陳盛德，廖玲君，徐小杰，陳威任，黎志宏，周志艷，蘭玉彬

[華南農(nóng)業(yè)大學(xué)電子工程學(xué)院(人工智能學(xué)院)/國(guó)家精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)航空施藥技術(shù)國(guó)際聯(lián)合研究中心/工程學(xué)院/嶺南現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科學(xué)與技術(shù)廣東省實(shí)驗(yàn)室，廣州 510642]

我國(guó)地域遼闊，地理及氣象條件多樣，農(nóng)業(yè)病蟲(chóng)草害具有多發(fā)、重發(fā)、頻發(fā)的特點(diǎn)，嚴(yán)重威脅我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和國(guó)家糧食安全，而且隨著全球氣候變暖和農(nóng)田生態(tài)條件變化，農(nóng)作物病蟲(chóng)害呈逐年加重趨勢(shì)，病蟲(chóng)害發(fā)生次數(shù)更加頻繁，發(fā)病范圍逐年擴(kuò)大[1-2]。據(jù)全國(guó)農(nóng)技推廣網(wǎng)分析評(píng)估，預(yù)計(jì)我國(guó)小麥、水稻、玉米、馬鈴薯等主要糧食作物重大病蟲(chóng)害呈重發(fā)態(tài)勢(shì)，全國(guó)發(fā)生面積約1.35億hm2，比2022年和2017-2021年均值分別增加29.5%和10.6%，如不采取有效防控措施，潛在產(chǎn)量損失將達(dá)17.5 億t 以上[3]。而據(jù)農(nóng)業(yè)部門(mén)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示：我國(guó)手動(dòng)植保機(jī)具約35個(gè)品種，擔(dān)負(fù)著全國(guó)農(nóng)作物病、蟲(chóng)、草害防治面積的70%以上[4]，防治任務(wù)十分艱巨。因此，突發(fā)性農(nóng)業(yè)重大病蟲(chóng)害已經(jīng)成為我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)的重大威脅，加之近年來(lái)因農(nóng)村勞動(dòng)力大量轉(zhuǎn)移造成勞動(dòng)力嚴(yán)重不足的問(wèn)題，亟需建立更加高效的新型現(xiàn)代化植保體系[5-6]。

而近年來(lái)，我國(guó)農(nóng)業(yè)航空產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，特別是農(nóng)業(yè)航空的重要組成之一的植保無(wú)人機(jī)的迅猛發(fā)展和應(yīng)用引起了人們的廣泛關(guān)注[7]。植保無(wú)人機(jī)航空施藥作業(yè)作為我國(guó)的新型植保作業(yè)方式，和傳統(tǒng)的人工施藥和地面機(jī)械施藥方法相比，具有效率高、農(nóng)藥利用率高的特點(diǎn)，可有效解決高稈作物、水田和丘陵山地人工和地面機(jī)械作業(yè)難等問(wèn)題，是應(yīng)對(duì)大面積突發(fā)性病蟲(chóng)害防治、緩解由于城鎮(zhèn)化發(fā)展帶來(lái)的農(nóng)村勞動(dòng)力不足、減少農(nóng)藥對(duì)操作人員的傷害等問(wèn)題的有效方式[8-10]。且植保無(wú)人飛機(jī)采用低空低量噴施方式，飄移少，可空中懸停，與RTK 高精度定位系統(tǒng)配合可實(shí)現(xiàn)精度較高的位置定位，旋翼產(chǎn)生的向下氣流有助于增加霧流對(duì)作物的穿透性，提高防治效果[11-12]。因此，植保無(wú)人機(jī)已成為國(guó)內(nèi)農(nóng)業(yè)航空一支重要的植保力量。

植保無(wú)人機(jī)作為一項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)，經(jīng)過(guò)幾年的快速發(fā)展，已經(jīng)對(duì)人們的社會(huì)生活和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響。目前，我國(guó)城市化進(jìn)程快速發(fā)展，越來(lái)越多的勞動(dòng)力走向城市，集約化農(nóng)業(yè)將是我國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展的必由之路[13]，研究人員、農(nóng)業(yè)工作者正在利用這一先進(jìn)的工具來(lái)推進(jìn)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)和精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的發(fā)展，航空作業(yè)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在農(nóng)業(yè)中的作用將會(huì)得到更加廣闊的發(fā)展，市場(chǎng)潛力巨大。在巨大的市場(chǎng)需求驅(qū)動(dòng)下，近年來(lái)我國(guó)農(nóng)用植保無(wú)人機(jī)生產(chǎn)企業(yè)急劇增加，植保無(wú)人機(jī)及其施藥作業(yè)關(guān)鍵技術(shù)得以快速發(fā)展。為全面、深入地了解中國(guó)植保無(wú)人機(jī)及其施藥作業(yè)關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及未來(lái)趨勢(shì)，本研究對(duì)我國(guó)植保無(wú)人機(jī)的發(fā)展進(jìn)行了概述，并對(duì)植保無(wú)人機(jī)作業(yè)關(guān)鍵技術(shù)的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了闡述和分析，指出了植保無(wú)人機(jī)施藥作業(yè)關(guān)鍵技術(shù)的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)，以期為科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)的科學(xué)研究提供參考，促進(jìn)和推動(dòng)我國(guó)植保無(wú)人機(jī)施藥技術(shù)的快速發(fā)展和應(yīng)用。

1 我國(guó)植保無(wú)人機(jī)的發(fā)展

早在2004年，我國(guó)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部（原農(nóng)業(yè)部）、科技部就認(rèn)識(shí)到水稻病蟲(chóng)害防治任務(wù)的艱巨性，尤其在南方地區(qū)田塊比較分散，大規(guī)模的有人駕駛飛機(jī)噴灑農(nóng)藥的方式存在不適合、防治難度大等問(wèn)題，開(kāi)始呼吁并推動(dòng)我國(guó)農(nóng)業(yè)行業(yè)重視農(nóng)用無(wú)人機(jī)植保。2008年，科技部“863”計(jì)劃便開(kāi)始了農(nóng)用無(wú)人機(jī)植保的研究和推廣，由農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所、中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究院、中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)、南京林業(yè)大學(xué)、總參謀部第六十研究所等單位共同承擔(dān)的科技部國(guó)家“863”計(jì)劃項(xiàng)目“水田超低空低量施藥技術(shù)研究與裝備創(chuàng)制”正式啟動(dòng)實(shí)施，這一項(xiàng)目的實(shí)施，標(biāo)志著國(guó)內(nèi)科研機(jī)構(gòu)正式開(kāi)始探索植保無(wú)人機(jī)航空施藥技術(shù)與裝備研發(fā)。2010年第一架商用的植保無(wú)人機(jī)交付市場(chǎng)，正式掀開(kāi)了中國(guó)植保無(wú)人機(jī)產(chǎn)業(yè)化的序幕[14-15]。

