陳盼陽(yáng),秦維彩，王寶坤

(1.南京工程學(xué)院，南京市，211167；2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，南京市，201114)

0 引言

由于人工噴灑農(nóng)藥效率低下且過(guò)量的農(nóng)藥對(duì)環(huán)境污染巨大，植保無(wú)人飛機(jī)應(yīng)時(shí)而生。植保無(wú)人飛機(jī)是無(wú)人飛機(jī)應(yīng)用在農(nóng)業(yè)上，起到植物保護(hù)作用的無(wú)人駕駛飛行器。我國(guó)植保無(wú)人飛機(jī)在2020年其保有量已達(dá)11萬(wàn)臺(tái)，作業(yè)面積6.67×107hm2·次[1]。

到進(jìn)入2021年，隨著5G技術(shù)、人工智能等的進(jìn)一步利好，植保無(wú)人飛機(jī)還將邁入高速增長(zhǎng)階段[2]。與傳統(tǒng)的施藥方法相比，航空施藥可以快速應(yīng)對(duì)大面積病蟲(chóng)害的爆發(fā)，不受地形限制，不需要預(yù)留的機(jī)耕道，減少對(duì)土地的壓實(shí)。此外植保無(wú)人飛機(jī)的飛控系統(tǒng)可控制噴藥姿態(tài)的調(diào)整。航路規(guī)劃會(huì)影響霧滴覆蓋率和沉降均勻性。旋翼下洗氣流一定程度上會(huì)抑制霧滴漂移，并且會(huì)影響霧滴的穿透性。田間植保技術(shù)和安全施藥技術(shù)規(guī)范有助于航空植保事業(yè)的發(fā)展。

因此本文從飛控技術(shù)、航路規(guī)劃、旋翼下洗氣流的研究、田間植保技術(shù)和安全施藥技術(shù)規(guī)范對(duì)國(guó)內(nèi)外植保無(wú)人飛機(jī)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行總結(jié)，分析發(fā)展中面臨的問(wèn)題，闡述了植保無(wú)人飛機(jī)技術(shù)幾大發(fā)展趨勢(shì)。

1 植保無(wú)人飛機(jī)飛控技術(shù)

1.1 飛控技術(shù)

飛控是無(wú)人飛機(jī)的“大腦”。從硬件上看，飛控系統(tǒng)包括主單元、慣性單元、無(wú)線通信模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)模塊等。飛控流程和構(gòu)成如圖1、圖2所示。

圖1 飛控系統(tǒng)流程圖

圖2 飛控軟件組成模塊

無(wú)人飛機(jī)軟件架構(gòu)是通過(guò)無(wú)線電控制技術(shù)發(fā)展起來(lái)的，一個(gè)完整的飛控軟件組成模塊包括：傳感器模塊、通信模塊、控制輸入模塊等等。飛控軟件設(shè)計(jì)是搭建合理軟件流程，使得各個(gè)功能模塊能夠協(xié)調(diào)有效的工作。

1.2 常用的飛控算法

植保無(wú)人飛機(jī)的“靈魂”是飛控算法，因此開(kāi)展飛控算法的研究對(duì)平穩(wěn)飛行、航路規(guī)劃、精準(zhǔn)施藥等方面都具有重大的意義[3]。表1總結(jié)了三大飛控算法的工作原理，為植保無(wú)人飛機(jī)飛行控制算法研究的開(kāi)展提供重要參考。

表1 三大飛控算法及工作原理

無(wú)人飛機(jī)飛控系統(tǒng)的算法多種多樣，而捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)算法的導(dǎo)航方法是利用載體上的慣性元件，去測(cè)量飛行器的角運(yùn)動(dòng)和線運(yùn)動(dòng)信息。將慣性元件直接裝在載體上，會(huì)使得坐標(biāo)變換中計(jì)算量大，對(duì)元件要求較高[4]。此外依據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景的不同，捷聯(lián)慣性導(dǎo)航可分為4個(gè)級(jí)別，如表2所示[5]。

表2 各導(dǎo)航技術(shù)性能對(duì)比

歐美發(fā)達(dá)國(guó)家的光纖陀螺捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，已經(jīng)發(fā)展到實(shí)際應(yīng)用的階段，并且發(fā)展方向是向著高精度和高可靠性。我國(guó)光纖陀螺的研制水平在可靠性、精度等方面還有待提高，光纖陀螺捷聯(lián)系統(tǒng)在植保無(wú)人飛機(jī)施藥上的應(yīng)用處于起步階段。

王養(yǎng)柱等[6]對(duì)三回路捷聯(lián)慣導(dǎo)算法進(jìn)行了仿真研究。運(yùn)動(dòng)體從起始點(diǎn)北緯40°、東經(jīng)116°到目標(biāo)點(diǎn)北緯41°、東經(jīng)117°，最大飛行高度約7 106 m，是大平飛速度為300 m/s，共飛行約500 s。試驗(yàn)結(jié)果表明，姿態(tài)角誤差：500 s內(nèi)最大航向角絕對(duì)誤差大約為-12×10-3°、俯仰角絕對(duì)誤差為-8×10-3°、橫滾角絕對(duì)誤差為12×10-3°。位置誤差：500 s內(nèi)最大緯度絕對(duì)誤差大約為5×10-3°、經(jīng)度絕對(duì)誤差為-6×10-3°、高度絕對(duì)誤差為-5 m。

卡爾曼濾波算法是卡爾曼等人提出的一種遞推濾波算法[7]。此算法采用信號(hào)與噪聲的狀態(tài)空間模型，對(duì)狀態(tài)變量的估計(jì)采用前一時(shí)刻地估計(jì)值和現(xiàn)時(shí)刻的觀測(cè)值來(lái)更新，求出現(xiàn)時(shí)刻的估計(jì)值?？柭鼮V波便于計(jì)算機(jī)編程實(shí)現(xiàn)，其廣泛應(yīng)用在導(dǎo)航、通信與控制等眾多領(lǐng)域當(dāng)中。

毛紅瑛等[8]為了解決慣導(dǎo)的累計(jì)誤差問(wèn)題，導(dǎo)航信息由MEMS AHRS/GNSS組合導(dǎo)航系統(tǒng)來(lái)計(jì)算。試驗(yàn)結(jié)果表明，擴(kuò)展卡爾曼濾波算法的姿態(tài)角與參考角度非常相近，在試驗(yàn)過(guò)程中，橫滾角的平均誤差為1.188 3°，俯仰角的平均誤差為1.407 5°，偏航角的平均誤差為4.033 7°。此外由經(jīng)緯度誤差的對(duì)比可知，沒(méi)有遮擋GPS信號(hào)時(shí)，其最大誤差是5 m，遮擋GPS信號(hào)時(shí)，由于用慣性導(dǎo)航來(lái)定位，隨著時(shí)間的增加，誤差不斷累積，在10 s以內(nèi)的累積誤差最大值為6 m，其最大誤差達(dá)到了20 m。在國(guó)外卡爾曼濾波算法經(jīng)過(guò)幾十年的研究和發(fā)展，使其廣泛應(yīng)用在航空航天、無(wú)人飛機(jī)等處理通信信號(hào)的領(lǐng)域當(dāng)中，該算法有廣闊的應(yīng)用前景，有待進(jìn)一步發(fā)展。

