農用無人機撒施肥作業穩定性試驗

陳建林，唐宏偉，王健平，李 航，張雨辰，王 麗

（1.天津市農業發展服務中心，天津 300061；2.天津市薊州區農業發展服務中心，天津 301900）

農用無人機是指用于植物保護作業的具有載重功能的無人駕駛飛機，由飛行平臺（固定翼、單旋翼、多旋翼）、導航飛控、噴灑（撒施）機構組成，通過地面遙控或衛星導航飛控，實現噴灑藥劑、種子、粉劑或者顆粒肥等生產作業。隨著近幾年的技術升級，農用無人機操作智能化、適應性不斷提高，應用范圍不斷擴大，不僅能噴灑農藥、播種，還可以撒施葉面肥和顆粒肥，逐漸成為與拖拉機、收割機一樣普遍使用的農業領域作業機械。由于適度規模化經營的發展，農村勞動力轉移，人口老齡化以及從事農業生產經營的年輕人的減少，農業用工難、用工貴等矛盾進一步凸顯，未來農業生產必須依靠機械化和機械智能化來實現，而農用無人機作業具有高效、精準的特點，是農業領域植保作業應用的趨勢[1]。有研究表明，農用無人機在水稻、小麥返青分蘗期撒肥可縮短作業時間，提高工作效率，避免對秧苗的踩踏損傷，同時通過遙控或者衛星導航定位操控可實現精準（變量）施肥作業，避免重噴漏噴、無效噴撒，既能節省肥料和保護環境，又能實現農作物增產增收[2]。基于此，本研究通過大疆T40 農用無人機田間飛行作業試驗，測試農用無人機飛行作業的機具性能和作業穩定性，為農用無人機撒施顆粒肥在生產上應用提供依據。

1 材料和方法

1.1 供試機具

試驗機具為大疆T40 農用無人機，供試機具規格和技術參數見表1。

1.2 試驗方法

根據作業地塊地理情況，預先設置大疆T40農用無人機飛行高度、速度、作業幅寬、單位面積撒施肥料數量等參數。試驗共設置五個作業區域，每個作業區域面積不小于0.2 hm2，寬度大于理論作業幅寬7 m 以上，長度300 m 以上，每個作業區域間隔3 m 以上。作業預設農用無人機飛行高度為5 m，飛行速度8 m·s-1，撒施幅寬7 m，施肥量為10 kg·667 m-2[3]，一個作業區域完成作業并采集數據后再進行下一個作業區域作業，單個作業區試驗中一次性添加肥料，中途不添加肥料。圖1 為大疆T40 農用無人機作業前添加肥料，確保作業中間不停歇；圖2 為大疆T40農用無人機一次性完成一個作業區域的飛行撒施肥料作業。

圖1 作業前添加肥料

圖2 飛行撒施肥料作業

為驗證大疆T40 農用無人機施肥作業的穩定性，每次作業飛行高度、理論作業幅寬、設定施肥量、理論飛行作業長度均保持一致。

1.3 試驗概況

試驗在天津市薊州區東施古鎮柳子口村稻麥連作地塊進行，上茬作物為春小麥。試驗地于2022年6月28 日進行機插秧，行距30 cm、株距12 cm，隨插秧側深施緩控釋復合肥35 kg·667 m-2。2022年7月18 日上午（水稻分蘗期）進行大疆T40 農用無人機撒施氮肥尿素作業。試驗前，農用無人機操控人員首先做好機具的各項檢查工作，包括電池電量或燃料量及飛行信號燈狀態是否正常的檢查，調試對講機，確保操控人員在作業期間溝通順暢；其次進行不噴肥模擬飛行，再進行正式作業試驗[4]；最后查詢作業地塊的相關信息，包括溫度、濕度、風向、風速等氣象信息，排除雷雨天氣影響。

1.4 調查項目

1.4.1 施肥量調查 每個作業區域每次作業前清空農用無人機肥料箱，稱取添加的肥料數量，完成作業后清空肥料箱再次稱取剩余肥料數量，2次肥料數量之差為每個作業區域的農用無人機實際施肥數量。農用無人機完成施肥作業后測量肥料落地的長度，為農用無人機實際施肥的作業長度，以此計算單位面積實際施肥量。

1.4.2 作業面積調查 每個作業區域農用無人機完成施肥作業后，沿飛行方向均勻取10 個測試點，測量肥料實際落地的幅寬，計算實際落地幅寬與理論幅寬7 m 的偏差，根據飛行作業長度與撒施幅寬，計算每個作業區域的實際撒施肥料作業面積。

