淺談植保無人機的精準噴灑

吳阿敏 姜寬舒 趙夢龍 尹 華

（江蘇農林職業技術學院，江蘇 句容 212400）

【關鍵字】精準噴灑；變量噴霧；靜電噴霧

0 前言

中國是農業大國，有18 億畝基本農田，每年需要大量的農業植保作業。 有數據顯示， 我國的農藥利用率僅有20%， 大部分都流失在環境中， 造成環境的污染、資源的浪費。 因此，在施藥技術方面提出了精準噴灑的概念。 精準噴灑， 簡單來講就是需要什么就給什么，需要多少就給多少。

精準噴灑的實現離不開施藥機械， 我國農業植保最主要的作業方式是人工噴藥和地面植保噴霧機械噴藥。 人工植保投入人力多，勞動強度大，還常常發生施藥人員中毒事件。 地面植保噴霧機械比人工噴藥的效率高， 但經常會受到地形地貌、 作物種植環境及作物后期長勢等因素制約， 無法很好的進入田間完成施藥作業，或作業效率不高[1]。近些年隨著國家對農業投入補貼加大， 現代化的航空植保技術得到了重視并且發展迅速。 航空無人機施藥工作效率高、 不受地形因素的限制、施藥均勻且穿透性好。 同時，施藥時可人機分離， 能夠降低藥劑對人的影響， 并且機翼產生的下旋氣流可使藥劑很好的附著在農作物上， 減少藥劑的漂移， 減少對環境的危害。 噴霧技術是實現植保無人機精準噴灑的第一要素。

1 植保無人機的噴霧技術

精準噴灑可提高農藥的利用率， 減少對環境的污染，其關鍵在于施藥機械的噴霧技術。 關于精準噴灑，目前主要研究的有霧化技術（影響霧滴粒徑）、噴灑量的變化控制技術及靜電噴霧技術。

1.1 霧化技術

在植保無人機噴霧作業過程中， 藥液經過無人機霧滴霧化裝置——噴頭進行霧化而分散， 形成具有不同大小的細小的霧滴顆粒， 并具有一定寬度的霧滴譜。 不管是各種地面噴霧機還是各種航空噴霧機成霧過程中，噴頭是農藥霧化的核心部件[2]。經過不同類型噴頭霧化后的液滴的粒徑也不同， 而粒徑大小會影響霧滴的沉積。

農藥噴施過程中，粒徑大的霧滴由于重力較大，易沉降，不易隨風漂移或蒸發散失，但分布不均勻、附著能力差，且容易滾落而造成藥液流失，降低防治效果，污染環境。

霧滴粒徑小，雖然相對易受氣流影響而發生漂移，但細小霧滴在作物葉片的覆蓋率和覆蓋均勻度遠優于大粒徑的霧滴，而且附著能力好、不易流失，農藥利用率高。 此外，細小霧滴有較好的穿透能力，能隨氣流深入植株冠層內部， 沉積在果樹或植株深處的葉片正面及大霧滴不易沉積的葉片背面。

目前，植保無人機上使用的噴頭主要有兩種類型：液力噴頭和離心噴頭，如圖1 所示。

這兩種噴頭的原理及特點見表1。

圖1 壓力噴嘴和離心噴嘴

表1 液力噴嘴和離心噴嘴性能對比表

由此可見，經過離心噴嘴的霧滴粒徑較小，藥液的附著性好， 但是要想達到精準噴灑的目的， 噴頭一般還需和其他技術相結合使用。

1.2 變量噴灑技術

植保無人機在整個工作過程中， 需要經歷從懸停狀態加速到勻速航行狀態又從勻速航行狀態減速到懸停狀態， 其飛行速度也是一個變化的過程。 如果噴灑的量是恒定的話， 就會出現速度慢和懸停的時候噴的多，而速度快的時候噴的少，噴灑不均勻。 做到每一處噴灑的藥量均衡， 是精準噴灑的最基本要求。 這就要求植保無人機做到變量噴灑， 即植保無人機在飛行過程中， 其控制系統會根據飛行速度的變化， 自動調節噴灑量， 這就是變量噴灑技術， 能使畝噴灑量保持恒定不變，不隨飛行速度的改變而改變。

傳統的變量農藥噴灑采用壓力控制流量的方式，因此流量的改變就需要在一定范圍內改變壓力， 而壓力的改變必然會導致噴霧顆粒大小的變化， 從而造成噴藥的不穩定[3]。 目前，已有多種變量噴灑技術，如基于PWM（通過脈沖寬度調制方式）的變量噴灑系統；精準可控變粒徑的噴頭； 針對不連續種植設計基于紅外感應的對靶變量噴霧控制技術等。