當(dāng)純慣性導(dǎo)航精度不夠時(shí)需要使用PID控制算法。PID系統(tǒng)具有適應(yīng)性強(qiáng)和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單優(yōu)點(diǎn)，且處在環(huán)境惡劣情況下依然可靠[9]。利用PID系統(tǒng)在旋翼轉(zhuǎn)速和姿態(tài)信息之間建立比例、積分和微分的關(guān)系，通過(guò)調(diào)節(jié)各個(gè)環(huán)節(jié)的參數(shù)大小，使植保無(wú)人飛機(jī)的控制達(dá)到動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、既不過(guò)調(diào)、也不欠缺的效果[10]。

劉鋼[11]為保證旋翼無(wú)人飛機(jī)的機(jī)身飛行平穩(wěn)，使用STM32嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行模糊PID算法控制。采用模糊PID控制算法的最大超調(diào)量比基本PID控制算法的超調(diào)量減少了21%，降低到4%，并且調(diào)節(jié)的時(shí)間減少了11 ms，降低到12 ms，提高了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能。目前歐美發(fā)達(dá)國(guó)家在PID控制算法的理論研究和產(chǎn)品應(yīng)用上走在前列。例如，Yokogawa電氣、Fuji電氣的溫度控制器、無(wú)人飛機(jī)的飛控。它們把模糊邏輯PID控制與標(biāo)準(zhǔn)的PID控制結(jié)合在一起來(lái)防止超調(diào)，取得了顯著效果。

1.3 飛控系統(tǒng)

植保無(wú)人飛機(jī)是通過(guò)多種傳感器的融合，將此時(shí)的飛行姿態(tài)的數(shù)據(jù)傳回飛控當(dāng)中，然后通過(guò)飛行控制系統(tǒng)來(lái)計(jì)算和判斷，從而發(fā)送新的指令，其動(dòng)作和飛行姿態(tài)的調(diào)整最后由執(zhí)行機(jī)構(gòu)來(lái)完成。表3中是目前市場(chǎng)上常用的植保無(wú)人飛機(jī)飛控系統(tǒng)及其特點(diǎn)。

表3 飛控系統(tǒng)

其中Pixhawk是具有成本低，性能高的系統(tǒng)。其飛控系統(tǒng)是完全開(kāi)放的，常應(yīng)用在固定翼和多旋翼上，且與強(qiáng)大功能的地面站Mission Planner(簡(jiǎn)稱(chēng)MP)搭配使用。Pixhawk飛控的植保無(wú)人飛機(jī)，其通過(guò)一些外部功能模塊進(jìn)行轉(zhuǎn)換來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的接收或控制。Pixhawk飛控實(shí)物圖如圖3。

圖3 Pixhawk飛控實(shí)物圖

為了驗(yàn)證植保無(wú)人飛機(jī)Pixhawk控制系統(tǒng)的可行性，Yang等[12]搭建了基于Pixhawk飛行控制系統(tǒng)的四旋翼植保無(wú)人飛機(jī)試驗(yàn)平臺(tái)，遙控器的SwG開(kāi)關(guān)設(shè)置為噴灑開(kāi)關(guān)，在100 m范圍內(nèi)進(jìn)行了模擬噴霧試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，在Pixhawk飛控系統(tǒng)在100 m范圍內(nèi)，能成功地分析噴霧開(kāi)關(guān)的狀態(tài)，并使噴灑系統(tǒng)發(fā)出噴灑指令。

同時(shí)，噴霧系統(tǒng)還成功的對(duì)噴霧進(jìn)行分析。針對(duì)在室內(nèi)環(huán)境下無(wú)人飛機(jī)的在GPS信號(hào)缺失問(wèn)題，姚光樂(lè)等[13]采用pixhawk飛行控制板運(yùn)行核心控制部分。測(cè)試結(jié)果表明，無(wú)人飛機(jī)位置控制節(jié)點(diǎn)通過(guò)MAVROS獲取植保無(wú)人飛機(jī)當(dāng)前位置和姿態(tài)數(shù)據(jù)，計(jì)算出加速度指令，將加速度指令傳遞到Pixhawk系統(tǒng)，由姿態(tài)控制模塊實(shí)現(xiàn)植保無(wú)人飛機(jī)自主起飛和懸停功能。

趙航[14]在pixhawk開(kāi)源飛控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，對(duì)多旋翼無(wú)人飛機(jī)避障飛行控制系統(tǒng)進(jìn)行研究。試驗(yàn)結(jié)果表面，通過(guò)對(duì)pixhawk飛控系統(tǒng)運(yùn)行流程、編譯流程、rcS、uORB等分析。在AltHold、Loiter飛行模式下，完成了無(wú)人飛機(jī)在飛行高度和姿態(tài)上避障應(yīng)用的開(kāi)發(fā)。

張金錢(qián)等[15]設(shè)計(jì)一款了以控制器核心為Pixhawk的六旋翼植保無(wú)人飛機(jī)，為了做到植保無(wú)人飛機(jī)能夠在農(nóng)田上空穩(wěn)定的飛行，提出了采用模糊PID控制。試驗(yàn)結(jié)果表明，處理器采用模糊PID算法控制植保無(wú)人飛機(jī)的飛行狀態(tài)，其響應(yīng)速度有所提高。

蔣彪[16]為了驗(yàn)證Pixhawk飛控與噴灑系統(tǒng)間串口通信的可行性，選取S550機(jī)架搭建小型四旋翼植保無(wú)人飛機(jī)試驗(yàn)平臺(tái)。試驗(yàn)結(jié)果表明Pixhawk飛控能較好的實(shí)現(xiàn)植保無(wú)人飛機(jī)的飛行控制，且噴灑系統(tǒng)能通過(guò)噴藥開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)噴藥時(shí)水量連續(xù)均勻。

2 植保無(wú)人飛機(jī)航路規(guī)劃

航路規(guī)劃是確定無(wú)人飛機(jī)從初始點(diǎn)到目標(biāo)點(diǎn)，除障礙物外最佳的路徑的問(wèn)題。航線規(guī)劃需滿足導(dǎo)航、任務(wù)、環(huán)境信息、安全性等約束的要求[17]。全覆蓋航線規(guī)劃可分為“在線式”和“離線式”，是由Choset[18]提出的。當(dāng)作業(yè)區(qū)域周?chē)h(huán)境信息已知是“離線式”；當(dāng)作業(yè)區(qū)域周?chē)h(huán)境信息完全或部分未知的情況下是“在線式”。農(nóng)業(yè)植保無(wú)人飛機(jī)常用的航線規(guī)劃方法如表4所示。此外，國(guó)內(nèi)外在多種領(lǐng)域的智能化機(jī)械上都應(yīng)用到全覆蓋航線規(guī)劃。例如，智能化機(jī)械應(yīng)用在海軍軍事方面，可以實(shí)現(xiàn)水下自動(dòng)航行、布雷和掃雷等任務(wù)。國(guó)外的Acar等[19]研究出全覆蓋式掃雷機(jī)器人的感知和航線規(guī)劃。

表4 航線規(guī)劃方法

2.1 牛耕往復(fù)和內(nèi)外螺旋作業(yè)法

全覆蓋航線規(guī)劃行走的典型方式是牛耕法和內(nèi)外螺旋法，其覆蓋原理如圖4所示。其中：L為作業(yè)區(qū)域縱向長(zhǎng)度，M為作業(yè)區(qū)域橫向長(zhǎng)度，d為覆蓋作業(yè)幅寬。

