張 良

(正陽縣農業(yè)綜合行政執(zhí)法大隊，河南 正陽 463600)

0 引言

隨著農業(yè)機械化的快速發(fā)展，我國的農業(yè)機械普及率顯著提高，目前來看，在耕整地、播種、收獲等工序上已經基本實現了可靠的機械化作業(yè)，但是從機械化植保作業(yè)來看，受到農作物生長中后期植株狀態(tài)的影響，現階段植保作業(yè)中的手工作業(yè)和半自動化作業(yè)仍占據較大比例，化學防治作為農業(yè)生產的基礎保障，科學的實施噴施作業(yè)對于提升生產效率和農作物產量具有重要意義，而現階段很多地區(qū)以人工為主的作業(yè)形式，不僅工作效率低下，而且噴施的均勻度、噴施量存在較多的不合理問題，人工噴施還易對工作人員造成健康危害，其應當被機械化技術所取代。近年來，除傳統(tǒng)的輪式植保機具應用量不斷上升外，以多旋翼無人機為代表的植保無人機應用量也顯著增多，為農業(yè)機械化植保作業(yè)的實施提供了新的實施思路。

1 植保機械發(fā)展現狀

據統(tǒng)計，我國現階段的植保機械化水平約落后發(fā)達國家60年左右，其中人工作業(yè)的手動噴施、背負式機動噴施和擔架式機動噴施所占比例接近97%，拖拉機懸掛噴霧機、高地隙自走式噴霧機、植保無人機作業(yè)面積僅占3%左右，機械化植保作業(yè)已經成為我國農業(yè)機械化發(fā)展中最薄弱環(huán)節(jié)之一。隨著土地流轉政策的進一步實施，農業(yè)生產的規(guī)?；洜I逐漸擴大，高效機械化植保技術的需求不斷提升，且對于噴施合理性、環(huán)保性、節(jié)約性的要求也會越來越高，總體上講，無論是植保無人機還是輪式植保機，在技術和普及程度上都有很大的提升空間。

2 植保無人機的種類劃分

植保無人機的應用具有效率高、均勻度好等很多優(yōu)勢，在現階段的農業(yè)生產中能夠發(fā)揮巨大的作用，尤其是在現階段農村勞動力逐漸向城鎮(zhèn)轉移的情況下，植保無人機的應用更能顯示出其突出優(yōu)勢?？傮w上講，我國的航空植保技術應用已經有較長的歷史，但是無人機植保作業(yè)的形式是近10年左右才開始逐漸被重視和應用的。在科學技術快速發(fā)展的推動下，植保無人機產業(yè)得到了快速的發(fā)展，從目前的農用無人機市場來看，植保無人機具有品牌、型號較多，技術特點各異的現象，但從總體的無人機結構來看，按照飛行特點可將其分為單旋翼植保無人機和多旋翼植保無人機兩類，受到機械結構的限制，單旋翼植保無人機主要以燃油機型為主，部分產品也配套有電動機，而多旋翼植保無人機均為電動機型。從操控的難易程度來看，單旋翼植保無人機的專業(yè)性更強，操控難度更大，多旋翼植保無人機機型更小，操控更為簡易，從技術發(fā)展和市場表現來看，多旋翼植保無人機更可能成為未來植保無人機的主要發(fā)展方向。

單從多旋翼植保無人機來看，主要根據旋翼的數量來進行劃分，可分為四旋翼、六旋翼、八旋翼、十二旋翼等多種機型，為滿足農業(yè)生產的不同需求，多旋翼植保無人機多采用航空鋁材或碳纖維兩類材料的主機身，并須配套安裝有無刷電機、槳葉、電源、藥箱、噴桿等裝置。根據體積、機身材料和旋翼數量的不同，多旋翼植保無人機機身重量在15～40 kg(不含藥液)，可攜帶5～20 L左右的農藥藥液進行作業(yè)，通常的植保作業(yè)效率可達0.07～0.15 hm2·min-1，具有較高的作業(yè)效率。

3 植保無人機的工作原理

3.1 植保無人機的主要功能部件

植保無人機的主要功能部件包括飛行機構、噴灑機構、控制機構、電源及輔助機構等組成。飛行機構包括了無刷電機、槳葉兩大主要元件；噴灑機構包括噴桿、噴頭、輸藥管路、噴藥泵、藥箱等；控制機構包括GPS接收機、陀螺儀、速度及加速度傳感器、紅外測距、遙控接收裝置等。通過各個功能部件的配合，植保無人機能夠實現在指定高度、指定速度、指定噴藥量的情況下來進行高效且可靠的植保噴施作業(yè)。

3.2 飛行控制原理

無人機的飛行主要依靠槳葉旋轉產生的提升力來克服重力，使飛機飛離地面，無人機飛行的過程中需要執(zhí)行不同的動作以滿足前后左右移動、升降、調頭等功能要求。以結構簡單的四旋翼無人機為例，其能夠實現的飛行動作共有6種，分別為垂直升降、前后移動、左右移動、俯仰、滾轉、偏航。

