農用植保無人機的研究現狀及趨勢

婁尚易，薛新宇，顧 偉，崔龍飛，周晴晴，王 昕

(農業部南京農業機械化研究所，南京 210014)

農用植保無人機的研究現狀及趨勢

婁尚易，薛新宇，顧 偉，崔龍飛，周晴晴，王 昕

(農業部南京農業機械化研究所，南京 210014)

病蟲害是制約作物良好生長、糧食安全生產的重要因素之一。然而，在當前尚缺乏有效預警手段和物理防治方法的情況下，化學藥劑防治仍然是防治病蟲害的主要手段。為此，介紹了植保無人機相比傳統地面施藥的優勢和特點，對國內外植保無人機的發展研究概況進行了梳理和總結，通過與發達國家精準施藥技術的比較，分析了我國在施藥關鍵技術和施藥配套裝備與技術方面的不足，并簡要介紹了無人機振動源的研究現狀，闡述了植保無人機未來的研究發展趨勢，為后續的研究工作提供鋪墊。同時，指出了無人機低空施藥技術將會大幅提高病蟲害防治效率，促進我國現代農業的發展。

植保無人機；施藥技術；振動；智能化；噴桿

0 引言

對中國而言，糧食安全是保障經濟安全、國家安全的基礎。在作物生長過程中，防治病蟲害是保證作物良好生長、促進糧食增產增收的關鍵手段，直接影響糧食食品安全[1]。目前，我國受農藥污染的耕地面積高達1 300萬～1 600萬hm2[2]。在植保領域加快推進施藥裝備的機械化水平與提高施藥技術，加強對病蟲害的防治能力，是保障糧食安全、促進農業穩定增產的必然要求。精準施藥技術是降低農藥殘留的有效手段[3]。地面噴霧機具可以精準地控制農藥噴施量，但對于水稻、油菜、甘蔗、玉米等作物，地面噴霧機具進地作業困難，所以針對以上作物的病蟲草害防治依然是影響我國農作物生產的不可忽視的難題。農用植保無人機就是利用無人機搭載噴藥裝置，并通過控制系統和傳感器進行操控，從而對作物進行定量精準噴藥，克服了人工作業效率低、地面噴霧機具進地作業的難題。隨著無人機技術的不斷發展，植保無人機已成為防治病蟲害的主要手段，其發展前景受到農業植保領域的高度重視。

1 農用植保無人機的特點

1)噴灑效果好。植保無人機施藥方式為低空、超低空作業，機具利用精確的導航系統調節與農作物的距離，通過霧化器改善霧滴的霧化均勻性，使噴出的藥液均勻地附著在作物的表面，有效減少重噴和漏噴的現象[4]。

2)無人駕駛。無人機的作業過程直接由飛控人員通過遠距離遙控實現，不需要專業飛行員操作，既降低了作業成本，又避免了人員與農藥的直接接觸，有效減少了農藥帶給施藥人員的化學成分的傷害[4]。

3)噴霧效率高。以我國天鷹-3 小型農用無人直升機為例，作業效率 7～10hm2/h，是普通噴灑機械的 3～4 倍[4]，是傳統人工噴藥的60倍以上。無人機施藥能夠在大規模病蟲草害突發情況下迅速并有效開展防治工作，最大程度降低病蟲害造成的損失。

4)適用性好。植保無人機可垂直起降，不受地形的限制，可解決地面機具難以進入山地、水田、沼澤等地作業的難題。同時，不受作物長勢的限制，對于山地、水田、沼澤都可以利用無人機來進行病蟲害防治，均具有良好的適應性。

5)省藥、省水、減少污染。無人機施藥提高藥物利用率，有效降低農藥殘留、土壤污染和水源短缺等問題。

6)操控人員安全系數高。操控飛機飛行的人員通過無線遠距離控制系統，實時發出指令對無人機的動作進行控制，同時通過安裝在植保無人機的自主導航裝置實現無人機的自動施藥過程[5]。

7)作物損傷小。不會像大型地面施藥器械碾壓作物致其損傷，不破壞土壤物理結構，不影響作物后期生長。

2 農用植保無人機應用現狀

2.1 國外植保無人機發展概況

從世界范圍來看，美國、日本的植保無人機技術較發達，處于世界領先水平。除此之外，還有澳大利亞、加拿大、俄羅斯、巴西、韓國等國家。這些國家無論是在機械設備，藥劑及智能化設備的研發上，還是在先進的植保技術方面，都給我國提供了大量的可借鑒經驗。