(a)牛耕往復(fù)法

圖4中，飛行路線來(lái)回往復(fù)式的稱(chēng)為牛耕法，內(nèi)外螺旋法的飛行路線是依據(jù)目標(biāo)區(qū)域的外輪廓制定飛行路線，逐漸靠近目標(biāo)區(qū)域的中心或外輪廓。采用內(nèi)外螺旋法時(shí)，無(wú)人飛機(jī)在轉(zhuǎn)彎時(shí)需要多次調(diào)整航向角，而牛耕法可以保持固定航向角；當(dāng)作業(yè)區(qū)域?yàn)椴灰?guī)則圖形時(shí)，內(nèi)外螺旋法的航線不規(guī)則，且轉(zhuǎn)彎次數(shù)過(guò)多；此外采用內(nèi)外螺旋法時(shí)，由于植保無(wú)人飛機(jī)在轉(zhuǎn)彎過(guò)程并不噴藥，會(huì)造成目標(biāo)區(qū)域中一部分重復(fù)覆蓋和遺漏覆蓋現(xiàn)象；因此綜合考慮多采用牛耕法的作業(yè)方式。

Liu等[20]提出了以搜索最短飛行路徑為目標(biāo)的路徑規(guī)劃算法(MOAA算法),該算法基于牛耕往復(fù)法，利用射線法避開(kāi)了多障礙物和凹多邊形障礙物區(qū)域。仿真試驗(yàn)表明,該算法可以減少總路徑長(zhǎng)度，優(yōu)化率可以達(dá)到14.2%。徐博等[21]針對(duì)植保施藥多個(gè)作業(yè)區(qū)域的情況,分析了多種覆蓋作業(yè)方式的優(yōu)劣，確定了牛耕法作為無(wú)人飛機(jī)在單區(qū)域內(nèi)的作業(yè)方式。得到了基于遺傳算法與TSP旅行商問(wèn)題的多個(gè)區(qū)域間作業(yè)順序，仿真結(jié)果表明,該規(guī)劃算法可以有效地實(shí)現(xiàn)全局航線的規(guī)劃,縮短了植保無(wú)人飛機(jī)的作業(yè)距離與區(qū)域間調(diào)度飛行的距離。武錦龍[22]針對(duì)多個(gè)作業(yè)區(qū)域，選擇了轉(zhuǎn)彎次數(shù)少，噴藥覆蓋率高的牛耕法。提出了一種基于粒子群算法的全局作業(yè)，將多塊區(qū)域作業(yè)路徑問(wèn)題轉(zhuǎn)化為粒子群算法的優(yōu)化模型。較好找到了植保無(wú)人飛機(jī)的近似最優(yōu)路徑，進(jìn)一步提高植保無(wú)人飛機(jī)噴藥作業(yè)工作效率。

2.2 柵格法

柵格法是將植保無(wú)人飛機(jī)的作業(yè)區(qū)域分成很多個(gè)具有二值信息的大小相同或不同的單元格。近年來(lái)廣泛采用Elfes和Moravec[23]等提出的柵格法，可飛和不可飛單元格是根據(jù)其中是否存在障礙物劃分。如圖5所示，障礙物輪廓用虛線表示，黃色柵格區(qū)域?yàn)椴豢娠w單元格，與之對(duì)應(yīng)的白色柵格區(qū)域?yàn)榭娠w單元格。全覆蓋航線規(guī)劃目前使用最為廣泛的是柵格法。

圖5 柵格法原理示意圖

當(dāng)使用“在線式”航線規(guī)劃方法時(shí)，單元格劃分越大，則精度越低，此時(shí)非障礙區(qū)域?qū)?huì)被標(biāo)記成障礙區(qū)域。而單元格越小，則精度越高，此時(shí)會(huì)增大計(jì)算量，增加成本。王宇等[24]提出了基于柵格法和引力搜索算法結(jié)合的路徑規(guī)劃方法，以最小化非植保工作時(shí)間為目的，計(jì)算合理的回歸點(diǎn)個(gè)數(shù)和位置。徐利鋒等[25]基于柵格法對(duì)目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行路徑點(diǎn)采樣，針對(duì)含有障礙物的目標(biāo)區(qū)域，提出了混合粒子群無(wú)人機(jī)航線算法。該算法的路徑點(diǎn)由柵格法來(lái)獲取，其次路徑點(diǎn)的排序由混合粒子群算法來(lái)完成，得出一條能夠規(guī)避障礙物，且對(duì)目標(biāo)區(qū)域全覆蓋的航線。試驗(yàn)結(jié)果表明：所提出的混合粒子群算法，能夠應(yīng)用在含多個(gè)障礙物的目標(biāo)區(qū)域，使得航線的轉(zhuǎn)彎次數(shù)減少，飛行時(shí)的能耗降低。

2.3 梯形分解法

梯形分解法是由Latombe等[26]提出，假設(shè)出一條與覆蓋方向一致的“割線”，在目標(biāo)區(qū)域內(nèi)沿著垂直方向進(jìn)行掃描，目標(biāo)區(qū)域內(nèi)部的不規(guī)則障礙物與“割線”分別呈相離、相切或相交狀態(tài)，依靠不同的狀態(tài)，可以將目標(biāo)區(qū)域中的非障礙部分劃分成多個(gè)子區(qū)域，且每個(gè)子區(qū)域的形狀都是梯形。如圖6(a)所示，有一塊多邊形障礙物處于目標(biāo)區(qū)域中，可以采用梯形分解法對(duì)區(qū)域進(jìn)行分解。

(a)含障礙物的工作區(qū)域

傳統(tǒng)梯形分解法使用傾斜角為0或π/2的一條水平或垂直“割線”對(duì)目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行分割，其“割線”方向是不變的。因此，Huang提出了“割線”方向可變的“線掃分割法(Line-sweep-based Decompositions)”[27]，“線掃分割法”是一個(gè)動(dòng)態(tài)比對(duì)的過(guò)程，其“割線”在傾斜角為0～π的范圍內(nèi)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。梯形分解法常應(yīng)用在作業(yè)目標(biāo)區(qū)域內(nèi)含有障礙物的情形，如圖6(b)所示，把目標(biāo)區(qū)域分割成5個(gè)子區(qū)域，又可以用牛耕往復(fù)法或者柵格法等來(lái)完成每個(gè)子區(qū)域的施藥任務(wù)，當(dāng)完成其中一個(gè)子區(qū)域施藥工作后，無(wú)人飛機(jī)自動(dòng)選擇最佳的連接航線，進(jìn)入下一個(gè)子區(qū)域進(jìn)行施藥工作。

3 植保無(wú)人飛機(jī)旋翼下洗氣流

3.1 下洗氣流的特征

研究人員對(duì)農(nóng)業(yè)植保無(wú)人飛機(jī)下洗氣流的分布特征進(jìn)行了相關(guān)研究。為了全面獲取旋翼向下洗氣流的三維(3D)數(shù)據(jù)，將CFD技術(shù)與測(cè)試相結(jié)合，可以很好地捕捉空間中下洗氣流的詳細(xì)特征，并分析其現(xiàn)象的原因。

