無人機農(nóng)業(yè)植保作業(yè)優(yōu)勢與關(guān)鍵技術(shù)*

黃秋嬌

（廣西現(xiàn)代職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 河池 547000）

根據(jù)對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的不完全統(tǒng)計，在整個農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，由于病蟲害而導(dǎo)致的農(nóng)業(yè)經(jīng)濟損失可達(dá)到其收益的20%～30%。加之農(nóng)田面積大、地塊分散、作物品種多樣，在不同的生產(chǎn)工藝條件下，更需要不同型號的植保設(shè)備為其作業(yè)提供幫助[1]。在深入研究我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)后發(fā)現(xiàn)，大部分農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者仍在堅持粗放型模式，此種模式導(dǎo)致對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)作業(yè)中的病蟲害控制效果不佳，甚至?xí)χ苓叚h(huán)境造成一定影響。截至2021年年末，全國機動植保機械達(dá)到630萬臺，比上年增加了1.15%，植保機械的使用量不斷增加，對農(nóng)田環(huán)境的污染也越來越大。因此，如何合理使用殺蟲劑已成為農(nóng)機植保作業(yè)面臨的一個難題。

植物保護（簡稱“植保”）是在農(nóng)村生產(chǎn)作業(yè)中用于控制病蟲害、保障農(nóng)業(yè)生產(chǎn)種植安全的主要技術(shù)之一。近幾年，隨著我國農(nóng)機裝備技術(shù)的不斷發(fā)展，農(nóng)機裝備的智能化應(yīng)用越來越廣泛，其技術(shù)優(yōu)勢也越來越明顯[2]。為深化此項工作，有關(guān)人員提出采用無人機農(nóng)業(yè)植保作業(yè)方式，但此種作業(yè)方式尚處于初步研究階段，相關(guān)應(yīng)用仍未能在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域內(nèi)普及。

基于此，筆者分析了無人機農(nóng)業(yè)植保作業(yè)的優(yōu)勢以及關(guān)鍵技術(shù)，以期為規(guī)范無人機農(nóng)業(yè)植保作業(yè)提供全面的幫助與技術(shù)指導(dǎo)。

1 無人機農(nóng)業(yè)植保作業(yè)優(yōu)勢

植保無人機的噴藥高度在作物頂端400 mm～600 mm之間，因此，利用低空噴灑可以極大地提高植保無人機的農(nóng)藥利用率[3]。在此過程中，輔助使用先進的控制技術(shù)，可以合理控制噴藥量，有效防止過量噴灑農(nóng)藥引起的農(nóng)藥殘留問題。同時，植物保護無人機大多配備了高霧化噴霧頭，噴頭與葉片轉(zhuǎn)動形成的空氣流動相互結(jié)合，可以確保殺蟲劑噴霧均勻地噴灑在作物上，從而起到提升植保工作效率的作用。在免耕和密植的情況下，植保無人機的槳葉具有較高滲透性，可以達(dá)到在作物中部、根部上噴灑藥劑的效果。

相比傳統(tǒng)的作業(yè)機械，此種自動化的噴灑設(shè)備在工作中可不受外部環(huán)境、地形等因素的限制，其工作效率可達(dá)7 hm2/h～12 hm2/h，相當(dāng)于常規(guī)輪式噴灑機工作效率的2～3倍，比常規(guī)半自動噴灑機的作業(yè)效率高出40多倍。

植保無人機可實現(xiàn)遙控與無人智能作業(yè)，相比于半自動化操作的植保設(shè)備，前者具有方便、易操作等優(yōu)勢，使用植保無人機進行農(nóng)藥噴灑作業(yè)，既減少了人力操作的困難，又避免了工人直接接觸殺蟲劑所帶來的危害[4]。與傳統(tǒng)的手工植保、機械化植保相比，無人機植保人員基本不會受到農(nóng)藥的傷害，作業(yè)安全得到了有效保證。此外，植保無人機在作業(yè)中不會與農(nóng)作物發(fā)生直接接觸，不會造成作物相互擠壓、刮擦等問題，且不會對土壤的物理結(jié)構(gòu)造成任何損傷，有利于農(nóng)作物的生長，降低農(nóng)藥殘留量。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 合理選配無人機農(nóng)業(yè)植保作業(yè)藥劑

為滿足無人機農(nóng)業(yè)植保作業(yè)需求，應(yīng)在作業(yè)前，進行農(nóng)業(yè)植保作業(yè)藥劑的合理化選配。考慮到無人機農(nóng)業(yè)植保大多以噴霧方式進行，噴射的農(nóng)藥粒徑相對較小，因此在選擇藥劑時，不能使用粉劑類型的藥劑，應(yīng)選擇水基類型的藥劑，包括水乳試劑、微乳化試劑、懸浮試劑、乳油試劑等，如果使用了可濕水性的干粉試劑就會出現(xiàn)無人機農(nóng)業(yè)植保噴頭堵塞等問題。

