無(wú)人機(jī)噴藥技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)

王斌 袁洪印

摘 要：農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展已經(jīng)成為當(dāng)今世界農(nóng)業(yè)發(fā)展的主流，而影響農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的因素之一就是病蟲(chóng)害。然而，防治病蟲(chóng)害的主要手段仍然是化學(xué)藥劑防治。相比于傳統(tǒng)人工地面進(jìn)行噴灑作業(yè)，無(wú)人機(jī)噴灑方式正在為人們所接受。本文介紹了無(wú)人機(jī)噴藥技術(shù)的特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)，分析了國(guó)內(nèi)外無(wú)人機(jī)噴藥技術(shù)發(fā)展研究概況，著重闡述了無(wú)人機(jī)噴藥技術(shù)相關(guān)內(nèi)容以及未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)，分析了我國(guó)進(jìn)行無(wú)人機(jī)噴藥技術(shù)面臨問(wèn)題并指出應(yīng)用無(wú)人機(jī)進(jìn)行噴藥將大大提高防治病蟲(chóng)害的效率和作業(yè)效率，推動(dòng)我國(guó)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

關(guān)鍵詞：無(wú)人機(jī)；噴藥技術(shù)；農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展

中圖分類號(hào)：S22 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.11974/nyyjs.20160431025

引言

農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展在世界范圍內(nèi)的影響越來(lái)越顯著，人們對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械的要求越來(lái)越高，促進(jìn)了農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平的提高。在作物生長(zhǎng)過(guò)程中，防治病蟲(chóng)害是保證作物良好生長(zhǎng)，促進(jìn)糧食增產(chǎn)豐收的關(guān)鍵手段，直接影響糧食食品安全[1]。然而，在農(nóng)作物植保方面，尤其是噴灑化學(xué)藥劑防治病蟲(chóng)害，農(nóng)藥噴灑仍然以手工、半機(jī)械操作為主，這種生產(chǎn)方式已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的規(guī)?；N植的需要，而且噴藥人員中毒事件時(shí)有發(fā)生。為了促進(jìn)農(nóng)業(yè)穩(wěn)定增產(chǎn)，保證農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量和作業(yè)人員安全，在噴灑化學(xué)藥劑防治作物病蟲(chóng)草害方面，必須加快推進(jìn)噴藥技術(shù)機(jī)械化，滿足作業(yè)要求，提高作業(yè)效率，達(dá)到作業(yè)目的。

無(wú)人機(jī)是最先應(yīng)用于軍事戰(zhàn)爭(zhēng)的武器裝備。無(wú)人機(jī)噴藥技術(shù)，就是利用無(wú)人機(jī)搭載噴藥裝置，并通過(guò)控制系統(tǒng)和傳感器進(jìn)行操控，達(dá)到對(duì)作物進(jìn)行定量的精準(zhǔn)噴藥。無(wú)人機(jī)噴藥技術(shù)為提高我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)信息化，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程機(jī)械化提供良好的技術(shù)支撐和平臺(tái)[2]。無(wú)人機(jī)噴藥適用范圍廣，噴藥效果好，還能夠完成人工作業(yè)所達(dá)不到的地域，真正做到了農(nóng)業(yè)機(jī)械化。

1 無(wú)人機(jī)噴藥的特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)

1.1 無(wú)人機(jī)噴藥特點(diǎn)

農(nóng)用無(wú)人機(jī)高效、安全、便利且不受地形限制的特點(diǎn)，讓其在農(nóng)業(yè)植保領(lǐng)域備受關(guān)注。無(wú)人機(jī)噴灑農(nóng)藥效率很高，幾乎是傳統(tǒng)人工作業(yè)的30倍[3]。噴藥大多為低量超低量噴灑，且操控人員遠(yuǎn)離施藥區(qū)域，減少農(nóng)藥中毒風(fēng)險(xiǎn)。遠(yuǎn)距離操控飛機(jī)大大提高了作業(yè)安全性。無(wú)人機(jī)旋翼產(chǎn)生的向下氣流還有助于增加霧流對(duì)作物的穿透性，作業(yè)效果遠(yuǎn)強(qiáng)于傳統(tǒng)作業(yè)方式。如果搭載視頻器件，還可以對(duì)噴藥作業(yè)過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