近年來(lái)，相比有人駕駛飛機(jī)航空施藥，無(wú)人機(jī)航空植保施藥技術(shù)的研究和應(yīng)用發(fā)展迅速，農(nóng)用無(wú)人機(jī)航空噴灑系統(tǒng)、低空低量噴灑技術(shù)、RTK 精準(zhǔn)導(dǎo)航、動(dòng)態(tài)變量噴灑、視覺(jué)環(huán)境感知等技術(shù)在中國(guó)均取得突破性進(jìn)展，并被應(yīng)用于各種農(nóng)作物的航空施藥作業(yè)中。為加快推進(jìn)植保無(wú)人機(jī)航空施藥應(yīng)用技術(shù)的研究與推廣，華南農(nóng)業(yè)大學(xué)、農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所、中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)等全國(guó)各科研院校及深圳大疆、安陽(yáng)全豐、廣州極飛和深圳高科新農(nóng)等各無(wú)人機(jī)企業(yè)單位積極在全國(guó)各地針對(duì)不同作物開(kāi)展試驗(yàn)演示和技術(shù)推廣。從2016 年國(guó)家設(shè)立了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目“地面與航空高工效施藥技術(shù)及智能化裝備”開(kāi)始，華南農(nóng)業(yè)大學(xué)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)航空?qǐng)F(tuán)隊(duì)先后在云南、湖南、新疆、河南等多地開(kāi)展針對(duì)果樹(shù)、水稻、棉花、小麥等多種作物的無(wú)人機(jī)航空施藥技術(shù)應(yīng)用試驗(yàn)研究60 余次，對(duì)植保無(wú)人機(jī)航空施藥技術(shù)的發(fā)展起到了極大的促進(jìn)和帶動(dòng)作用。另外，為促進(jìn)我國(guó)航空植保產(chǎn)業(yè)快速、健康、有序發(fā)展，2016年5月，河南安陽(yáng)全豐航空科技有限公司和華南農(nóng)業(yè)大學(xué)共同發(fā)起并組織40多家農(nóng)用無(wú)人機(jī)企業(yè)成立了國(guó)家航空植保科技創(chuàng)新聯(lián)盟，這是正式開(kāi)啟中國(guó)植保無(wú)人機(jī)航空施藥技術(shù)應(yīng)用發(fā)展的里程碑；2016年8月，陜西省2萬(wàn)hm2玉米黏蟲(chóng)病害大爆發(fā)，聯(lián)盟組織多家聯(lián)盟成員并迅速調(diào)動(dòng)100余架植保無(wú)人機(jī)開(kāi)展緊急防治救災(zāi)工作，此次救災(zāi)是國(guó)內(nèi)植保無(wú)人機(jī)航空施藥作業(yè)的首次協(xié)同作戰(zhàn)，標(biāo)志著我國(guó)應(yīng)用植保無(wú)人機(jī)進(jìn)行大規(guī)模病蟲(chóng)害防治進(jìn)入新的篇章[16]。在2016-2021 年間，聯(lián)盟先后組織多家成員單位分別在河南、新疆、黑龍江、吉林、廣西等地開(kāi)展多次針對(duì)小麥、水稻、棉花及馬鈴薯等主要農(nóng)作物的測(cè)試作業(yè)，以加強(qiáng)科研院校與企業(yè)之間的產(chǎn)學(xué)研合作，推進(jìn)植保無(wú)人機(jī)航空施藥技術(shù)的應(yīng)用和推廣(圖1)。在國(guó)家政策扶持方面，2015年農(nóng)業(yè)農(nóng)村部安排在湖南與河南2個(gè)省開(kāi)始首次試點(diǎn)農(nóng)機(jī)補(bǔ)貼資金補(bǔ)貼植保無(wú)人機(jī)，這標(biāo)志著植保無(wú)人機(jī)兼具農(nóng)業(yè)機(jī)械功能與無(wú)人駕駛航空器特征的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用領(lǐng)域的新型產(chǎn)品，開(kāi)始納入農(nóng)業(yè)機(jī)械產(chǎn)品系列的植保機(jī)械應(yīng)用管理；2021 年4 月，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部辦公廳、財(cái)政部辦公廳發(fā)布《2021-2023年農(nóng)機(jī)購(gòu)置補(bǔ)貼實(shí)施指導(dǎo)意見(jiàn)》，正式將植保無(wú)人機(jī)納入補(bǔ)貼制度，自此植保無(wú)人機(jī)在全國(guó)作為農(nóng)機(jī)補(bǔ)貼產(chǎn)品或農(nóng)機(jī)新產(chǎn)品，步入了推廣銷(xiāo)售與作業(yè)應(yīng)用快速發(fā)展的軌道[14]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2021年底，我國(guó)植保無(wú)人機(jī)保有量已超過(guò)16萬(wàn)架，累積作業(yè)面積超過(guò)9 300萬(wàn)hm2。

相比有人駕駛農(nóng)用飛機(jī)，植保無(wú)人機(jī)作業(yè)機(jī)型類(lèi)型則較多，包括油動(dòng)單旋翼、油動(dòng)多旋翼、電動(dòng)單旋翼、電動(dòng)多旋翼等多種類(lèi)型。國(guó)內(nèi)用于植保作業(yè)的農(nóng)用無(wú)人機(jī)產(chǎn)品型號(hào)及品牌眾多：按升力部件類(lèi)型來(lái)分，主要有單旋翼無(wú)人機(jī)和多旋翼無(wú)人機(jī)等類(lèi)型；按動(dòng)力部件類(lèi)型來(lái)分，主要有電動(dòng)農(nóng)用無(wú)人機(jī)和油動(dòng)農(nóng)用無(wú)人機(jī)等類(lèi)型[17]。但由于單旋翼無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，價(jià)格較高，難以維護(hù)，且其操控難度較多旋翼無(wú)人機(jī)機(jī)型大，對(duì)用戶(hù)的操作水平要求較高，因此，目前市場(chǎng)上常見(jiàn)的植保無(wú)人機(jī)應(yīng)用機(jī)型主要是多旋翼電動(dòng)無(wú)人機(jī)。當(dāng)前，多旋翼植保無(wú)人機(jī)藥箱載荷量多為20 L，部分機(jī)型載荷量可達(dá)30 L；且多旋翼植保無(wú)人機(jī)主要以電池為動(dòng)力，較油動(dòng)無(wú)人機(jī)載荷少，但其智能化程度高；目前，各主流企業(yè)已實(shí)現(xiàn)和集成了無(wú)人機(jī)航線自動(dòng)規(guī)劃、一鍵起飛、全自主飛行、RTK差分定位、斷點(diǎn)續(xù)噴、仿地飛行、自主避障和夜間飛行等多種自主作業(yè)功能(表1)，為植保無(wú)人機(jī)的應(yīng)用提供了廣闊的施展空間。