Yang等[28]通過(guò)重新規(guī)范組(RNG)k-ε湍流模型和動(dòng)態(tài)網(wǎng)格技術(shù)，來(lái)研究懸停中的六旋翼農(nóng)業(yè)植保無(wú)人飛機(jī)下洗氣流的分布特性。結(jié)果表明，相鄰的旋翼“入口”和“出口”區(qū)域氣流的流動(dòng)使得下洗氣流的速度分布明顯不對(duì)稱(chēng)。Yoon等[29]對(duì)懸停中的四旋翼植保無(wú)人飛機(jī)的下洗氣流風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬和試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果表明，兩個(gè)相鄰旋翼之間的干擾氣流將影響試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。Zheng等[30]對(duì)一個(gè)六旋翼植保無(wú)人飛機(jī)在不同高度的下洗氣流進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，該氣流結(jié)合了滑動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)。結(jié)果表明，懸停高度就越大，下洗氣流場(chǎng)分布越均勻，地面效應(yīng)越小。張豪等[31]基于多孔模型，建立了基于六旋翼植物保護(hù)植保無(wú)人飛機(jī)下洗氣流的3D CFD模型。研究結(jié)果表明，下洗氣流的聚集將使下洗氣流的速度分布更加均勻，提高氣流的流速。王昌陵等[32]通過(guò)在單向線陣列中設(shè)置三個(gè)方向傳感器，測(cè)量在稻田工作的油動(dòng)力單旋翼植保無(wú)人飛機(jī)的機(jī)場(chǎng)。結(jié)果表明，最快氣流在飛行方向平行發(fā)生，其次是飛行方向和垂直方向的氣流速度，下洗氣流的寬度隨著飛行高度的降低而增加。植保無(wú)人飛機(jī)旋翼提供飛行升力的同時(shí)具有下洗氣流場(chǎng)，這是旋翼無(wú)人飛機(jī)大田低空作業(yè)的典型特征，如圖7所示。

圖7 旋翼無(wú)人機(jī)氣流作業(yè)特征

為了有效測(cè)量下洗氣流的流向特征，研究人員設(shè)計(jì)了風(fēng)場(chǎng)的可視化試驗(yàn)。根據(jù)氣流可視化技術(shù)，Mylapore等[33]使用視覺(jué)材料標(biāo)記技術(shù)直接觀察了旋翼無(wú)人機(jī)機(jī)身的流線化和地面下沖洗氣流的流線型分布。根據(jù)機(jī)器視覺(jué)，Pombeiro等[34]研究了多旋翼植保無(wú)人飛機(jī)水面下洗氣流引起的波紋特性。雖然下洗氣流的漩渦結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但流場(chǎng)的可視化可以有效地觀察下洗氣流的特征。

3.2 下洗氣流對(duì)霧滴的影響

以往固定翼飛機(jī)噴灑農(nóng)藥大多依靠霧滴的自然沉降達(dá)到靶標(biāo)區(qū)域[35]。如今旋翼無(wú)人飛機(jī)施藥時(shí)，其產(chǎn)生的下洗氣流對(duì)霧滴在空間中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律有著絕對(duì)性的影響[36]，體現(xiàn)在能挾持霧滴輸運(yùn)，提高霧滴對(duì)靶標(biāo)的穿透性和均勻性；對(duì)農(nóng)作物的冠層有擾動(dòng)作用，改變霧滴最終在農(nóng)作物上的位置。

已有研究表明，旋翼下洗氣流是影響霧滴運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵因素。Wang等[37]為探索了下洗氣流與作物樹(shù)冠相互作用的機(jī)制，在水稻頂上布置了一系列風(fēng)速傳感器，獲得了水稻不同高度的氣流速度。結(jié)果表明，水稻高度越低，下洗氣流速度的衰減速率就越大。王昌陵等[38]為探究植保無(wú)人飛機(jī)旋翼下洗氣流場(chǎng)對(duì)噴霧效果的影響，測(cè)試了不同飛行速度下旋翼下洗氣流分布特性與霧滴沉積分布特性。試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著飛行速度的提高，冠層位置X、Y、Z三個(gè)方向的下洗氣流強(qiáng)度總體表現(xiàn)為由強(qiáng)到弱、由集中到分散的分布狀態(tài)；下洗氣流與外界空氣相互作用產(chǎn)生的卷?yè)P(yáng)氣流形成X方向氣流，對(duì)霧滴產(chǎn)生逆飛行方向的作用；下洗卷?yè)P(yáng)氣流和地面效應(yīng)相互作用產(chǎn)生Y方向氣流，使霧滴朝向兩側(cè)垂直于航線分布；下洗氣流豎直向下的分量為Z方向氣流，具有促進(jìn)霧滴沉積作用；在飛行速度為1.0 m/s 和3.0 m/s時(shí)，霧滴沉積量與下洗氣流場(chǎng)風(fēng)速呈現(xiàn)出正相關(guān)關(guān)系，即與地面方向垂直的下洗氣流場(chǎng)越強(qiáng)，則霧滴沉積量越多；當(dāng)速度到6.0 m/s時(shí)，下洗氣流場(chǎng)風(fēng)速降低，使得氣流場(chǎng)對(duì)霧滴沉積的促進(jìn)作用逐漸消失。因此植保無(wú)人飛機(jī)作業(yè)時(shí)飛行速度不應(yīng)設(shè)置超過(guò)6.0 m/s，避免因下洗氣流場(chǎng)作用減弱而導(dǎo)致霧滴損失。陳盛德等[39]為了研究噴施霧滴在水稻植株的沉積分布規(guī)律，研究了2種不同型號(hào)無(wú)人機(jī)、不同作業(yè)參數(shù)對(duì)水稻冠層霧滴沉積分布結(jié)果的影響。結(jié)果顯示，隨著飛行高度和速度的增加，霧滴沉積量逐漸下降，且霧滴在空間的運(yùn)動(dòng)規(guī)律會(huì)受外界風(fēng)場(chǎng)的影響。樊佳榮[40]為探究不同工況下的下洗氣流聚合效應(yīng)對(duì)噴霧霧滴沉積規(guī)律的影響。統(tǒng)計(jì)了采樣面高度在 0 m、0.3 m和0.6 m上的霧滴沉積質(zhì)量。試驗(yàn)結(jié)果表面，隨采樣面高度的升高，越靠近無(wú)人飛機(jī)的旋翼，旋翼下洗氣流的風(fēng)速越大，對(duì)霧滴產(chǎn)生的向下挾持作用越強(qiáng)烈，能夠促進(jìn)霧滴的沉積,提高霧滴的抗漂移能力，導(dǎo)致0.3～0.6 m采樣面上的霧滴漂移損失率遠(yuǎn)小于0～0.3 m。秦維彩等[41]為探究無(wú)人飛機(jī)噴灑參數(shù)對(duì)霧滴在油菜不同冠層的覆蓋率，使用Deposit Scan圖像處理軟件，計(jì)算霧滴在油菜不同冠層的分布情況。試驗(yàn)結(jié)果表明：霧滴在油菜冠層上的覆蓋率受?chē)姙⒏叨鹊挠绊懕容^明顯，當(dāng)高度為1.5 m，速度為4 m/s時(shí)，在油菜下層的霧滴覆蓋率最大，占上層的53.7%；當(dāng)高度為2.0 m，速度為4 m/s時(shí)，油菜上層的霧滴覆蓋率最大，霧滴沉積分布最均勻，變異系數(shù)為40.21%。

