無人旋翼植保機的應用研究

呂宏靖　李哲　于麗杰

摘要：無人旋翼植保機具有作業效率高、施藥效果好、作業適應性強、作業過程精準等優勢，能快速高效地完成大范圍的植保作業，但其在實際推廣過程中還有諸多問題亟待解決，需要進行相關研究。

關鍵詞：農用航空；無人機；旋翼；植保

中圖分類號：S224.3 文獻標識碼：A 文章編號：1674-1161（2015）05-0068-02

農業部植保植檢網提供的數據顯示，目前中國使用的植保機械以手動和小型電動噴霧機為主，其中手動施藥藥械、背負式機動藥械分別占國內植保機械保有量的93.07%和5.53%，拖拉機懸掛式植保機械約占0.57%。據統計，我國每年因防治病蟲害不及時而導致的糧食作物產量損失達10%以上。

目前在我國的糧食作物生產中，植保作業依然以人工為主，投入人力多，勞動強度大，常常發生施藥人員藥物中毒事件。農用航空植保技術是基于航空技術，結合機械化、自動化的植保技術。植保無人機能快速高效地完成大范圍的植保作業，優勢十分突出，但其在實際推廣過程中還有諸多問題亟待解決。

1 無人旋翼植保機的優勢及特點

1.1 作業效率高

無人機的作業效率取決于飛行速度。2014年7月，在鞍山市召開的機械化植保作業現場會上，參會廠家提供的宣傳資料顯示，無人機在田間作業時采用低空飛行，速度可達到8 m/s，作業幅寬（噴幅）4.5 m。工作時，扣除續航更換電池和加藥的時間，每小時的作業面積在15 hm2（0.15 hm2/min，10 min飛行時間）以上，效率是任何植保機具所不能比擬的。

1.2 施藥效果好

無人旋翼植保機飛行中，產生的下降氣流吹動被施藥作物的葉片，讓葉片正反面均可以附著藥物，施藥效果比人工和機械提高15%～35%。在應對突發或者爆發性病蟲害時，無人旋翼植保機的防控效果更加突出。

1.3 作業適應性強

無人旋翼植保機能夠在地面機具不能進入的區域工作，尤其是在嚴重內澇的情況下，地面機械無法進地工作時，無人機作業不受影響。地面機具作業會留下車轍，壓倒作物，破壞土壤物理結構，影響作物后續生長。而無人機載液量較小，多采用濃縮藥液配合低量噴灑技術，不受作物長勢影響。

1.4 作業過程精準

2012年遼寧爆發大面積玉米粘蟲災害時，亟需快速高效的控制蟲害的植保機具。無人植保機作為快速反應手段，可有效地防止蟲害擴散。

無人旋翼植保機作業高度低，噴藥漂移少，可以在空中懸停；利用衛星定位系統進行定位，配合電腦自動規劃施藥路徑，起降不需要跑道，適用于分散田塊和民居稠密的農業區域；采用遠距離遙控駕駛方式，不會發生作業人員中毒情況。

雖然無人旋翼植保機的作業效率遠遠低于有人駕駛的固定翼飛機，但固定翼飛機很難為小面積農田提供植保作業服務，也不能實現精準施藥。

2 無人旋翼植保機存在的技術問題

2.1 定位導航精準度不夠

現場會上，參展廠家進行無人機作業演示。工程師首先利用手機的GPS定位工作起始點，然后設定工作路線。無人機配備的GPS的精度范圍為2 m左右。實際操作時，無人機需要GPS的衛星信號達到6顆以上才能進行作業。演示時，無人機起飛后懸停點偏離之前預設的工作起始點，隨后調整失敗，飛出演示田塊。GPS的精度直接影響無人機的作業質量，只有飛行軌跡配合噴施區域，不漏噴、不復噴，才能實現無人機高效施藥。

2.2 售價較高

現場會上，無人機的裸機報價為15萬元左右，包括飛行器、藥箱、噴霧機構、遙控裝置和一組電池。整機報價為20萬元左右，除裸機外還提供1個藥箱、5組電池、汽油發電機及充電設備。單獨購買裸機無法作業，而整機報價不包括操作人員一個半月的2萬元培訓費用。無人機采用合金骨架，機翼是碳纖維材料，很大一部分線路是裸露的。由于飛機銷量太少，沒有形成量產，所以價格很難讓人接受。

2.3 智能程度低

20多萬元的價格只能購買一個遙控航模飛機加上電動噴霧機構，使得機具不具備廣闊的推廣價值。因此，植保無人機的銷售“門檻”必須降低，操作應該趨于簡單便捷；自動完成路徑規劃，且能適應作業時的各種氣象條件，出現狀況時能采取必要的自我保護措施。

2.4 作業參數有待優化

無人機的航空噴施作業質量受諸多因素影響，如飛行高度、飛行速度、氣象條件、航線規劃、導航自動控制等。華南農業大學研制的風場無線傳感器網絡測量系統能為無人機作業提供參數優化，但目前還處于試驗階段。只有系統的試驗研究，才能為無人機優化控制系統，讓無人機操作智能化，提高無人機作業質量。只有高精度的坐標才能保證作業質量，因此，應采用DGPS增加導航精度，或是利用軟件分析修正坐標信息。

2.5 噴灑技術亟需改進

目前，植保無人機是利用離心式霧化噴頭來產生霧滴霧化的，而美國和日本普遍采用靜電噴嘴，以提高藥液附著力。離心噴嘴依靠電驅動噴頭將藥液甩出，形成霧滴；霧滴甩出后，受飛機飛行時的氣流速度、狀態、外界大氣等因素影響。如何獲得最佳粒徑和運動狀態，是下一步技術研究重點和難點。霧滴在運輸及沉降運動的整個過程中，在極為復雜的空間流場影響下，相互碰撞、聚合，使得運動具有極大的隨機性。除旋翼飛行產生的渦流外，作業時的溫度、風速、氣流與作物摩擦產生的渦流等，也會影響霧滴在作物上的分布。為獲得最佳噴灑效果，需要對噴施作業參數進行選擇與優化。航空噴施的藥物品種有別于機械噴藥，但無人機的航空藥劑及輔助劑的用量配比尚無標準，仍需攻關。

3 結論與建議

無人機具有作業效率高、施藥效果好、適應能力強、適合突發事件等優勢，是目前植保領域的研究熱點。航空植保飛行器智能控制技術以及航空施藥噴灑技術是植保無人機的關鍵技術。從國內現有的航空植保技術及無人機性能來看，大范圍推廣還有很長的路要走。

參考文獻

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