日本是無人機飛防最成熟的國家，從 20 世紀 90 年代起，日本在大田作物、果樹和蔬菜的病蟲害防治上開始應用無人直升機，且小型地面噴霧機具和單旋翼植保無人機的使用度較高。近年來，農用植保無人駕駛低空作業直升飛機因其單位面積施藥液量小、作業效率高和農藥飄移少等優點在日本發展迅猛。據統計，日本應用無人直升機進行病蟲害防治的水稻種植總面積占有45%，無人機的應用度較高。與此同時，飛行人才的培養在日本得到高度重視，目前在日本已經拿到飛行執照的操控人員的人數將近15 000人。因此，應用無人機對大田作物進行病蟲害防治與農業生產已經成為日本農業發展的重中之重與必然需要。目前，日本應用于農林業病蟲害防治的植保無人機以YAMAHARMAX系列為主，雅馬哈植保無人機經過近 30 年的技術發展，已經成為全球行業的領軍企業。

美國是世界上農業航空技術最先進、應用最廣泛的國家，其航空植保經歷了從有人駕駛直升機向無人機發展的過程。目前，美國在農業航空技術方面的研究熱點主要是圖像實時處理系統、變量噴灑系統及多傳感器數據融合技術。圖像實時處理的最終目標是通過建立圖像處理軟件系統，快速分析在空中采集的圖像數據并立即進行變量噴灑[6]。變量噴灑系統使得農藥的利用更加合理有效，達到節能環保的目的。多傳感器數據融合技術的最終目的是降低傳感器間存在的不確定性，使得對系統的描述更加完整、統一，從而提高遙感系統遠距離規劃、控制、反應的準確性與快速性，降低決策風險[6]。美國 GT-MAX 型農用植保無人機，其飛行控制結構采用內外回路結構，飛行控制系統采用三軸慣性加速度計、航向磁力計、聲納和雷達高度計及DGPS多傳感器數據融合技術[7]。

美國科研機構在農用無人機航空霧滴飄移方面的研究展開得較早并取得了先進的成果，近幾年用于官方監管農業航空噴霧施藥相關事宜的AGDISP航空飄移預測模型正在不斷地被完善。Teske和 Thistle 等針對 AGDISP 模型運用靜態高斯模型法、高斯云團模型和物理角度分析飛機尾流、大氣湍流相互作用、N-S 方程求解 3 種方法，對AGDISP 模型預測范圍小的問題展開了研究，將該模型有效準確預測范圍擴至 20 km。還有其他國家的科研人員基于AGDISP做出的相關研究：新西蘭 Praat 等綜合考慮了噴霧機自身因素與作物冠層特性的因素，展開了一系列關于霧滴飄移問題的研究；澳大利亞 Hewitt 等通過實時風速的測定，在航空飄移模型中應用了地理信息系統的相關內容，從而達到噴施策略優化的目的，以降低農藥飄移的程度，減少農藥的損失率[8]；德國 Kaul 等也針對一些具體作物展開田間試驗，進行了霧滴沉積、飄移的研究，取得了成果并得出了一定的結論[9]。

俄羅斯同美國的作業機型相似，以有人駕駛固定翼飛機為主，其作業隊伍龐大，擁有數量高達1.1萬架的農用飛機作業隊伍。在澳大利亞、加拿大、巴西等國家，則是以有人駕駛的固定翼飛機和旋翼直升機為主。韓國因戶均耕地面積較小，越來越多的農戶選用微小型無人機。

2.2 國內植保無人機發展概況

早在20世紀50年代后期，我國就開始對無人機進行了研究；從60年代中后期開始，逐漸展開了對無人機的研制工作。前期在國家投入研制經費的情況下，首先在軍事領域進行了無人機的研究，在取得了一定技術成果的基礎上，無人機的研究開始涉足農業領域[4,10]。雖然我國的農用無人機技術起步較晚，但隨著科技力量的不斷投入，近年來我國農用植保無人機的研究也步入了新的發展階段，機型越來越多，應用范圍越來越廣，技術研究越來越深入，推廣速度也越來越快。