1.2 無(wú)人機(jī)噴藥的優(yōu)點(diǎn)

小型無(wú)人機(jī)噴藥，具有地形適應(yīng)性好、勞動(dòng)強(qiáng)度低、噴灑效果好、施藥效率高、安全環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。其主要優(yōu)點(diǎn)有：

高效安全，易操作，噴灑速度快。操作簡(jiǎn)單方便，操作人員只需在田間地頭對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行起飛降落，操作靈活方便。據(jù)統(tǒng)計(jì)，每架飛機(jī)每天可作業(yè)20～33.3hm2。

噴灑均勻，霧化效果好；覆蓋密度高，防治效果好。在旋翼的作用下，霧流向下穿透力強(qiáng)，霧滴更均勻，可以提高藥物利用率30%以上。

成本低，省水、省藥、省力。無(wú)人機(jī)噴藥設(shè)備易于維護(hù)，折舊率低，同時(shí)零部件更換方便。

全能實(shí)用。農(nóng)用無(wú)人機(jī)遙控低空飛行噴藥，廣泛應(yīng)用于大豆、小麥、玉米、甘蔗等作物的病蟲(chóng)草害的防治。

2 國(guó)內(nèi)外無(wú)人機(jī)噴藥發(fā)展概況

在無(wú)人機(jī)飛行植保這個(gè)新興領(lǐng)域中，美國(guó)和日本等發(fā)達(dá)國(guó)家走在前列。這些國(guó)家無(wú)論是在機(jī)械設(shè)備，藥劑及智能化設(shè)備的研發(fā)上，還是先進(jìn)的植保技術(shù)方面都給我國(guó)提供大量的可借鑒經(jīng)驗(yàn)。

2.1 國(guó)外無(wú)人機(jī)噴藥技術(shù)發(fā)展概況

1918年，美國(guó)首次打開(kāi)了農(nóng)用航空的大門(mén)是利用飛機(jī)在棉花上噴灑農(nóng)藥。美國(guó)航空植保經(jīng)歷了有人駕駛直升機(jī)向無(wú)人機(jī)技術(shù)的發(fā)展過(guò)程[4]。目前，美國(guó)擁有農(nóng)用飛機(jī)的品種有20多個(gè)，9000多架次，其中農(nóng)用直升機(jī)占13%，占世界擁有量的28%。每2萬(wàn)hm2耕地就用一架農(nóng)用飛機(jī)。農(nóng)業(yè)化學(xué)處理作業(yè)的65%由飛機(jī)完成的。60%以上的農(nóng)藥噴施作業(yè)由無(wú)人機(jī)智能機(jī)械完成的。

美國(guó)還進(jìn)行了其他方面的科學(xué)研究工作。如通過(guò)輸入飛機(jī)的操作參數(shù)，大氣的狀況與噴灑對(duì)象的特性，運(yùn)用AGDISP可以計(jì)算順風(fēng)的霧滴沉降量；2003年，美國(guó)學(xué)者B. Richardson和M. O.Kim-berley指出，當(dāng)氣溫高于20℃時(shí)航空噴霧的霧滴沉降量顯著下降；2005年，Thistle等人通過(guò)研究表明風(fēng)速和風(fēng)向是影響霧滴水平運(yùn)動(dòng)最大的因素，風(fēng)速與霧滴漂移量線性相關(guān)。

