植保無人機(jī)低空低量噴霧技術(shù)研究現(xiàn)狀

吳 笛 李君興 袁洪印*

（1.吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，吉林 長春130118；2.吉林省農(nóng)業(yè)機(jī)械研究院，吉林 長春130022）

引言

近年來，無人機(jī)熱度持續(xù)增長，無人機(jī)植保技術(shù)的發(fā)展也緊跟其上。在植保方面，無人機(jī)相比傳統(tǒng)植保機(jī)械具有很大的優(yōu)勢，例如體積小，質(zhì)量輕、自動化程度高，工作量小、優(yōu)良的噴施效果，高效的作業(yè)性能、實現(xiàn)人機(jī)分離等。作為植保無人機(jī)主要研究方向，低空低量噴霧技術(shù)、靜電噴霧技術(shù)、GPS自動導(dǎo)航技術(shù)、低飄移噴霧技術(shù)等，都取得突破性的進(jìn)展[1-3]。

低空低量噴霧技術(shù)是指在距作物1m以上，4m以下的低空環(huán)境下，通過提高噴霧藥液的濃度、降低稀釋倍數(shù)、確保單位面積施藥量不變、減小霧滴粒徑等辦法，以提高農(nóng)藥利用率的一種施藥方式。根據(jù)《MTH 1008-1997 飛機(jī)噴施設(shè)備性能技術(shù)指標(biāo)》，低量噴霧要求霧滴直徑（VMD）處于150～250μm。該技術(shù)主要是利用小霧滴較好的穿透性和高覆蓋率及低空環(huán)境下的低漂移率，使霧滴到達(dá)植物各個部位，包括葉子背面的均勻分布，進(jìn)而減少霧滴飄移，提高農(nóng)藥利用率。

1 國內(nèi)外農(nóng)業(yè)航空發(fā)展?fàn)顩r

農(nóng)業(yè)航空起源于德國，1911年德國人提出了將飛機(jī)應(yīng)用于植物保護(hù)工作中。目前，美國農(nóng)用飛機(jī)保有量達(dá)4000多架（有人駕駛固定翼飛機(jī)占88%）；俄羅斯的農(nóng)業(yè)飛機(jī)保有量數(shù)目高達(dá)1.1萬架，作業(yè)的機(jī)型主要以有人駕駛飛機(jī)為主[4]；日本受地形的影響，有人駕駛固定翼飛機(jī)不適宜進(jìn)行農(nóng)業(yè)航空作業(yè),輕型無人機(jī)異軍突起[4]。據(jù)統(tǒng)計，截至2010年，日本的微輕型農(nóng)用無人機(jī)達(dá)2346架；2003年農(nóng)用無人機(jī)首次亮相韓國，開啟農(nóng)業(yè)航空時代。因耕地面積小，地形等因素的影響，韓國農(nóng)業(yè)航空噴灑多使用無人機(jī)進(jìn)行。截至2010年，農(nóng)用無人機(jī)達(dá)101架，有人駕駛直升機(jī)20架[4]。

農(nóng)業(yè)航空技術(shù)已經(jīng)成為農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)國家的評判標(biāo)準(zhǔn)，各個國家都針對本國國情選擇合適的農(nóng)業(yè)航空設(shè)備。在美俄等地廣人稀的國家，多采用有人駕駛飛機(jī)為主，無人機(jī)為輔的植保作業(yè)方式；而日韓等國，小型無人機(jī)的各種優(yōu)勢吸引著廣大農(nóng)戶。

1951年，我國農(nóng)業(yè)航空技術(shù)開始起步，農(nóng)業(yè)航空飛機(jī)只能使用他國生產(chǎn)。20世紀(jì)90年代，輕型飛機(jī)及配套的噴灑設(shè)備廣泛用于小麥、水稻等農(nóng)作物的農(nóng)藥噴灑、葉面施肥。2016年，我國植保無人機(jī)保有量是4890架。2017年我國植保無人機(jī)保有量達(dá)8393架，同比增長72%。