表1 植保無(wú)人機(jī)技術(shù)發(fā)展情況Table 1 Technology development of plant protection UAV

2 植保無(wú)人機(jī)施藥關(guān)鍵技術(shù)研究現(xiàn)狀

2.1 航空變量施藥技術(shù)

與傳統(tǒng)大容量噴霧技術(shù)相比，變量噴施技術(shù)可以緩解農(nóng)藥過(guò)量使用的問(wèn)題，在節(jié)省農(nóng)藥的同時(shí)降低了噴霧過(guò)程中霧滴發(fā)生飄移的風(fēng)險(xiǎn)，提高農(nóng)藥的使用效率以及減輕農(nóng)藥對(duì)環(huán)境的污染。因此，航空變量施藥技術(shù)作為實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)施藥的重要手段，其通過(guò)獲取田間病蟲(chóng)草害面積、作物行距及株密度等靶標(biāo)作物的相關(guān)信息，以及實(shí)時(shí)獲取施藥設(shè)備位置、作業(yè)速度、噴霧壓力等施藥參數(shù)的相關(guān)信息，綜合處理作物和噴霧裝置的各種信息從而根據(jù)需求實(shí)現(xiàn)對(duì)靶標(biāo)作物的精準(zhǔn)施藥[18]。

朱航等[19]首次嘗試了將脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)應(yīng)用于植保無(wú)人機(jī)，開(kāi)發(fā)了基于PWM 技術(shù)的無(wú)人機(jī)精確噴灑系統(tǒng)，并根據(jù)地面農(nóng)作物遙感信息建立的精確噴灑決策系統(tǒng)進(jìn)行了無(wú)人機(jī)精確噴灑系統(tǒng)試驗(yàn)。結(jié)果表明，脈寬調(diào)制控制技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)人機(jī)噴施系統(tǒng)的精確控制，系統(tǒng)具有一定的可靠性和實(shí)用性。王玲等[20]在搭建適用于無(wú)人機(jī)的PWM 變量噴施系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)了基于LabWindows/CVI的地面測(cè)控軟件，通過(guò)無(wú)線脈沖信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)載噴施系統(tǒng)中泵的脈寬調(diào)制調(diào)速，從而改變系統(tǒng)壓力及流量，實(shí)現(xiàn)了無(wú)人機(jī)噴霧的變量調(diào)節(jié)。王大帥等[21]針對(duì)植保無(wú)人機(jī)施藥系統(tǒng)控制方式單一，施藥流量無(wú)法根據(jù)飛行參數(shù)自動(dòng)調(diào)整造成的霧滴分布不均勻、重噴、漏噴等問(wèn)題，通過(guò)多傳感器融合技術(shù)實(shí)現(xiàn)施藥參數(shù)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，設(shè)計(jì)了基于施藥流量與飛行速度自動(dòng)匹配的PWM 的施藥流量控制系統(tǒng)，并通過(guò)3CD-15型單旋翼無(wú)人機(jī)平臺(tái)對(duì)動(dòng)態(tài)變量施藥系統(tǒng)實(shí)際作業(yè)性能及施藥效果進(jìn)行了測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果表明該動(dòng)態(tài)變量施藥系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)施藥流量與飛行速度自動(dòng)匹配。劉洋洋等[22]為保證單位面積施藥量的一致性、實(shí)現(xiàn)施藥流量的實(shí)時(shí)控制，提出了一種航空變量施藥分級(jí)控制算法，并基于該算法設(shè)計(jì)了基于單片機(jī)多信息融合的航空變量施藥實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)可準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)多種作業(yè)參數(shù)，并可根據(jù)參數(shù)變化精準(zhǔn)調(diào)控施藥流量。另外，為避免植保無(wú)人機(jī)噴施作業(yè)時(shí)農(nóng)藥利用率低、造成環(huán)境污染等問(wèn)題，華南農(nóng)業(yè)大學(xué)國(guó)家精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)航空施藥技術(shù)國(guó)際聯(lián)合研究中心在自主研制的PID-PWM 控制的植保無(wú)人機(jī)變量噴霧系統(tǒng)基礎(chǔ)上，充分利用團(tuán)隊(duì)的多旋翼植保無(wú)人機(jī)作業(yè)數(shù)據(jù)集，訓(xùn)練影響霧滴沉積量的飛行因素、環(huán)境因素、機(jī)身結(jié)構(gòu)參數(shù)以及病蟲(chóng)害嚴(yán)重等級(jí)參數(shù)與霧滴沉積量之間的非線性關(guān)系模型，并開(kāi)發(fā)了基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)決策的植保無(wú)人機(jī)變量噴霧系統(tǒng)(圖2)，經(jīng)測(cè)試驗(yàn)證其實(shí)際霧滴沉積量滿(mǎn)足處方值要求，且響應(yīng)時(shí)間低于0.25 s[23]。變量施藥技術(shù)在植保無(wú)人機(jī)上的應(yīng)用為農(nóng)業(yè)航空精準(zhǔn)噴霧控制技術(shù)的發(fā)展提供了參考方向，目前深圳大疆創(chuàng)新科技有限公司、廣州極飛科技有限公司、安陽(yáng)全豐航空植保科技有限公司等相關(guān)企業(yè)均紛紛推出相關(guān)產(chǎn)品和技術(shù)，但目前的植保無(wú)人機(jī)變量施藥技術(shù)主要是根據(jù)作業(yè)參數(shù)的變化或預(yù)設(shè)作業(yè)過(guò)程中噴施流量的變化等信息進(jìn)行變量噴施，并沒(méi)有根據(jù)作物病蟲(chóng)草害面積及發(fā)生程度、作物密度等靶標(biāo)作物的生長(zhǎng)信息來(lái)實(shí)現(xiàn)植保無(wú)人機(jī)變量噴施的目的，缺乏真正能結(jié)合作物生長(zhǎng)處方信息的變量決策系統(tǒng)。

圖2 航空變量噴霧系統(tǒng)Figure 2 Aerial variable-rate spraying system

2.2 航空靜電施藥技術(shù)