同時，根據(jù)無人機農(nóng)業(yè)植保需求，應(yīng)配制濃度較低的藥劑，不能使用含有毒性或高濃度的農(nóng)藥，如甲胺磷、硫磷、殺蟲脒等，否則將出現(xiàn)噴灑試劑無法擴散造成人員中毒等事故。

由于無人機的飛行速度較快，難以保障噴灑后所有藥物都附著在農(nóng)作物表面。因此，優(yōu)先選用內(nèi)吸型藥物試劑。內(nèi)吸型藥物試劑是一種可以被植物吸收、通過藥物傳遞到其他器官、引起昆蟲吸食或接觸而導(dǎo)致中毒的藥物，可根據(jù)作業(yè)中的具體需求，設(shè)計噴藥量。

由于無人機農(nóng)業(yè)植保作業(yè)中的藥劑存在一定的揮發(fā)性。因此，在配置藥物時，技術(shù)人員必須在配備好防護裝備的情況下，按照二次稀釋的方法，在開放的場地內(nèi)配置藥物。嚴(yán)禁在密閉的空間下使用或配置藥物，以免藥物揮發(fā)對身體健康造成影響[5]。在此過程中，應(yīng)注意的是，部分技術(shù)人員會使用一次性塑膠膜手套進行配藥，但由于一次性塑膠膜手套不具彈性、耐用性，不能保證配藥人員的安全，因此，需要用耐腐蝕的 NBR手套代替一次性塑膠膜手套。

2.2 設(shè)計噴灑作業(yè)技術(shù)參數(shù)

在無人機植保作業(yè)中，只有保證無人機噴灑的藥物均勻、分布廣泛，具有一定的沉積量，才能保證植保工作的實施符合標(biāo)準(zhǔn)。因此，需要在植保作業(yè)中，根據(jù)相關(guān)工作的實際需求，設(shè)計噴灑作業(yè)技術(shù)參數(shù)。

高壓扇形噴頭噴出的藥液具有中間多、兩側(cè)少的特點，為了保證噴霧的均勻，必須保證噴頭的噴幅存在25%及以上的重疊。通常情況下，控制無人機的相對工作高度在1.7 m～2.2 m范圍內(nèi)，如果位置過高，就會加速藥液的漂移和蒸發(fā)；如果位置過低，就會引起漏噴的問題。對作業(yè)過程中容易發(fā)生倒伏問題的農(nóng)作物，應(yīng)將無人機的工作高度控制在1.9 m～2.6 m范圍內(nèi)。如果噴灑的目標(biāo)在中低層（面向目標(biāo)為病蟲害），就應(yīng)控制無人機農(nóng)業(yè)植保作業(yè)的相對高度在1.5 m～1.9 m。

工作速率對噴灑農(nóng)藥、試劑的滲透和漂移具有一定的影響。如果無人機農(nóng)業(yè)植保作業(yè)速度過大，藥劑的滲透性就將呈現(xiàn)下降趨勢，液滴沉積量同比例也隨之下降，與此同時，藥劑的漂移量增大[6]。因此，根據(jù)病蟲害的不同，針對水稻等大田作物，應(yīng)控制無人機農(nóng)業(yè)植保的工作速度在3.5 m/s～6.5 m/s范圍內(nèi)。在此過程中應(yīng)注意的是，使用觸殺、胃毒類農(nóng)藥，應(yīng)根據(jù)實際情況，減少噴霧粒徑，降低操作速度，確保藥劑在農(nóng)作物中下部有充分的霧滴沉積。

在操作之前，要實地勘察周圍的農(nóng)作物種植、畜牧養(yǎng)殖、水產(chǎn)養(yǎng)殖等情況，以防止藥物在噴灑中出現(xiàn)偏移意外[7-8]。此外，在飛行過程中，要注意機與人、障礙物之間的安全距離，事先了解地形、觀察飛行路線、觀察是否有障礙、明確是否有信號干擾，從而規(guī)劃合理的降落地點和航線。在操作時應(yīng)使無人機與人群保持一定距離，并指定人員進行定位和報告。在每日作業(yè)完成后，要對作業(yè)完成時間進行記錄，做好無人機的清洗、保養(yǎng)和檢查，并對當(dāng)日的工作區(qū)域、飛行架次、當(dāng)日的用藥量和總的工作區(qū)域進行記錄，以便次日繼續(xù)工作[9]。

在做好上述工作的基礎(chǔ)上，設(shè)計無人機在農(nóng)業(yè)植保作業(yè)中的行距，如果行間距超過噴灑覆蓋范圍，就會產(chǎn)生漏噴現(xiàn)象，隨著無人機高度和飛行速度的增加，噴頭寬度和飛行速度的增加，作業(yè)行距的設(shè)定要根據(jù)作業(yè)高度和飛行速度等具體條件而定。

