張?zhí)禊i， 周志強， 黃金鑫， 陳志鵬

（昆山市農業(yè)機械化技術推廣站，江蘇 昆山 215300）

0 引言

在農作物生長過程中， 病蟲草鼠害的有效防控措施是保證糧食安全生產(chǎn)的一個不可或缺的重要環(huán)節(jié)， 直接影響糧食的產(chǎn)量與質量[1]。 航空施藥技術是現(xiàn)代植物保護技術重要手段，是農業(yè)植?，F(xiàn)代化的重要體現(xiàn)。 隨著農村勞動力的轉移及專業(yè)化統(tǒng)防統(tǒng)治的發(fā)展， 迫切需要高功效的施藥機械。 面對大規(guī)模的病蟲草害頻頻發(fā)生，我國以手動和小型機動為主的植保機械格局已經(jīng)無法滿足新形勢的要求， 而飛機噴霧是一種非常重要及時有效的施藥方法，其特點是效率高、施藥效果好、立體性強、不損傷作物、勞動強度低、一機多用等[2-3]。

由于各種因素的限制， 目前我國在農林應用上的飛機還是以固定翼飛機和直升機等有人駕駛飛機為主，小型無人機在農業(yè)上的研究和應用還處于初級研究階段。相比較而言， 無人機較適合相對高差大的復雜地帶和分散零星的小面積作業(yè)，在我國南方水田、丘陵山地等地有著較好應用前景[4]。 所以，借鑒國外經(jīng)驗，探索適合我國國情無人機航空植保發(fā)展路徑，進行高效、低污染施藥技術的研究及機具開發(fā)有著重要的現(xiàn)實意義。

1 國外無人機航空植保技術的現(xiàn)狀與發(fā)展

在國外， 無人機噴灑技術的發(fā)展已經(jīng)比較成熟，如中、 小田塊的病蟲害防治或大田內局部的精準施藥以及丘陵山區(qū)的病蟲害防治等[5]。

美國是世界上農業(yè)航空技術最先進、 應用最廣泛的國家之一，農用飛機有20 多個品種，大部分機型是有人駕駛固定翼飛機。 美國農業(yè)航空服務擁有強大的農業(yè)航空組織體系， 包括國家農業(yè)航空協(xié)會和近40 個州級農業(yè)航空協(xié)會。 農業(yè)航空協(xié)會既保證了美國農業(yè)、環(huán)保、航空、科研部門緊密合作與聯(lián)系，也會為企業(yè)和農場主提供新產(chǎn)品、新技術以及教育方面的咨詢服務。 同時，GPS 導航施藥技術、航空靜電噴霧技術、航空變量施藥等精準農業(yè)技術手段在美國無人機航空植保都得到了廣泛應用，施藥作業(yè)變得更加精準、高效，對環(huán)境的污染也在不斷降低[6]。

日本是一個人口多、耕地少的國家，農家每戶平均耕地面積較小。 農業(yè)以兼業(yè)農戶比重大(占農戶總數(shù)的84%)為特點，糧食作物以水稻為主。 由于日本農業(yè)經(jīng)營規(guī)模相對較小，常規(guī)的大型地面施藥技術裝備難以適應，其施藥裝備以小型機動噴霧機和直升飛機航空噴霧設備為主。1990 年，日本山葉公司率先推出世界第一架無人機，主要用于撒布農藥， 是最早將無人駕駛直升機施藥技術運用于農業(yè)生產(chǎn)的國家， 也是該技術發(fā)展最成熟的國家之一。日本登記在冊的無人駕駛農用輕型直升飛機保有量超過2 000 架，防治面積已超過90 萬hm2，超過了有人駕駛農用直升飛機的防治面積。 這種無人直升機主要用于播種、施肥、噴灑農藥等作業(yè)，每小時可噴灑農藥7hm2～10hm2。在日本，采用農用無人駕駛輕型直升飛機進行農業(yè)生產(chǎn)已成為主流[2，5]。