航空靜電噴霧技術(shù)是傳統(tǒng)的地面靜電噴霧技術(shù)在植保無(wú)人機(jī)噴施系統(tǒng)上的創(chuàng)新應(yīng)用[24-25]，在航空噴施作業(yè)過(guò)程中，利用高壓靜電在噴頭和噴灑作物目標(biāo)之間建立靜電場(chǎng)，使得藥液流經(jīng)噴頭霧化后被充上和噴嘴極性相同的電荷。根據(jù)靜電感應(yīng)原理，地面作物表面將引起和霧滴極性相反的電荷。由于同性電荷相互排斥，異性電荷相互吸引，因此荷電霧滴將在靜電場(chǎng)力和其他外力的共同作用下，向地面作定向運(yùn)動(dòng)并最終吸附在靶標(biāo)作物植株的各個(gè)部位[26-27]。靜電噴霧技術(shù)不僅可以使霧滴吸附到作物葉片的正面，而且還能吸附在作物植株的中下部和葉片背面，提高藥液霧滴沉積率的同時(shí)減少霧滴飄移，改善施藥區(qū)域周?chē)纳鷳B(tài)環(huán)境。

茹煜等[28]針對(duì)XY8D 型無(wú)人機(jī)進(jìn)行了靜電噴霧系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)，并就該系統(tǒng)在水稻田中開(kāi)展了靜電噴霧和非靜電噴霧條件下霧滴沉積試驗(yàn)研究，試驗(yàn)結(jié)果表明靜電噴霧方式對(duì)增加霧滴沉積具有明顯的效果。此次試驗(yàn)是靜電噴霧系統(tǒng)在無(wú)人機(jī)植保作業(yè)上的首次嘗試，靜電噴霧技術(shù)在植保無(wú)人機(jī)上的應(yīng)用還有待進(jìn)一步研究。為此，金蘭等[29]針對(duì)AF-811 型單旋翼無(wú)人直升機(jī)設(shè)計(jì)了一套航空靜電噴霧系統(tǒng)，并進(jìn)行了有效噴幅和霧滴沉積效果試驗(yàn)研究，研究結(jié)果表明，無(wú)人機(jī)靜電噴霧增加了農(nóng)藥在目標(biāo)上的附著率，減少了霧滴的飄移，起到了更好地保護(hù)生態(tài)環(huán)境的效果。同樣，蔡彥倫[30]以F-50 型植保無(wú)人直升機(jī)飛行平臺(tái)為基礎(chǔ)，開(kāi)發(fā)出新型接觸式靜電噴霧系統(tǒng)；并對(duì)不同荷電方式的噴霧沉積效果進(jìn)行試驗(yàn)比較，結(jié)果表明：靜電噴霧可以提供藥液在植物上層和中層的沉積量，而且接觸式荷電和感應(yīng)式荷電都可以提高航空噴霧的沉積均勻性，接觸式荷電的沉積均勻性更優(yōu)。廉琦[31]以YG20-6 型多旋翼植保無(wú)人機(jī)為載體，設(shè)計(jì)了一套應(yīng)用于植保無(wú)人機(jī)的靜電噴霧系統(tǒng)，并通過(guò)靜電噴霧系統(tǒng)的最佳作業(yè)參數(shù)對(duì)無(wú)人機(jī)靜電噴霧效果進(jìn)行了室外效果試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果得出，霧滴在采集裝置上的平均沉積密度為上部133.8 個(gè)·cm-2、中部113.8 個(gè)·cm-2，相比于非靜電噴霧，霧滴在上方的平均沉積密度提高13.6%，中部的平均沉積密度提高32.6%。華南農(nóng)業(yè)大學(xué)國(guó)家精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)航空施藥技術(shù)國(guó)際聯(lián)合研究中心為了探究電極材料對(duì)靜電噴嘴霧化效果和荷電性能的影響和確定設(shè)計(jì)的靜電噴嘴的最佳作業(yè)參數(shù)，以電極材料、電極電壓、噴施壓力和噴孔直徑為噴施變量，針對(duì)自主研發(fā)的靜電航空噴嘴進(jìn)行室內(nèi)霧化和室外沉積試驗(yàn)，結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的靜電噴嘴能有效提高植保無(wú)人機(jī)航空噴施霧滴沉積效果，增加噴嘴有效噴幅寬度(圖3)[32]。

圖3 航空靜電噴嘴Figure 3 Aerial electrostatic nozzle

目前，植保無(wú)人機(jī)的有效載荷和成本是用戶(hù)比較關(guān)注的重要參數(shù)[33]。由于靜電噴霧作業(yè)時(shí)機(jī)身需要加裝靜電發(fā)生器、電池等配件，必然會(huì)減小植保無(wú)人機(jī)的有效載荷，從而導(dǎo)致植保無(wú)人機(jī)作業(yè)過(guò)程中出現(xiàn)頻繁加藥的問(wèn)題，減少持續(xù)作業(yè)時(shí)間及降低作業(yè)效率；且目前市場(chǎng)上應(yīng)用于植保無(wú)人機(jī)的靜電噴霧系統(tǒng)價(jià)格普遍在1萬(wàn)元，靜電噴霧系統(tǒng)將大幅度增加植保無(wú)人機(jī)的購(gòu)機(jī)成本。因此，靜電噴霧系統(tǒng)的重量及成本成為目前影響植保無(wú)人機(jī)靜電噴霧作業(yè)技術(shù)發(fā)展的首要因素。另外，從上述研究可以看出，我國(guó)關(guān)于植保無(wú)人機(jī)靜電噴霧技術(shù)的研究始于2015 年，起步較晚，由于目前市場(chǎng)上無(wú)人機(jī)機(jī)型多樣，在硬件設(shè)計(jì)方面，靜電噴霧系統(tǒng)的掛載方式及其作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)有待繼續(xù)開(kāi)發(fā)和驗(yàn)證。

2.3 航線規(guī)劃技術(shù)

當(dāng)人為操控植保無(wú)人機(jī)進(jìn)行噴施作業(yè)時(shí)，受操控人員及環(huán)境等因素的影響，人為即時(shí)飛行航線與理想航線難以保持一致，極易導(dǎo)致無(wú)人機(jī)作業(yè)漏噴率和重噴率偏高等問(wèn)題，從而影響植保無(wú)人機(jī)噴施作業(yè)效果；且由于無(wú)人機(jī)能量和載荷限制，植保無(wú)人機(jī)因電量不足而發(fā)生墜機(jī)等情況時(shí)有發(fā)生[34-35]。因此，隨著GIS 與GPS 技術(shù)的普及和傳感器技術(shù)的發(fā)展，航線規(guī)劃技術(shù)已成為植保無(wú)人機(jī)智能作業(yè)技術(shù)中最基本的組成部分。進(jìn)行合理的作業(yè)路徑規(guī)劃可有效提高植保無(wú)人機(jī)的續(xù)航能力，降低對(duì)操控人員的技術(shù)要求，從而進(jìn)一步提高植保無(wú)人機(jī)的作業(yè)效果和作業(yè)效率。