除實(shí)際作業(yè)測(cè)試外，Wang等[42]在實(shí)驗(yàn)室測(cè)量了x、y、z方向下沖氣流的速度，利用了液滴空間質(zhì)量的平衡分布規(guī)律，證明下洗氣流對(duì)液滴的行為有重大影響：垂直于地面方向的下氣流可以改善水滴的沉積。Tang等[43]在實(shí)驗(yàn)室中利用高速粒子圖像測(cè)速法探索了旋翼轉(zhuǎn)速、旋翼與噴頭之間相對(duì)位置對(duì)霧滴運(yùn)動(dòng)行為的影響，證實(shí)了下洗氣流對(duì)霧滴沉積量和分布均勻性的影響作用。楊東輝[44]為了探究上揚(yáng)的側(cè)向氣流流動(dòng)對(duì)噴霧場(chǎng)的影響，搭建室內(nèi)多功能植保噴霧施藥平臺(tái)，設(shè)定了四組參數(shù)(0.5 m，0 m/s)，(1 m，0 m/s)，(1 m，1.2 m/s)，(1.5 m，1.2 m/s)，得到了四組沉積效果圖。分析高度為1 m和0.5 m的軌跡分布圖，高度在0.5 m處的下氣流場(chǎng)更加紊亂，使得霧滴破碎形成更多顆粒，顆粒分布更加密集。此外流場(chǎng)的側(cè)向流在高度0.5 m處非常嚴(yán)重，使得顆粒受側(cè)向流流動(dòng)而產(chǎn)生漂移，呈現(xiàn)出十字型擴(kuò)散，并且顆粒回卷現(xiàn)象發(fā)生在邊界處。而在高度1 m處近似于菱形擴(kuò)散；分析高度1 m處有無(wú)來(lái)流情況的分布圖，顆粒分布在x軸的正方向比負(fù)方向更容易受到來(lái)流作用而漂移的更遠(yuǎn)。由于下洗氣流場(chǎng)對(duì)來(lái)流有很強(qiáng)的抵制作用，使得顆粒在噴頭的下方?jīng)]有發(fā)生明顯偏移的現(xiàn)象。此外x軸負(fù)方向渦流的產(chǎn)生，使得顆粒發(fā)生回卷現(xiàn)象；分析高度1 m 和1.5 m的顆粒分布場(chǎng)，隨著高度提升，旋翼下流場(chǎng)強(qiáng)度分布層次豐富，使得一些揚(yáng)起的霧滴漂移現(xiàn)象發(fā)生在高度1.5 m處的左側(cè)。無(wú)人飛機(jī)旋翼下流場(chǎng)呈聚合、收縮以及下壓的姿態(tài)，對(duì)霧滴的沉降是十分有利的。楊風(fēng)波等[45]為探究風(fēng)場(chǎng)分布不明晰導(dǎo)致的霧滴分布不均問(wèn)題，引入霧滴離散相，修正了連續(xù)相的動(dòng)量、能量方程，結(jié)合雷諾平均N-S方程及Realizablek-ε湍流模型，建立了下洗氣流三維數(shù)學(xué)模型。試驗(yàn)結(jié)果表明，霧滴主要分布在“旋翼間干擾”明顯的3個(gè)“引入?yún)^(qū)”和“導(dǎo)出區(qū)”，霧滴群交織分布在下洗區(qū)內(nèi)側(cè)。由于旋翼的高速旋轉(zhuǎn)，霧滴除了受下洗氣流向下作用，還到旋翼旋轉(zhuǎn)方向的周向力的作用，因此霧滴除了有水平和豎直方向的運(yùn)動(dòng)，還有繞下洗區(qū)中心的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。此外下洗核心區(qū)氣流速度大，所以該區(qū)壓力比大氣壓小，從而大氣對(duì)該區(qū)有壓縮的外力，且隨著下洗區(qū)向下發(fā)展，風(fēng)速逐步減小，下洗區(qū)和外圍壓差減小，下洗區(qū)呈現(xiàn)出“喇叭狀”的變化，這種氣流變化使霧滴群在橫向位移達(dá)到最大值后出現(xiàn)反向水平運(yùn)動(dòng)。

旋翼下洗氣流是影響霧滴運(yùn)動(dòng)分布的關(guān)鍵因素。1970年美國(guó)農(nóng)業(yè)部林業(yè)局的Dumbauld和軍方研發(fā)了一款用于固定翼飛機(jī)施藥的FSCBG沉積預(yù)測(cè)模型，此模型對(duì)復(fù)雜氣流的沉積預(yù)測(cè)效果不太理想[46]。因此，美國(guó)農(nóng)業(yè)部林業(yè)局、美國(guó)宇航局和美國(guó)軍方合作研發(fā)出AGDISP模型，其目的是應(yīng)用在林業(yè)、農(nóng)業(yè)等航空噴灑的沉積計(jì)算[47]。從霧滴分布和旋翼氣流特征來(lái)看無(wú)人飛機(jī)作業(yè)系統(tǒng)，其像一個(gè)“會(huì)飛的”風(fēng)送式噴霧系統(tǒng)。除了機(jī)體位置、施藥量、施藥角度等參數(shù)不同外[48]，最大差別在于旋翼對(duì)空氣的反作用力作為該系統(tǒng)的風(fēng)送氣流。由此可借鑒風(fēng)送式噴霧系統(tǒng)的研究成果，進(jìn)一步研究植保無(wú)人飛機(jī)施藥時(shí)各個(gè)飛行參數(shù)與霧滴運(yùn)動(dòng)規(guī)律的關(guān)系，也是未來(lái)施藥作業(yè)的重要研究方向。

4 田間植保技術(shù)

4.1 航空植保技術(shù)

早在1911年，為了解決森林病蟲(chóng)害問(wèn)題，德國(guó)人開(kāi)始使用飛機(jī)噴灑農(nóng)藥。目前美國(guó)是具有比較完善的航空植保技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系，為了解決航空植保施藥中植保無(wú)人飛機(jī)的飛行、施藥作業(yè)等問(wèn)題，美國(guó)聯(lián)邦航空局頒布了《聯(lián)邦航空規(guī)章》，此外《農(nóng)業(yè)航空噴灑設(shè)備校準(zhǔn)和分布模式測(cè)試》包含了主要的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。以往我國(guó)的植保無(wú)人飛機(jī)多采用固定翼，飛機(jī)的起飛和著陸必須使用跑道。此類(lèi)飛機(jī)的飛行速度快、作業(yè)效率高，但霧滴漂移較多，從而使得農(nóng)藥浪費(fèi)和污染環(huán)境。而無(wú)人直升機(jī)具有農(nóng)藥用量少、防治效率高、智能化程度高、可以撒播植物種子等諸多優(yōu)點(diǎn)[49]。使得植保無(wú)人飛機(jī)廣泛應(yīng)用在水稻、小麥、棉花、油菜、玉米、果樹(shù)等農(nóng)作物的蟲(chóng)害防治中。

