丁全利，郭鳳艷

(1.通化縣農(nóng)業(yè)綜合行政執(zhí)法大隊(duì)，吉林 通化 134100；2.通化縣快大茂鎮(zhèn)綜合服務(wù)中心，吉林 通化 134100)

0 引言

無人機(jī)目前主要應(yīng)用至農(nóng)業(yè)生產(chǎn)(植保飛防與遙感技術(shù))、安防工作(偵查、搜索、追蹤等)、創(chuàng)意航拍、巡檢、導(dǎo)航及測繪等[1-2]。農(nóng)用植保無人機(jī)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)各項(xiàng)作業(yè)環(huán)節(jié)，在播種、植保、病蟲害預(yù)防、農(nóng)作物長勢監(jiān)測及作物產(chǎn)量預(yù)測等方面具有眾多應(yīng)用優(yōu)勢，與傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)相比，無人機(jī)具有精準(zhǔn)作業(yè)、高效環(huán)保、操作簡單、自動化及智能化程度高等特點(diǎn)，可以顯著提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，保障我國糧食安全，加快農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展[3-5]。

由于植保無人機(jī)在我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中發(fā)展時(shí)間較短，相關(guān)技術(shù)及規(guī)范體系相對不完善，進(jìn)而引發(fā)了相關(guān)植保無人機(jī)飛防事故，或者植保無人機(jī)飛防效果不佳等現(xiàn)象。因此，分析植保無人機(jī)飛防優(yōu)勢及其注意事項(xiàng)，對于推動農(nóng)用植保無人機(jī)技術(shù)的發(fā)展具有重要意義。

1 植保無人機(jī)的定義及發(fā)展優(yōu)勢

1.1 定義

植保無人機(jī)是指用于農(nóng)林植物等保護(hù)作業(yè)工序的無人駕駛飛機(jī)，主要通過地面工作人員進(jìn)行遠(yuǎn)程遙控對無人機(jī)的飛行路線進(jìn)行規(guī)劃，進(jìn)而完成農(nóng)林植物的病蟲害防治、葉面肥噴施等作業(yè)[6]。

1.2 分類

1.2.1 按不同飛行平臺分

植保無人機(jī)按照飛行平臺不同可以分為直升機(jī)植保無人機(jī)、多旋翼植保無人機(jī)[7]。

1)直升機(jī)植保無人機(jī)。主要是通過調(diào)整飛機(jī)的主槳實(shí)現(xiàn)植保無人機(jī)的運(yùn)動，具有統(tǒng)一且穩(wěn)定的下壓風(fēng)場，在空中具有更強(qiáng)的穿透力，但是結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，對操作人員的專業(yè)技術(shù)水平要求較高，當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)，需要較長的維修周期。

2)多旋翼植保無人機(jī)。按照旋翼數(shù)量又可以分為四旋翼、六旋翼、八旋翼，甚至十八旋翼等。多旋翼植保無人機(jī)是目前應(yīng)用最為廣泛的新型植保無人機(jī)，具有操作方便、結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格相對較為低廉等優(yōu)勢，在進(jìn)行農(nóng)業(yè)操作時(shí)，不需要專門的飛機(jī)起降場地，起降較為方便。目前市面上，多旋翼植保無人機(jī)還引入了路線規(guī)劃系統(tǒng)，在進(jìn)行噴灑作業(yè)時(shí)，可以避免重噴、漏噴等現(xiàn)象。但是由于飛行平臺較小，導(dǎo)致無人機(jī)載重質(zhì)量及續(xù)航時(shí)間較低，由于存在多個(gè)旋翼，在空中飛行過程中會存在多個(gè)互相干擾的風(fēng)場，植保效果較直升機(jī)差。

1.2.2 按動力類型不同分

植保無人機(jī)按照動力類型的不同可以分為油動無人機(jī)及電動無人機(jī)，目前，我國主要以電動植保無人機(jī)為主。目前主要分為油動直升機(jī)植保無人機(jī)、電動直升機(jī)植保無人機(jī)、電動多旋翼植保無人機(jī)。