為盡可能地減少飛行總距離和多余覆蓋面積，節(jié)省無(wú)人機(jī)的能耗和藥液消耗，徐博等[36]研究了一種基于作業(yè)方向的不規(guī)則區(qū)域作業(yè)航線規(guī)劃算法，該算法根據(jù)指定的作業(yè)方向，可快速規(guī)劃出較優(yōu)的作業(yè)航線，使整個(gè)作業(yè)過(guò)程能耗和藥耗最優(yōu)；針對(duì)植保施藥多個(gè)作業(yè)區(qū)域的情況，他還提出了一種植保無(wú)人機(jī)全局航線規(guī)劃算法，從作業(yè)路程、多余覆蓋和遺漏覆蓋的角度確定了無(wú)人機(jī)在單區(qū)域內(nèi)的覆蓋方式，并基于改進(jìn)的遺傳算法得到區(qū)域間的優(yōu)化作業(yè)順序和區(qū)域間的調(diào)度航線規(guī)劃[37]。為了使植保無(wú)人機(jī)作業(yè)更精準(zhǔn)、高效與節(jié)能，王宇等[38-39]分別基于引力搜索算法和改進(jìn)蟻群算法研究了適用于三維地形的植保無(wú)人機(jī)路徑規(guī)劃方法；同樣，為實(shí)現(xiàn)植保無(wú)人機(jī)在丘陵山地區(qū)域的作業(yè)效率最大化，范葉滿(mǎn)等[40]以山地果園為研究區(qū)域、以植保無(wú)人機(jī)飛行能效系數(shù)為約束條件，基于無(wú)人機(jī)功率與升力模型設(shè)計(jì)了可用于無(wú)人機(jī)三維路徑規(guī)劃的模擬退火算法，并分別對(duì)植保無(wú)人機(jī)在山地區(qū)域作業(yè)時(shí)的最優(yōu)作業(yè)路徑進(jìn)行了規(guī)劃和驗(yàn)證。黃小毛等[41]針對(duì)同一區(qū)域內(nèi)相鄰多田塊的無(wú)人機(jī)單機(jī)作業(yè)任務(wù)路徑規(guī)劃問(wèn)題，從續(xù)航、負(fù)重等實(shí)際問(wèn)題出發(fā)，提出并實(shí)現(xiàn)一套含障礙物多田塊條件下單機(jī)多架次作業(yè)的農(nóng)用無(wú)人機(jī)自主飛行作業(yè)的路徑規(guī)劃算法；在此基礎(chǔ)上，針對(duì)含障礙物多田塊條件下的多臺(tái)無(wú)人機(jī)作業(yè)路徑規(guī)劃問(wèn)題，研究提出了一套完整的多無(wú)人機(jī)協(xié)同作業(yè)路徑優(yōu)化算法解決方案[42]。華南農(nóng)業(yè)大學(xué)國(guó)家精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)航空施藥技術(shù)國(guó)際聯(lián)合研究中心基于自主恒速飛行和最小轉(zhuǎn)彎半徑約束的無(wú)人機(jī)轉(zhuǎn)彎掉頭策略，分析并設(shè)計(jì)了任意凸多邊形作業(yè)區(qū)域下無(wú)人機(jī)的路徑規(guī)劃方法，提出了基于幅寬微變的航線歸整法路徑規(guī)劃方案，并對(duì)結(jié)構(gòu)化農(nóng)田區(qū)域?qū)崿F(xiàn)全區(qū)域覆蓋條件下的路徑進(jìn)行了規(guī)劃與優(yōu)化選擇[43]（圖4）；另外，團(tuán)隊(duì)還針對(duì)植保無(wú)人機(jī)作業(yè)時(shí)無(wú)法覆蓋大規(guī)模區(qū)域中多個(gè)分散田塊的問(wèn)題，提出了一種基于多架植保無(wú)人機(jī)作業(yè)過(guò)程中與補(bǔ)給車(chē)輛之間的聯(lián)合路徑規(guī)劃和調(diào)度方法，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證該方法可以有效節(jié)省多架植保無(wú)人機(jī)及補(bǔ)給車(chē)輛的作業(yè)時(shí)間，縮短非噴施作業(yè)的飛行距離，提高作業(yè)效率[44]。

圖4 不同作業(yè)方向下的飛行航線[43]Figure 4 Flight routes in different operation directions

目前，研究者們分別從作業(yè)區(qū)域形狀、作業(yè)路徑長(zhǎng)短、續(xù)航時(shí)間等多個(gè)因素中的某一個(gè)或兩個(gè)因素對(duì)植保無(wú)人機(jī)航線規(guī)劃進(jìn)行了研究，并未綜合多個(gè)因素來(lái)考慮植保無(wú)人機(jī)作業(yè)的航線規(guī)劃問(wèn)題；另外，從航線規(guī)劃方面的研究趨勢(shì)可以看出，隨著RTK 高精度定位技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，植保無(wú)人機(jī)航線規(guī)劃的應(yīng)用范圍已從平面地形發(fā)展到三維地形，且正朝著多架植保無(wú)人機(jī)協(xié)同作業(yè)的方向發(fā)展。隨著智慧農(nóng)業(yè)時(shí)代的到來(lái)[45]，面向多機(jī)協(xié)同作業(yè)及綜合多個(gè)主要因素的航線規(guī)劃問(wèn)題值得繼續(xù)深入研究。

2.4 自主避障技術(shù)

無(wú)人機(jī)自主避障技術(shù)指的是無(wú)人機(jī)本身能夠自主識(shí)別障礙物類(lèi)型并完成指定避障動(dòng)作的核心智能技術(shù)。對(duì)于植保作業(yè)而言，當(dāng)田間作業(yè)環(huán)境光照不足或飛機(jī)與飛手之間的距離較遠(yuǎn)時(shí)，若主要依靠人肉眼觀察判斷，作業(yè)受限因素多且危險(xiǎn)性高，因此，隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)障礙物的自主識(shí)別和實(shí)時(shí)避障已成為植保無(wú)人機(jī)智能化發(fā)展的重要組成之一[46]。

