智能植保無人機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)及作業(yè)優(yōu)勢(shì)分析

賈文革，于金玲

(梨樹縣萬發(fā)鎮(zhèn)綜合服務(wù)中心農(nóng)機(jī)服務(wù)站，吉林 梨樹 136514)

0 引言

植保作業(yè)是農(nóng)業(yè)防治病蟲害的有效手段，據(jù)統(tǒng)計(jì)，從農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的全過程來看，因病蟲害所造成的損失可達(dá)20%～30%。由于我國農(nóng)田面積大、地塊分散、種植作物的種類繁多，生產(chǎn)過程對(duì)于植保機(jī)械的需求各不相同。加之我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)存在著明顯的粗放性弊端，導(dǎo)致生產(chǎn)過程中使用的化學(xué)農(nóng)藥利用率低，防治效果不理想，且容易造成耕地及周邊環(huán)境的污染，從2018年的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來看，我國農(nóng)業(yè)耕地受到農(nóng)藥污染的面積已達(dá)1 300萬～1 600萬 hm2，嚴(yán)重影響著農(nóng)田周邊的生態(tài)環(huán)境，也影響著農(nóng)作物產(chǎn)出后的食品安全。截至2020年底，我國機(jī)動(dòng)植保機(jī)械總量628.27萬臺(tái)，較上年增長1.17%，植保機(jī)械應(yīng)用量的增長在提高植保效率的同時(shí)，也對(duì)農(nóng)田造成了更嚴(yán)重的污染威脅，如何科學(xué)利用農(nóng)藥成為機(jī)械植保必須面對(duì)的問題。近年來，智能植保無人機(jī)逐漸參與到農(nóng)業(yè)植保作業(yè)之中，并體現(xiàn)出了獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，合理利用和發(fā)展植保無人機(jī)技術(shù)將成為合理防治病蟲害的有效手段。

1 智能植保無人機(jī)的結(jié)構(gòu)

1.1 主體結(jié)構(gòu)及組成

現(xiàn)階段農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中廣泛使用的植保無人機(jī)是在多旋翼無人機(jī)的技術(shù)上發(fā)展而來的，其將多旋翼無人機(jī)的主體結(jié)構(gòu)與植保噴桿噴霧技術(shù)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，并利用電氣控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)無人機(jī)飛行狀態(tài)和農(nóng)藥噴灑狀態(tài)的精確控制，從而實(shí)現(xiàn)高效的農(nóng)業(yè)植保智能噴霧作業(yè)。圖1為農(nóng)用智能植保無人機(jī)的主體結(jié)構(gòu)示意圖，包括了多旋翼飛機(jī)主體、噴霧機(jī)構(gòu)總成、藥液箱、輸藥管路、藥液泵、電氣控制系統(tǒng)、傳感器總成、衛(wèi)星定位模塊等組成[1]。

1.飛機(jī)主體；2.噴霧機(jī)構(gòu)總成；3.藥液箱；4.傳感器總成；5.藥液泵；6.電氣控制系統(tǒng)；7.輸藥管路；8.衛(wèi)星定位模塊

1.2 主要系統(tǒng)功能

1.2.1 飛機(jī)控制系統(tǒng)

智能植保無人機(jī)控制系統(tǒng)的核心是PLC主芯片，作為數(shù)據(jù)收集和處理的核心，主芯片主要承擔(dān)以下工作任務(wù)：一是接收GPS定位和各傳感器的信息，并對(duì)信息進(jìn)行分析、存儲(chǔ)、傳輸；二是按照PLC預(yù)設(shè)程序執(zhí)行對(duì)飛行的控制和藥物噴灑的控制；三是接收并執(zhí)行遙控器輸入的指令。除主芯片外，飛機(jī)控制系統(tǒng)還通過主板及延伸的供電及通信線路與無刷電機(jī)、藥液泵、管路電控開關(guān)等連接(圖2)，實(shí)現(xiàn)各個(gè)功能部件與主芯片的有效連接。此外，飛行控制系統(tǒng)的硬件還配套有PWM 、CAN、IIC、UART 等接口，能夠便捷的實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。

