(額敏縣喇嘛昭鄉(xiāng)農(nóng)機(jī)管理服務(wù)站，新疆 額敏 834615)

0 引言

在現(xiàn)代化的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，很多傳統(tǒng)農(nóng)藝步驟的實(shí)施方式呈現(xiàn)多樣化特點(diǎn)，植保無(wú)人機(jī)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用就是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式變革的典型代表。利用化學(xué)藥劑進(jìn)行病蟲害防治是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要技術(shù)手段，一直以來(lái)農(nóng)藥噴施機(jī)械的研究與應(yīng)用都是農(nóng)業(yè)機(jī)械研究的重點(diǎn)內(nèi)容，近年來(lái)隨著無(wú)人機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，植保無(wú)人機(jī)在我國(guó)農(nóng)業(yè)植保中的應(yīng)用逐漸增多。植保無(wú)人機(jī)以其作業(yè)的便捷性和植保的高效性受到了越來(lái)越多農(nóng)民的青睞，且相對(duì)于傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)植保方式，植保無(wú)人機(jī)的自動(dòng)化和功能優(yōu)勢(shì)也十分明顯，因此植保無(wú)人機(jī)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用具有重要研究?jī)r(jià)值。

1 植保無(wú)人機(jī)技術(shù)發(fā)展情況

現(xiàn)階段，我國(guó)農(nóng)業(yè)植保作業(yè)總體上看技術(shù)實(shí)力還比較落后，大多數(shù)地區(qū)的植保方式仍以手動(dòng)噴霧器與拖拉機(jī)配套背負(fù)式機(jī)動(dòng)噴霧器作業(yè)為主，半自動(dòng)化的人力作業(yè)模式仍占據(jù)著較大比例，拖拉機(jī)配套大型噴霧設(shè)備的作業(yè)比例仍顯不足[1]。尤其是在高稈作物生長(zhǎng)的中后期，往往存在著植保機(jī)械作業(yè)難度大的問題，通常只能采用人工噴施進(jìn)行植保作業(yè)，相對(duì)而言人力植保存在著危害健康、農(nóng)藥噴施不均勻、覆蓋不全面等問題。植保無(wú)人機(jī)在我國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械市場(chǎng)上的興起約在2014年左右，主要以多旋翼植保無(wú)人機(jī)為主，現(xiàn)階段的植保無(wú)人機(jī)作業(yè)發(fā)展速度較快，很多先進(jìn)的植保無(wú)人機(jī)設(shè)備紛紛應(yīng)用到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，例如，大疆T系列植保無(wú)人機(jī)和極飛P系列植保無(wú)人機(jī)在農(nóng)用無(wú)人機(jī)市場(chǎng)上占據(jù)著較大的比例。但總體來(lái)看，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對(duì)無(wú)人機(jī)植保作業(yè)的認(rèn)識(shí)還不充分，無(wú)人機(jī)在農(nóng)業(yè)植保作業(yè)方面的推廣與普及還有很多的工作要做。

2 植保無(wú)人機(jī)的結(jié)構(gòu)與原理

2.1 植保無(wú)人機(jī)的基本結(jié)構(gòu)

農(nóng)用植保無(wú)人機(jī)的基本結(jié)構(gòu)主要包括了飛行系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、噴藥系統(tǒng)、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等幾大部分(圖1)。其主要工作部件包括無(wú)刷電機(jī)與槳葉、高霧化噴頭、輸藥管路、藥液泵、GPS終端、飛控系統(tǒng)等?，F(xiàn)代化的植保無(wú)人機(jī)在作業(yè)時(shí)能夠利用高霧化噴頭實(shí)現(xiàn)高精度農(nóng)藥噴施作業(yè)，并利用GPS和視覺系統(tǒng)的共同作用實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化農(nóng)藥噴施作業(yè)。

1.槳葉；2.槳葉支臂；3.無(wú)刷電機(jī)；4.飛控系統(tǒng)；5.藥液箱；6.電池；7.藥液泵；8.輸藥管路；9.噴藥桿圖1 植保無(wú)人機(jī)的基本結(jié)構(gòu)

2.2 植保無(wú)人機(jī)的工作原理

2.2.1 無(wú)人機(jī)的飛行控制原理

農(nóng)用植保無(wú)人機(jī)多采用4旋翼、6旋翼、8旋翼等布局，分別能夠?qū)崿F(xiàn)升降、翻滾、俯仰、偏航等動(dòng)作功能。以4旋翼植保無(wú)人機(jī)的結(jié)構(gòu)為例，說(shuō)明無(wú)人機(jī)飛行動(dòng)作的控制原理。