目前國內無人機企業已近400家，從事植保無人機研發與生產的企業也越來越多并呈快速增長趨勢，主要以單旋翼無人機和多旋翼無人機為主。

1)單旋翼無人機。無錫漢和航空技術有限公司研發生產的漢和CD-15植保無人機，如圖1所示。該機載藥量可達15kg，噴灑速度為3.6m/s，噴灑時間為12～15min，噴灑效率0.13hm2/min，每天可連續作業26.7～40hm2。其采用極簡無副翼設計和翹尾設計，集成各種傳感器及噴灑軌跡顯示與信息化管理系統，可實現自動懸停。另外，還有蘇州綠農航空植保科技有限公司生產的帶有全地形降落支架以防撞防摔的綠農農鷹4DE1000植保無人機，深圳高科新農技術有限公司的高科新農德美特-H360單旋翼電動農用無人機，深圳天鷹兄弟無人機科技創新有限公司推廣的天鷹TY-777植保無人機，安陽全豐航空植保科技有限公司研發、生產與推廣的全豐3WQF125-16智能懸浮植保機等。

圖1 漢和CD-15植保無人機Fig.1 Han He CD-15 plant protection unmanned aerial vehicle

2)多旋翼無人機。廣州極飛電子科技有限公司研發生產的極飛農業P20植保無人機，如圖2所示。該機載藥容積達5～8L，最高作業速度6m/s，作業效率為單次起降1.3hm2，載藥可持續飛行25min。該機搭載有極飛科技自主研發的農業無人機飛行控制系統，采用A2智能手持終端，能根據實際載藥量和電量規劃航線，利用RTK定位系統，使無人機實現厘米級高精度航線飛行，其智能氣象站為飛行規劃提供實時、準確的氣象信息，實現了智能、精準、高效、節能的植保作業方式。另外，還有北方天途航空技術發展有限公司制造的植保六旋翼無人機、植保八旋翼無人機，安陽全豐航空植保科技有限公司研發、生產與推廣的全豐3WQFDX-10植保無人機、全豐S1100-6KG多旋翼植保無人機，蘇州綠農航空植保科技有限公司生產的綠農農鷹8DE2000植保無人機，珠海羽人飛行器有限公司自主研發的谷上飛?3WDM8-20大載荷植保無人機等。

圖2 極飛農業P20植保無人機Fig.2 Ji Fei P20 agricultural plant protection unmanned aerial vehicle

3 農用植保無人機施藥技術研究現狀

3.1 我國植保無人機施藥關鍵技術

近年來，我國在無人機的施藥關鍵技術上，尤其是在無人機航空噴灑系統、低空低量噴灑、遠程控制施藥及低空變量噴藥系統等技術上展開了相關研究。范慶妮等設計了離心霧化、液力霧化系統這兩套應用于小型無人直升機的農藥霧化系統，實現了小型無人機的低空、低量噴灑[11]。茹煜等基于德國 VARIO 公司生產的多用途無人機，設計了遠程控制低量噴霧系統，并對影響離心霧化噴霧效果的主要因素進行理論研究和性能試驗[12]。王玲等設計了由地面測控單元和機載噴施系統兩部分組成的變量噴灑系統，機載噴施系統以ARM Cortex-M3系列的STM32F103VC微處理器為核心，接收地面控制信號實時調節電動隔膜泵電動機轉速，以改變系統噴霧壓力和噴藥量，實現變量噴霧調節[13]。

在農業病蟲害防治中，無人機的飛行高度、噴霧方式、施藥濃度等作業參數對霧滴飄移、霧滴沉積和霧滴分布均勻性的影響程度較大。董玉軒等研究了霧滴密度、噴霧方式對48%毒死蜱乳油防治褐飛虱效果的影響，試驗表明：相同有效劑量條件下，側向噴霧的防效高于壓頂噴霧，采用側向噴霧方式時，水稻基部較易獲得高密度霧滴，藥劑在低有效劑量條件下即可取得預期防治效果[14]。薛新宇等為了說明噴灑藥械N-3型無人直升機(N-3 UAV)在玉米生長后期霧沉積效果及應用前景, 研究了噴灑參數對玉米冠層霧滴沉積分布的影響。研究表明：作業高度為 7m 時，霧滴在目標上的總沉積量比作業高度為5m和9m時的沉積量大, 霧滴沉積量的離散程度最小, 霧滴在玉米上部和穗部的沉積量高于頂部和下部的沉積量；在同一作業高度下(7m)，橫向寬幅為7m時，多噴幅霧滴沉積百分比的極差為26.3%，變異系數為25%，霧滴分布均勻性最好[15]。楊帥等使用八旋翼無人機施用6%戊唑醇ULV防治小麥成熟期白粉病，研究了飛行高度對小麥冠層不同高度葉片霧滴沉積密度和防治的影響。研究表明：飛行高度為0.5m時，葉片上的霧滴沉積密度最大，且該高度處理防治效果最佳；但隨著飛行高度的增加，葉片相應部位的霧滴沉積密度與防治效果均呈下降趨勢[16]。