明宇等[47]通過(guò)搭載于植保無(wú)人機(jī)機(jī)身上的攝像機(jī)采集視頻圖像，經(jīng)過(guò)圖像預(yù)處理、圖像分割、障礙物檢測(cè)、避障策略等方法研究了一種基于視覺(jué)的植保無(wú)人機(jī)避障技術(shù)。程曦等[48]研究了基于雙目視覺(jué)的植保無(wú)人機(jī)環(huán)境感知技術(shù)，基于灰度化點(diǎn)增強(qiáng)與濾波去噪增強(qiáng)提高圖像質(zhì)量，提出了基于邊緣特征加強(qiáng)的特征匹配算法，并通過(guò)對(duì)去噪后的灰度圖進(jìn)行邊緣檢測(cè)、特征提取及k近鄰特征匹配后，驗(yàn)證了算法對(duì)障礙物檢測(cè)精度和檢測(cè)速度上的有效性。另外，吳開(kāi)華等[49]基于結(jié)構(gòu)光視覺(jué)技術(shù)提出了一種障礙物檢測(cè)新方法，當(dāng)植保無(wú)人機(jī)作業(yè)過(guò)程中前方存在障礙物時(shí)，該方法通過(guò)光路的變化能夠準(zhǔn)確檢測(cè)出障礙物的距離、角度、寬度，從而做出相應(yīng)的繞飛動(dòng)作，且能夠有效檢測(cè)出未知環(huán)境下障礙物的距離、方位角和寬度，距離檢測(cè)誤差小于0.06 m。孫柯等[50]針對(duì)植保無(wú)人機(jī)的避障問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種基于毫米波雷達(dá)的植保無(wú)人機(jī)避障系統(tǒng)，并根據(jù)毫米波雷達(dá)障礙物檢測(cè)回波中心在障礙物尺寸范圍內(nèi)變化的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了基于毫米波的障礙物檢測(cè)算法，包括前方距離檢測(cè)算法、側(cè)方距離檢測(cè)算法、寬度檢測(cè)算法和障礙物危險(xiǎn)程度排序算法，且通過(guò)靜態(tài)試驗(yàn)和動(dòng)態(tài)試驗(yàn)驗(yàn)證了該避障系統(tǒng)能夠有效檢測(cè)障礙物參數(shù)，對(duì)障礙物前方距離檢測(cè)誤差小于±115 mm，側(cè)方距離檢測(cè)誤差小于±195 mm，寬度檢測(cè)誤差小于±235 mm。結(jié)合農(nóng)田植保飛行環(huán)境和各類(lèi)型傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)，同時(shí)考慮準(zhǔn)確性、實(shí)時(shí)性、可靠性和成本等因素，劉立臣等[51]采用毫米波雷達(dá)和雙目視覺(jué)傳感器相結(jié)合的方式對(duì)植保無(wú)人機(jī)前方的障礙物進(jìn)行檢測(cè)，通過(guò)毫米波雷達(dá)進(jìn)行障礙物目標(biāo)預(yù)警，再利用雙目視覺(jué)傳感器完成障礙物目標(biāo)識(shí)別，最終采用基于預(yù)設(shè)航線的避障路徑規(guī)劃算法完成植保無(wú)人機(jī)對(duì)障礙物的避讓并回歸原本的作業(yè)航線。

從避障技術(shù)方面的研究可以看出，根據(jù)采用的傳感器類(lèi)型，目前應(yīng)用在植保無(wú)人機(jī)的障礙物檢測(cè)技術(shù)可以主要分為視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)（單目視覺(jué)和雙目視覺(jué)）、毫米波雷達(dá)檢測(cè)技術(shù)、超聲波雷達(dá)檢測(cè)技術(shù)、激光雷達(dá)檢測(cè)技術(shù)及多傳感器融合檢測(cè)技術(shù)等。然而，由于我國(guó)農(nóng)田作業(yè)環(huán)境復(fù)雜、障礙物類(lèi)型多樣，各種障礙物檢測(cè)技術(shù)難以準(zhǔn)確識(shí)別出農(nóng)田障礙物的大小及與飛機(jī)之間的距離；且由于無(wú)人機(jī)飛行速度較地面農(nóng)業(yè)機(jī)械行走速度更快，對(duì)障礙物識(shí)別及識(shí)別后做出相應(yīng)的避障動(dòng)作的實(shí)時(shí)性要求較高。因此，對(duì)于以山地、丘陵為主的我國(guó)南方地區(qū)，應(yīng)用于植保無(wú)人機(jī)的自主避障技術(shù)仍需進(jìn)一步研究。

2.5 航空施藥效果檢測(cè)技術(shù)

在植保無(wú)人機(jī)航空施藥過(guò)程中，作業(yè)環(huán)境的復(fù)雜性和作業(yè)參數(shù)的多變性導(dǎo)致了霧滴運(yùn)動(dòng)軌跡及沉積分布結(jié)果難以預(yù)料[52]，因此，地面藥液的沉積效果和分布特性成為了指導(dǎo)航空施藥噴施的重要參考。為快速的檢測(cè)霧滴沉積分布情況及更好地理解植保無(wú)人機(jī)航空噴施霧滴沉積分布特性，施藥效果檢測(cè)是植保無(wú)人機(jī)航空施藥技術(shù)中的重要組成部分，是航空噴施作業(yè)中獲取霧滴沉積數(shù)據(jù)必不可少的技術(shù)手段。

為了檢驗(yàn)農(nóng)田作業(yè)航線的人為即時(shí)規(guī)劃情況和評(píng)價(jià)實(shí)際作業(yè)質(zhì)量及效果，彭孝東等[53]設(shè)計(jì)了基于GPS 的坐標(biāo)采集無(wú)線傳輸系統(tǒng)，以水稻田邊界直線為參照，通過(guò)目視和經(jīng)驗(yàn)遙控?zé)o人機(jī)分別進(jìn)行循直線飛行試驗(yàn)和基于作業(yè)幅寬的航線規(guī)劃飛行試驗(yàn)。結(jié)果表明人為即時(shí)規(guī)劃的航線與理論航線偏離嚴(yán)重，在理想噴霧條件下估算出的作業(yè)遺漏率為17.1%，重復(fù)作業(yè)占8.2%，區(qū)域外浪費(fèi)占0.7%。王昌陵等[54]提出了一種無(wú)人機(jī)施藥?kù)F滴空間質(zhì)量平衡測(cè)試試驗(yàn)方法，即在無(wú)人機(jī)作業(yè)時(shí)的底部、上風(fēng)向部、頂部和下風(fēng)向部不同位置布置霧滴收集裝置以分析其霧滴沉積情況，該方法為植保無(wú)人機(jī)霧滴沉積分布研究提供了新的試驗(yàn)檢測(cè)方法，有助于更好地理解植保無(wú)人機(jī)在不同作業(yè)參數(shù)下航空噴施霧滴的沉積分布特性。華南農(nóng)業(yè)大學(xué)國(guó)家精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)航空施藥技術(shù)國(guó)際聯(lián)合研究中心為對(duì)比不同類(lèi)型和不同控制方式的植保無(wú)人機(jī)航空噴施作業(yè)的飛行質(zhì)量和作業(yè)效果，采用團(tuán)隊(duì)研發(fā)的微輕型機(jī)載北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)對(duì)半自主飛行控制模式下單旋翼油動(dòng)植保無(wú)人機(jī)、單旋翼電動(dòng)植保無(wú)人機(jī)和四旋翼電動(dòng)植保無(wú)人機(jī)以及全自主控制模式下四旋翼電動(dòng)植保無(wú)人機(jī)的飛行質(zhì)量（包括飛行參數(shù)均勻性、航線精度和航線長(zhǎng)度均勻性）進(jìn)行了分析和評(píng)價(jià)(圖5)，為植保無(wú)人機(jī)作業(yè)效果的改進(jìn)提供數(shù)據(jù)支持和指導(dǎo)[12]。

