淺談植保無人機(jī)的精準(zhǔn)噴灑

吳阿敏 姜寬舒 趙夢龍 尹 華

（江蘇農(nóng)林職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 句容 212400）

【關(guān)鍵字】精準(zhǔn)噴灑；變量噴霧；靜電噴霧

0 前言

中國是農(nóng)業(yè)大國，有18 億畝基本農(nóng)田，每年需要大量的農(nóng)業(yè)植保作業(yè)。 有數(shù)據(jù)顯示， 我國的農(nóng)藥利用率僅有20%， 大部分都流失在環(huán)境中， 造成環(huán)境的污染、資源的浪費。 因此，在施藥技術(shù)方面提出了精準(zhǔn)噴灑的概念。 精準(zhǔn)噴灑， 簡單來講就是需要什么就給什么，需要多少就給多少。

精準(zhǔn)噴灑的實現(xiàn)離不開施藥機(jī)械， 我國農(nóng)業(yè)植保最主要的作業(yè)方式是人工噴藥和地面植保噴霧機(jī)械噴藥。 人工植保投入人力多，勞動強(qiáng)度大，還常常發(fā)生施藥人員中毒事件。 地面植保噴霧機(jī)械比人工噴藥的效率高， 但經(jīng)常會受到地形地貌、 作物種植環(huán)境及作物后期長勢等因素制約， 無法很好的進(jìn)入田間完成施藥作業(yè)，或作業(yè)效率不高[1]。近些年隨著國家對農(nóng)業(yè)投入補貼加大， 現(xiàn)代化的航空植保技術(shù)得到了重視并且發(fā)展迅速。 航空無人機(jī)施藥工作效率高、 不受地形因素的限制、施藥均勻且穿透性好。 同時，施藥時可人機(jī)分離， 能夠降低藥劑對人的影響， 并且機(jī)翼產(chǎn)生的下旋氣流可使藥劑很好的附著在農(nóng)作物上， 減少藥劑的漂移， 減少對環(huán)境的危害。 噴霧技術(shù)是實現(xiàn)植保無人機(jī)精準(zhǔn)噴灑的第一要素。

1 植保無人機(jī)的噴霧技術(shù)

精準(zhǔn)噴灑可提高農(nóng)藥的利用率， 減少對環(huán)境的污染，其關(guān)鍵在于施藥機(jī)械的噴霧技術(shù)。 關(guān)于精準(zhǔn)噴灑，目前主要研究的有霧化技術(shù)（影響霧滴粒徑）、噴灑量的變化控制技術(shù)及靜電噴霧技術(shù)。

1.1 霧化技術(shù)

在植保無人機(jī)噴霧作業(yè)過程中， 藥液經(jīng)過無人機(jī)霧滴霧化裝置——噴頭進(jìn)行霧化而分散， 形成具有不同大小的細(xì)小的霧滴顆粒， 并具有一定寬度的霧滴譜。 不管是各種地面噴霧機(jī)還是各種航空噴霧機(jī)成霧過程中，噴頭是農(nóng)藥霧化的核心部件[2]。經(jīng)過不同類型噴頭霧化后的液滴的粒徑也不同， 而粒徑大小會影響霧滴的沉積。

農(nóng)藥噴施過程中，粒徑大的霧滴由于重力較大，易沉降，不易隨風(fēng)漂移或蒸發(fā)散失，但分布不均勻、附著能力差，且容易滾落而造成藥液流失，降低防治效果，污染環(huán)境。

霧滴粒徑小，雖然相對易受氣流影響而發(fā)生漂移，但細(xì)小霧滴在作物葉片的覆蓋率和覆蓋均勻度遠(yuǎn)優(yōu)于大粒徑的霧滴，而且附著能力好、不易流失，農(nóng)藥利用率高。 此外，細(xì)小霧滴有較好的穿透能力，能隨氣流深入植株冠層內(nèi)部， 沉積在果樹或植株深處的葉片正面及大霧滴不易沉積的葉片背面。

目前，植保無人機(jī)上使用的噴頭主要有兩種類型：液力噴頭和離心噴頭，如圖1 所示。

這兩種噴頭的原理及特點見表1。

圖1 壓力噴嘴和離心噴嘴

表1 液力噴嘴和離心噴嘴性能對比表

由此可見，經(jīng)過離心噴嘴的霧滴粒徑較小，藥液的附著性好， 但是要想達(dá)到精準(zhǔn)噴灑的目的， 噴頭一般還需和其他技術(shù)相結(jié)合使用。

1.2 變量噴灑技術(shù)

植保無人機(jī)在整個工作過程中， 需要經(jīng)歷從懸停狀態(tài)加速到勻速航行狀態(tài)又從勻速航行狀態(tài)減速到懸停狀態(tài)， 其飛行速度也是一個變化的過程。 如果噴灑的量是恒定的話， 就會出現(xiàn)速度慢和懸停的時候噴的多，而速度快的時候噴的少，噴灑不均勻。 做到每一處噴灑的藥量均衡， 是精準(zhǔn)噴灑的最基本要求。 這就要求植保無人機(jī)做到變量噴灑， 即植保無人機(jī)在飛行過程中， 其控制系統(tǒng)會根據(jù)飛行速度的變化， 自動調(diào)節(jié)噴灑量， 這就是變量噴灑技術(shù)， 能使畝噴灑量保持恒定不變，不隨飛行速度的改變而改變。

