植保無人機作業寬度的影響因素及其相應優化策略研究

在科技持續進步的背景下，我國的植物保護技術取得了顯著的進展。這不僅減少了作業所需的時間和人力成本，而且對農作物和林業等提供了有效的保護，同時也有助于提升植物生長的質量。隨著無人機技術的逐漸完善與成熟，無人機植保技術已廣泛應用于農業領域，顯著提升了農林作業的機械化程度。尤其植保無人機在現代農業病蟲害防治中發揮著重要作用，其中作業寬度作為影響其作業效率與防治效果的關鍵參數，受到多種因素的綜合影響。以下文章對植保無人機作業寬度的影響因素進行了簡要分析，比如無人機自身性能、噴頭特性以及氣象條件與作物冠層結構等等，針對這些因素，提出了相應的詳細優化策略。以期為提高植保無人機作業質量，進一步實現精準高效施藥，提供切實可行的理論支持與實踐指導，希望對從事農業工作的人員有所幫助。

植保無人機，也就是無人飛行器，因作業效率高、勞動力成本低、能適應復雜地形等顯著優勢，在全國范圍內被廣泛應用。作業寬度是其重要參數之一，與單位時間內的作業面積直接相關，從而影響作業效率和成本。不過，作業寬度并非獨立存在，會受到多種因素的交互影響。如果設置不當，不僅會降低作業效率，還可能造成農藥霧滴沉積不均勻，影響病蟲害防治效果，嚴重時甚至導致資源浪費和環境污染。因此，有必要深入研究影響植保無人機作業寬度的因素，并制定有效的優化策略。只有這樣，才能推動植保無人機技術的科學應用，促進農業可持續發展，加快農業革新與進步。

一、影響植保無人機作業寬度的相關因素

1、無人機自身性能① 飛行穩定性

飛行穩定性將影響作業寬度的精確度和均勻性。在飛行過程中，如出現晃動、漂移等不穩定現象，則會改變噴頭的噴霧方向，導致霧滴分布不均勻，從而實際作業寬度將會偏離理論作業寬度。如在天氣有風的情況下，小型的植保無人機由于其抗風能力不足，會影響與干擾到飛行姿態，使得農藥霧滴在橫向分布上出現偏移，具體表現在某些區域霧滴沉積過多或過少，這直接影響了作業效果。

② 飛行高度

飛行高度與作業寬度關系密切，通常來講在一定范圍內，作業寬度會隨飛行高度的增加而加大。這是因為隨著高度升高，會增加噴頭噴出的霧滴在下降過程中向周邊擴散的時間。另外飛行高度過高也會帶來諸多的其它問題，如霧滴在空氣中的漂移距離增大，受氣流影響更明顯，導致霧滴沉積不均勻，同時會降低霧滴在作物冠層的沉積密度，影響防治效果。相關研究表明，當植保無人機飛行高度從2m增加到4m時，作業寬度可擴大約 20% ，但霧滴沉積密度會下降 30% 左右，總之飛行高度會影響噴灑的覆蓋范圍。通常情況下，載重量更大的機型需要飛行在更高的高度，以防止對作物造成倒伏。

③ 飛行速度

飛行速度會間接影響作業寬度。當飛行速度過快時，霧滴在單位時間內通過單位面積的數量會減少，為了確保農藥的施用量，必須增加噴液量或擴大作業寬度。然而，過快的飛行速度會導致霧滴在空中的停留時間很短，這會影響霧滴在作物表面的附著與沉積，進而造成霧滴分布的不均勻。相對地，過慢的飛行速度則會降低作業效率。比如在進行水稻病蟲害防治時，如果飛行速度超過 8m/s ，即便作業寬度加大，也無法確保農藥在水稻葉片上的有效沉積，同時會降低病蟲害防治效果。