4.2 植保無(wú)人飛機(jī)在大田的應(yīng)用

水稻是我國(guó)三大糧食作物中種植面積最大的作物。薛新宇等[50]為了闡明N-3型植保無(wú)人飛機(jī)對(duì)稻飛虱和稻縱卷葉螟的防治效果及應(yīng)用前景，通過(guò)篩選N-3型無(wú)人直升機(jī)施藥參數(shù)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)無(wú)人直升機(jī)在3m高度下施藥的效果最好，防治效果優(yōu)于傳統(tǒng)的擔(dān)架式噴霧機(jī)。目前植保無(wú)人飛機(jī)防治水稻病蟲(chóng)害主要以常規(guī)農(nóng)藥為主，用納米水性農(nóng)藥防治水稻病蟲(chóng)害報(bào)道較少。因此，李燕芳等[51]進(jìn)行植保無(wú)人飛機(jī)噴施30%苯甲·丙環(huán)唑微乳劑防治水稻紋枯病、稻瘟病和稻曲病的試驗(yàn)，及探究對(duì)水稻生長(zhǎng)的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，植保無(wú)人飛機(jī)噴施30%苯甲·丙環(huán)唑微乳劑對(duì)水稻紋枯病病株、稻瘟病病穗、稻曲病病穗與人工施藥的防治效果相比，差異不大。但該施藥方式對(duì)水稻中后期主要病害防治效果均優(yōu)于對(duì)照藥劑和人工施藥的防治效果。

張宋超等[52]為保證植保無(wú)人飛機(jī)在麥田高效作業(yè)，將植保無(wú)人飛機(jī)的飛行速度和高度設(shè)置成三個(gè)不同水平。研究結(jié)果表明，在飛行速度3.0 m/s，飛行高度2.0 m，噴灑流量2.0 L/min組合下有效幅寬達(dá)到最大值為5.78 m，在飛行速度3.0 m/s，飛行高度1.5 m，噴灑流量2.0 L/min組合下霧滴最大穿透率63.8%。實(shí)現(xiàn)了蚜蟲(chóng)90%以上、白粉病80%以上和赤霉病88%以上的防治效果。

蒙艷華等[53]為研究棉花收獲前植保無(wú)人飛機(jī)噴施脫葉催熟劑的效果，對(duì)4種棉花品種噴施脫葉催熟劑。試驗(yàn)結(jié)果表明，植保無(wú)人飛機(jī)施藥后霧滴在4種棉花上的沉積分布均呈現(xiàn)出上部霧滴覆蓋率顯著高于中部和下部冠層的霧滴覆蓋率，中部和下部霧滴覆蓋率無(wú)顯著性差異的特點(diǎn)。使用植保無(wú)人飛機(jī)對(duì)不同棉花品種噴施脫葉催熟劑，可以滿足采棉對(duì)脫葉率和吐絮率的要求，且不會(huì)對(duì)棉花纖維品質(zhì)和產(chǎn)量構(gòu)成因子造成不良影響。

張宋超等[54]為探索油菜田雜草看麥娘的有效防治，使用Deposit Scan軟件對(duì)霧滴沉積覆蓋率和沉積密度分析。結(jié)果表明在其他條件相同時(shí)，與人工施藥對(duì)比，小霧滴粒徑能夠增加植保無(wú)人飛機(jī)噴灑的覆蓋率和沉積密度。植保無(wú)人飛機(jī)防治油菜田雜草看麥娘，在條件允許情況下，采用大流量、小霧滴作業(yè)噴灑，可提高防治效果。

趙冰梅等[55]為探究玉米灌漿期三點(diǎn)斑葉蟬的防治效果，對(duì)農(nóng)藥?kù)F滴在玉米冠層的沉積分布及對(duì)三點(diǎn)斑葉蟬防治效果進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：旋翼產(chǎn)生的下洗氣流使霧滴具有穿透性，且玉米冠層不同部位和葉片正反兩面均可著藥。隨著高度增加，玉米葉片感知到旋翼向下的氣流減弱;速度的增加，致使進(jìn)入玉米冠層內(nèi)的風(fēng)量減少，使冠層頂部到下部的霧滴沉積密度明顯減少。

總體上可以看出，近年來(lái)植保無(wú)人飛機(jī)在施藥領(lǐng)域的研究取得了快速發(fā)展，但在稻田噴霧作業(yè)過(guò)程中，還存在失控、噴頭堵塞、重噴、漏噴、防治效果不穩(wěn)定等問(wèn)題。隨著無(wú)人飛機(jī)的飛控和避障等技術(shù)的不斷發(fā)展，植保無(wú)人飛機(jī)必將成為大田病蟲(chóng)害防治的主要手段。

4.3 植保無(wú)人飛機(jī)在果樹(shù)的應(yīng)用

在我國(guó)果樹(shù)栽培中，梨、桃、柑橘、蘋(píng)果等的栽培面積和產(chǎn)量均位于前列。目前在大田作物上植保無(wú)人飛機(jī)噴藥已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，也開(kāi)始逐漸應(yīng)用在果樹(shù)上，并且開(kāi)始對(duì)一些果樹(shù)的施藥形成了參數(shù)。蒙艷華等[56]為了探明植保無(wú)人飛機(jī)噴霧霧滴在主干形果樹(shù)冠層中的沉積分布規(guī)律，分別針對(duì)主干形桃樹(shù)和梨樹(shù)設(shè)計(jì)了4種飛行速度的噴霧作業(yè)。結(jié)果表明，對(duì)于主干形桃樹(shù)和梨樹(shù)，飛行速度對(duì)于霧滴分布均勻性的影響較大，其中對(duì)桃樹(shù)霧滴分布均勻性影響最大。飛行速度為2 m/s時(shí)的霧滴沉積密度最大，此時(shí)霧滴在主干形桃樹(shù)和梨樹(shù)不同位置的沉積分布比較均勻。

韓鵬等[57]為明確航空噴霧在丘陵果園對(duì)柑橘的影響，研究了3類(lèi)噴霧助劑對(duì)丘陵柑橘冠層及地面的沉積量分布規(guī)律。結(jié)果表明：在同一作業(yè)參數(shù)條件下，不同類(lèi)型助劑對(duì)霧滴密度、覆蓋率、沉積量的影響均不同。在對(duì)山地丘陵柑橘園進(jìn)行精準(zhǔn)航空施藥時(shí)，在藥液中添加體積分?jǐn)?shù)為1.0%的倍達(dá)通、1.0%的Y-20079或0.5%的806，均可有效提高丘陵柑橘冠層的施藥效果。

張盼等[58]研究了作業(yè)高度和噴頭類(lèi)型對(duì)無(wú)人飛機(jī)在柑橘果園噴霧效果的影響。結(jié)果顯示，作業(yè)高度為1.0 m時(shí)的噴霧效果明顯優(yōu)于2.0 m和0.5 m時(shí)的；采用壓力式噴頭噴霧，藥液在葉面的覆蓋率大于采用離心轉(zhuǎn)子噴頭噴霧，霧滴沉積密度則相反。

王明等[59]為明確助劑在農(nóng)藥減施增效中的作用，對(duì)矮砧紡錘形栽培模式蘋(píng)果園果樹(shù)冠層噴霧的霧滴沉積分布及蘋(píng)果黃蚜Aphis spiraecola防治效果進(jìn)行研究。通過(guò)測(cè)定添加助劑對(duì)溶液表面張力、接觸角、霧滴體積中徑和鋪展系數(shù)等溶液性質(zhì)的影響，分析了植保無(wú)人飛機(jī)噴灑霧滴在矮化密植蘋(píng)果園冠層的沉積密度、沉積量以及對(duì)蘋(píng)果黃蚜防治效果的影響。結(jié)果表明，植保無(wú)人飛機(jī)低容量噴霧常規(guī)用量毒死蜱乳油時(shí)，在藥液中添加助劑后，溶液的表面張力降低；在蘋(píng)果葉片上的接觸角比蒸餾水的減小很多；霧滴體積中徑顯著增加；提高農(nóng)藥在果樹(shù)上的沉積量及對(duì)蘋(píng)果黃蚜的防治效果。