1)油動直升機(jī)植保無人機(jī)。具有續(xù)航時(shí)間長、載重大等優(yōu)勢，但是在使用過程中存在機(jī)器調(diào)試?yán)щy、壽命相對較短等特點(diǎn)，其發(fā)動機(jī)使用壽命僅為300 h左右，機(jī)器維護(hù)成本較為昂貴，操作人員需要經(jīng)過專業(yè)、嚴(yán)格的技術(shù)培訓(xùn)才可以進(jìn)行操作。目前主要以日本雅馬哈為主要生產(chǎn)廠家，在日本使用較為普遍，其使用費(fèi)用約為1 500元·hm-2，這也是日本水稻價(jià)格遠(yuǎn)高于市場平均價(jià)格的主要原因之一[8]。

2)電動直升機(jī)植保無人機(jī)。是由于油動直升機(jī)植保無人機(jī)發(fā)動機(jī)壽命短、維護(hù)成本高而逐漸發(fā)展起來的新型直升機(jī)植保無人機(jī)，目前以鋰電池作為主要?jiǎng)恿碓?，雖然電機(jī)使用壽命在逐漸提高，但是其續(xù)航能力及載重質(zhì)量都逐漸下降，因此，直升機(jī)植保在我國市場中的保有量遠(yuǎn)低于多旋翼植保無人機(jī)的數(shù)量。

3)電動多旋翼植保無人機(jī)。主要特點(diǎn)為操作簡單，性能可靠，是目前市面上的主流機(jī)型之一，操作人員經(jīng)過十天培訓(xùn)就可以熟練操作，但是由于鋰電池性能在續(xù)航方面較差，因此，需要頻繁更換電池保證機(jī)器的作業(yè)。

1.3 應(yīng)用優(yōu)勢

1.3.1 提高作業(yè)效率

農(nóng)用植保無人機(jī)的作業(yè)效率是傳統(tǒng)人工作業(yè)的60倍以上，且存在自動路線規(guī)劃系統(tǒng)，可以避免重復(fù)作業(yè)或者遺漏。隨著農(nóng)業(yè)集約化、大型化發(fā)展，農(nóng)業(yè)耕地逐漸集中，當(dāng)幾千畝耕地出現(xiàn)病蟲害，無法依靠人力進(jìn)行快速防治，而使用農(nóng)業(yè)植保無人機(jī)可以在最短的時(shí)間內(nèi)解決大面積病蟲害的問題，提高作業(yè)效率，對于實(shí)現(xiàn)我國糧食高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)具有重要意義。

1.3.2 作業(yè)效果良好

植保無人機(jī)在進(jìn)行農(nóng)業(yè)作業(yè)時(shí)，可以將藥物快速噴灑，并且下行氣流可以促進(jìn)霧滴更好地附著在植株葉片及根莖部，提高作業(yè)效果。

1.3.3 操作簡單

據(jù)統(tǒng)計(jì)，每年由于人工噴藥導(dǎo)致的農(nóng)藥中毒人數(shù)約為10萬人左右，其中還存在一定比例的死亡人數(shù)，傳統(tǒng)病蟲害防治方式主要依靠人力背負(fù)進(jìn)行噴灑藥物，人體處于有毒液體環(huán)境中，一旦不注意防護(hù)便會出現(xiàn)人員中毒現(xiàn)象。植保無人機(jī)操作簡單。起降方便，且對操作人員的培訓(xùn)周期短，對人員專業(yè)知識要求不高，利用植保無人機(jī)進(jìn)行防治工作，可以保持人員遠(yuǎn)離作業(yè)區(qū)域，保證工作人員的身體健康，還可以減少農(nóng)藥殘留造成的土壤、水流環(huán)境污染等問題。

2 植保無人機(jī)的基本結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)組成

由于目前植保無人機(jī)主要以多旋翼植保無人機(jī)為主，因此，針對多旋翼植保無人機(jī)的基本結(jié)構(gòu)及組成進(jìn)行系統(tǒng)闡述與介紹。因此，在下文出現(xiàn)“植保無人機(jī)”，默認(rèn)為“電動多旋翼植保無人機(jī)”。多旋翼植保無人機(jī)主要由飛行系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、鏈路系統(tǒng)、機(jī)身部件等構(gòu)成。

2.1 飛行系統(tǒng)