從20世紀(jì)90年代起，日本在大田作物、果樹(shù)和蔬菜的病蟲(chóng)害防治上開(kāi)始應(yīng)用無(wú)人直升機(jī)。1990年，日本山葉公司最先推出世界第一架主要用于噴灑農(nóng)藥無(wú)人直升機(jī)[5]。日本一直處于領(lǐng)先地位在無(wú)人直升機(jī)植保技術(shù)上。在無(wú)人機(jī)的管理上，已經(jīng)從1995年的307架增加到現(xiàn)在的2400多架。日本農(nóng)用無(wú)人機(jī)因其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)已經(jīng)得到快速發(fā)展，包括播種、耕作、施肥、噴灑農(nóng)藥等。據(jù)統(tǒng)計(jì)，日本國(guó)用無(wú)人直升機(jī)進(jìn)行病蟲(chóng)害防治的水稻種植總面積有45%，日本常年應(yīng)用將3000架無(wú)人直升機(jī)作業(yè)在其533.33萬(wàn)hm2農(nóng)田中。不僅如此，日本重視培養(yǎng)飛行人才，已經(jīng)取得執(zhí)照的操控人員達(dá)6000多人。因此，日本采用無(wú)人機(jī)進(jìn)行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)之一。

2.2 國(guó)內(nèi)的發(fā)展概況

航空噴灑技術(shù)在我國(guó)正式開(kāi)展起來(lái)是在20世紀(jì)50年代。經(jīng)過(guò)幾十年發(fā)展，中國(guó)農(nóng)業(yè)航空作業(yè)量不斷增加，主要以有人駕駛固定翼飛機(jī)和直升機(jī)為主，到2012年，中國(guó)農(nóng)業(yè)航空作業(yè)量約為31900h[6]。

2008年，我國(guó)才真正系統(tǒng)研究小型農(nóng)業(yè)無(wú)人機(jī)噴灑技術(shù)。近年來(lái)，全國(guó)各地都積極開(kāi)展了農(nóng)用無(wú)人機(jī)噴藥技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用，機(jī)型越來(lái)越多，應(yīng)用范圍越來(lái)越廣，推廣速度越來(lái)越快，技術(shù)研究也越來(lái)越深入。

我國(guó)已有多家生產(chǎn)噴藥無(wú)人機(jī)的公司企業(yè)。比如，北方天途航空技術(shù)發(fā)展（北京）有限公司，主營(yíng)國(guó)際領(lǐng)先的無(wú)人直升機(jī)、多旋翼無(wú)人機(jī)、固定翼無(wú)人機(jī)等植保專用無(wú)人機(jī)；深圳天鷹兄弟航空科技有限公司，公司推廣銷售電池動(dòng)力植保無(wú)人飛機(jī)，田鷹-111、田鷹-555、田鷹-777等機(jī)型，該公司主營(yíng)無(wú)人直升機(jī)和多旋翼無(wú)人機(jī)；山東衛(wèi)士植保機(jī)械有限公司，主要生產(chǎn)“衛(wèi)士”牌系列多旋翼植保無(wú)人機(jī)，產(chǎn)品遠(yuǎn)銷非洲、美洲和東南亞等幾十個(gè)國(guó)家；珠海羽人飛行器有限公司，主營(yíng)“谷上飛”系列多旋翼無(wú)人噴藥機(jī)。