圖2 無人機(jī)主板結(jié)構(gòu)圖

1.2.2 飛行動(dòng)力系統(tǒng)

智能植保無人機(jī)的動(dòng)力系統(tǒng)是飛行噴霧作業(yè)的基礎(chǔ)保證，現(xiàn)階段的飛行動(dòng)力能源主要采用電池電能，通過電能驅(qū)動(dòng)無刷電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)并帶動(dòng)槳葉旋轉(zhuǎn)，利用多個(gè)槳葉同時(shí)切割空氣形成穩(wěn)定的升力，推動(dòng)植保無人機(jī)飛行。飛行過程中可通過控制電子調(diào)速器調(diào)整每個(gè)無刷電機(jī)轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)飛機(jī)飛行狀態(tài)的控制。

1.2.3 農(nóng)藥噴灑系統(tǒng)

農(nóng)藥噴灑系統(tǒng)是智能植保無人機(jī)另一個(gè)核心技術(shù)系統(tǒng)，現(xiàn)階段的植保無人機(jī)農(nóng)藥噴灑主要以噴桿噴霧的形式實(shí)現(xiàn)，噴灑系統(tǒng)包括了農(nóng)藥箱、藥液泵、輸藥管路、過濾裝置、噴桿、噴頭等，植保無人機(jī)主要采用濃縮藥液作業(yè)，以降低飛機(jī)負(fù)載。噴灑作業(yè)過程由藥液泵驅(qū)動(dòng)農(nóng)藥在輸藥管路內(nèi)流動(dòng)，當(dāng)管路內(nèi)形成足夠壓力后，由噴頭進(jìn)行高霧化噴施[2]。

2 植保無人機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 衛(wèi)星定位技術(shù)

衛(wèi)星定位技術(shù)是植保無人機(jī)自動(dòng)噴霧作業(yè)的基礎(chǔ)保證，能夠保證無人機(jī)精確獲取田間位置信息。植保無人機(jī)的衛(wèi)星定位功能主要通過植保無人機(jī)上的衛(wèi)星定位模塊實(shí)現(xiàn)，隨著農(nóng)村地區(qū)技術(shù)設(shè)施建設(shè)的完善，衛(wèi)星定位芯片結(jié)合衛(wèi)星地面基站能夠有效對(duì)無人機(jī)的定位精度進(jìn)行修正，保證無人機(jī)的作業(yè)精度達(dá)到厘米級(jí)，使無人機(jī)更夠更好地利用衛(wèi)星進(jìn)行導(dǎo)航，并在電池電量不足或農(nóng)藥余量不足時(shí)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)返航和精準(zhǔn)斷點(diǎn)續(xù)噴，有效減少重噴、漏噴問題的發(fā)生。

2.2 智能控制技術(shù)

隨著植保無人機(jī)功能的不斷豐富，對(duì)其控制要求也不斷提升，現(xiàn)階段來看，針對(duì)智能植保無人機(jī)而言，不僅要求控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)飛機(jī)的飛行和噴霧的常規(guī)控制，還必須實(shí)現(xiàn)飛行速度與噴霧量的智能匹配，同時(shí)通過環(huán)境感知技術(shù)獲取環(huán)境信息，實(shí)現(xiàn)有針對(duì)性的作業(yè)，如根據(jù)風(fēng)力大小調(diào)整噴霧方式，大風(fēng)天氣自動(dòng)返航、異常氣流懸停、自動(dòng)避障等。同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)功能裝置的監(jiān)控，監(jiān)測(cè)飛行速度、電池電量、藥液余量等，并實(shí)現(xiàn)電池低壓保護(hù)、無人機(jī)異常警示等功能。

2.3 人工遙控技術(shù)