圖1 農(nóng)用航空作業(yè)占耕地面積比例

雖然，我國的無人機(jī)保有量保持持續(xù)增長的姿態(tài)，但是農(nóng)業(yè)航空作業(yè)占耕地面積比例僅1.65%，如上圖所示。較美、日等農(nóng)業(yè)航空發(fā)達(dá)的國家相差甚遠(yuǎn)，世界平均水平也達(dá)到17%，遠(yuǎn)高于我國。就當(dāng)前數(shù)據(jù)來看，我國農(nóng)業(yè)航空的發(fā)展剛剛起步，還需要各方人士共同努力。

2 國內(nèi)外低空低量噴霧技術(shù)發(fā)展概況

隨著航空噴霧技術(shù)的發(fā)展，我國各位學(xué)者在低空低量噴灑、低空變量噴藥系統(tǒng)等關(guān)鍵噴霧技術(shù)的各個環(huán)節(jié)上展開了相關(guān)研究，并取得了很大的突破。針對無人機(jī)的低空、低量、均勻性及高功效的噴灑要求，我國的許多學(xué)者對無人機(jī)的噴頭進(jìn)行了設(shè)計、試驗與改進(jìn)。

2014年，茹煜等著重對一種兼顧了液力噴霧和離心噴霧的旋轉(zhuǎn)液力霧化噴頭進(jìn)行了測試。以噴孔直徑、噴霧壓力、電機(jī)轉(zhuǎn)速3種因素進(jìn)行實驗，分析各因素對噴頭霧滴粒徑、沉積分布、噴幅和功率消耗的影響。結(jié)果顯示，噴頭旋轉(zhuǎn)電機(jī)電壓對霧滴粒徑的影響遠(yuǎn)高于噴孔直徑，壓力。電機(jī)電壓提高，噴幅擴(kuò)大，霧滴沉積量呈現(xiàn)正態(tài)分布。噴霧壓力和噴孔直徑對功率消耗的影響也很大[5]；

2016年，王森建立了單旋翼植保無人機(jī)垂直風(fēng)場模型及仿真模型，為分析無人機(jī)風(fēng)場和噴灑作業(yè)中霧滴沉積規(guī)律提供了很大幫助。還對農(nóng)業(yè)航空噴頭進(jìn)行了研究實驗，獲得了較優(yōu)的噴灑參數(shù)，為提高農(nóng)藥利用率做出重要貢獻(xiàn)[6]。

農(nóng)業(yè)航空低空低容量噴霧技術(shù)的發(fā)展已進(jìn)入了瓶頸，為了能夠突破瓶頸的限制，相關(guān)人士針對不同的發(fā)展方向都進(jìn)行了實驗研究。

2.1 明確防治不同作物主要病蟲害的最佳藥劑和最佳施藥量

利用農(nóng)業(yè)航空低空低容量噴霧技術(shù)防治稻飛虱、稻縱卷葉螟、二化螟、紋枯病等病蟲害，研究藥劑噴霧霧滴大小及霧滴密度與防治效果的關(guān)系，明確防治不同作物主要病蟲害的最佳藥劑和最佳施藥量。2014年，楊帥等對4種不同無人機(jī)進(jìn)行低空噴霧作業(yè)，尋找霧滴在作物冠層的沉積分布規(guī)律，并進(jìn)行了防治效果的研究。實驗顯示，無人機(jī)噴幅在一定范圍內(nèi)，隨高度增加而增加，確定最佳防治效果所需的飛行高度。不同無人機(jī)噴霧技術(shù)在冠層各位置的沉積密度均勻性不盡相同[7]；

2.2 研究用于農(nóng)業(yè)航空低空低量噴霧中增加附著率和防漂移助劑

在研究藥劑霧滴直徑與作物葉面附著率之間的關(guān)系及霧滴蒸發(fā)萎縮規(guī)律的基礎(chǔ)上，研發(fā)用于農(nóng)業(yè)航空低空低容量噴霧中增加附著率和防飄移助劑。2016年，文晟等針對植保無人機(jī)低量噴灑作業(yè)中，液力噴頭的大粒徑及離心噴頭的復(fù)雜結(jié)構(gòu)和高成本，提出了一種超低容量旋流噴頭結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行了試驗分析[8]。秦維彩等在水田環(huán)境中，利用植保無人機(jī)進(jìn)行超低空低量噴霧實驗，測試漂移量與沉積量。數(shù)據(jù)顯示，非靶標(biāo)區(qū)域霧滴漂移量占總噴灑量的12.9%,水稻下部葉片沉積量達(dá)到上部葉片的92.8%。證明了低空低量顯著的噴灑沉積效果[9]；Hoffmann W.C等利用一套自主開發(fā)壓力式噴霧系統(tǒng)，研究了助劑對噴霧液滴霧化特性的影響，實驗證明系統(tǒng)壓力的上升，添加助劑能夠減小霧滴粒徑變化，從而更準(zhǔn)確的進(jìn)行低量噴霧作業(yè)實驗，為低空低量噴霧技術(shù)發(fā)展提供了很大的幫助[10]。