2.3 噴灑過程中動力與飛行控制

為確保無人機植保作業(yè)在實施中可以發(fā)揮預(yù)期的效果，應(yīng)在上述工作的基礎(chǔ)上，對噴灑作業(yè)中的動力與飛行進行主動控制。

為滿足上述工作需求，采用三相交流無刷電動機、電子調(diào)速器、推進器等建立無人機農(nóng)業(yè)植保作業(yè)中的動力系統(tǒng)[10]。按照下述計算公式，對作業(yè)中的升力與承載力進行控制。

公式（1）中：f表示無人機農(nóng)業(yè)植保作業(yè)中的升力控制，N表示螺旋槳與機體結(jié)構(gòu)的適配性，i表示葉片數(shù)量，K表示螺母連接節(jié)點數(shù)量。

公式（2）中：u表示無人機農(nóng)業(yè)植保作業(yè)中的承載力控制，χ表示遙控信號，k表示載重參數(shù)，Z表示最大載重值。

在此基礎(chǔ)上，對無人機農(nóng)業(yè)植保作業(yè)中的飛行過程進行控制，設(shè)計128 MHz緩存的主芯片，實時采集無人機在飛行中的作業(yè)數(shù)據(jù)，根據(jù)前端反饋的信息，

在可視化控制終端，進行無人機的飛行控制[11]。控制過程如公式（3）所示：

公式（3）中：C表示無人機在農(nóng)業(yè)植保過程中的飛行控制，E表示無人機滿載狀態(tài)下的重心，w表示PID參數(shù)自適應(yīng)調(diào)節(jié)。

按照上述方式，實現(xiàn)在無人機植保作業(yè)過程中的飛行與動力控制，確保作業(yè)過程的規(guī)范化與合理性。

3 應(yīng)用效果分析

在完成無人機農(nóng)業(yè)植保作業(yè)方法與作業(yè)過程中關(guān)鍵技術(shù)的設(shè)計后，為檢驗設(shè)計的方法在實際應(yīng)用中的效果，將按照設(shè)計方法，進行某農(nóng)業(yè)生產(chǎn)種植區(qū)植保作業(yè)的檢驗。

實驗中，選用某科研單位開發(fā)的電動四旋翼無人機作為藥劑噴灑機械，對此無人機的技術(shù)參數(shù)進行設(shè)計。如表1所示。

表1 電動四旋農(nóng)業(yè)植保無人機技術(shù)參數(shù)

按照表1，進行電動四旋農(nóng)業(yè)植保無人機技術(shù)參數(shù)的設(shè)計，在此基礎(chǔ)上，將無人機農(nóng)業(yè)植保作業(yè)范圍劃分為A～G個區(qū)域，按照公式（4），計算無人機農(nóng)業(yè)植保作業(yè)的效率與殺蟲率。

公式（4）中：P表示無人機農(nóng)業(yè)植保的作業(yè)效率，p1表示單位時間作業(yè)量，p2表示作業(yè)時間，Q表示殺蟲率，q1表示噴灑農(nóng)藥后的殺蟲量，q2表示病蟲害總數(shù)量。

按照上述方式，對A～G個區(qū)域中，無人機農(nóng)業(yè)植保作業(yè)方法的綜合性能進行評估，統(tǒng)計其結(jié)果，如表2所示。

從表2所示的實驗結(jié)果可以看出，使用該無人機農(nóng)業(yè)植保作業(yè)方法，可以使作業(yè)農(nóng)藥噴灑作業(yè)效率在10 hm2/h以上，同時，實現(xiàn)對區(qū)域內(nèi)害蟲的消滅率達(dá)到95%以上。綜上所述，該無人機農(nóng)業(yè)植保作業(yè)方法的應(yīng)用效果較好。

表2 無人機農(nóng)業(yè)植保作業(yè)效果

4 結(jié)語

通過合理選配無人機農(nóng)業(yè)植保作業(yè)藥劑、設(shè)計噴灑作業(yè)技術(shù)參數(shù)、控制噴灑過程中動力與飛行，完成了無人機農(nóng)業(yè)植保作業(yè)的研究。并以某農(nóng)業(yè)生產(chǎn)種植區(qū)為例，進行了植保方法可行性的檢驗，檢驗結(jié)果證明，該設(shè)計方法可以在提高植保作業(yè)效率的基礎(chǔ)上，優(yōu)化作業(yè)效果，通過此種方式，為我國農(nóng)業(yè)及其附屬產(chǎn)業(yè)的發(fā)展與建設(shè)提供全新的技術(shù)支撐，解決由于病蟲害導(dǎo)致的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與發(fā)展滯后問題。