植保無人機作業(yè)質(zhì)量提升方法

雷楠　金晨鐘　李靜波

摘要 植保無人機具有較高的靈活性和施藥效率，省工、省力、節(jié)約人力成本，近年來受到高度重視。無人機作業(yè)質(zhì)量需要考慮作業(yè)環(huán)境、作業(yè)條件、作業(yè)參數(shù)、藥液配方、藥液濃度、無人機參數(shù)等因素。選擇合適的無人機作業(yè)條件和參數(shù)以及合理的藥液，結(jié)合現(xiàn)代精準農(nóng)業(yè)技術(shù)優(yōu)化無人機性能，可提高植保無人機的作業(yè)質(zhì)量，促進植保無人機的發(fā)展。

關(guān)鍵詞 植保無人機；作業(yè)參數(shù)；作業(yè)質(zhì)量；性能優(yōu)化

中圖分類號 S252+.3 文獻標識碼 A 文章編號 1007-5739（2017）13-0140-02

Abstract Recently，unmanned aerial vehicle（UAV） for plant protection is considered as an alternative to traditional pesticide application tools，due to advantages from UAV of reduction in cost and labor force as well as flexible and efficient pesticide application.For UAV operation quality，many factors should be taken into account，including the operating environment，conditions，parameters，liquid formula，liquid concentration，UAV parameters and so on.Optimizing aforesaid factors combined with the technology of modern precision agriculture，can improve UAV performance，thus the development of plant protection UAV can be promoted.

Key words plant protection UAV；UAV parameters；operation quality；performance optimization

近年來，許多由科技創(chuàng)新衍生的植保器械逐漸代替人工進行植保作業(yè)，植保無人機代表了這一類高新農(nóng)業(yè)技術(shù)，在植保作業(yè)中擔任著重要的角色。其優(yōu)勢如下：一是在對大面積作物進行防治時，空中飛行作業(yè)可以克服人工和地面設(shè)備對農(nóng)作物的損傷，克服某些地形地勢劣勢，如山地、林地等；二是在進行田間作業(yè)時，只需要很小的一塊起降區(qū)域，靈活性高，適合中國土地田塊相對分散的國情；三是機防手對無人機進行遠程操控，可遠離施藥現(xiàn)場，避免機防手受到大量農(nóng)藥的危害；四是無人機運用GPS導航，只需根據(jù)作物區(qū)域的跨距預先定位，規(guī)劃航線，就可自主接力，同時可以減少人工施藥出現(xiàn)的漏噴、重噴現(xiàn)象，節(jié)約資源，提高施藥質(zhì)量；作業(yè)時距離作物2～3 m，旋翼產(chǎn)生的下旋氣流使藥液在作物的垂直結(jié)構(gòu)上穿透力更強，能更有效地到達作物靶標部位[1]。

目前，無人機從機翼結(jié)構(gòu)上可分為固定翼、單旋翼、多旋翼3種。固定翼造價較高、施藥效果一般、飛行操控較難，故很少用于農(nóng)業(yè)植保。多旋翼無人機由于其可操作性好、經(jīng)濟、安全、技術(shù)成熟度高，在國內(nèi)應用比較廣泛。從動力裝置上可以把無人機劃分為油動無人機和電動無人機。電動多旋翼無人機靈動方便，但是在電池的續(xù)航能力上一直難以突破[2]。在實際施藥過程中，1塊鋰電池大約能使無人機工作15 min，幾乎是每噴完1箱藥液就需要更換1塊電池，并且電池攜帶不方便，降低了使用效率。油動多旋翼無人機在施藥精準性和續(xù)航能力上表現(xiàn)不錯，安全性較高，其進步與發(fā)展有更大的潛力。

植保無人機自面世至今一直頗受關(guān)注，爭議不斷。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，農(nóng)戶更為關(guān)心此類植保器械是否省時、省力、高效。植保無人機的作業(yè)質(zhì)量直接決定了無人機是否能夠勝任飛防植保的重任，更是影響著病蟲草害的防治，進一步關(guān)聯(lián)著作物的產(chǎn)量和品質(zhì)。對于植保無人機作業(yè)質(zhì)量，影響因素很多，可對這些因子進行研究取優(yōu)，以逐步提高植保無人機的作業(yè)質(zhì)量。

1 根據(jù)作業(yè)參數(shù)施藥

1.1 作業(yè)條件

植保無人機在進行作業(yè)時可能受到各種環(huán)境因素的影響。一是作業(yè)對象。不同的作物可能存在生長區(qū)域、地勢、生長態(tài)勢、施藥時間等的不同，在進行科學合理的植保作業(yè)前，應該先對這種作物做一定的試驗研究，再確定噴施方案。二是氣象條件。包括風向、風速、降雨、濕度、氣溫，其中風向、風速對無人機噴施過程中霧滴在作物上的沉積影響最大。根據(jù)農(nóng)用航空器噴施技術(shù)作業(yè)規(guī)程[3]：①風速超過5 m/s時不宜進行航空噴霧；②最佳施藥氣溫為24～30 ℃，當大氣溫度 ≥35 ℃時應暫停作業(yè)；③在進行噴霧時，作業(yè)環(huán)境的相對濕度應在60%以上；④噴施一般化學農(nóng)藥保證在24 h內(nèi)無降雨。環(huán)境中存在適宜的風能使霧滴更為細小均勻，下風利于霧滴沉積，側(cè)風引起飄移。