2.3 研制無人旋翼植保機(jī)專用的智能控制方法與裝置

針對目前農(nóng)業(yè)無人旋翼施藥機(jī)噴霧過程中因噴霧不均勻而發(fā)生作物藥害、藥效不理想和環(huán)境污染問題，研制無人旋翼施藥機(jī)用的智能控制方法及裝置，從而達(dá)到無人旋翼機(jī)隨速度變化而改變施藥液量，從而提高病蟲害防治效果，減少農(nóng)業(yè)航空施藥過程中作物藥害和環(huán)境污染。Alvin R Womac 等人修改入口的壓力差調(diào)節(jié)活塞在殼體內(nèi)的位置，改變空間的尺寸，調(diào)節(jié)噴頭流量的目的，實現(xiàn)了低量精量噴霧[11]。HUANG 等設(shè)計了一種針對全自主飛行無人機(jī)的低容量噴霧系統(tǒng)，測試了4種不同噴嘴的噴霧效果[12]。

2.4 構(gòu)造農(nóng)業(yè)航空低空低量噴霧作業(yè)參數(shù)專家決策系統(tǒng)

對作業(yè)參數(shù)專家系統(tǒng)總體框架進(jìn)行設(shè)計，建立相應(yīng)的知識庫及數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)；系統(tǒng)需要能夠根據(jù)遠(yuǎn)程用戶手機(jī)終端提供的作物圖像，判斷作物的葉面積指數(shù)、生長期、病蟲害發(fā)病情況，利用精準(zhǔn)施藥知識特點及決策樹算法對無人機(jī)藥液量，噴頭的選擇、飛行高度和速度給出決策支持。2017年，陳勝德等對多旋翼無人機(jī)旋翼下方風(fēng)場進(jìn)行風(fēng)場分布測量，結(jié)合航空噴霧技術(shù)，通過調(diào)整相關(guān)的不同參數(shù)進(jìn)行噴灑實驗，研究了風(fēng)場對霧滴沉積分布的影響,揭示多旋翼無人機(jī)航空噴霧技術(shù)中霧滴沉積原理[13]。

2.5 構(gòu)建低空低量噴霧現(xiàn)場配藥系統(tǒng)、復(fù)核監(jiān)督?jīng)Q策系統(tǒng)

構(gòu)建低空低容量噴霧現(xiàn)場配藥系統(tǒng)復(fù)核監(jiān)督?jīng)Q策系統(tǒng)，完成作業(yè)現(xiàn)場配藥、稱量、記錄遠(yuǎn)監(jiān)控控系統(tǒng)，從而最大限度減少噴霧作業(yè)配藥過程中藥劑錯配，漏配現(xiàn)象，為航空低空低容量噴霧安全性及病蟲害防治效果提供保障。

3 結(jié)語

農(nóng)用無人機(jī)的發(fā)展固然可圈可點，但我國的農(nóng)業(yè)航空起步時間較晚，且大多農(nóng)業(yè)無人機(jī)并沒有高效的低空低量噴霧技術(shù)的支撐，這也是農(nóng)業(yè)航空發(fā)展的短板。因此，需要做的是加大農(nóng)業(yè)航空低空低量噴霧技術(shù)的研究力度，彌補行業(yè)發(fā)展的漏洞。低空低量噴霧技術(shù)的發(fā)展還有很長的路要走，不僅需要各個環(huán)節(jié)上的技術(shù)突破，更需要建立低空低量噴霧作業(yè)規(guī)范，以期在針對不同作物、病蟲害及作物周邊環(huán)境的情況下，都能選擇適宜的藥劑，藥量和安全區(qū)域。

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