冀北農用無人機優化設計及露地蔬菜飛防植保應用探討

李 兵樊江巖王玉宏（承德市蔬菜技術推廣站，河北承德 067000；承德市農機技術推廣站，河北承德 067000）

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冀北農用無人機優化設計及露地蔬菜飛防植保應用探討

應用X4Z四旋翼農用植保無人機飛防蔬菜病蟲害，具有成本低、工作效率高、適用作物廣、環境適應能力強、受藥面積大、農業危害小等優點，但也受設備條件、農藥劑型、病蟲害種類、操作人員水平、自然環境等因素的制約。

李 兵1樊江巖2王玉宏1
（1承德市蔬菜技術推廣站，河北承德 067000；2承德市農機技術推廣站，河北承德 067000）

李兵，男，高級農藝師，專業方向：冀北現代化農業技術應用與推廣，E-mail：libing219@126.com

河北承德是冀北夏秋蔬菜優勢產區，也是中國重要的夏秋蔬菜優勢產區，所產大白菜、甘藍等優質蔬菜遠近聞名，產品主要供應華北地區及南方夏秋淡季市場。承德地區蔬菜種植結構清晰，中南部地區以設施蔬菜為主，北部高海拔及壩上地區則以露地蔬菜栽培為主，2014年全市露地蔬菜播種面積5.99萬hm2（89.8萬畝），馬鈴薯播種面積5.27萬hm2（79萬畝）。近年來受市場因素影響，勞動力成本大幅增加，尤其是田間病蟲害監測與防控作業，占到總人工成本的40%～60%。為了解決這一問題，承德市農業部門大力開展現代農業裝備研發應用，通過應用農用無人機進行飛防植保，大力推動承德地區農業技術集約化、農民職業新型化和農業裝備現代化的發展。

1　X4Z四旋翼農用植保無人機平臺優化設計

1.1結構布局

X4Z四旋翼農用植保無人機平臺采用“X”型結構，平面四旋翼布局，軸距1 300 mm（圖1）。該布局在飛行平衡性以及姿態控制響應速度方面效果最佳，在材料一定的情況下，采用“X”型四旋翼結構的飛行平臺具有穩定性好、結構簡單、質量輕、成本低、續航時間長等優點。

1.2農用便捷設計

X4Z四旋翼農用植保無人機的機身采用碳纖維材料和鋁合金承載架輕便設計，外廓展開2 060 mm、折疊600 mm，設備艙全封閉，內部設備不受外界干擾，機翼快拆、機臂與噴桿折疊設計（圖1），方便農業運輸及轉場作業。

圖1　X4Z四旋翼農用植保無人機的飛行平臺和便捷設計

1.3噴灑機構組裝

X4Z四旋翼農用植保無人機采用2 300 mm碳纖維管噴桿，均勻分布超微量空心錐噴頭4個，單噴頭噴霧角度80°，方錐形藥桶容量為10 L（圖2），高效隔膜泵的工作壓力為0.5 MPa，藥液噴灑流量為1 L·min-1。受飛行中的下洗氣流影響，藥液被強行壓制霧化，落到植株葉片正反面。

1.4強化穩定性設計

X4Z四旋翼農用植保無人機采用獨創的傾角合力升舉式設計（圖3），該設計有效地降低了多旋翼農用植保無人機在農田飛防過程中的機械晃動問題，提高了農用無人機在高荷載作業情況下的飛行穩定性。

圖2　X4Z四旋翼農用植保無人機的噴灑結構

圖3　X4Z四旋翼農用植保無人機的傾角合力升舉式設計

1.5性能參數

X4Z四旋翼農用植保無人機起飛質量25 kg，負載質量12 kg，空載續航時間為20 min，滿載續航時間為13 min，平均續航大于15 min，飛行高度0.5～500 m，最佳作業高度距作物頂端4～5 m，作業幅寬10 m，飛行速度0～15 m·s-1，最佳飛防作業速度4～7 m·s-1，平均作業效率10 min·hm-2。

2　農用無人機冀北山區使用效果

依托河北省隆化縣雙灤匯農機專業合作社，在韓家店鄉、郭家屯鎮、舊屯鄉、唐三營鎮、湯頭溝鎮等鄉鎮使用X4Z四旋翼農用植保無人機進行農田飛防植保示范作業。經測算，X4Z四旋翼農用植保無人機采購單價8萬～10萬元，單機使用年限為5年，在保證植保效率、飛行器安全和操縱人員合理疲勞度的前提下，規定日植保作業時間為5 h，每小時有效飛行時間約40 min，每小時作業面積4 hm2（60畝），每天可保證20 hm2（300畝）有效植保面積；而傳統人工菜田日植保面積約0.53 hm2（8畝），平均每小時作業面積0.06 hm2（0.9畝）。目前，X4Z四旋翼農用植保無人機操作人員工資為200元·d-1，雇傭普通勞動力工資為100元·d-1。由于減少了田間踩踏、避免了植株機械損傷，藥效期延長，病蟲害發生減輕，與人工菜田植保作業相比，使用農用無人機植保作業成本可降低41.57%，節省植保用水99.12%。

3　山區農用無人機飛防植保優勢明顯

3.1成本低

目前，傳統人工菜田植保作業的工時費用約為187.5元·hm-2；采用X4Z四旋翼農用植保無人機，按單機年飛行20天（保守計算）、日作業20 hm2（300畝），5年設備質保期內總飛防面積可達2 000 hm2（3萬畝），折算成本約62.6元·hm-2（含飛機折舊、操作人員工時費、充電系統消耗等）。