垂直升降主要是控制對角線方向的兩個電機反向旋轉，使槳葉旋轉產生的對機身的反扭矩形成平衡，當各個電機的轉速同步提高時，無人機則垂直上升，當各個電機的轉速同步降低時，無人機則垂直下降；前后移動主要是針對前后兩個方向的槳葉轉速進行調節(jié)，當后方槳葉轉速上升、前方槳葉轉速降低，左右兩側電機轉速不變的情況下，無人機向前傾斜推進，當前方槳葉轉速上升、后方槳葉轉速降低，無人機則向后倒退；同理無人機的左右移動只需要對左右兩個方向的槳葉進行轉速調整，而前后方向電機轉速維持不變，既能實現左右移動；俯仰運動是在瞬時增減前后方向的電機轉速，使無人機在原地實現俯仰動作；滾轉運動與俯仰運動類似，是瞬時增減左右方向的電機轉速，使無人機在原地實現左右方向翻滾動作；偏航運動主要是借助旋翼產生的反扭矩來實現的，當四個電機轉速相同時，由于對角線電機轉向相反，四個旋翼產生的反扭矩相互平衡，使植保無人機不發(fā)生轉動；當四個電機轉速不完全相同時，反扭矩會產生不平衡現象，引起植保無人機轉動，則形成偏航運動。

3.3 精準定位原理

植保無人機的定位技術主要有兩種形式，一種是僅利用植保無人機上的接收端進行定位，通過接收端與多個衛(wèi)星(3個以上)之間的位置關系，來為無人機的空間位置賦予坐標，這種衛(wèi)星定位的方式屬于傳統(tǒng)的定位技術，其精確度與車輛導航、手機定位等近似，只能達到米級的精準度，對于無人機的精量定位和定點懸停功能的實現，難以提供足夠的技術保障；另一項應用于植保無人機的定位技術是GPS差分技術，主要是在傳統(tǒng)的三維衛(wèi)星定位技術的基礎上，利用地面基站的位置信息進行衛(wèi)星定位的精度校正，無人機所應用的GPS差分技術以單基準站差分、多基準站的局部區(qū)域差分技術為主，能夠利用GPS接收機觀測4顆衛(wèi)星后便可對基站位置進行三維定位，而基站的位置已經固定且具有準確坐標，因此利用無人機附近的基站定位過程與無人機定位過程進行對比，能夠消除二者之間的共同誤差，減少大氣、衛(wèi)星軌道等誤差影響，使定位精確度達到厘米級精度。

4 植保無人機應用的優(yōu)缺點

4.1 植保無人機的應用優(yōu)勢

(1)藥物噴施質量較高。植保無人機采用高霧化噴頭配合低噴施量的作業(yè)方案，配合預設的噴施速度和噴施高度，使農藥的使用量在滿足植保需求的同時，盡可能的降低殘留問題對人身健康的影響，同時，利用無人機槳葉產生的下旋風作用，農藥更容易到達作物根部，防治效果能得到進一步提高。

(2)噴施效率明顯提高。植保無人機的作業(yè)不受地形條件的限制，同時無人機便于攜帶，通過私家車即可運輸至田地，農藥噴施速度顯著高于輪式機具。

(3)操作人員的安全性較好。植保無人機采用自動化作業(yè)的模式，操作人員確定無人機工作范圍和起止點后，無人機即可自行工作，操作人員在遠離田地的位置查看或調整無人機的工作狀態(tài)即可，避免了傳統(tǒng)作業(yè)人員接觸農藥產生的危害。

(4)機具對田地的適應性較好。植保無人機體積小巧，對于大面積田地和小塊田地的作業(yè)都能很好的適應，且作業(yè)過程按照預設路線飛行，重噴漏噴問題較少。

4.2 植保無人機技術的不足之處

盡管植保無人機的應用具有諸多優(yōu)點，但在實際應用過程中也存在一定的技術限制，一是植保無人機的使用對于操作技術的要求相對較高，農民使用無人機進行植保必須經過較長時間的專業(yè)學習和訓練才能實現；二是植保無人機采用飛行的模式，作業(yè)中需要攜帶較重的藥液，這影響了電池的續(xù)航時間，導致植保無人機連續(xù)作業(yè)僅能維持在10～15 min，現階段不得不采用更換電池的方式連續(xù)作業(yè)。此外，現階段我國很多農村地區(qū)的GPS基站建設密度不足，導致GPS差分技術的實施精確度受到一定程度的影響，使植保機作業(yè)中常出現定位誤差、精確度不足問題，影響噴施的質量，因此，植保無人機技術要得到進一步提升，還必須要不斷提升人員操作能力和電池續(xù)航能力，并在良好的基礎設施保障下實現高效率、高質量的作業(yè)任務。

(03)