圖5 植保無(wú)人機(jī)飛行軌跡偏差測(cè)試Figure 5 Flight path deviation test of plant protection UAV

另外，為實(shí)現(xiàn)對(duì)植保無(wú)人機(jī)航空施藥?kù)F滴地面沉積效果的快速獲取，張京等[55]使用紅外熱像儀與無(wú)人機(jī)聯(lián)用測(cè)試噴霧前、后作物冠層溫度，通過(guò)溫度變化率反映霧滴在水稻冠層的沉積效果。結(jié)果表明，以霧滴沉積量與冠層溫度變化率為評(píng)價(jià)指標(biāo)得到的結(jié)果一致，紅外熱成像技術(shù)可以準(zhǔn)確反映霧滴在水稻上的沉積規(guī)律。鄭永軍等[56]基于激光雷達(dá)反射波的原理建立了航空施藥?kù)F滴檢測(cè)方法，利用反射波信息來(lái)識(shí)別目標(biāo)霧滴，并提取霧滴的位置坐標(biāo)來(lái)反映霧滴在空間的分布情況，通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)和田間試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，該方法測(cè)量霧滴沉積結(jié)果的相對(duì)誤差小于7%，可有效應(yīng)用于航空施藥?kù)F滴檢測(cè)。張瑞瑞等[57]基于變介電常數(shù)電容器原理和傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)設(shè)計(jì)了航空施藥?kù)F滴地面沉積實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了應(yīng)用測(cè)試，并參照水敏紙圖像處理方法數(shù)據(jù)對(duì)系統(tǒng)的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，分析結(jié)果表明，該系統(tǒng)在航空施藥?kù)F滴沉積均一性、有效幅寬等測(cè)量方面具有較大的實(shí)用性。同樣，華南農(nóng)業(yè)大學(xué)國(guó)家精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)航空施藥技術(shù)國(guó)際聯(lián)合研究中心基于共平面插指式電容器原理設(shè)計(jì)了一種實(shí)時(shí)檢測(cè)農(nóng)業(yè)噴灑無(wú)人機(jī)農(nóng)藥?kù)F滴噴灑效果的傳感器(圖6)，該傳感器由共平面插指式電容器、高頻振蕩器、測(cè)頻模塊和數(shù)據(jù)處理模塊組成，其測(cè)量精度可達(dá)0.1 ug·cm-2，單點(diǎn)測(cè)量速度可達(dá)10 μs。該傳感器不僅能夠測(cè)量農(nóng)藥?kù)F滴沉積量，而且還可以觀測(cè)到農(nóng)藥?kù)F滴沉積和蒸發(fā)的全過(guò)程。這些研究與傳統(tǒng)地面檢測(cè)技術(shù)相比，縮短了實(shí)際試驗(yàn)的檢測(cè)周期和簡(jiǎn)化了實(shí)際試驗(yàn)檢測(cè)過(guò)程，有助于加速航空施藥技術(shù)的應(yīng)用推廣和提高航空施藥技術(shù)的應(yīng)用效果[58]。

圖6 霧滴沉積量檢測(cè)傳感器Figure 6 Droplet deposition detection sensor

霧滴沉積分布效果是衡量植保無(wú)人機(jī)航空噴施作業(yè)性能好壞的最重要和最直接的指標(biāo)。從上述研究可以看出，圍繞航空噴施霧滴沉積分布效果測(cè)試，研究人員主要從植保無(wú)人機(jī)飛行作業(yè)模式及霧滴傳感器檢測(cè)等方面開(kāi)展了大量研究。飛行作業(yè)模式能夠體現(xiàn)出植保無(wú)人機(jī)飛行效果，卻無(wú)法體現(xiàn)藥液霧滴的沉積分布效果[59-60]；霧滴傳感器能反映植保無(wú)人機(jī)在某一狀態(tài)下及作業(yè)區(qū)域內(nèi)某一位置處的霧滴沉積結(jié)果，但難以反映出植保無(wú)人機(jī)在整個(gè)作業(yè)過(guò)程及作業(yè)區(qū)域的噴施作業(yè)效果。因此，為得到理想的霧滴沉積效果，需對(duì)航空噴施霧滴沉積分布與飄移規(guī)律開(kāi)展深入研究，以指導(dǎo)植保無(wú)人機(jī)航空噴施作業(yè)。

3 植保無(wú)人機(jī)施藥技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

3.1 航空變量施藥決策系統(tǒng)

植保作業(yè)的最基本要求是具有理想的防效；同時(shí)，提高農(nóng)藥的有效利用率、減少農(nóng)藥用量也是對(duì)植保技術(shù)未來(lái)發(fā)展的必然要求。植保無(wú)人機(jī)航空變量噴施技術(shù)是實(shí)現(xiàn)這一要求的有效手段，其主要思想就是可以根據(jù)農(nóng)作物的生長(zhǎng)需求來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)作業(yè)區(qū)域進(jìn)行精準(zhǔn)施藥[16]。目前，一些植保無(wú)人機(jī)在硬件上已基本可以實(shí)現(xiàn)變量噴施的功能，其變量作業(yè)主要是通過(guò)人為預(yù)先設(shè)定好不同區(qū)域內(nèi)的施藥量而進(jìn)行噴施作業(yè)，難以達(dá)到真正意義上的變量噴施。作為植保無(wú)人機(jī)變量施藥系統(tǒng)的“大腦”，航空變量施藥決策系統(tǒng)的相關(guān)研究才剛剛起步。航空變量施藥決策系統(tǒng)主要是通過(guò)實(shí)際檢測(cè)不同采樣點(diǎn)的病蟲(chóng)害類(lèi)別或農(nóng)田植株的生長(zhǎng)趨勢(shì)，生成相應(yīng)病蟲(chóng)草害作業(yè)處方圖和最佳噴施處方圖來(lái)指導(dǎo)變量施藥系統(tǒng)進(jìn)行作業(yè)，在實(shí)際作業(yè)過(guò)程中，決策系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的狀態(tài)以及所處經(jīng)緯度位置，并將這些采集的信息與處方圖信息進(jìn)行對(duì)比，從而確定施藥量，有效保證了噴施的精準(zhǔn)性。因此，如何通過(guò)航空變量施藥決策系統(tǒng)來(lái)提高植保無(wú)人機(jī)噴施作業(yè)的智能化水平將是未來(lái)重要的研究趨勢(shì)之一。