人工遙控技術(shù)是通過遙控器或智能手機(jī)對(duì)無人機(jī)實(shí)現(xiàn)控制，利用人工控制完成農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中無人機(jī)難以自動(dòng)完成的工作任務(wù)。智能植保無人機(jī)在某些特定情況下難以獨(dú)立完成作業(yè)任務(wù)，如在作業(yè)開始前利用無人機(jī)獲取并定位農(nóng)田的邊界信息，駕駛員操作植保無人機(jī)飛行到指定位置后記錄定位信息，并通過多點(diǎn)記錄生成作業(yè)范圍，供植保無人機(jī)自動(dòng)作業(yè)使用，如圖3所示為植保無人機(jī)定位邊界信息后系統(tǒng)自動(dòng)規(guī)劃的作業(yè)路徑。或在衛(wèi)星定位信號(hào)不良地區(qū)，可通過人工控制飛機(jī)飛行，配合農(nóng)藥自動(dòng)噴灑實(shí)現(xiàn)半自動(dòng)化作業(yè)。無人機(jī)使用者也可自主駕駛無人機(jī)進(jìn)行植保作業(yè)，用以實(shí)現(xiàn)果園、山地等復(fù)雜農(nóng)田的植保噴霧作業(yè)。

圖3 定位邊界信息及噴施路徑規(guī)劃

3 植保無人機(jī)的作業(yè)優(yōu)勢(shì)

3.1 噴藥質(zhì)量明顯提升

由于植保無人機(jī)噴灑藥物的高度距離作物頂部?jī)H400～600 mm，采用此種低空噴霧有利于顯著提高農(nóng)藥的利用率，利用現(xiàn)代控制技術(shù)，植保無人機(jī)飛行速度與噴霧量形成合理匹配，避免了過量噴藥造成農(nóng)作物農(nóng)藥殘留問題的發(fā)生。先進(jìn)的植保無人機(jī)采用了高霧化噴頭，配合槳葉旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的氣流，能夠保證農(nóng)藥霧滴均勻的覆蓋在農(nóng)作物表面，顯著提高植保作業(yè)效果。此外，對(duì)于免耕播種或密植作物，植保無人機(jī)槳葉產(chǎn)生的氣流能起到良好的滲透作用，能實(shí)現(xiàn)對(duì)作物中下部甚至根部的藥物噴施[3]。

3.2 植保效率顯著提升

智能植保無人機(jī)作業(yè)相對(duì)于傳統(tǒng)植保機(jī)械而言，不受地形條件的制約，植保作業(yè)的最佳效率可達(dá)6～10 hm2·h-1，可達(dá)到普通輪式噴桿噴霧機(jī)作業(yè)效率的2～3倍，更是傳統(tǒng)半自動(dòng)化噴霧作業(yè)效率的40倍以上。且植保無人機(jī)工作過程可靠性更好，作業(yè)穩(wěn)定性強(qiáng)，維修、維護(hù)耽誤的工時(shí)明顯減少[4-5]。

3.3 作業(yè)安全性更高

植保無人機(jī)可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離控制和無人智能作業(yè)，由于遠(yuǎn)程操作和智能作業(yè)的便捷性，不僅降低了人員操作的難度，同時(shí)避免了操作人員直接接觸農(nóng)藥而出現(xiàn)的健康威脅，相對(duì)于傳統(tǒng)的人工植保和機(jī)械駕駛植保，無人機(jī)植保操作人員基本不受農(nóng)藥藥害，作業(yè)安全性顯著提高[6]。

3.4 有利于保護(hù)農(nóng)作物

植保無人機(jī)作業(yè)過程不直接與農(nóng)作物接觸，相對(duì)于傳統(tǒng)的輪式機(jī)械作業(yè)，不會(huì)對(duì)農(nóng)作物產(chǎn)生擠壓、剮蹭等影響，且作業(yè)過程不會(huì)破壞土壤的物理結(jié)構(gòu)，有利于保持農(nóng)作物生長的物理?xiàng)l件和植株健康狀態(tài)，且無人機(jī)植保作業(yè)有利于減少農(nóng)藥殘留，避免土壤污染影響農(nóng)作物健康生長。

4 無人機(jī)技術(shù)應(yīng)用及發(fā)展難點(diǎn)

