河北省科技工程學(xué)校 張穎 李帥倫 孫石磊

1 植保無(wú)人機(jī)技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展現(xiàn)狀

農(nóng)用植保無(wú)人機(jī)是用于農(nóng)林植物保護(hù)作業(yè)的無(wú)人駕駛飛機(jī)，通過(guò)地面遙控或GPS飛控實(shí)現(xiàn)噴灑作業(yè)，可噴灑藥劑、種子、粉劑等。我國(guó)擁有18億畝基本農(nóng)田，每年農(nóng)藥中毒人數(shù)約有10萬(wàn)之眾。因此，應(yīng)用植保無(wú)人機(jī)對(duì)農(nóng)作物進(jìn)行施藥，不僅具有較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，還具有很大的社會(huì)價(jià)值。

農(nóng)用植保無(wú)人機(jī)按機(jī)型結(jié)構(gòu)分為固定翼、單旋翼和多旋翼無(wú)人機(jī)。

固定翼植保無(wú)人機(jī)，機(jī)體模塊化處理，具備簡(jiǎn)易、安全的起降系統(tǒng)，航時(shí)長(zhǎng)、速度快，飛行效率高，在失去動(dòng)力的情況下還可以依靠滑翔降低下降速度，從而減少墜機(jī)損失。但對(duì)飛行員的要求比較高，需要開(kāi)闊的專(zhuān)用場(chǎng)地用于起飛和降落，且無(wú)法實(shí)現(xiàn)懸停。

單旋翼植保無(wú)人機(jī)植保霧化效果比較好、抗風(fēng)性比較強(qiáng)，但是由于價(jià)格高、回報(bào)周期過(guò)長(zhǎng)、飛手培訓(xùn)周期長(zhǎng)，正常需要2~3個(gè)月，飛行風(fēng)險(xiǎn)高，售后及維護(hù)成本也相對(duì)較高，目前已逐步被多旋翼植保無(wú)人機(jī)所取代。

多旋翼植保無(wú)人機(jī)，采用模塊化設(shè)計(jì)，使用與維護(hù)極其方便，飛行動(dòng)力為鋰電池，平均每組電池可連續(xù)工作15分鐘，兩個(gè)架次、噴幅寬度和飛行高度可自由調(diào)整。因?yàn)檎w尺寸小、重量輕、效率高、性?xún)r(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)，受到越來(lái)越多使用者的歡迎，是目前應(yīng)用最為廣泛的植保無(wú)人機(jī)。

2 植保無(wú)人機(jī)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

近年來(lái)，植保領(lǐng)域無(wú)人機(jī)應(yīng)用發(fā)展迅速，采用無(wú)人機(jī)噴灑農(nóng)藥作業(yè)的農(nóng)田面積越來(lái)越大，應(yīng)用的農(nóng)作物品種也越來(lái)越多，尤其是在地面噴桿噴霧機(jī)不易進(jìn)地作業(yè)的區(qū)域，尤其是在玉米、水稻、油葵、果樹(shù)等農(nóng)田上具有較強(qiáng)優(yōu)勢(shì)。對(duì)于生長(zhǎng)季中后期的玉米、水稻和種植在丘陵的經(jīng)濟(jì)作物等，使用植保無(wú)人機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)生長(zhǎng)期全程植保機(jī)械化噴霧作業(yè)，解決地面機(jī)械不易進(jìn)地，噴霧農(nóng)藥作業(yè)困難的問(wèn)題。

農(nóng)用植保無(wú)人機(jī)具有高效環(huán)保、操作簡(jiǎn)單、智能化、精準(zhǔn)作業(yè)等特點(diǎn)，在農(nóng)作物的灑藥、施肥、播種(授粉)，以及農(nóng)作物長(zhǎng)勢(shì)和病蟲(chóng)害的監(jiān)測(cè)等方面與人工和傳統(tǒng)機(jī)械相比優(yōu)勢(shì)明顯，一方面為農(nóng)戶(hù)節(jié)省大型機(jī)械和大量人力的成本，另一方面也可以保護(hù)環(huán)境，提高食品安全。主要優(yōu)勢(shì)如下：

2.1 安全高效

首先植保無(wú)人機(jī)是通過(guò)地面遙控或GPS飛控進(jìn)行操作的，飛手與機(jī)具的距離較遠(yuǎn)，只要滿(mǎn)足安全距離，就降低了暴露于農(nóng)藥下的隱患，提高了噴灑作業(yè)的安全性。其次是植保無(wú)人機(jī)飛行速度快，規(guī)模地塊的作業(yè)效率非常高，能達(dá)到每小時(shí)120~150畝，比常規(guī)噴灑的效率至少高出百倍。

2.2 節(jié)水節(jié)藥，降低成本

植保無(wú)人機(jī)的噴灑系統(tǒng)是采用噴霧噴灑的方式，可節(jié)約農(nóng)藥的使用量至少達(dá)30%，節(jié)約的用水量可達(dá)90%，很大程度上降低了施藥成本。