2、噴頭特性① 噴頭類型

噴頭的多種類型具有顯著不同的噴霧特性，這些特性會直接影響作業的寬度。噴頭類型包括壓力式噴頭、離心式噴頭與靜電噴頭等。壓力式噴頭通過壓力將藥液從噴孔擠出形成霧滴，其噴霧角度相對固定，噴頭的噴霧角度及飛行高度決定作業寬度。離心式噴頭是通過高速旋轉的離心盤把藥液甩出形成霧滴，其霧滴粒徑較小，范圍分布較廣，作業寬度相對較大。靜電噴頭則是通過給霧滴施加靜電，以增加霧滴與作物表面的吸附力，在一定程度上可提高霧滴在目標區域的沉積效率，其作業寬度受靜電場分布及其他因素共同作用影響。比如，在相同飛行參數下，采用離心式噴頭的植保無人機作業寬度可比壓力式噴頭寬1-2m 。

② 噴頭流量

噴頭流量決定了單位時間內噴出的藥液量。在其他條件保持不變的情況下，若噴頭流量增加，為了確保單位面積上的農藥施用量達到標準，必須相應地擴大作業寬度。然而，噴頭流量過大還可能導致霧滴粒徑變大，霧滴在空氣中的漂移能力減弱，且在作物冠層的穿透性變差，影響深層葉片的病蟲害防治效果。例如，當噴頭流量從 0.5L/min 增加到 1L/min 時，若要維持相同的農藥劑量，作業寬度需擴大約 30% ，但此時大粒徑霧滴在玉米中下部葉片的沉積量明顯減少。

③ 噴頭間距

噴頭間距是指相鄰兩噴頭間的水平距離。噴頭間距直接影響相鄰噴頭噴霧區域的重疊程度，影響作業寬度與霧滴分布均勻性。噴頭合理間距會使相鄰噴頭的噴霧區域相互銜接且有適當重疊，確保作業寬度內霧滴分布均勻。如過大的噴頭間距，就會使得噴霧區域之間會出現空白地帶，則會造成作業寬度內部分區域農藥沉積不足；如過小的噴頭間距，會使噴霧區域過度重疊，部分區域農藥沉積過量，導致農藥浪費并對作物產生藥害。對于常見的多噴頭植保無人機，適當的噴頭間距應保持在0.3-0.5m 之間，以確保作業寬度內霧滴的均勻分布。

3、氣象條件① 風速與風向

影響植保無人機作業寬度的重要氣象因素為風速與風向。過大風速可使農藥霧滴在空氣中漂移距離顯著增大，導致霧滴偏離目標區域，難以精確控制作業寬度。順風時，霧滴會被風吹向下風方向，使實際作業寬度在順風方向上擴大，且霧滴分布更加分散；逆風時，霧滴前進受阻，可能在噴頭前方堆積，造成局部霧滴沉積過量，同時實際作業寬度減小。通常，當風速超過 3m/s 時，植保無人機的作業寬度穩定性以及霧滴沉積的均勻性，會受到顯著影響。當風速超過 5m/s 時，作業應立即停止，以防止農藥漂移導致環境污染和降低防治效果。

② 溫度與濕度

溫度和濕度主要通過影響霧滴的蒸發速率和粒徑變化，間接地作用于作業寬度。在高溫低濕環境下，霧滴蒸發速度加快，粒徑變小，霧滴在空氣中的漂移能力就會增強，可能導致作業寬度擴大，但同時霧滴在作物表面的附著性也會變差，容易流失。相反，在低溫高濕環境下，霧滴蒸發緩慢，粒徑相對較大，霧滴漂移距離就會減小，但大粒徑霧滴在作物冠層的穿透性可能不足，將會影響深層病蟲害的防治效果。例如，在夏季高溫干旱的氣候條件下，植保無人機在作業時霧滴的蒸發速度會加快，這可能導致作業寬度相較于正常條件增加 10%-20% ，然而，農藥的利用率卻會相應降低。