在亞洲，韓國是繼日本之后，率先實現(xiàn)了農業(yè)的精細化種植和農業(yè)機械化的國家。 由于人口老齡化和農村人口減少，近年來韓國農用無人機技術得到了大力發(fā)展。 農用無人直升機于2003 年首次引進韓國，其后每年數(shù)量都在增加。 在2011 年以后，韓國農用無人機數(shù)量、專業(yè)操作人員和無人機防治面積都有大幅度增長， 到2013 年韓國無人機數(shù)量增加到500 架[7-8]。

1924 年在德國和瑞士， 都相繼進行了農業(yè)飛行的嘗試。 由于它的顯著成效，農業(yè)飛行的試驗很快就在歐洲許多國家出現(xiàn)了，二戰(zhàn)后得到了迅速的發(fā)展。 1958 年，成立了歐洲農業(yè)航空中心。1960 年，該中心擴大改組的國際農業(yè)航空中心在海牙成立。 因為東歐地區(qū)有眾多的大型農場和合作社， 比較適宜于飛機施藥， 多為固定翼飛機施藥。 而在西歐和南歐地區(qū)，城市和農村緊密相鄰而且田塊也較小，在一定程度上限制了飛機施用農藥。 只有法國和西班牙地形較為開闊，有一定數(shù)量的農用飛機在工作。 由于無人機能夠以低成本提供所需圖像， 目前歐洲無人機較多應用到農業(yè)測量、農作物檢測上面。 在法國ARB100-B 無人機被用于農業(yè)測量；CropCam 是一款配有數(shù)碼相機的遙控滑翔機， 可以通過手動操作或預編程序搜集圖像以供農業(yè)、林業(yè)及環(huán)保等的用途，其整機圖如圖1[9]所示，幾種國外無人機航空植保技術如表1 所示。

目前， 發(fā)達國家對航空噴霧控制技術的研究較為深入，施藥部件和作業(yè)技術規(guī)范都相對完善。 例如有GPS 自動導航技術、施藥自動控制系統(tǒng)、適宜于不同作業(yè)環(huán)境的施藥模型的應用等，其中研究熱點在以下幾個方面[10-14]：

1）無人機航空施藥技術的研究。通過試驗和數(shù)值仿真技術，建立無人機施藥的風場、霧場仿真數(shù)學模型，通過模型研究霧滴分布和沉降規(guī)律，研究主要技術參數(shù)（例如噴施高度、風速、壓力）對霧滴沉積分布與漂移的影響。 駕駛員還可以根據(jù)作業(yè)環(huán)境實時改變施藥技術參數(shù)的設置，達到控制霧滴種類、直徑、漂移率等，取得最佳噴霧效果。

2）全球性定位系統(tǒng)(GPS)導航技術。 航空植保作業(yè)時，GPS 根據(jù)區(qū)域地圖規(guī)劃出施藥作業(yè)的航路圖，并準確地使飛機沿著規(guī)定路線施藥，有效避免重噴和漏噴。 GPS 獲取的作業(yè)信息，如飛機飛行軌跡、噴霧系統(tǒng)開與關、飛行速度等，也可以輸入到GIS 系統(tǒng)中，用來分析施藥作業(yè)情況。當飛機到達作業(yè)區(qū)域時，GPS 能實時將作業(yè)區(qū)域的信息圖像傳送到控制平臺，在一定作業(yè)速度范圍內，可以達到作業(yè)位置精確定位與自動導航，最終實現(xiàn)精確施藥及噴幅精確對接。

3） 無人機施藥多技術融合與部件開發(fā)。 無人機施藥有自身的技術特征，國外與之配套的無人機噴灑設備相對完備。 無人機專用霧化器、電動泵、吊掛噴桿、航空噴頭齊全，噴霧機驅動與GPS 預設位置坐標的技術融合等[15]。 特別針對不同作業(yè)環(huán)境、 施藥部件種類和分類較為完善，以供施藥者選擇。 變量施藥技術融合GPS 技術、作業(yè)環(huán)境監(jiān)測和變量施藥控制技術， 通過GPS 提供給飛行員田地寬度、方向導航以及其他作業(yè)信息，再通過傳感器實時監(jiān)測飛行記錄、噴灑流量等參數(shù)，融合當前氣象條件，通過預設模型或者駕駛員操控，調節(jié)噴霧參數(shù)從而達到優(yōu)化噴霧質量和減少飄移量目的。