2.3 覆蓋密度高且防治效果好

農(nóng)藥液滴從噴霧器噴出時(shí)，作業(yè)高度低，飄移少，在無(wú)人機(jī)螺旋槳向下氣流的作用下加速形成霧流，可空中懸停，噴灑農(nóng)藥時(shí)旋翼產(chǎn)生的向下氣流有助于增加物流對(duì)農(nóng)作物的穿透性，農(nóng)藥覆蓋率和農(nóng)藥沉積量均優(yōu)于常規(guī)，防治效果較傳統(tǒng)作業(yè)優(yōu)秀很多，同時(shí)還有效防止了農(nóng)藥對(duì)土壤的污染。

2.4 成本低，易操作

植保無(wú)人機(jī)整體尺寸小，重量輕，折舊率低，易保養(yǎng)，單位作業(yè)人工成本低，容易操作，操作人員一般經(jīng)過(guò)30天左右的訓(xùn)練即可掌握要領(lǐng)并執(zhí)行任務(wù)。

3 植保無(wú)人機(jī)的發(fā)展前景與趨勢(shì)

智慧農(nóng)業(yè)是一種全新農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式，是借助物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、大數(shù)據(jù)等信息化技術(shù)實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)全過(guò)程的信息感知精準(zhǔn)管理和智能控制，從而達(dá)到與農(nóng)業(yè)的深度融合。無(wú)人機(jī)植保作為智慧農(nóng)業(yè)的垂直化應(yīng)用領(lǐng)域，與農(nóng)業(yè)自動(dòng)駕駛、精細(xì)化養(yǎng)殖和農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)是智慧農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的四大應(yīng)用。歷經(jīng)近10余年的探索，我國(guó)植保無(wú)人機(jī)的保有量大幅增加，植保作業(yè)面積也逐年增大。尤其2019年以來(lái)，我國(guó)相關(guān)植保無(wú)人機(jī)的利好政策不斷出臺(tái)，如購(gòu)機(jī)補(bǔ)貼明顯增加等，使植保無(wú)人機(jī)的發(fā)展日趨成熟，產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展趨于完善，發(fā)展熱度也被完全帶起來(lái)。2021年，行業(yè)更多的機(jī)遇也在加速凸顯出來(lái)。綜合來(lái)看，考慮到我國(guó)國(guó)土面積遼闊，耕地、林地等自然資源豐富，機(jī)械化、現(xiàn)代化、智能化轉(zhuǎn)型是必行之路，因此農(nóng)用植保無(wú)人機(jī)應(yīng)用前景廣闊。

未來(lái)我國(guó)植保無(wú)人機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)主要表現(xiàn)在以下五個(gè)方面：一是操作更加便捷，目前的植保無(wú)人機(jī)操作復(fù)雜，對(duì)飛手的能力要求較高，隨著植保無(wú)人機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，植保無(wú)人機(jī)操作將更加便捷，使用者更容易上手；二是載重能力增強(qiáng)，目前植保無(wú)人機(jī)載荷大多維持在5kg~20kg，載荷藥量少會(huì)增加換藥或加藥的頻次，且費(fèi)時(shí)費(fèi)力，因此未來(lái)植保無(wú)人機(jī)載荷會(huì)越來(lái)越大；三是價(jià)格降低，目前我國(guó)植保無(wú)人機(jī)的價(jià)格參差不齊，大多在3萬(wàn)~20萬(wàn)元不等，隨著技術(shù)的不斷更新，植保無(wú)人機(jī)成本下降，加上無(wú)人機(jī)企業(yè)越來(lái)越多，競(jìng)爭(zhēng)增強(qiáng)，植保無(wú)人機(jī)的價(jià)格也會(huì)隨之下降；四是服務(wù)完善，國(guó)內(nèi)目前關(guān)于植保無(wú)人機(jī)的配套服務(wù)不夠完善，隨著植保無(wú)人機(jī)行業(yè)的不斷發(fā)展，相關(guān)配套售后服務(wù)、保險(xiǎn)等也會(huì)更加完善和成熟；五是補(bǔ)貼增加，目前我國(guó)開(kāi)始引入農(nóng)用植保無(wú)人機(jī)的省份越來(lái)越多，逐步實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化，但是對(duì)購(gòu)買(mǎi)農(nóng)用植保無(wú)人機(jī)實(shí)行補(bǔ)貼政策的省份較少，相信隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展，植保無(wú)人機(jī)飛入農(nóng)田已成不可阻擋之勢(shì)，有關(guān)部門(mén)會(huì)加快制定相關(guān)政策，讓農(nóng)民早日實(shí)現(xiàn)科學(xué)種田，獲得實(shí)惠。