1.2 無人機作業(yè)參數(shù)

飛行器作業(yè)參數(shù)主要是飛行高度和飛行速度，二者會對霧滴沉降特性造成明顯影響，最終影響作業(yè)效果和農(nóng)藥利用率[4]。

1.2.1 飛行高度。植保無人機在進行噴施作業(yè)時，在氣象條件一定的前提下，飛行高度對作業(yè)效率的影響較大。飛行高度過高，在藥液沉降過程中會導致更多的揮發(fā)，并且更容易發(fā)生飄移，損害非靶標作物的同時又造成了浪費；飛行高度過低，特別是無人機的噴施高度低于1 m時，無人機旋翼造成的渦流旋場，會打亂藥液在作物上的均勻分布，同時有一部分藥液也會落于地面，降低了作物上的沉積量，造成浪費，影響效率。

1.2.2 飛行速度。一般而言，旋翼無人機的最佳飛行速度為4～6 m/s[3]。飛行速度過快，可能造成漏噴，達不到預期液滴覆蓋效果；飛行速度過慢，則影響工作效率，浪費資源和污染環(huán)境。

2 增加靶標區(qū)的作用效果

植保無人機在藥液噴施過程中受氣流的影響，相對于地面施藥器械而言，更容易產(chǎn)生飄移[5]。藥液在下降過程中的揮發(fā)和飄移，既造成資源浪費又污染環(huán)境，尤其除草劑的飄移會對非靶標區(qū)域的作物造成傷害，在作物種植密集的地區(qū)，會造成其他經(jīng)濟作物的損失。同時，使用合適的農(nóng)藥劑型、配方、助劑能增加藥液在作物上的沉積，提高藥液作用效果。

2.1 減少非靶標區(qū)的飄移

目前，關(guān)于航空植保作業(yè)過程中飄逸霧滴的控制方面，最具代表性的應屬航空靜電噴霧技術(shù)。靜電噴霧技術(shù)在植保器械上的使用已然頗多，其與航空噴霧相結(jié)合，一是無人機在進行噴灑作業(yè)時可以利用靜電場提高霧滴對靶標的吸附；二是霧滴從無人機落至地面作物上受到重力和下風的作用，在此基礎(chǔ)上增加的靜電力場加速了霧滴的向下運動，能大大減少霧滴的逸散[6]。

2008年，新疆農(nóng)墾科學院從美國SES公司引進了一套航空靜電噴霧系統(tǒng)，對新疆墾區(qū)的棉田進行作業(yè)。結(jié)果表明，該靜電噴霧系統(tǒng)噴霧均勻，霧化效果好，荷電霧滴能更多地吸附在作物的正反面，且沉降速度快[7]。通過對該系統(tǒng)的研究，我國在自主研制靜電噴霧系統(tǒng)方面也得到了啟發(fā)[8]。南京林業(yè)大學的茹 煜等通過對國外航空靜電噴霧設(shè)備的學習后，開始自主研制基于固定翼飛機的靜電噴霧系統(tǒng)[9]。靜電噴霧技術(shù)可顯著增加霧滴在作物表面的沉積數(shù)量，可以有效提高無人機小載重量、低噴量作業(yè)特點下的藥液利用率。此項技術(shù)的使用在中國尚不成熟，還需要進行大量的研究以促進發(fā)展。

2.2 無人機用藥的配制及濃度

2.2.1 航空噴霧助劑。無人機噴灑作業(yè)，影響霧滴飄移與沉積最重要的參數(shù)是霧滴的直徑[10]。小霧滴易飄移，但若能均勻地分布在靶標作物上會有良好的覆蓋性，提高防治效果；大霧滴不易飄移，能較好沉積，但低容量噴灑時效果會變差。通過在無人機噴液中加入助劑，如液體肥料、礦物油、人工合成的非離子表面活性劑、植物油等，可以改變藥液的性質(zhì)，如表面張力、展著性、與作物的接觸角等，有利于使藥液霧化更為均勻和促進霧滴沉降，減少藥液飄移，改善藥液在靶標作物表面的滲透性、展著性，提高附著率[11]。

2.2.2 施藥濃度。在農(nóng)藥田間噴霧時，對病蟲草害的防治效果起決定性作用的是霧滴沉積密度。國內(nèi)已有學者研究發(fā)現(xiàn)[12-13]，在一定范圍內(nèi)，增大藥劑濃度，防治效果會上升，但是霧滴的沉積量到達限值之后，防治效果差異不明顯，且沉積量過大會造成資源浪費、影響生態(tài)環(huán)境，特別是在噴施除草劑時，霧滴沉積量過大可能會傷害有效作物。用無人機噴施農(nóng)藥時，需要對噴施濃度做合理的分析，以達到節(jié)約資源、避免污染、提高效率的目的。