在無(wú)人機(jī)噴藥技術(shù)的研究上，我國(guó)的專家學(xué)者更是取得一系列顯著成果。范慶妮在理論分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了2套小型無(wú)人直升機(jī)的農(nóng)藥?kù)F化系統(tǒng)-離心霧化系統(tǒng)和液力霧化系統(tǒng)[7]；茹煜為了提高無(wú)人機(jī)施藥的霧滴沉積效果，針對(duì)XY8D無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)了靜電噴霧系統(tǒng)[8]；茹煜還根據(jù)離心霧化和液力霧化的優(yōu)點(diǎn)設(shè)計(jì)出了旋轉(zhuǎn)液力霧化噴頭，通過(guò)試驗(yàn)研究給出了適合無(wú)人機(jī)噴藥工作的旋轉(zhuǎn)液力霧化噴頭的最佳工作參數(shù)[9]；史萬(wàn)萍在GPS和GIS等技術(shù)的支持下，對(duì)精準(zhǔn)變量噴藥技術(shù)進(jìn)行研究，闡述了3種變量控制系統(tǒng)的工作原理及優(yōu)缺點(diǎn)[10]。周立新和薛欣宇等對(duì)無(wú)人直升機(jī)農(nóng)藥噴灑系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)與概括；茹煜教授在基于德國(guó)VARIO公司的多用途無(wú)人機(jī)遠(yuǎn)程控制變量系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了專用于無(wú)人機(jī)噴霧的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)[11]；徐興等基于脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)，設(shè)計(jì)了小型無(wú)人機(jī)機(jī)載農(nóng)藥變量噴灑系統(tǒng)[12]。

3 無(wú)人機(jī)噴藥裝置設(shè)計(jì)

無(wú)人機(jī)噴藥就是將無(wú)人機(jī)機(jī)體與機(jī)載農(nóng)藥噴灑裝置有效的結(jié)合，通過(guò)對(duì)無(wú)人機(jī)和噴藥系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)作物的噴灑。

3.1 無(wú)人機(jī)

無(wú)人機(jī)一般由動(dòng)力系統(tǒng)、無(wú)人機(jī)機(jī)體和控制系統(tǒng)組成。動(dòng)力系統(tǒng)由葉璇、電機(jī)、蓄電池和燃料組成。其中動(dòng)力有電動(dòng)力、油動(dòng)力或油電混合；無(wú)人機(jī)機(jī)體由機(jī)身、機(jī)架和起落架組成；控制系統(tǒng)則包括遙控裝置、接收機(jī)（一般裝在無(wú)人機(jī)機(jī)身上）和飛行控制器組成。

3.2 機(jī)載農(nóng)藥噴灑系統(tǒng)關(guān)鍵部件

機(jī)載農(nóng)藥噴灑系統(tǒng)由藥箱、噴頭、噴桿（懸臂）、液泵、噴控系統(tǒng)（噴灑控制系統(tǒng)）、控制線和軟水管等部件構(gòu)成，如圖1所示。

3.2.1 藥箱

藥箱就是用于盛放藥液或藥粉的箱型部件，一般安裝在無(wú)人機(jī)底部。藥箱對(duì)無(wú)人機(jī)在進(jìn)行噴藥作業(yè)時(shí)的穩(wěn)定性起重要作用。因此在設(shè)計(jì)藥箱時(shí)，要注意以下幾個(gè)問(wèn)題：藥箱的安裝位置不能影響飛行作業(yè)的穩(wěn)定性；藥箱的材料在滿足強(qiáng)度的基礎(chǔ)上盡量減輕重量以增加載藥量，同時(shí)具有抗腐蝕性；藥箱載藥容量不能超過(guò)無(wú)人機(jī)負(fù)荷能力。

提高藥箱穩(wěn)定性，可以采用如下措施：可以采用防震或者軟體藥箱。藥箱設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)無(wú)人機(jī)類型結(jié)構(gòu)進(jìn)而確定藥箱外形形狀；在藥箱內(nèi)加入防顛裝置。一般由壓波浮板、滑桿和滑套組成。主要目的是起減震作用。

藥箱內(nèi)還要有液位傳感器，當(dāng)藥液不足時(shí)，能自動(dòng)控制液泵停止工作。

3.2.2 噴頭

噴頭是完成噴霧工作的關(guān)鍵部件，噴頭直接影響著霧化效果。噴頭類型按霧化方式分為液力霧化噴頭和離心霧化噴頭。其中液力式霧化噴頭是使液體在一定壓力下，使彈簧壓力改變，進(jìn)而通過(guò)一定形狀的小孔而霧化噴出；離心式霧化噴頭也稱轉(zhuǎn)盤(pán)式離心霧化噴頭，是液體在一個(gè)由電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)霧化盤(pán)上延徑向流動(dòng)，最后從圓盤(pán)邊緣噴霧飛出形成液滴。

