提高農用植保無人機作業效率的探索

河北省科技工程學校 張穎 李帥倫 孫石磊

1 植保無人機技術領域發展現狀

農用植保無人機是用于農林植物保護作業的無人駕駛飛機，通過地面遙控或GPS飛控實現噴灑作業，可噴灑藥劑、種子、粉劑等。我國擁有18億畝基本農田，每年農藥中毒人數約有10萬之眾。因此，應用植保無人機對農作物進行施藥，不僅具有較高的經濟價值，還具有很大的社會價值。

農用植保無人機按機型結構分為固定翼、單旋翼和多旋翼無人機。

固定翼植保無人機，機體模塊化處理，具備簡易、安全的起降系統，航時長、速度快，飛行效率高，在失去動力的情況下還可以依靠滑翔降低下降速度，從而減少墜機損失。但對飛行員的要求比較高，需要開闊的專用場地用于起飛和降落，且無法實現懸停。

單旋翼植保無人機植保霧化效果比較好、抗風性比較強，但是由于價格高、回報周期過長、飛手培訓周期長，正常需要2~3個月，飛行風險高，售后及維護成本也相對較高，目前已逐步被多旋翼植保無人機所取代。

多旋翼植保無人機，采用模塊化設計，使用與維護極其方便，飛行動力為鋰電池，平均每組電池可連續工作15分鐘，兩個架次、噴幅寬度和飛行高度可自由調整。因為整體尺寸小、重量輕、效率高、性價比高等優點，受到越來越多使用者的歡迎，是目前應用最為廣泛的植保無人機。

2 植保無人機的應用優勢

近年來，植保領域無人機應用發展迅速，采用無人機噴灑農藥作業的農田面積越來越大，應用的農作物品種也越來越多，尤其是在地面噴桿噴霧機不易進地作業的區域，尤其是在玉米、水稻、油葵、果樹等農田上具有較強優勢。對于生長季中后期的玉米、水稻和種植在丘陵的經濟作物等，使用植保無人機能夠實現生長期全程植保機械化噴霧作業，解決地面機械不易進地，噴霧農藥作業困難的問題。

農用植保無人機具有高效環保、操作簡單、智能化、精準作業等特點，在農作物的灑藥、施肥、播種(授粉)，以及農作物長勢和病蟲害的監測等方面與人工和傳統機械相比優勢明顯，一方面為農戶節省大型機械和大量人力的成本，另一方面也可以保護環境，提高食品安全。主要優勢如下：

2.1 安全高效

首先植保無人機是通過地面遙控或GPS飛控進行操作的，飛手與機具的距離較遠，只要滿足安全距離，就降低了暴露于農藥下的隱患，提高了噴灑作業的安全性。其次是植保無人機飛行速度快，規模地塊的作業效率非常高，能達到每小時120~150畝，比常規噴灑的效率至少高出百倍。

2.2 節水節藥，降低成本

植保無人機的噴灑系統是采用噴霧噴灑的方式，可節約農藥的使用量至少達30%，節約的用水量可達90%，很大程度上降低了施藥成本。

2.3 覆蓋密度高且防治效果好

農藥液滴從噴霧器噴出時，作業高度低，飄移少，在無人機螺旋槳向下氣流的作用下加速形成霧流，可空中懸停，噴灑農藥時旋翼產生的向下氣流有助于增加物流對農作物的穿透性，農藥覆蓋率和農藥沉積量均優于常規，防治效果較傳統作業優秀很多，同時還有效防止了農藥對土壤的污染。

2.4 成本低，易操作

植保無人機整體尺寸小，重量輕，折舊率低，易保養，單位作業人工成本低，容易操作，操作人員一般經過30天左右的訓練即可掌握要領并執行任務。

3 植保無人機的發展前景與趨勢

智慧農業是一種全新農業生產方式，是借助物聯網、人工智能、大數據等信息化技術實現農業生產全過程的信息感知精準管理和智能控制，從而達到與農業的深度融合。無人機植保作為智慧農業的垂直化應用領域，與農業自動駕駛、精細化養殖和農業物聯網是智慧農業生產環境的四大應用。歷經近10余年的探索，我國植保無人機的保有量大幅增加，植保作業面積也逐年增大。尤其2019年以來，我國相關植保無人機的利好政策不斷出臺，如購機補貼明顯增加等，使植保無人機的發展日趨成熟，產業鏈發展趨于完善，發展熱度也被完全帶起來。2021年，行業更多的機遇也在加速凸顯出來。綜合來看，考慮到我國國土面積遼闊，耕地、林地等自然資源豐富，機械化、現代化、智能化轉型是必行之路，因此農用植保無人機應用前景廣闊。

