在有效時間內(nèi)發(fā)揮作用。針對這一問題，在藥液中適當(dāng)添加噴霧助劑，可改變植保無人機噴藥時面臨的蒸發(fā)快、吸收難的現(xiàn)狀，有效提高植保無人機作業(yè)效果。植保無人機的生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)當(dāng)與農(nóng)藥的生產(chǎn)企業(yè)聯(lián)合對農(nóng)藥的濃度、霧化效果、防漂移、附著力等展開深入的研究，共同開發(fā)與植保無人機作業(yè)相匹配的藥劑。

4.4 加大植保無人機作業(yè)經(jīng)濟性研究

植保無人機企業(yè)應(yīng)當(dāng)對植保無人機的使用成本、維修成本、輔助成本進行綜合測評，精準(zhǔn)地分析植保無人機的電池?fù)p耗、機具損耗、人工成本等相關(guān)指標(biāo)，從而合理降低植保無人機的成本，有效降低植保無人機的價格。

4.5 加強對植保無人機操作手的培訓(xùn)

植保無人機對操作人員的技術(shù)要求比較高，植保無人機想要得到廣泛推廣，當(dāng)務(wù)之急是培養(yǎng)技術(shù)熟練的農(nóng)民操作手。目前好的無人機操作手年薪在10萬左右。想要推廣植保無人機，操作手的費用支出必須省下來，必須培訓(xùn)出技術(shù)熟練的農(nóng)民操作手，或者像日本一樣有專門的植保無人機租賃公司，提供無人機的同時提供植保服務(wù)，所以植保無人機企業(yè)在優(yōu)化無人機性能的同時應(yīng)該注重技術(shù)培訓(xùn)工作的開展，相關(guān)部門也可以定期組織植保無人機操作技能培訓(xùn)活動，從而為植保無人機的推廣應(yīng)用奠定堅實的人力資源基礎(chǔ)。

4.6 建立并完善植保無人機服務(wù)形式

日本有很多航空植保服務(wù)公司，組織專業(yè)飛行人員完成田間植保作業(yè)。我們也可以借鑒日本的一些經(jīng)驗，推動植保無人機生產(chǎn)企業(yè)、農(nóng)民專業(yè)合作社、農(nóng)機推廣中心合作，組建專業(yè)植保服務(wù)組織，進行專業(yè)化的植保作業(yè)服務(wù)，降低農(nóng)民承受的風(fēng)險，降低植保作業(yè)成本。