根據(jù)以上2種噴頭還研究設(shè)計(jì)了幾種新型霧化噴頭。旋轉(zhuǎn)式液力霧化噴頭，其與普通噴頭結(jié)構(gòu)不同之處在于噴頭結(jié)構(gòu)中安裝一個(gè)小型電動(dòng)機(jī)。工作原理是噴頭工作時(shí)，將來(lái)自藥箱內(nèi)的液體經(jīng)霧化后隨著噴嘴做圓周運(yùn)動(dòng)噴出，在離心力的作用下，進(jìn)一步霧化了液滴直徑。靜電液力霧化噴頭，也稱靜電噴頭。靜電噴頭是靜電霧化系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，其工作原理是給霧化噴出的液滴帶電荷，讓其減少漂移影響，使噴藥均勻效果更好。

3.2.3 藥液泵

藥液泵是用來(lái)將藥液從藥箱里泵出來(lái)進(jìn)而進(jìn)入水管和噴頭。控制系統(tǒng)可以通過(guò)控制藥液泵的開(kāi)閉控制噴頭噴霧流量大小。

3.2.4 噴桿

噴桿一般安裝在無(wú)人機(jī)機(jī)架上，同時(shí)將噴頭用緊固螺釘固定其上。噴桿材料的選擇在滿足剛度要求下，盡可能重量輕。必要時(shí)，可設(shè)計(jì)成折疊噴桿。

3.2.5 變量噴灑控制裝置

變量噴灑控制裝置是無(wú)人機(jī)進(jìn)行噴藥時(shí)，控制藥液量變化的核心部件。

目前，有3種變量噴藥控制方式系統(tǒng)。壓力變化噴藥變量控制方式，這種方式應(yīng)用比較廣泛。其原理為控制器根據(jù)無(wú)人機(jī)速度控制伺服閥開(kāi)度的大小，使系統(tǒng)達(dá)到一定壓力，從而使噴藥量達(dá)到能夠滿足作業(yè)地塊兒的要求噴出；注入式變量噴藥控制方式，即將農(nóng)藥與溶劑分開(kāi)。其工作原理為：噴藥前，計(jì)算機(jī)通過(guò)相關(guān)信息計(jì)算出該地塊所需藥量配比（農(nóng)藥與溶劑之比），然后將信息傳遞藥液泵，進(jìn)而根據(jù)無(wú)人機(jī)速度泵出確定量的農(nóng)藥與溶劑混合進(jìn)入噴頭噴出。除了控制藥劑泵入速度外，還可以實(shí)時(shí)控制溶劑注入速度。其優(yōu)點(diǎn)是可以避免清洗藥箱而造成的環(huán)境污染；不足就是農(nóng)藥注入泵到達(dá)噴頭時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，可能導(dǎo)致傳輸延遲；脈沖電控變量噴藥控制方式，該方式采用脈沖電控噴頭。工作原理為：通過(guò)控制調(diào)節(jié)噴藥系統(tǒng)的脈沖寬度來(lái)實(shí)現(xiàn)變量噴藥。這種方式在保持噴藥壓力恒定的條件下可實(shí)現(xiàn)較大范圍的變量控制，而且霧滴指標(biāo)變化小，流速響應(yīng)也比較快。

3.2.6 控制線、水管等其他部件

為了提高載藥量，控制線、水管等部件除了滿足要求外，應(yīng)該滿足重量輕，耐腐蝕等特點(diǎn)。

3.3 其他

無(wú)人機(jī)噴藥效果的好壞直接與其穩(wěn)定性相關(guān)。為了使作業(yè)效果最優(yōu)，飛行高度大約在3m（根據(jù)作物高矮不同，選擇合適的作業(yè)高度）。為了使無(wú)人機(jī)保持飛行高度一致，在無(wú)人機(jī)上裝高度傳感器或者利用超聲波測(cè)距，使無(wú)人機(jī)保持一定高度平穩(wěn)飛行。