(1)無(wú)人機(jī)的升降動(dòng)作需要四個(gè)電機(jī)同時(shí)調(diào)整轉(zhuǎn)速，以調(diào)整垂直升力的大小，當(dāng)垂直升力大于無(wú)人機(jī)重力時(shí)，植保無(wú)人機(jī)則實(shí)現(xiàn)上升動(dòng)作，當(dāng)垂直升力小于植保無(wú)人機(jī)重力時(shí)，則實(shí)現(xiàn)下降動(dòng)作(圖2a)。(2)當(dāng)植保無(wú)人機(jī)前后兩側(cè)的電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)整，而左右兩側(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)速維持不變時(shí)，若前方電機(jī)轉(zhuǎn)速增加，后方電機(jī)轉(zhuǎn)速降低，則實(shí)現(xiàn)上仰動(dòng)作，反之實(shí)現(xiàn)下俯動(dòng)作(圖2b)。(3)與仰俯動(dòng)作類似，當(dāng)前后方向電機(jī)轉(zhuǎn)速不變，左右兩側(cè)電機(jī)呈現(xiàn)速度增減時(shí)，則實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)的翻滾動(dòng)作(圖2c)。(4)當(dāng)植保無(wú)人機(jī)進(jìn)行偏航運(yùn)動(dòng)時(shí)，兩對(duì)角線上相同轉(zhuǎn)向的電機(jī)轉(zhuǎn)速同時(shí)進(jìn)行調(diào)整，使前后或左右方向同一對(duì)角線的電機(jī)產(chǎn)生反轉(zhuǎn)，無(wú)人機(jī)受到飛行過程的反扭力使機(jī)身重心沿順或逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)偏航運(yùn)動(dòng)(圖2d)。

圖2 植保無(wú)人機(jī)飛行控制原理

2.2.2 植保噴施工作原理

無(wú)人機(jī)的藥物噴施工作主要依靠GPS技術(shù)與噴灑系統(tǒng)配合完成，通過GPS定位實(shí)現(xiàn)飛行速度的合理控制，再輔以科學(xué)的農(nóng)藥噴施量，則能達(dá)到最佳的藥物噴施效果。在進(jìn)行植保作業(yè)時(shí)，無(wú)人機(jī)在距田間一定距離的平坦位置起飛，到達(dá)預(yù)定工作的起點(diǎn)位置后開啟噴灑系統(tǒng)，并按照預(yù)設(shè)軌跡飛行，執(zhí)行農(nóng)藥噴灑工作。正常情況下，無(wú)人機(jī)呈勻速直線飛行，并均有合理的飛行行間距，當(dāng)遇到障礙物或信號(hào)干擾時(shí)，無(wú)人機(jī)實(shí)施自動(dòng)避障或停噴懸停預(yù)警，待異常狀態(tài)解除后無(wú)人機(jī)可實(shí)現(xiàn)斷點(diǎn)續(xù)噴功能[3]。當(dāng)作業(yè)過程遇到農(nóng)藥不足或電量不足時(shí)，無(wú)人機(jī)執(zhí)行自動(dòng)返航功能，并在更換電池或補(bǔ)充藥液后飛回原位置，執(zhí)行斷點(diǎn)續(xù)噴作業(yè)。

3 植保無(wú)人機(jī)作業(yè)的優(yōu)缺點(diǎn)分析

3.1 植保無(wú)人機(jī)的主要優(yōu)勢(shì)

3.1.1 作業(yè)效率高，噴施均勻性好

植保無(wú)人機(jī)作業(yè)靈活機(jī)動(dòng)，不受地形和作物生長(zhǎng)狀態(tài)的影響，能夠?qū)崿F(xiàn)全地形、全作物種類的高效率作業(yè)，作業(yè)過程中對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性好，能實(shí)現(xiàn)貼地飛行或指定高度的飛行植保作業(yè)，由于植保無(wú)人機(jī)采用了高霧化噴頭和高濃度藥液，噴施均勻度更高，農(nóng)藥可利用槳葉旋轉(zhuǎn)的風(fēng)力進(jìn)入作物下部或根部，進(jìn)一步提高藥物作用范圍[3]。

3.1.2 作業(yè)安全性高，環(huán)境污染小

植保無(wú)人機(jī)的作業(yè)只需要操作人員在遠(yuǎn)處操作無(wú)人機(jī)飛行，飛手距離實(shí)際植保噴霧位置較遠(yuǎn)，對(duì)自身的健康危害較少。同時(shí)，高精度的噴施使農(nóng)藥的使用量更為精準(zhǔn)，農(nóng)藥的過量噴施問題得到改善，減少了農(nóng)藥噴施對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境造成的危害。

3.2 植保無(wú)人機(jī)作業(yè)的不足之處

3.2.1 作業(yè)能力仍待提升

一方面，現(xiàn)階段的植保無(wú)人機(jī)作業(yè)因?yàn)樾枰獢y帶大量農(nóng)藥，因此高負(fù)重情況下無(wú)人機(jī)的飛行時(shí)間相對(duì)較短，作業(yè)過程需要頻繁更換電池，影響了實(shí)際作業(yè)效率；另一方面國(guó)產(chǎn)植保無(wú)人機(jī)在噴頭技術(shù)的應(yīng)用上仍處于落后局面，植保無(wú)人機(jī)的噴施霧化效果仍有待提升。

3.2.2 購(gòu)置成本較高，操作難度相對(duì)較大

由于大多數(shù)的農(nóng)用植保無(wú)人機(jī)沒有獲得農(nóng)機(jī)購(gòu)置補(bǔ)貼的資金支持，因此現(xiàn)階段農(nóng)民購(gòu)置植保無(wú)人機(jī)存在一定的經(jīng)濟(jì)壓力，同時(shí)植保無(wú)人機(jī)要求具有一定的遙控飛行技能，導(dǎo)致農(nóng)民很難快速實(shí)現(xiàn)對(duì)植保無(wú)人機(jī)的應(yīng)用。

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