3.2 我國植保無人機施藥配套裝備與技術

在無人機施藥配套裝備與技術的研究上，我國的專家學者也取得了一系列顯著成果。目前，針對無人機的低空、低量、均勻噴施及高功效的噴灑要求，我國的許多學者對無人機的噴嘴進行了設計、試驗與改進。周立新等利用專用試驗臺對電動離心噴頭進行了性能試驗，結果表明：霧化盤的轉速、噴嘴流量和噴霧高度對霧滴體積中徑和噴幅影響較大，而對霧滴分布均勻影響不大[17]。茹煜等對旋轉液力霧化噴頭進行了性能試驗研究，結果表明：隨著電機電壓增加，霧滴粒徑變小，霧化效果好，隨著電極電壓增加，噴霧角度變大，幅寬明顯增加，霧滴沉積量在噴幅范圍內呈現正態分布[18]。周宏平等對應用于輕型飛機上的單噴嘴航空靜電噴頭進行了改進設計，并就其霧化荷電機理及性能進行了理論分析和試驗研究，結果表明：改進后的航空靜電噴頭霧流速度較高并且均勻，與常規扇形航空噴霧相比霧滴沉積平均提高18個/cm2，而且作業時間短, 使用農藥量減少5.22L/hm2, 有效防治率提高了33.8%,可以達到滿意的病蟲害防治效果[19]。

4 植保油動無人機振動發生源研究現狀

植保油動無人機在作業過程中的振動直接影響了無人機的噴霧均勻性，所以分析理清無人機的振動發生源并獲得航空噴施裝備關鍵部件的振動特性具有重要的意義。

4.1 發動機振動的研究

楊蛟以典型的無人機用航空發動機轉子系統為研究對象，對機動飛行條件下的航空發動機轉子系統的動力學特性進行了分析，利用Runge-Kutta法對建立的動力學方程進行數值求解，結果表明：在不同的轉速下轉子的振動幅值也發生了不同程度的變化[20]。陳熠等基于發動機的振動載荷譜，分析了發動機振動通過機翼向機身結構傳遞的載荷特性，并仿真辨識了發動機振動傳遞的主路徑[21]。祝長生等利用 Lagrange 方程建立了飛機在任意機動飛行條件下柔性轉子系統運動方程的一般形式，為深入研究飛機機動飛行對轉子系統動力特性的影響奠定了基礎[22]。

4.2 旋翼振動特性的研究

胡國才等建立了前飛狀態的旋翼與機體耦合動穩定性分析模型，應用此分析模型對無鉸旋翼直升機地面共振、前飛時孤立旋翼動穩定性進行了計算驗證，分析結果與試驗值吻合[23]。武珅等建立直升機旋翼擺振阻尼器的動力學模型并將其應用于直升機旋翼與機體耦合系統穩定性分析和旋翼系統的氣彈振動載荷計算中，研究液彈阻尼器非線性特性對直升機旋翼動力學系統的影響[24]。陳全龍等提出了一種高精度的直升機旋翼與機身耦合系統振動響應分析方法，利用CSD軟件建立精細的機身三維有限元模型，然后通過帶配平的松耦合迭代方法求解系統響應[25]。