4 結(jié)語(yǔ)

無(wú)人機(jī)噴灑農(nóng)藥方式不僅是農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的重要進(jìn)程之一，更是實(shí)現(xiàn)未來(lái)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵因素。

未來(lái)無(wú)人機(jī)噴藥的發(fā)展趨勢(shì)主要有：無(wú)人機(jī)技術(shù)高度發(fā)達(dá)。動(dòng)力系統(tǒng)改進(jìn)，采用清潔能源。更多動(dòng)力系統(tǒng)的無(wú)人機(jī)機(jī)型將問(wèn)世；采用高分子材料制造無(wú)人機(jī)機(jī)身。無(wú)人機(jī)噴藥技術(shù)將大幅度促進(jìn)相關(guān)噴灑技術(shù)的研發(fā)。如無(wú)人機(jī)精準(zhǔn)噴藥方式的提高；先進(jìn)傳感器的開(kāi)發(fā)應(yīng)用；改進(jìn)更好的變量噴藥控制方式；還可以研究無(wú)人機(jī)霧滴沉降規(guī)律，實(shí)現(xiàn)藥物漂移預(yù)測(cè)。進(jìn)一步研發(fā)智能技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用于無(wú)人機(jī)噴灑農(nóng)藥，讓噴藥裝置具有“識(shí)別”能力從而自動(dòng)決定是否噴霧，做到真正意義上的“對(duì)靶噴霧”，提高作業(yè)精度。操控人員不斷涌現(xiàn)。無(wú)人機(jī)噴藥技術(shù)的推廣，讓越來(lái)越多農(nóng)民意識(shí)到其極大的優(yōu)點(diǎn)，激發(fā)農(nóng)民學(xué)習(xí)操控的積極性。

無(wú)人機(jī)噴藥技術(shù)在我國(guó)雖然取得很大進(jìn)步，推廣的速度也越來(lái)越快，但仍然面臨一些問(wèn)題：載重太??；續(xù)航能力不足，頻繁換加藥液，一定程度上影響作業(yè)效率；作業(yè)精準(zhǔn)度相對(duì)較差；操作無(wú)人機(jī)的技術(shù)人員少，我國(guó)應(yīng)該大力發(fā)展高素質(zhì)技術(shù)操作人員；無(wú)人機(jī)售后服務(wù)力度和購(gòu)機(jī)補(bǔ)貼政策欠缺；現(xiàn)在只有河南、湖南和福建3省購(gòu)買(mǎi)無(wú)人機(jī)實(shí)行補(bǔ)貼政策。隨著無(wú)人機(jī)噴藥技術(shù)推廣，相關(guān)部門(mén)應(yīng)該制定對(duì)農(nóng)民購(gòu)買(mǎi)無(wú)人機(jī)享有補(bǔ)貼的相關(guān)政策。同時(shí)還要完善售后服務(wù)和相關(guān)配套服務(wù)，維修，保險(xiǎn)也應(yīng)該更加完善。

作為一種新型的農(nóng)藥噴灑技術(shù)，無(wú)人機(jī)噴藥正在成為農(nóng)機(jī)行業(yè)的亮點(diǎn)和熱點(diǎn)。無(wú)人機(jī)噴藥技術(shù)的快速發(fā)展和應(yīng)用普及，真正實(shí)現(xiàn)了高效、環(huán)保安全的植保要求。綜上所述，無(wú)人機(jī)噴藥技術(shù)必將加速病蟲(chóng)害防治的進(jìn)程，促進(jìn)我國(guó)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化實(shí)現(xiàn)，為我國(guó)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展做出貢獻(xiàn)。

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