2 結果與分析

2.1 農用無人機施肥量穩定性測試

通過測定實際施肥量，計算實際施肥量與設定施肥量的偏差均值。表2 顯示大疆T40 農用無人機五個作業區域最大施肥量為10.27 kg·667 m-2，最小施肥量為9.53 kg·667 m-2，與設定施肥量10 kg·667 m-2的偏差最大值為0.47 kg·667 m-2，偏差均值為0.3 kg·667 m-2，偏差均值小于0.5 kg·667 m-2的理論期望值，說明大疆T40 農用無人機撒施顆粒肥的偏差可控制在3%之內。由此可見，大疆T40 農用無人機可以滿足水稻追肥作業要求。

表2 大疆T40 農用無人機作業實際施肥情況

大疆T40 農用無人機每個作業區域實際測得的平均施肥量趨勢如圖3 所示，每個作業區域的平均施肥量在9.53 ～10.27 kg·667 m-2之間，與設定值的施肥量偏差為0.20 ～0.47 kg·667 m-2，偏差區間在理論期望值0.50 kg·667 m-2區間內，由此得出大疆T40 農用無人機撒施顆粒肥平均施肥量與理論設定值偏差穩定[5]。

圖3 大疆T40 農用無人機各作業區施肥量變化趨勢

2.2 農用無人機撒施作業幅寬穩定性測試

大疆T40 農用無人機五個作業區域作業幅寬保持在6.977 ～7.127 m 之間，與已設定理論幅寬7 m 的均值最大偏差為0.127 m、最小偏差為0.023 m、平均偏差為0.082 2 m，作業幅寬誤差控制為1.74%（表3）。由此看出，大疆T40 農用無人機撒施顆粒肥能保證作業幅寬穩定性，滿足不漏肥、不重肥的作業要求。

表3 大疆T40 農用無人機撒施肥料作業幅寬 m

試驗表明，大疆T40 農用無人機五個作業區域測定的50 個測定點實際作業幅寬與理論值的偏差均值為0.082 2 m，實測幅寬主要集中在理論值周圍（圖4）。說明大疆T40 農用無人機撒施顆粒肥實際作業幅寬穩定，符合作業要求。

圖4 大疆T40 農用無人機實際撒肥作業幅寬偏差趨勢

3 結論與討論

試驗結果表明，大疆T40 農用無人機平均施肥量與設定值的偏差為0.3 kg·667 m-2，小于0.5 kg·667 m-2的理論偏差期望值；實際作業幅寬與設定值的偏差為0.082 2 m，且實測幅寬主要集中在設定值周圍，這說明大疆T40 農用無人機撒施顆粒肥作業穩定、施肥精準，可以滿足水稻追肥作業要求。

隨著科技的發展，越來越多的機械化、信息化、智能化技術在農業生產領域應用，農用無人機植保及播種作業得以快速發展和應用[6]，很大程度上減輕了農民種植的勞動強度，提高了工作效率，降低了生產成本，逐步被廣大農民認可。本次試驗的大疆T40 農用無人機屬目前市場上普遍使用的機型，采用共軸雙旋翼設計，可達到50 kg（70 L）的播撒載重[7]，設計采用了碳纖維復合材料桁架式機身，配合一鍵鎖緊的折疊機臂設計，折疊后體積縮小80%，方便轉運存貯。該機型搭載球形雷達系統，可全方位、全天候探測障礙物，自主繞障或避障；有源相控陣雷達融合雙目視覺避障系統，360 °全向感知，探測距離高達50 m，支持智能仿地，順滑翻越和繞行多重障礙物，適應復雜地形，實現暢飛無阻。從試驗結果來看，相比傳統施肥，大疆T40 農用無人機可實現精準、精量、高效的施肥效果，實現在較短時間內完成較大面積的施肥作業，節約時間和用工成本。農用無人機作業還可降低對田間作物秧苗的碰撞和踩踏，避免由于踩踏造成秧苗損傷，同時可以解決重施、漏施、無效噴施的問題，與人工及地面機械比較，農用無人機播撒能實現更高的均勻度，施肥量和撒施幅寬穩定均衡，具有良好的應用前景。

今后農用無人機應進一步提升載質量，延長續航時間，研究開發配套的噴施肥料，實現無人機遙感診斷與施肥技術的優化融合[8]，提高施肥精準度和穩定性，實現農用無人機在更廣泛的領域應用發展。