目前，我國(guó)對(duì)山地果園噴霧的植保無(wú)人飛機(jī)還處在研究應(yīng)用階段，對(duì)山地丘陵果園的識(shí)別不精準(zhǔn)、飛行噴藥航線與設(shè)定航線存在連續(xù)和吻合性偏差。如何做到對(duì)山地丘陵果樹(shù)冠層更加精準(zhǔn)噴霧，將成為未來(lái)植保無(wú)人飛機(jī)在山地丘陵果園施藥的重要方向，該探究可為航空噴霧技術(shù)的研發(fā)改進(jìn)提供研究依據(jù)。

5 安全施藥技術(shù)規(guī)范

農(nóng)藥是重要的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)工具，對(duì)農(nóng)業(yè)有害生物的防治有著重要地位，同時(shí)農(nóng)藥也是有毒危險(xiǎn)品，因此對(duì)農(nóng)藥使用有一定的技術(shù)要求。為了規(guī)范植保無(wú)人飛機(jī)安全施藥技術(shù)，中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化協(xié)會(huì)和中國(guó)農(nóng)藥工業(yè)協(xié)會(huì)等針對(duì)植保無(wú)人飛機(jī)噴霧沉積測(cè)量、航路規(guī)劃、農(nóng)藥使用等制定了一系列標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)的全面實(shí)施，將提高植保無(wú)人飛機(jī)施藥的安全性，可以淘汰一批不符合監(jiān)管要求的植保無(wú)人飛機(jī)，使得未來(lái)植保無(wú)人飛機(jī)產(chǎn)品更便于政府部門(mén)的管理[60]。

5.1 靜電噴霧技術(shù)

傳統(tǒng)靜電噴霧技術(shù)在航空作業(yè)的基礎(chǔ)上發(fā)展成農(nóng)業(yè)航空靜電噴霧技術(shù)，在噴頭與農(nóng)作物靶標(biāo)間形成靜電場(chǎng)[61]，使其在高壓靜電的作用下，帶電藥液吸附作用于農(nóng)作物靶標(biāo)的正反面。中國(guó)在21世紀(jì)初對(duì)農(nóng)業(yè)航空靜電噴霧技術(shù)開(kāi)始研究，其標(biāo)志是新疆通用航空有限責(zé)任公司引進(jìn)一套航空靜電噴霧Z03K000B系統(tǒng)關(guān)鍵部件和噴嘴為開(kāi)端[62]。在西方發(fā)達(dá)國(guó)家，農(nóng)業(yè)航空靜電噴霧技術(shù)發(fā)展比較成熟。最早開(kāi)展了農(nóng)業(yè)航空靜電噴霧技術(shù)的研究是美國(guó)農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)研究服務(wù)署的Carlton等[63]，在1966年研究出電動(dòng)旋轉(zhuǎn)靜電噴頭。為探究雙極交替充電模式對(duì)航空靜電噴霧系統(tǒng)的霧化、充電和沉積特性，美國(guó)田納西大學(xué)的Kihm等[64]展開(kāi)研究。此外，為探索霧滴經(jīng)噴頭釋放后，周?chē)植康南鄬?duì)濕度和飛機(jī)尾流對(duì)霧滴溫度的影響，Teske等[65]研究了航空靜電噴霧漂移與霧滴蒸發(fā)效應(yīng)。中國(guó)可借鑒國(guó)外經(jīng)驗(yàn)，繼續(xù)對(duì)靜電噴霧參數(shù)相互影響機(jī)理、霧滴帶電與農(nóng)作物表面相互交互作用等問(wèn)題開(kāi)展更深入的研究，把對(duì)霧滴帶電研究轉(zhuǎn)成對(duì)農(nóng)業(yè)航空靜電噴霧技術(shù)系統(tǒng)的整體研究。

5.2 低空低量施藥技術(shù)

低量施藥技術(shù)是使用超細(xì)霧狀的方式噴灑，使得一層農(nóng)藥膜在植物絨毛的表面形成，將農(nóng)藥均勻地噴灑到莖葉背面和根部，大大增加了農(nóng)藥與病菌和害蟲(chóng)接觸的概率，解決過(guò)量施藥造成的環(huán)境污染問(wèn)題。莊浪縣首次引進(jìn)山東衛(wèi)士植保機(jī)械有限公司生產(chǎn)的十八旋翼無(wú)人植保機(jī)和超低量施藥技術(shù)[66]，解決了病蟲(chóng)草害反復(fù)感染，防治效果差等問(wèn)題。朱玉坤[67]為探明棉花在防治棉蚜Aphis gossypii的噴藥量、噴霧方式、藥劑特點(diǎn)三者與藥效之間的關(guān)系，研究了棉花上棉蚜防治的低容量施藥技術(shù)。為了明確了殺蟲(chóng)劑對(duì)霧滴密度和棉蚜死亡率關(guān)系的影響，霧滴密度的測(cè)量由霧滴密度卡來(lái)完成。為了確定防治棉蚜的最佳噴霧方式和噴霧量，分析不同噴霧方式噴霧時(shí)藥液沉積分布規(guī)律。由南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所等單位完成的863項(xiàng)目“水田超低空低量施藥技術(shù)研究與裝備創(chuàng)制”。使用高效低污染施藥技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)等高新技術(shù)的融合，研發(fā)了無(wú)人駕駛的超低空低量噴施技術(shù)及裝備。施藥作業(yè)提高了10倍以上的效率，35%以上的農(nóng)藥有效利用率，20%以上的農(nóng)藥節(jié)約量。

5.3 低漂移噴霧技術(shù)

農(nóng)藥漂移是指在施藥過(guò)程中或結(jié)束后，在外界條件下影響下，農(nóng)藥?kù)F滴從靶標(biāo)區(qū)漂移到非靶標(biāo)區(qū)的運(yùn)動(dòng)，蒸發(fā)和隨風(fēng)漂移都屬于農(nóng)藥漂移，前者是由農(nóng)藥的揮發(fā)性引起，而后者是由于細(xì)小霧滴被氣流挾帶到非靶標(biāo)區(qū)引起。與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)藥械和施藥技術(shù)都有較大的差距，在對(duì)農(nóng)藥漂移的研究也比較少。曾愛(ài)軍[68]為了減少霧滴漂移，分析影響農(nóng)藥?kù)F滴漂移的各種因素。在對(duì)國(guó)外控制霧滴漂移技術(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行總結(jié)，提出采用導(dǎo)流罩蓋技術(shù)。對(duì)雙圓弧導(dǎo)流罩蓋的防飄機(jī)理和霧滴的運(yùn)動(dòng)及沉積，采用計(jì)算流體力學(xué)軟件進(jìn)行了模擬分析與試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，導(dǎo)流風(fēng)幕的作用決定了雙圓弧導(dǎo)流罩蓋的防飄性能。出風(fēng)口下方的流場(chǎng)受到較大的風(fēng)幕作用的影響，增加了垂直向下的氣流分速度，使得霧滴在噴頭下方的靶標(biāo)區(qū)域運(yùn)動(dòng)，增加了霧滴沉積率。在西方發(fā)達(dá)國(guó)家中，對(duì)藥械的升級(jí)和新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)都考慮如何減少漂移。Bode和Butler認(rèn)為霧化裝置產(chǎn)生的霧滴大小范圍決定了農(nóng)藥?kù)F滴的漂移、沉積和覆蓋，若沉積在靶標(biāo)上是細(xì)小的霧滴，則能夠有很好的覆蓋和防治效果，但小霧滴容易隨風(fēng)漂移。