4 一種提高植保無(wú)人機(jī)工作效率的方法

植保無(wú)人機(jī)主要包括動(dòng)力系統(tǒng)、飛控系統(tǒng)和噴灑系統(tǒng)。藥箱是植保無(wú)人機(jī)裝在藥液的容器，是噴灑系統(tǒng)的重要組成部分。目前的植保無(wú)人機(jī)上的藥箱大多是固定的，無(wú)法快速拆卸，在作業(yè)時(shí)，每次噴灑完，都需要將藥箱的蓋子打開(kāi)，然后加入藥液，加滿(mǎn)后，再繼續(xù)噴灑工作，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，效率低。

為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，探索一種用于植保無(wú)人機(jī)的快速插拔藥箱結(jié)構(gòu)，藥箱本體呈┏型，豎直的藥液容器以及與藥液容器垂直連通的水平出液端，給出液端上端設(shè)置有加液蓋，圓柱一的內(nèi)徑大于圓柱二的內(nèi)徑，水嘴導(dǎo)向套的圓柱一的上端出液端的下端固定設(shè)置有外螺紋套，外螺紋套內(nèi)設(shè)置有水嘴導(dǎo)向套，水嘴導(dǎo)向套包括一體成型的圓柱一和圓柱二，圓柱一和圓柱二均為中空結(jié)構(gòu)，且位于出液端內(nèi)且固定連接水管固定蓋一端，水嘴導(dǎo)向套的圓柱二的下端延伸至外螺紋套下端外側(cè)，水嘴導(dǎo)向套內(nèi)設(shè)置有包括橫向部分和豎直部分的T型水嘴開(kāi)關(guān)內(nèi)芯，其中水嘴開(kāi)關(guān)內(nèi)芯上部分的水平部分卡于圓柱一內(nèi)，下部分的豎直部分間隙配合于圓柱二內(nèi)，水嘴開(kāi)關(guān)內(nèi)芯的上端設(shè)置有卡槽，卡槽與水管固定蓋的下端之間設(shè)置有壓縮彈簧，水嘴開(kāi)關(guān)內(nèi)芯的豎直部分的上端設(shè)置有內(nèi)芯密封圈，內(nèi)芯密封圈下方的水嘴開(kāi)關(guān)內(nèi)芯的豎直部分的周壁上設(shè)置有進(jìn)液孔，豎直部分為下端開(kāi)口的中空結(jié)構(gòu)，水嘴導(dǎo)向套外周側(cè)套有固定螺紋套，固定螺紋套固定連接外螺紋套。

藥箱配有與水嘴導(dǎo)向套匹配插拔式配合的水嘴導(dǎo)向套連接座，水嘴導(dǎo)向套連接座固定安裝于植保無(wú)人機(jī)上；水嘴導(dǎo)向套的外周壁與水嘴導(dǎo)向套連接座的配合處還設(shè)置有至少一個(gè)導(dǎo)向套密封圈。

藥箱本體內(nèi)設(shè)置有水管，水管一端固定連接固定蓋上端，另一端固定于藥箱本體內(nèi)下端；藥箱本體上端還固定有提手；當(dāng)水嘴導(dǎo)向套與水嘴導(dǎo)向套連接座匹配插接時(shí)，水嘴開(kāi)關(guān)內(nèi)芯會(huì)被水嘴導(dǎo)向套連接座內(nèi)下端頂起，而使進(jìn)液孔由內(nèi)徑小的圓柱二進(jìn)入內(nèi)徑大的圓柱一，使藥液能夠從水嘴導(dǎo)向套連接座下端的泵管連接口排出。

水嘴導(dǎo)向套上端螺紋固定連接水管固定蓋。藥箱本體的藥液容器的下端螺紋固定連接有鋁合金底蓋。水管的另一端固定于鋁合金底蓋位于藥液容器內(nèi)一端。藥箱本體周側(cè)對(duì)稱(chēng)的兩端設(shè)置有凸起，用于與無(wú)人機(jī)機(jī)身預(yù)設(shè)的卡槽匹配快速卡接。藥箱結(jié)構(gòu)如圖1所示：

圖1 藥箱結(jié)構(gòu)示意圖

當(dāng)水嘴導(dǎo)向套與水嘴導(dǎo)向套連接座匹配插接時(shí)，水嘴開(kāi)關(guān)內(nèi)芯會(huì)被水嘴導(dǎo)向套連接座內(nèi)下端頂起而使進(jìn)液孔由內(nèi)徑小的圓柱二進(jìn)入內(nèi)徑大的圓柱一，使藥液能夠從水嘴導(dǎo)向套連接座下端的泵管連接口排出；當(dāng)水嘴導(dǎo)向套與水嘴導(dǎo)向套連接座脫離，在壓縮彈簧的作用下水嘴開(kāi)關(guān)內(nèi)芯被下壓，使內(nèi)芯密封圈重新進(jìn)入圓柱二內(nèi)密封配合；實(shí)現(xiàn)了藥箱的快速更換，大大提高作業(yè)效率。