1.3 靜電噴霧技術

航空靜電噴霧， 就是高壓靜電發生器給靜電噴頭的充電電極充上正的或負的靜電高壓并使噴嘴噴出的霧滴經過高壓電場帶上電荷[4]，原理如圖2 所示。

圖2 靜電噴霧技術原理圖

根據同種電荷相互排斥、 異種電荷相互吸引的物理學原理， 在高壓靜電發生器的作用下， 霧滴在經過噴頭時帶上了電荷， 并在噴霧器的推送力、 地球引力和電場力的多重作用下， 將沿電場線向靶標作物定向移動， 在異性電荷相互吸引的作用下， 霧滴會加速奔靶標物， 并牢牢地吸附在靶標物的上下左右， 不僅使靶標作物葉片正面吸附霧滴， 其背面和隱蔽部位均可得到較好的藥液附著， 提高藥液的沉積率， 減少農藥的使用及殘留。

靜電噴霧可有效降低霧滴尺寸，且霧滴均勻；霧滴在電場的作用下， 能迅速沉積到作物的正反面， 農藥漂移少，環境危害小；帶電霧滴的吸附能力強，施藥后持續有效期長，防治效果大幅提高。 20 世紀40 年代，法國的Hampe 首次利用靜電進行農藥噴撒試驗，之后， 美國一些大學如佐治亞大學進行了正式的研究試驗，他們的試驗都證明，利用靜電場散布農藥藥粉，大大提高了對植物的附著率[5]。 我國在20 世紀70 年代開始靜電噴霧的研究， 一開始主要在地面植保器械上的使用， 現在也開始涉及植保無人機的靜電噴霧系統，并已有產品問世。

2 植保無人機精準噴灑的發展與思考

漢和資深植保飛手費朝品表示， 目前雖然國內的植保無人機施藥已經基本做到了變量噴灑， 可以根據無人機飛行速度調節施藥系統噴頭的流量， 做到畝用藥量基本不變。 但這還不是真正意義上的 “精準噴灑”，期望通過今后的研究，“精準噴灑”能夠做到：一是對于不連續作物， 能夠根據作物的位置， 在噴施農藥時，有作物的地方就噴，沒有作物的地方不噴；二是根據作物所受病蟲害的程度進行變量噴灑， 蟲害嚴重的地方多噴， 蟲害不嚴重的地方就少噴。 據目前情況來看，我國的精準噴灑還需克服各種困難。

2.1 結合紅外圖像技術，實現網格化管理

通過空中和地面遙感，實時采集并解析作物長勢、病蟲草害等農情信息，再將農田分為作業網格， 能依據不同的農情制定不同的噴霧作業處方和噴霧作業時間， 利用植保無人機的精準噴灑系統按需進行高效精準作業， 保證作物防治效果的同時，減少農藥殘留，減低環境污染。 這是現代農業自動化智能化的重要組成， 也是很多專家正在致力研究的方向，相信在不久的將來即可實現。

2.2 開發專用的飛防藥劑

植保無人機的載重量有限， 因此其農藥稀釋倍數較低， 這就對專用藥劑的質量提出了更高的要求。 但是， 我國農藥現狀是， 在市面上很難找到適用于無人機噴灑的專用藥劑。 現有植保無人機作業大多憑經驗或參考地面噴霧確定劑量與配置方法， 因為用量或配置不科學影響了作業質量， 使得精準噴灑成為空談。目前， 納米制劑是飛防專用藥劑研究的一個方向。 納米農藥在噴灑后， 不會隨著液滴中水分的蒸發形成農藥的結晶聚集體， 而會均勻分散為納米微粒， 而且由于加入了抗漂移劑， 增大藥液粘度， 噴灑時一般可抵抗漂移的發生， 提高農藥使用效率， 減少農藥的使用量和殘留量，而不影響防治效果，利國利民。

3 結論

植保無人機因其省水、 節藥、 高效而得到廣泛關注， 并在近兩年發展火熱， 植保無人機的生產廠家數量和植保無人機的保有量每年都在持續遞增， 市場一片繁榮。 植保無人機的發展潛力及應用前景已在世界各國達成廣泛共識。 但是， 植保無人機的精準噴灑還有較長的路要走， 希望我們整個行業能團結一致，各自發揮自己的優勢， 突破技術難關， 真正實現精準噴灑，以最少的農藥投入量，減少作物農藥殘留，實現防治效果并對環境的污染達到最小。