3.2工作效率高

經測算，采用X4Z四旋翼農用植保無人機進行菜田病蟲害防治的效率是傳統人工背負噴霧器防治的67.5倍，年節省約91%的植保用工，并且能夠合理、有效地利用最佳病蟲害防控時段，提升防控效果。

3.3適用作物廣

該機型可應用于露地大白菜、甘藍、菜用枸杞等冀北山區主栽蔬菜作物的地上莖、葉部位復雜藥劑處理，同時適用于水稻、玉米等冀北主栽糧食作物飛防植保作業。

3.4環境適應能力強

X4Z四旋翼農用植保無人機對場地沒有特殊要求，山地、坡地等復雜地形在可視范圍內，只要在風力不大于3級的晴、陰、多云等無降雨天氣均可完成，且施藥后具有較強的耐雨水沖刷效果。

3.5受藥面積大

與固定翼無人植保機、無人植保直升機相比，X4Z四旋翼農用植保無人機使用過程中在旋翼下洗氣流的作用下能有效增強農藥霧化效果，有助于增加霧流對作物的穿透性。同時依靠傾角合力升舉設計，在最佳飛行速度和飛行高度下，藥霧在下洗氣流影響下向兩側旋轉下落、上翻，使作物根基部和葉背部均勻受藥。

3.6農業危害小

采用農用無人機進行飛防植保作業，操作人員遠離噴藥區域，不受田間藥劑飄散危害，避免人員農藥中毒等傷害事故發生。同時小型農用無人機多采用電力驅動，無廢氣排放，符合國家節能減排和生態農業發展要求。

4　農用無人機飛防植保的局限性

4.1受設備條件影響

X4Z四旋翼農用植保無人機生產及維護成本8萬～10萬元，與國內主流植保無人機價格相仿，但一次性投入較大，普通農戶或農業組織較難接受。農用無人機多采用電力驅動，載質量越大續航時間越短，10 L載質量的單架次菜田植保約15 min，覆蓋面積近1 hm2（15畝），僅適合中小規模使用。變換作業地塊操作時需要視覺判斷，作業最遠距離不應超出起飛點500 m（監視器實時顯示農用無人機距離起飛點的距離），有一定的飛行半徑。另外，農用無人機設備種類較多，機構差異較大，技術很難規范統一。

4.2受農藥劑型影響

由于采用超微量噴灑，對選用的藥劑要求比較嚴格，必須選擇正規廠家生產的合格產品，對作物敏感度低、水溶性好、無殘渣的高效、低毒、低殘留農藥或生物農藥，不可用于噴灑除草劑。經實際應用發現油劑效果最佳，其他溶解型藥劑需要提前準備。藥劑配制過程中盡量選用中性水，以提高藥效。由于藥液濃度較高，不宜在苗期使用，同時藥效期和安全間隔期應適當延長。

4.3受病害種類影響

冀北地區冬春寒冷、夏秋涼爽，具有獨特的氣候類型，露地蔬菜及大田農作物病蟲害發生相對較輕，采用X4Z四旋翼農用植保無人機進行飛防植保可達到較好的防治效果。但農用無人機噴灑藥液主要作用范圍為淺層地表和作物地上莖、葉部位，對于深層地下害蟲及土傳病害來說，如單一使用農用無人機防治效果一般。

4.4受操作人員影響

農用無人機是將遙感技術與精準農業有效結合，集成了農業裝備科技和園藝植保技術，對操作人員具有較高的要求。與固定翼植保無人機、無人植保直升機相比，雖然X4Z四旋翼農用植保無人機操作相對簡單，但農村務農人員綜合素質相對較低，操作農用無人機還是有一定難度的，通過對5名農機能手培訓10次，田間操作仍不穩定。如大范圍應用農用無人機進行飛防植保，則亟須加強新型職業農民培訓，培育專業組織集中實施。

4.5受自然環境影響

為了保證續航時間，農用無人機設備總質量通常較輕，易受天氣影響，當風力大于4級以上則無法較好的完成操作。由于采用超微量噴霧，藥液濃度較高，在高溫季節噴藥受時間限制，需避開午間高溫時段，一般選擇上午10：00以前、下午16：00以后作業，避免產生藥害。多障礙（如電線桿、樹木等）地塊農用無人機飛防難度加大，如操作不當易損壞設備。

5　冀北農用無人機飛防植保前景

據有關資料顯示，日本及美國等發達國家從20世紀90年代就開始了現代化農業航空植保裝備的研發，國外單臺農業植保無人機的產品報價為80萬～100萬人民幣甚至更高，而X4Z四旋翼農用植保無人機和國產典型農用無人機價格僅為國外產品報價的10%～20%，在此價格基礎上推廣無人機植保技術，具有明顯的價格優勢。近年來承德市率先引進以植保無人機為代表的現代化農業裝備，并不斷加大研發推廣力度，組成有關農業裝備研發推廣團隊，具有良好的技術儲備。目前承德地區露地蔬菜生產中應用無人機植保面積不足2%，如全市80%露地蔬菜應用該技術，年可節約1.32億元植保費用而轉入農民純收入；如將該技術覆蓋馬鈴薯、水稻、玉米、中藥材等一批區域性特色產業，挖掘更廣泛的潛在市場，則可實現大范圍的農民增收、農業增效。

基金項目：河北省現代農業產業技術體系蔬菜創新團隊項目，承德市科技計劃項目（20157025）

收稿日期：2015-08-24；接受日期：2016-01-20