4.1 政策支持不足

現(xiàn)階段來看，我國不同地區(qū)對(duì)于植保無人機(jī)的技術(shù)支持和相關(guān)政策傾斜存在較大的差異性，部分地區(qū)已將植保無人機(jī)納入無人機(jī)補(bǔ)貼范圍，但仍有很多地區(qū)未將植保無人機(jī)納入農(nóng)機(jī)購置補(bǔ)貼范圍，即使植保無人機(jī)納入補(bǔ)貼，但仍存在限量補(bǔ)貼、補(bǔ)貼金額較低等問題，導(dǎo)致農(nóng)民購買植保無人機(jī)的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)加重，購機(jī)熱情相應(yīng)降低[7]。

4.2 技術(shù)不夠成熟

現(xiàn)階段應(yīng)用的植保無人機(jī)以電驅(qū)動(dòng)多旋翼機(jī)型為主，由于其發(fā)展的時(shí)間較短，盡管在飛控技術(shù)方面已經(jīng)較為成熟，但是無人機(jī)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程的應(yīng)用仍沒有充分與我國生產(chǎn)實(shí)際相結(jié)合，存在的主要問題包括：1)農(nóng)藥的適應(yīng)性差。我國的農(nóng)藥生產(chǎn)能力很強(qiáng)，市場(chǎng)上銷售的農(nóng)藥品種很多，但植保無人機(jī)的工作必須使用專用農(nóng)藥，導(dǎo)致傳統(tǒng)生產(chǎn)過程中使用的很多技術(shù)成熟的農(nóng)藥不能直接應(yīng)用于植保無人機(jī)，農(nóng)民在植保作業(yè)過程中的農(nóng)藥選擇無法利用自身經(jīng)驗(yàn)，常造成植保過程農(nóng)藥選擇的不合理。2)飛機(jī)續(xù)航能力不足。航空植保需攜帶大量農(nóng)藥，在此過程中對(duì)于電量的消耗速度很快，現(xiàn)階段的電池技術(shù)難以支持植保無人機(jī)長時(shí)間高效率的工作，導(dǎo)致在更換電池、電池充電等過程中植保無人機(jī)的整體工作效率降低。

4.3 缺乏統(tǒng)一規(guī)范與監(jiān)管

現(xiàn)階段我國的植保無人機(jī)市場(chǎng)相對(duì)混亂，由于植保無人機(jī)的基礎(chǔ)研發(fā)和投入時(shí)間較短，機(jī)型的種類較多，品質(zhì)存在較大差異，且農(nóng)機(jī)監(jiān)管部門對(duì)于植保無人機(jī)這一新型農(nóng)機(jī)還沒有建立系統(tǒng)的監(jiān)管規(guī)范和相關(guān)制度，導(dǎo)致無人機(jī)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和銷售的過程中存在一定的質(zhì)量缺陷。同時(shí)受到國家飛行作業(yè)的政策制約，部分先進(jìn)的無人機(jī)設(shè)備難以在我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的植保作業(yè)中應(yīng)用，這影響了植保無人機(jī)行業(yè)的技術(shù)優(yōu)化與合理發(fā)展[8]。

5 結(jié)語

綜上所述，智能植保無人機(jī)具有農(nóng)藥利用率高、防治效果好、工作效率高、安全性好等眾多優(yōu)勢(shì)，且對(duì)于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的地形、小塊田地、作物品種具有良好的適應(yīng)性，在確保病蟲害防治的同時(shí)，還能降低傳統(tǒng)機(jī)械植保造成的農(nóng)藥污染問題。與此同時(shí)，植保無人機(jī)技術(shù)在智能控制、電池電力、噴霧能力方面仍有較大的提升空間，我國農(nóng)民對(duì)植保無人機(jī)的駕駛和應(yīng)用能力也有很大的提升空間，需要通過智能無人機(jī)技術(shù)及應(yīng)用能力的不斷升級(jí)，保證無人機(jī)植保作業(yè)的高質(zhì)量實(shí)施。