3.2 多機(jī)協(xié)同作業(yè)技術(shù)

隨著農(nóng)業(yè)規(guī)模化生產(chǎn)的迫切需求及植保無(wú)人機(jī)施藥應(yīng)用的廣泛開(kāi)展，單機(jī)作業(yè)逐漸難以滿(mǎn)足人們對(duì)高效率的現(xiàn)代化生產(chǎn)的要求。為了彌補(bǔ)單機(jī)作業(yè)的缺陷，多機(jī)協(xié)同作業(yè)技術(shù)也開(kāi)始得到農(nóng)用無(wú)人機(jī)行業(yè)的關(guān)注。多機(jī)協(xié)同作業(yè)，即在單機(jī)作業(yè)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)多架無(wú)人機(jī)智能聯(lián)網(wǎng)，這需要每個(gè)無(wú)人機(jī)之間能夠作為一個(gè)整體協(xié)調(diào)工作，以便有效地覆蓋大面積區(qū)域并進(jìn)行信息交互與協(xié)同作業(yè)。隨著物聯(lián)網(wǎng)及大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展，多機(jī)協(xié)同作業(yè)將從較大程度上節(jié)約勞動(dòng)力成本，提高植保無(wú)人機(jī)航空噴施作業(yè)的效率，有效加快植保無(wú)人機(jī)智能化航空施藥技術(shù)的推廣和應(yīng)用。

3.3 航空施藥作業(yè)專(zhuān)家系統(tǒng)

植保無(wú)人機(jī)施藥因其霧化程度高，霧滴粒徑小，且存在飛行速度較快而造成的相對(duì)風(fēng)場(chǎng)和無(wú)人機(jī)旋翼風(fēng)場(chǎng)等因素的影響[61]，導(dǎo)致航空噴施霧滴沉積區(qū)域不穩(wěn)定、運(yùn)動(dòng)規(guī)律不明確等問(wèn)題。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)各種類(lèi)型的植保無(wú)人機(jī)在施藥過(guò)程中霧滴沉積與飄移規(guī)律的研究還處于初步階段。我國(guó)植保無(wú)人機(jī)機(jī)型多樣、作業(yè)條件復(fù)雜及作業(yè)種類(lèi)繁多，未來(lái)的研究需要針對(duì)多類(lèi)型的植保無(wú)人機(jī)在不同氣象條件和作業(yè)參數(shù)下的農(nóng)藥?kù)F滴沉積與飄移規(guī)律進(jìn)行研究，并基于霧滴沉積與飄移規(guī)律建立植保無(wú)人機(jī)航空施藥作業(yè)專(zhuān)家系統(tǒng)，使用戶(hù)在施藥作業(yè)前就可以根據(jù)植保無(wú)人機(jī)類(lèi)型及作業(yè)要求選擇適宜的作業(yè)參數(shù)，以取得較佳的噴霧作業(yè)效果。

3.4 植保無(wú)人機(jī)配套施藥技術(shù)

植保無(wú)人機(jī)航空施藥具有低容量高濃度、藥液霧化程度高、霧滴易飄失等特點(diǎn)，因此，為保障植保無(wú)人機(jī)施藥技術(shù)的有效應(yīng)用，相應(yīng)的配套技術(shù)具有巨大的研究潛力和發(fā)展空間，如植保無(wú)人機(jī)專(zhuān)用航空噴嘴研發(fā)技術(shù)、專(zhuān)用航空藥劑及航空助劑研發(fā)技術(shù)等。其中，航空噴嘴包括靜電噴嘴、可控霧滴粒徑譜噴嘴、變量噴嘴等[62]，航空藥劑包括超低容量液劑、納米生物制劑等，航空噴霧助劑包括改性植物油助劑、有機(jī)硅助劑等。這些技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用將有效減少航空噴施霧滴的飄移與流失，促進(jìn)農(nóng)作物對(duì)藥液有效成分的吸收，為植保無(wú)人機(jī)的精準(zhǔn)噴施提供有力的保障。

4 結(jié)語(yǔ)

加快植保無(wú)人飛機(jī)的推廣應(yīng)用是我國(guó)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)建設(shè)的需要。目前，作業(yè)實(shí)踐已經(jīng)證明，植保無(wú)人機(jī)及其施藥技術(shù)由于在不受作物長(zhǎng)勢(shì)和地勢(shì)限制、提高作業(yè)效率、節(jié)本增效等方面具有不可替代的優(yōu)勢(shì)，在我國(guó)取得了極大的進(jìn)步和應(yīng)用。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，中國(guó)面臨著人口老齡化和城鎮(zhèn)化發(fā)展帶來(lái)的農(nóng)村勞動(dòng)力不足的嚴(yán)峻形勢(shì)，而且由于單體農(nóng)戶(hù)的小規(guī)模生產(chǎn)模式的存在，為了保障我國(guó)農(nóng)業(yè)的穩(wěn)定和可持續(xù)發(fā)展，加快實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)機(jī)械化和現(xiàn)代化的進(jìn)程，特別是山區(qū)與水田的全程機(jī)械化作業(yè)水平已經(jīng)成為中國(guó)國(guó)家層面的發(fā)展戰(zhàn)略，植保無(wú)人機(jī)及其低空低量施藥技術(shù)取代傳統(tǒng)人力背負(fù)式噴霧作業(yè)符合當(dāng)前中國(guó)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展的要求，在較大程度上提升了中國(guó)植保機(jī)械化水平。

另外，從日本等國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家植保無(wú)人飛機(jī)的發(fā)展歷程[63]以及國(guó)內(nèi)的市場(chǎng)需求來(lái)看，植保無(wú)人機(jī)市場(chǎng)前景非常廣闊，潛在的應(yīng)用方面將不斷拓展。植保無(wú)人機(jī)在中國(guó)是一個(gè)新興產(chǎn)業(yè)，植保無(wú)人機(jī)及其施藥技術(shù)與裝備也處于不斷發(fā)展之中，為保證植保無(wú)人機(jī)的健康發(fā)展和推廣應(yīng)用，深入研究植保無(wú)人機(jī)及其低空低量施藥技術(shù)的迫切性不容忽視；同時(shí)，更好地理解和掌握植保無(wú)人機(jī)施藥技術(shù)會(huì)有助于植保無(wú)人機(jī)及其噴施部件的設(shè)計(jì)和優(yōu)化，促進(jìn)農(nóng)藥的高效使用，對(duì)中國(guó)植保無(wú)人機(jī)市場(chǎng)的健康、有序發(fā)展具有重要的促進(jìn)意義。