飛行系統(tǒng)主要是通過內(nèi)部高級算法對無人機(jī)的飛行姿態(tài)、航線規(guī)劃等進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與分析，進(jìn)而通過控制單元實(shí)現(xiàn)無人機(jī)的平穩(wěn)飛行。飛行系統(tǒng)主要包括控制單元、IMU(慣性測量單元)、GNSS指南針、執(zhí)行模塊、PMU(電池管理系統(tǒng))等構(gòu)成，如圖1所示[9]。

圖1 多旋翼植保無人機(jī)飛行系統(tǒng)的組成

2.2 動力系統(tǒng)

多旋翼植保無人機(jī)的動力系統(tǒng)主要包括電池系統(tǒng)、充電裝置、電子調(diào)速器、無刷電機(jī)、螺旋槳等構(gòu)成。電池是整體儲電系統(tǒng)，為植保無人機(jī)的工作提供動力，充電器主要是為電池進(jìn)行充電，電子調(diào)速器屬于能量轉(zhuǎn)化裝置，將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能保證多旋翼無人機(jī)作業(yè)；螺旋槳是最終產(chǎn)生升降力的部分，主要結(jié)構(gòu)及組成如圖2所示。

圖2 多旋翼植保無人機(jī)動力系統(tǒng)組成及作用示意圖

2.3 鏈路系統(tǒng)

鏈路系統(tǒng)是多旋翼植保無人機(jī)的信息傳輸系統(tǒng)，是無人機(jī)與地面操作人員之間溝通的“橋梁”，地面部分屬于信號“發(fā)射器”，空中部分被稱為信號“接收器”，目前還支持視頻語音等信息傳輸功能，一般為3條通信鏈路，如圖3所示。

圖3 多旋翼植保無人機(jī)通信鏈路

2.4 機(jī)身部件

多旋翼植保無人機(jī)機(jī)身部件又稱為“機(jī)架”，主要是對相關(guān)設(shè)備起到支撐功能，主要包括機(jī)臂、電機(jī)座、主機(jī)身及腳架等組成。

3 植保無人機(jī)飛防操作規(guī)范及注意事項(xiàng)

3.1 植保無人機(jī)飛防管理要求

植保無人機(jī)飛防要求如表1所示。

表1 植保無人機(jī)飛防管理要求

3.2 植保無人機(jī)飛防注意事項(xiàng)

影響植保無人機(jī)飛防及作業(yè)效率的主要因素包括氣候因素、電磁信號因素、地面因素等。在氣候因素中，風(fēng)力是影響植保無人機(jī)飛防作業(yè)的主要因素，在進(jìn)行飛防作業(yè)前，應(yīng)明確無人機(jī)自身抗風(fēng)等級，并且保證無人機(jī)可以適應(yīng)飛行環(huán)境，在風(fēng)速較大時(shí)，應(yīng)盡量避免無人機(jī)飛至下風(fēng)向，會導(dǎo)致無人機(jī)返回困難或者電量耗盡等問題。大氣溫度會影響電池的放電性能，從而影響無人機(jī)的飛行狀態(tài)。

應(yīng)避免在較強(qiáng)磁性的區(qū)域飛行，如大量鐵柵欄、停車場或帶有地下鋼筋的建筑區(qū)域飛行，如果距離過近，較強(qiáng)的磁場會對植保無人機(jī)的磁羅盤產(chǎn)生干擾，同時(shí)，應(yīng)注意與地面建筑物的高度。

由于飛防藥劑的稀釋比例較小，所以不能選用劇毒或者高度農(nóng)藥，否則會導(dǎo)致中毒現(xiàn)象，常見的農(nóng)藥，如甲拌磷、對硫磷、久效磷等不可做為飛防藥劑。

4 結(jié)論

農(nóng)用植保無人機(jī)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)各項(xiàng)作業(yè)環(huán)節(jié)，在播種、植保、病蟲害預(yù)防、農(nóng)作物長勢監(jiān)測及作物產(chǎn)量預(yù)測等方面具有眾多應(yīng)用優(yōu)勢，與傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)相比，無人機(jī)具有精準(zhǔn)作業(yè)、高效環(huán)保、操作簡單、自動化及智能化程度高等特點(diǎn)，可以顯著提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，保障我國糧食安全，加快農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展。