總體來說， 國外無人機航空施藥技術的研究較為深入，無人機施藥技術規(guī)范完善，注重航空專用施藥設備的開發(fā)，如表2 所示。 航空施藥過程中的多技術融合也更好提高了施藥質量和效率。

2 我國無人機航空植保技術現(xiàn)狀及存在問題

無人機航空施藥技術具有許多地面裝備沒有的特殊優(yōu)勢，因而可較適合中、小田塊的病蟲害防治或玉米等高稈作物和丘陵山區(qū)等地方的施藥難問題。 相對發(fā)達國家，我國無人機施藥技術和裝備研究還處于初級水平。 目前我國相關科研單位也逐漸開展無人機施藥技術的研究，取得了一定的成果。

我國南方及沿海地區(qū)因經(jīng)濟發(fā)達和地形復雜，率先對飛行植保進行了嘗試性研究。 例如，農業(yè)部南京農業(yè)機械化研究所研制了一種無人駕駛自動導航低空施藥技術裝備[16]，如圖2 所示，該設備具有高精度GPS 自動導航，噴幅對接精度達亞米級，同時，其作業(yè)效率高，是地面機具的100 倍～150 倍，可將農藥有效利用率提高10%～20%。并開展了航空施藥飄移預測技術及模型的研究[17]。 2012 年4月，在海南省三亞林旺水稻種基地，由國家雜交水稻工程技術研究中心、南京農機化研究所等單位共同主辦了“雜交水稻機械化種子生產(chǎn)暨農用無人直升機輔助授粉和施藥技術”的現(xiàn)場觀摩會，袁隆平、朱英國和羅錫文院士現(xiàn)場指導。 華南農業(yè)大學、東北農業(yè)大學、中國農業(yè)大學等單位研究微小型無人機遙感信息獲取與作物養(yǎng)分管理技術， 重點解決微小型無人機遙感信息快速獲取及養(yǎng)分管理中的關鍵技術問題，取得了一定研究成果[18]。 中國農業(yè)科學院植保所袁會珠，利用AF-811 小型無人機噴灑毒死蜱不同劑型開展了玉米螟防治試驗。 考察不同高度、藥劑類型對防治效果的影響。 同時也進行了小型無人機低空噴灑在小麥田的霧滴沉積分布及對小麥吸漿蟲的防治實驗，取得良好的試驗效果[19-20]。 南京林業(yè)大學周宏平、茹煜等人設計了基于德國VARIO 公司的多用途無人機的遠程控制低量噴霧系統(tǒng)。 在無人機上搭載了包括藥箱、 控制箱、液泵、管路系統(tǒng)、懸臂裝置和霧化噴頭的噴霧系統(tǒng)，并設計了專用于無人機噴霧的遠程控制系統(tǒng)，通過地面遠程遙控控制噴霧系統(tǒng)的施藥工作[2，21]，如圖3 所示。 江蘇省農業(yè)機械管理局農機具開發(fā)應用中心、江蘇大學、無錫漢和公司等單位研制了一種小型無人飛機， 并于2013 年7 月在張家港市順利進行試驗示范。 該無人機載重藥水10kg，最高飛行高度可達2 000m 可調可控，噴幅寬度3m～6m，飛行速度3m/s～10m/s 可控可調，噴灑能力1.3 畝/分鐘～2.7 畝/分鐘[22-23]，其整機圖如圖4 所示。總體來看，我國相關科研單位進行了探索性的研究，但是目前多注重機具的研制和無人機導航技術等方面的研究，無人機航空施藥參數(shù)對施藥效果的影響和施藥技術規(guī)范等方面的研究還相對較少。

圖2 無人駕駛自動導航低空施藥技術裝備

圖3 多用途無人機的遠程控制低量噴霧系統(tǒng)