4.3 傳動系統振動特性的研究

郭家舜等采用集中質量法，建立了新型直升機傳動系統的彎—扭耦合動力學模型和動態響應方程，針對其旋翼激勵對傳動系統動態響應進行了數值求解，研究了傳動系統中齒輪嚙合的動載系數的變化特點[26]。徐敏提出了一種新的直升機傳動系統機械扭振分析方法，根據旋翼、主減速器與其他傳動軸系3個分枝系統的扭振模態參數，采用分枝模態綜合慣性耦合法對直升機整個傳動系統進行機械扭振計算分析[27]。王小三以直升機傳動系統的基本結構為研究基礎，運用模塊劃分的方式對直升機傳動系統的扭轉振動進行分析，以疊加原理為基礎，得出相應扭轉振動方程的解[28]。

5 農用植保無人機研究趨勢

5.1 成熟穩定安全的移動端操作平臺

隨著植保無人機技術的不斷開拓和發展，已經走入了智能化的時代，植保無人機企業將產品與移動端結合的智能化操控模式顯得尤為重要。通過手機APP操作平臺來操控植保無人機，可實現上升懸停、航線規劃、自主飛行、GPS跟隨及虛擬搖桿操作等功能，同時解決無人機無法感知和避開障礙物的智能問題正是手機APP操作平臺發展的方向。研發高穩定性、高可靠性農用植保無人機自主飛行控制系統，搭建更加成熟穩定安全的移動端操作平臺，是植保無人機發展的重中之重。

5.2 精準施藥技術

近年來，為提高農藥有效利用率、減少作物農藥殘留危害和保護施藥地區周邊的環境，精準施藥技術成為研究熱點。改進更好變量噴藥控制方式，將地理信息系統與航空遙感技術相結合。目前，開發高效的航空遙感系統成為一種新趨勢，無人機搭載遙感系統可以通過核心技術產生的精確空間圖像對大田作物的營養狀況、長勢狀況及病蟲害的狀況進行分析。針對霧滴沉積、飄移、分布均勻性監測及霧滴圖像處理系統等先進傳感器的開發與使用，國外在此類研究上已有較為先進的成果，我國科研人員對此類傳感器和技術也展開了研究。農業部南京農業機械化研究所開展了一系列測試，主要針對航空飄移預測模型及無人機旋翼風場測試等內容[29]；趙春江等開發了航空施藥中藥霧分布與飄移趨勢遙測系統[30]，為推動我國植保無人機精準施藥技術的發展，傳感器的開發與應用顯得尤為重要。

5.3 農業航空植保靜電超低容量施藥技術

由于傳統噴霧技術只有25%～50%的藥液附著在作物上，并且霧滴飄移嚴重，使用靜電噴霧能有效增加藥液的附著率，減少飄移，將藥液的有效利用率大幅度提高。同時，由于控制了飄移量，可降低對周圍環境和土地的污染。在航空靜電施藥技術的研究中，國外較我國起步早，已有了較為先進的技術成果。例如，美國靜電噴霧器公司制造的航空靜電噴霧系統適用于各種中小型螺旋槳飛機和直升機掛載，是自20世紀90年代以來最先進的航空靜電噴霧器械。近年來，美國的專家學者針對航空靜電噴霧系統的抗飄移性能進行了測試研究。2001年，Kirk、Hoffmann、Carlton將航空靜電噴霧系統應用于棉花，測試了系統在田間的作業效果[31]；2003年，Kirk對航空靜電噴霧系統的抗飄移性能進行了研究[32]。目前，國內在無人直升機靜電噴霧技術方面的應用研究還較少，隨著技術的不斷發展和環境壓力的不斷增大，靜電噴霧勢必在農用植保機上應用更加廣泛。