4、作物冠層結構

① 作物高度與密度

作物的高度和密度會顯著影響作業寬度。高大茂密的作物冠層會對農藥霧滴產生攔截和阻擋作用，使霧滴難以穿透到作物下部。對于高稈作物，如玉米，隨著作物生長，高度增加，為保證下部葉片也能得到足夠的農藥沉積，需要適當減小作業寬度，以增加單位面積上的霧滴數量。同時，隨著作物密度的增加，霧滴在冠層中的擴散和穿透變得更加困難，因此作業寬度也應相應減小。研究表明，在玉米生長后期，當株高超過 2m 且種植密度較大時，作業寬度相比生長初期需減小 20%-30% ，才能保證整株作物的病蟲害防治效果。

② 作物葉片形態

作物葉片的形態，如葉片大小、形狀、著生角度等，都會影響霧滴在葉片表面的沉積和分布，進而影響作業寬度。例如，葉片寬大且平展的作物，如棉花，其葉片就有利于霧滴的附著和沉積，在相同作業條件下，作業寬度可比葉片狹長且直立的作物（如小麥）適當增大。葉片的著生角度也很關鍵，若葉片呈水平狀，霧滴則會更容易在葉片表面停留；若葉片下垂或上舉，霧滴就可能會滑落或滾落，導致作業寬度內霧滴沉積不均勻，此時需要調整作業寬度或采取其他措施來保證防治效果。

二、植保無人機作業寬度的優化策略

1、基于無人機性能的優化① 提升飛行穩定性

可選用具有先進飛行控制系統和穩定性能的植保無人機，如采用高精度的慣性導航系統、GPS定位技術以及智能避障功能等，確保無人機在飛行過程中能夠保持穩定姿態，減少因外界干擾導致的飛行偏差。同時，定期對無人機進行維護和校準，檢查飛行控制系統、電機、螺旋槳等關鍵部件的性能，及時更換老化或損壞部件，保證無人機飛行的穩定性。此外，可通過飛行前的模擬飛行測試，對無人機的飛行穩定性進行評估和調整，確保其滿足作業要求。

② 合理設置飛行高度與速度

可根據作物類型、生長階段以及病蟲害發生情況，結合無人機和噴頭的性能參數，通過試驗或參考相關技術手冊，確定最佳的飛行高度和速度組合。通常來說，在確保霧滴能夠有效沉積在作物冠層且分布均勻的前提下，適當提高飛行高度可增加作業寬度，但要避免飛行高度過高導致霧滴漂移嚴重。同時，合理控制飛行速度，使其與噴液量、作業寬度相匹配，以保證單位面積上的農藥施用量符合防治要求。例如，對于水稻前期病蟲害的防治，飛行高度可設置在 2-3m ，飛行速度為 5-6m/s ；而在水稻后期，由于植株較高，飛行高度可適當提高至 3-4m ，飛行速度調整為 4-5m/s 。

2、噴頭參數優化① 選擇合適的噴頭類型

依據作業需求及作物特點的不同，可選擇適當的噴頭類型。對于大面積、低矮作物的病蟲害防治，可優先選用離心式噴頭，以獲得較大的作業寬度和較好的霧滴分布均勻性；對于高稈作物或對霧滴粒徑有特殊要求的農藥，可選擇壓力式噴頭，并通過調整噴頭壓力和噴霧角度來優化作業寬度。在一些對農藥霧滴沉積精度要求較高的場合，如果園病蟲害防治，可考慮采用靜電噴頭，提高霧滴在目標作物上的沉積效率。同時，可結合多種噴頭類型的特點，采用組合式噴頭設計，進一步優化作業效果。

② 優化噴頭流量與間距

可根據農藥的使用劑量、作物的需藥量以及作業寬度要求，精確調整噴頭流量。可通過更換不同規格的噴頭、噴嘴或調節噴頭的壓力來實現流量控制。同時，合理設置噴頭間距，確保相鄰噴頭的噴霧區域有適當重疊，以保證作業寬度內霧滴分布均勻。在實際作業前，可進行小范圍的噴霧試驗，觀察霧滴分布情況，根據試驗結果對噴頭流量和間距進行微調。例如，在進行小麥病蟲害防治時，若使用壓力式噴頭，可將噴頭流量設置為0.6-0.8L/min ，噴頭間距調整為 0.4m 左右，以達到較好的作業效果。