圖4 小型無人飛機

綜上所述，我國無人機航空施藥技術和裝備研制還存在以下問題：

1） 目前， 我國用于施藥的無人機多為購置國外的技術平臺改制而來，也有一部分是利用國內軍用無人機改裝而來?，F(xiàn)階段還存在著低空飛行穩(wěn)定性欠缺、續(xù)航時間短、載重量小及操控水平要求高等問題，需要開發(fā)出一種適應于我國農業(yè)生產(chǎn)的無人機平臺。

2） 無人機施藥理論研究相對匱乏。特別對無人機氣、霧流場分布與形成的理論研究較少，在一定程度制約了機具的改進設計和施藥技術試驗的研究。

3） 無人機專用施藥技術裝備的性能相比于國外還有一定的差距，無論是無人機的霧化系統(tǒng)還是無人機噴藥需要配套的超高濃度藥劑，都還需要進一步的優(yōu)化。

4） 飛機工作參數(shù)和農藥霧滴沉積飄移規(guī)律也要進一步加強研究。 無人機在噴灑的過程中，影響噴灑效果的因素很多。 需要針對不同作業(yè)環(huán)境和作物類型，開展大量試驗研究，探尋不同工況下，施藥霧滴沉積分布和漂移規(guī)律以及施藥技術參數(shù)對施藥效果的影響。

5） 相關施藥技術規(guī)范和操控人員培訓較少。 因為無人機施藥存在施藥效果不穩(wěn)定和操控相對困難的問題，如何降低機械的故障率和售價，如何加強專業(yè)人員的指導與使用者培訓，這些都要進一步思考和完善。

我國無人機航空施藥技術和裝備研制存在的問題及應對方法如表3 所示。

表3 我國無人機航空施藥技術和裝備研制存在的問題及應對方法

3 我國無人機技術的發(fā)展方向及技術需求

當前， 農藥使用技術的主要發(fā)展方向是降低農藥施用量，提高農藥在靶標上的附著率，減少農藥對人體和環(huán)境的污染。 無人機施藥技術也應該朝著“低噴量、少污染、高工效、高防效”方向發(fā)展。

1）加強無人機施藥機具和專用部件的研發(fā)，開發(fā)一種適應于農業(yè)生產(chǎn)的無人機平臺，充分實現(xiàn)飛行系統(tǒng)、噴霧系統(tǒng)的技術匹配和融合，達到較好的施藥效果。 逐步完善無人機的類別，如電動無人機、多旋翼無人機等產(chǎn)品開發(fā)；開展無人機系列產(chǎn)品的研制，滿足不同工況的施藥需求。 借鑒國外先進經(jīng)驗，逐步研制出航空專用噴頭、混藥檢測、風送控制系統(tǒng)等。

2）無人機航空施藥技術的研究。 通過理論計算、試驗研究和數(shù)值分析等手段研究無人機氣、 霧流場形成與分布規(guī)律。 探索無人機工作參數(shù)和施藥參數(shù)對施藥效果的影響。 考察航空噴頭霧化性能和其數(shù)目和類型對噴霧效果影響， 建立不同作業(yè)環(huán)境下的無人機航空精準施藥模型，達到低噴量、高防效目的。

3）制定無人機噴灑技術規(guī)范，參考國外施藥技術規(guī)范。 制定無人機施藥操作準則和操控人員培訓機制，保證施藥過程安全、施藥效果穩(wěn)定。

總之，推廣應用低空施藥技術，既要開發(fā)配套的高效施藥機具和超低劑量農藥， 也要進一步完善無人機低空操作、避障控制技術和平臺的可靠性，同時需要培訓專業(yè)的隊伍，探索可行的商業(yè)推廣模式[24]。

4 總結

無人機施藥具有及時迅速、效率高、效果好、立體性強、勞動強度低等特點，是一種非常重要且及時有效的施藥方法。 目前我國無人機施藥還處于初級階段，需要借鑒國外先進技術經(jīng)驗，結合我國農業(yè)生產(chǎn)實際，研制出適合我國國情的高效施藥裝備，實現(xiàn)農藥的低噴量、少污染、高工效、高防效噴灑，滿足越來越高的環(huán)保要求，進一步提高我國植保機械化水平。