5.4 植保無人機噴桿振動特性研究

影響植保無人機作業質量的3個重要評價指標是霧滴的飄移性、沉降量及分布均勻性，國內外學者對植保無人機進行研究的首要目標是提高其作業質量。參考大量文獻可知，目前從事植保無人機研究的相關學者大多側重對航空施藥技術、作業參數、噴霧系統、航空噴藥關鍵部件，特別是噴嘴的研究。噴桿作為植保無人機的施藥關鍵部件，至今很少有人對其在噴霧作業過程中因振動問題產生的影響進行研究。目前，國內外對噴桿技術的研究主要在以下4個方面：①噴桿與噴霧均勻性關系的研究。Robert E.對懸掛式、牽引式、自走式及罩蓋式噴桿噴霧機的飄移和霧量分布均勻性進行了研究，結果表明噴桿的穩定性是保證霧量分布均勻性的重要因素。②噴桿結構動力學研究。邱白晶等進行了噴霧機噴桿有限元模態分析與結構優化；陳晨等針對噴霧機噴桿結構動力學特性原始設計缺陷，對噴桿桁架結構形狀及桿件截面尺寸進行優化。③噴桿運動學與控制理論研究。陳達設計了在噴桿桁架之間能充分吸收振動沖擊能量的柔性聯結結構；王強等設計了一種高度可自動調節的噴桿控制理論，根據地面高度快速調節噴桿高度[33]。④噴霧機田間路面譜研究。鄭聯珠等測量了幾種田間軟地面的路面譜，根據試驗數據統計出考慮了土壤和輪胎特性影響的有效軟路面譜計算表達式；徐竹鳳等將農田地面不平度應用于噴桿的動態模擬分析，提出了路面譜復現的方法。根據已有的針對發動機、旋翼、傳動系統的振動分析方法，解析三者的振動方程，結合地面噴桿的相關研究，獲得航空噴桿的振動特性，在滿足噴桿強度作業要求、空氣動力學性能的前提下，優化設計質量輕、強度高、耐腐蝕、空氣阻力小的噴桿是目前航空噴施裝備關鍵部件的研究趨勢。

5.5 高載質量、高效率、長航時

目前，植保無人機普遍存在的不足就是承載質量小，一般為 30～40kg，航時較短，一般為15～30min。隨著單位面積噴灑收入的提升及土地流轉的增加，高載藥量、高效率、長航時無人機的需求度會逐步顯現出來。載藥量越多，飛行時間越長，可大大提高無人機的作業效率，因此高載質量、高效率、長航時的中小型無人機將是今后的發展趨勢。

6 結論

通過分析國內外植保無人機施藥技術與施藥裝備的研究現狀，總體上可以看出國內外無人機施藥領域的研究均取得了進步并在持續發展。隨著無人機低空施藥技術的不斷發展，植保無人機已經成為防治病蟲草害的主要手段。為了實現植保領域高效、環保、快捷、安全的作業要求，無人機施藥技術必將得到快速發展。雖然我國的植保無人機施藥技術仍處于起步階段，但隨著資金的不斷投入與科技的不斷發展，植保無人機將會得到廣泛應用，從而大幅提高病蟲害的防治效率，促進現代農業的可持續發展。

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Abstract ID:1003-188X(2017)12-0001-EA

Current Status and Trends of Agricultural Plant Protection Unmanned Aerial Vehicle

Lou Shangyi ,Xue Xinyu, Gu Wei, Cui Longfei, Zhou Qingqing, Wang Xin

(Nanjing Research Institute of Agricultural Mechanization, Ministry of Agricultural, Nanjing 210014, China)

Plant diseases and insect pests is one of the important factors that restrict good crop growth and food safety in production. However, in the current situation that lack of effective early warming method and physical method of prevention and cure, chemical prevention and control is still the main method for the prevention and control of plant diseases and insect pests. This article described the advantages and characteristics of aerial spraying technology compared to conventional ground administer. In this article, the current status of plant protection unmanned aerial vehicle at home and broad were reviewed and summarized.Through comparing the current situation of accurate spraying technology with developed countries, the shortage of our country in key technologies of spraying and auxiliary equipment and technology used in spraying was analyzed. This paper briefly introduced the current research situation of unmanned aerial vehicle vibration source, and then the prospect of world’s agricultural aerial spraying was explained, laying a foundation for further research. At the same time pointed out that aerial spraying will significantly increase the efficiency of prevention and control of plant diseases and insect pests, promoting the development of modern agriculture in our country.

plant protection unmanned aerial vehicle; spray; vibration; intelligent; spray lance

2016-09-27

公益性行業(農業)科研專項(201203025)；國家高技術研究發展計劃(863計劃)項目(2013AA102303)；國家重點研發計劃項目(2016YFD0200700)；江蘇省自然科學基金項目(BK20151074)

婁尚易(1993-)，女(蒙古族)，內蒙古赤峰人，碩士研究生，(E-mail)80248643@qq.com。

薛新宇(1969-),女，江蘇蘇州人，研究員，博士生導師，博士，(E-mail)735178312@qq.com。

S252

A

1003-188X(2017)12-0001-06