3、應對氣象條件的策略 ① 實時監測與規避不利氣象條件

在作業開始前，可通過氣象監測設備或氣象預報軟件，以實時獲取作業區域的風速、風向、溫度以及濕度等相關氣象信息。當風速超過適宜的作業范圍（通常建議風速不超過 3m/s 或存在強風、降雨等惡劣天氣時，作業應暫停，以避免由于氣象條件不佳，而造成作業質量下降，以及農藥漂移污染。在作業過程中，如果氣象條件發生驟變，例如，風速突然增大，就要馬上調整無人機飛行參數，或是停止作業，以確保安全。可在作業現場，設置小型氣象站，對風速、風向等參數進行實時監測，當風速接近3m/s 時，系統就會自動發出預警顯示，并會提醒操作人員采取相應措施。

② 利用氣象條件優化作業

在氣象適宜的條件下，可充分利用氣象因素，對作業寬度進行優化。如在微風條件下（風速 1-2m/s ，可根據風向適當地調整無人機的飛行方向，使霧滴在順風方向上有一定的漂移，在保證防治效果的前提下，適當擴大作業寬度，提高作業效率。同時，在溫度和濕度適宜的時段進行作業，可減少霧滴的蒸發和粒徑變化，有利于保證霧滴的沉積效果和作業寬度的穩定性。通常來講，早晨或傍晚時分，溫度較低，以及濕度較大，對植保無人機作業是比較適合的。

4、針對作物冠層結構的調整

① 根據作物生長階段調整作業寬度

在作物生長的不同階段，其冠層結構和病蟲害發生情況不同，應相應調整作業寬度。在作物生長初期，植株矮小、密度較小，可適當增大作業寬度，提高作業效率；隨著作物生長，冠層逐漸茂密，高度增加，應減小作業寬度，確保農藥能夠均勻覆蓋整個作物冠層，特別是下部葉片。例如，在蔬菜種植中，苗期作業寬度可比生長后期寬 1-2m 通過定期監測作物生長情況，建立作物生長模型，結合病蟲害防治指標，精準確定不同生長階段的最佳作業寬度。

② 采用輔助措施改善霧滴沉積

針對作物冠層結構復雜，影響霧滴沉積的問題，可采用一些輔助措施來改善。例如，在高稈作物（如玉米田）作業時，可在無人機上安裝導流裝置，引導霧滴向作物下部穿透，以提高下部葉片的霧滴沉積量，從而在不減小作業寬度的前提下，保證整株作物的防治效果。此外，還可通過添加助劑來改善農藥霧滴的物理性質，如增加霧滴的附著力和展布性，使其在復雜的作物冠層表面能夠更好地沉積和分布。

總而言之，無人機自身性能、噴頭特性以及氣象條件、作物冠層結構等諸多因素都會對植保無人機作業寬度產生影響，這些影響因素，共同決定了作業寬度的大小與作業效果是否優良。通過提升無人機的飛行穩定性，以及合理設置飛行的高度和速度，選擇較合適的噴頭且優化其流量和間距，并實時對氣象條件進行監測，采取恰當相應的規避或利用策略，同時根據作物生長階段，來調整作業寬度以及采用相關輔助措施進行改善霧滴沉積等優化策略，在不同的作業場景下，能夠實現植保無人機作業寬度的合理調控，進一步提升農藥霧滴在作物表面沉積的均勻性與防治效果，以降低農藥的使用量，保護環境，減少污染。在農業生產工作中，推動植保無人機的高效與精準應用，可為農業的可持續發展提供有力保障。但由于不同地區的農業生產條件各異，今后仍需不斷對植保無人機作業參數優化體系進行完善，進一步加強對無人機植保技術的研究開發，分析應用過程中存在的不足，以便找到更加行之有效的策略進行優化與調整，只有這樣才能更有效地促進無人機植保技術的不斷前進。

（作者單位：112700遼寧省鐵嶺市調兵山市現代農業服務中心）