2.2.3 劑型選擇。目前，無人機在作業(yè)過程中，工作人員配制農(nóng)藥尚無一套可供參考的屬于無人機專用的配藥標準，大多根據(jù)傳統(tǒng)手動機械的經(jīng)驗配制農(nóng)藥，但傳統(tǒng)農(nóng)藥的劑型和濃度不適合進行無人機噴灑作業(yè)。植保無人機采用的是霧化噴頭，其噴霧藥滴直徑約為傳統(tǒng)植保機械的1/10。因此，傳統(tǒng)農(nóng)藥的噴霧配方往往容易堵塞噴頭，達不到最佳防治效果。專業(yè)的無人機飛防專用農(nóng)藥必須具有滲透強、潤濕快、飄移小、分布更均勻、沉降速度快、用量小、效率高等特點。就當前經(jīng)驗及研究發(fā)現(xiàn)，在劑型上不能選用粉劑，宜選擇水乳劑或水劑進行無人機的作業(yè)噴灑[14]。

3 優(yōu)化無人機性能

在農(nóng)用無人機作業(yè)時，其本身的性能對施藥質(zhì)量有很大的影響。目前，我國植保無人機各項技術(shù)尚不成熟。未來無人機想要適應更高的植保要求，必須不斷研發(fā)新技術(shù)，根據(jù)不同型號無人機的參數(shù)特點研發(fā)新的操控手段，結(jié)合衛(wèi)星定位及地理信息實施精準施藥。

3.1 操作智能化

遙控式植保無人機對機手的操作能力要求高，尤其是單旋翼植保無人機，操作更是復雜。一架無人機正常作業(yè)需要配藥、遠程操控，并且無法超視距飛行，需要有人專門進行位置及障礙的報告（至少需要2～3人），大大增加了人力成本。無人機操控系統(tǒng)需要更加智能，如定速仿地形飛行、自動返航、電子圍欄等功能，能大大增加作業(yè)準確度，提高效率，節(jié)約勞動力[15]。

3.2 選擇噴霧參數(shù)

同一種無人機機型，噴霧參數(shù)（包括噴嘴型號、噴霧壓力、噴射角度、霧滴粒徑等）不同，噴霧質(zhì)量必然會產(chǎn)生差異。張慧春等[16]以風洞實驗室試驗建立了多變量非線性霧滴飄移特性模型，包含采樣距離、風速、噴頭類型和藥劑類型。結(jié)果表明，飄移量的大小與噴頭的結(jié)構(gòu)有關(guān)，試驗的幾種噴頭型號關(guān)系為延長范圍扇形噴頭>廣角扇形噴頭>氣吸扇形噴頭>渦流氣吸噴頭。通過反復試驗，選擇最合適的噴霧參數(shù)，將能大大提高噴霧質(zhì)量，增加沉積，減少飄移。

3.3 發(fā)展精準農(nóng)業(yè)技術(shù)

依靠信息技術(shù)和信息工具，根據(jù)作物的生長環(huán)境，高效利用各類農(nóng)業(yè)資源，實現(xiàn)作物生產(chǎn)率的最大化目標，精準農(nóng)業(yè)已然成為了當今世界農(nóng)業(yè)發(fā)展的新潮流[17]。精準農(nóng)業(yè)目前有三大熱點，即圖像實時處理系統(tǒng)、多傳感數(shù)據(jù)融合技術(shù)、變量噴灑系統(tǒng)。圖像實時處理系統(tǒng)，目標是建立一個完備的圖像處理軟件系統(tǒng)，根據(jù)空中圖像的數(shù)據(jù)，分析數(shù)據(jù)之后立即進行變量噴灑；多傳感數(shù)據(jù)融合技術(shù)，可以把不同位置環(huán)境、生物、多光譜、多分辨數(shù)據(jù)進行綜合，降低感應器傳感器之間的矛盾，完善系統(tǒng)的感知描述，使遙感系統(tǒng)迅速而準確地做出反應、決策和規(guī)劃。變量噴灑系統(tǒng)，可以根據(jù)地理信息的處方圖靈活控制施藥量，達到精準施藥。無人機想要進一步更高層次的發(fā)展，必須結(jié)合未來的精準農(nóng)業(yè)技術(shù)。

4 結(jié)語

植保無人機在中國尚處于起步階段，作為航空農(nóng)業(yè)的一部分，在未來必定會有更大的施展空間，應用會越來越廣，在植保作業(yè)中擔任不可或缺的角色。通過研究無人機噴施的適宜作業(yè)參數(shù)、專用藥劑及配方，借鑒發(fā)達國家的航空精準農(nóng)業(yè)技術(shù)，并且逐步優(yōu)化飛行器參數(shù)，才能使植保無人機適應未來更高的要求[18]。

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