未來我國植保無人機的發展趨勢主要表現在以下五個方面：一是操作更加便捷，目前的植保無人機操作復雜，對飛手的能力要求較高，隨著植保無人機技術的不斷發展，植保無人機操作將更加便捷，使用者更容易上手；二是載重能力增強，目前植保無人機載荷大多維持在5kg~20kg，載荷藥量少會增加換藥或加藥的頻次，且費時費力，因此未來植保無人機載荷會越來越大；三是價格降低，目前我國植保無人機的價格參差不齊，大多在3萬~20萬元不等，隨著技術的不斷更新，植保無人機成本下降，加上無人機企業越來越多，競爭增強，植保無人機的價格也會隨之下降；四是服務完善，國內目前關于植保無人機的配套服務不夠完善，隨著植保無人機行業的不斷發展，相關配套售后服務、保險等也會更加完善和成熟；五是補貼增加，目前我國開始引入農用植保無人機的省份越來越多，逐步實現農業現代化，但是對購買農用植保無人機實行補貼政策的省份較少，相信隨著現代農業的發展，植保無人機飛入農田已成不可阻擋之勢，有關部門會加快制定相關政策，讓農民早日實現科學種田，獲得實惠。

4 一種提高植保無人機工作效率的方法

植保無人機主要包括動力系統、飛控系統和噴灑系統。藥箱是植保無人機裝在藥液的容器，是噴灑系統的重要組成部分。目前的植保無人機上的藥箱大多是固定的，無法快速拆卸，在作業時，每次噴灑完，都需要將藥箱的蓋子打開，然后加入藥液，加滿后，再繼續噴灑工作，費時費力，效率低。

為了解決上述技術問題，探索一種用于植保無人機的快速插拔藥箱結構，藥箱本體呈┏型，豎直的藥液容器以及與藥液容器垂直連通的水平出液端，給出液端上端設置有加液蓋，圓柱一的內徑大于圓柱二的內徑，水嘴導向套的圓柱一的上端出液端的下端固定設置有外螺紋套，外螺紋套內設置有水嘴導向套，水嘴導向套包括一體成型的圓柱一和圓柱二，圓柱一和圓柱二均為中空結構，且位于出液端內且固定連接水管固定蓋一端，水嘴導向套的圓柱二的下端延伸至外螺紋套下端外側，水嘴導向套內設置有包括橫向部分和豎直部分的T型水嘴開關內芯，其中水嘴開關內芯上部分的水平部分卡于圓柱一內，下部分的豎直部分間隙配合于圓柱二內，水嘴開關內芯的上端設置有卡槽，卡槽與水管固定蓋的下端之間設置有壓縮彈簧，水嘴開關內芯的豎直部分的上端設置有內芯密封圈，內芯密封圈下方的水嘴開關內芯的豎直部分的周壁上設置有進液孔，豎直部分為下端開口的中空結構，水嘴導向套外周側套有固定螺紋套，固定螺紋套固定連接外螺紋套。

藥箱配有與水嘴導向套匹配插拔式配合的水嘴導向套連接座，水嘴導向套連接座固定安裝于植保無人機上；水嘴導向套的外周壁與水嘴導向套連接座的配合處還設置有至少一個導向套密封圈。

藥箱本體內設置有水管，水管一端固定連接固定蓋上端，另一端固定于藥箱本體內下端；藥箱本體上端還固定有提手；當水嘴導向套與水嘴導向套連接座匹配插接時，水嘴開關內芯會被水嘴導向套連接座內下端頂起，而使進液孔由內徑小的圓柱二進入內徑大的圓柱一，使藥液能夠從水嘴導向套連接座下端的泵管連接口排出。

水嘴導向套上端螺紋固定連接水管固定蓋。藥箱本體的藥液容器的下端螺紋固定連接有鋁合金底蓋。水管的另一端固定于鋁合金底蓋位于藥液容器內一端。藥箱本體周側對稱的兩端設置有凸起，用于與無人機機身預設的卡槽匹配快速卡接。藥箱結構如圖1所示：

圖1 藥箱結構示意圖

當水嘴導向套與水嘴導向套連接座匹配插接時，水嘴開關內芯會被水嘴導向套連接座內下端頂起而使進液孔由內徑小的圓柱二進入內徑大的圓柱一，使藥液能夠從水嘴導向套連接座下端的泵管連接口排出；當水嘴導向套與水嘴導向套連接座脫離，在壓縮彈簧的作用下水嘴開關內芯被下壓，使內芯密封圈重新進入圓柱二內密封配合；實現了藥箱的快速更換，大大提高作業效率。