6 存在問(wèn)題

通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外植保無(wú)人飛機(jī)施藥技術(shù)研究進(jìn)展進(jìn)行分析總結(jié)，發(fā)現(xiàn)我國(guó)植保無(wú)人飛機(jī)技術(shù)研究還存在以下幾個(gè)方面的不足。

1)飛控系統(tǒng)仍未成熟，運(yùn)用在植保無(wú)人飛機(jī)上常規(guī)的PID算法、PID智能，很多是基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的PID算法和部分回路中使用的模糊自適應(yīng)PID算法。雖然加入植保領(lǐng)域的植保無(wú)人飛機(jī)企業(yè)是以百計(jì)數(shù)，但是真正擁有農(nóng)業(yè)植保飛控研發(fā)能力的企業(yè)并不多。

2)航路規(guī)劃的是任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)當(dāng)中一個(gè)重要環(huán)節(jié)，引導(dǎo)無(wú)人飛機(jī)怎樣選擇最佳的航路來(lái)完成任務(wù)。目前隨著植保無(wú)人飛機(jī)所執(zhí)行任務(wù)的要求越來(lái)越高，以及作業(yè)區(qū)域各種因素的不確定性，對(duì)航路規(guī)劃的要求也將越來(lái)越高。此外航線規(guī)劃是復(fù)雜的優(yōu)化問(wèn)題，理論上沒(méi)有絕對(duì)的最優(yōu)解，只能得到靠近最優(yōu)解的解。

3)對(duì)旋翼植保無(wú)人飛機(jī)風(fēng)場(chǎng)的研究主要集中在空間維度上，對(duì)無(wú)人飛機(jī)在時(shí)間維度的流動(dòng)特征的科研成果很少報(bào)道。此外對(duì)旋翼無(wú)人飛機(jī)風(fēng)場(chǎng)下霧滴運(yùn)動(dòng)規(guī)律研究不足。無(wú)人飛機(jī)旋翼數(shù)量和分布不同，產(chǎn)生的旋翼下洗氣流以及對(duì)霧滴在空間的分布規(guī)律也不同，可應(yīng)用到改善霧滴沉降效果的基礎(chǔ)性理論不多。

4)植保無(wú)人飛機(jī)靜電施藥系統(tǒng)中電極荷電等核心技術(shù)理論研究不足，其中帶電材料在絕緣性能方面達(dá)不到要求，導(dǎo)致系統(tǒng)部件發(fā)生漏電現(xiàn)象。此外，靜電噴頭的荷電性能和霧化效果直接影響施藥效果，對(duì)靜電噴頭研究不足，在靜電噴頭產(chǎn)生的霧滴粒徑大小、霧滴載多少電荷量、霧滴漂移等問(wèn)題并無(wú)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，嚴(yán)重制約了靜電施藥技術(shù)的推廣應(yīng)用。

5)航天飛行器的法律法規(guī)有待完善，方便政府部門(mén)進(jìn)行管理。植保無(wú)人飛機(jī)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)亟需進(jìn)一步完善，促進(jìn)其健康發(fā)展。植保無(wú)人飛機(jī)的硬件和軟件存在許多技術(shù)問(wèn)題，需要花費(fèi)大量時(shí)間來(lái)解決。需要越來(lái)越多從事該事業(yè)的人員共同探討植保無(wú)人飛機(jī)在市場(chǎng)的推廣和應(yīng)用。

7 展望

為了促進(jìn)植保無(wú)人飛機(jī)的健康發(fā)展，2018年中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化協(xié)會(huì)頒布了首部植保無(wú)人飛機(jī)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)——《植保無(wú)人飛機(jī)質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范》(NY/T 3213—2018)[69]。如今我國(guó)植保機(jī)械標(biāo)準(zhǔn)已有82個(gè)，覆蓋范圍廣，其標(biāo)準(zhǔn)多與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)接軌。目前國(guó)內(nèi)植保無(wú)人飛機(jī)施藥技術(shù)的研究仍處于螺旋式上升階段。從長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展的角度來(lái)看，隨著土地流轉(zhuǎn)、單位面積噴灑費(fèi)用上升以及勞動(dòng)力短缺等變化，植保無(wú)人飛機(jī)施藥技術(shù)有較大的發(fā)展空間，對(duì)于未來(lái)植保無(wú)人飛機(jī)施藥技術(shù)我們有以下幾點(diǎn)期待。

當(dāng)以往傳統(tǒng)的單一飛行控制方案不能滿足植保無(wú)人飛機(jī)的性能需求時(shí)，復(fù)合控制方法將成為未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)。當(dāng)使用一種規(guī)劃方法無(wú)法滿足航線規(guī)劃要求時(shí)，全局和局部搜索方法的結(jié)合將是一種趨勢(shì)，且處在不確定環(huán)境因素下的實(shí)時(shí)航路規(guī)劃將是未來(lái)的研究重點(diǎn)。

靜電噴霧技術(shù)、低空低量施藥技術(shù)和低漂移噴霧技術(shù)的關(guān)鍵在于建立霧滴漂移和分布模型，所以針對(duì)旋翼植保無(wú)人飛機(jī)施藥建立系統(tǒng)的霧滴漂移和分布模型是未來(lái)研究發(fā)展趨勢(shì)。因此，可以以四旋翼農(nóng)業(yè)植保無(wú)人飛機(jī)為研究對(duì)象，結(jié)合可壓縮RANS方程、SST，研究處于懸停狀態(tài)的四旋翼農(nóng)業(yè)植保無(wú)人飛機(jī)在空間和時(shí)間維度下下洗氣流的分布特征。

未來(lái)植保無(wú)人飛機(jī)施藥技術(shù)會(huì)由單一模式向多元化模式轉(zhuǎn)變，且減少農(nóng)藥使用是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。按照農(nóng)作物自身需求給出合適的藥量是減量的關(guān)鍵，這就要求需要精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)，且快速處理病蟲(chóng)草害的信息。因此，需要加強(qiáng)多機(jī)合作等方面研究。搭載監(jiān)測(cè)平臺(tái)，獲取并處理病蟲(chóng)草害信息，規(guī)劃植保無(wú)人飛機(jī)施藥航線，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)噴灑，完成施藥作業(yè)。

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力的提高還在于航空植保技術(shù)，改善農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，防止生態(tài)環(huán)境受到污染。對(duì)航空植保技術(shù)的扶植力度還需進(jìn)一步的加強(qiáng)，讓航空植保技術(shù)能夠發(fā)揮出真正的力量，促進(jìn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展。

植保無(wú)人飛機(jī)產(chǎn)品的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)體系較為完善，但服務(wù)能力以及配套服務(wù)不足，有保障的后續(xù)服務(wù)亟需提高。民用無(wú)人飛機(jī)不夠貼近民生，還是要更接地氣。