傳統(tǒng)的變量農(nóng)藥噴灑采用壓力控制流量的方式，因此流量的改變就需要在一定范圍內(nèi)改變壓力， 而壓力的改變必然會導(dǎo)致噴霧顆粒大小的變化， 從而造成噴藥的不穩(wěn)定[3]。 目前，已有多種變量噴灑技術(shù)，如基于PWM（通過脈沖寬度調(diào)制方式）的變量噴灑系統(tǒng)；精準(zhǔn)可控變粒徑的噴頭； 針對不連續(xù)種植設(shè)計基于紅外感應(yīng)的對靶變量噴霧控制技術(shù)等。

1.3 靜電噴霧技術(shù)

航空靜電噴霧， 就是高壓靜電發(fā)生器給靜電噴頭的充電電極充上正的或負(fù)的靜電高壓并使噴嘴噴出的霧滴經(jīng)過高壓電場帶上電荷[4]，原理如圖2 所示。

圖2 靜電噴霧技術(shù)原理圖

根據(jù)同種電荷相互排斥、 異種電荷相互吸引的物理學(xué)原理， 在高壓靜電發(fā)生器的作用下， 霧滴在經(jīng)過噴頭時帶上了電荷， 并在噴霧器的推送力、 地球引力和電場力的多重作用下， 將沿電場線向靶標(biāo)作物定向移動， 在異性電荷相互吸引的作用下， 霧滴會加速奔靶標(biāo)物， 并牢牢地吸附在靶標(biāo)物的上下左右， 不僅使靶標(biāo)作物葉片正面吸附霧滴， 其背面和隱蔽部位均可得到較好的藥液附著， 提高藥液的沉積率， 減少農(nóng)藥的使用及殘留。

靜電噴霧可有效降低霧滴尺寸，且霧滴均勻；霧滴在電場的作用下， 能迅速沉積到作物的正反面， 農(nóng)藥漂移少，環(huán)境危害?。粠щ婌F滴的吸附能力強(qiáng)，施藥后持續(xù)有效期長，防治效果大幅提高。 20 世紀(jì)40 年代，法國的Hampe 首次利用靜電進(jìn)行農(nóng)藥噴撒試驗，之后， 美國一些大學(xué)如佐治亞大學(xué)進(jìn)行了正式的研究試驗，他們的試驗都證明，利用靜電場散布農(nóng)藥藥粉，大大提高了對植物的附著率[5]。 我國在20 世紀(jì)70 年代開始靜電噴霧的研究， 一開始主要在地面植保器械上的使用， 現(xiàn)在也開始涉及植保無人機(jī)的靜電噴霧系統(tǒng)，并已有產(chǎn)品問世。

2 植保無人機(jī)精準(zhǔn)噴灑的發(fā)展與思考

漢和資深植保飛手費朝品表示， 目前雖然國內(nèi)的植保無人機(jī)施藥已經(jīng)基本做到了變量噴灑， 可以根據(jù)無人機(jī)飛行速度調(diào)節(jié)施藥系統(tǒng)噴頭的流量， 做到畝用藥量基本不變。 但這還不是真正意義上的 “精準(zhǔn)噴灑”，期望通過今后的研究，“精準(zhǔn)噴灑”能夠做到：一是對于不連續(xù)作物， 能夠根據(jù)作物的位置， 在噴施農(nóng)藥時，有作物的地方就噴，沒有作物的地方不噴；二是根據(jù)作物所受病蟲害的程度進(jìn)行變量噴灑， 蟲害嚴(yán)重的地方多噴， 蟲害不嚴(yán)重的地方就少噴。 據(jù)目前情況來看，我國的精準(zhǔn)噴灑還需克服各種困難。

2.1 結(jié)合紅外圖像技術(shù)，實現(xiàn)網(wǎng)格化管理

通過空中和地面遙感，實時采集并解析作物長勢、病蟲草害等農(nóng)情信息，再將農(nóng)田分為作業(yè)網(wǎng)格， 能依據(jù)不同的農(nóng)情制定不同的噴霧作業(yè)處方和噴霧作業(yè)時間， 利用植保無人機(jī)的精準(zhǔn)噴灑系統(tǒng)按需進(jìn)行高效精準(zhǔn)作業(yè)， 保證作物防治效果的同時，減少農(nóng)藥殘留，減低環(huán)境污染。 這是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)自動化智能化的重要組成， 也是很多專家正在致力研究的方向，相信在不久的將來即可實現(xiàn)。

2.2 開發(fā)專用的飛防藥劑

植保無人機(jī)的載重量有限， 因此其農(nóng)藥稀釋倍數(shù)較低， 這就對專用藥劑的質(zhì)量提出了更高的要求。 但是， 我國農(nóng)藥現(xiàn)狀是， 在市面上很難找到適用于無人機(jī)噴灑的專用藥劑。 現(xiàn)有植保無人機(jī)作業(yè)大多憑經(jīng)驗或參考地面噴霧確定劑量與配置方法， 因為用量或配置不科學(xué)影響了作業(yè)質(zhì)量， 使得精準(zhǔn)噴灑成為空談。目前， 納米制劑是飛防專用藥劑研究的一個方向。 納米農(nóng)藥在噴灑后， 不會隨著液滴中水分的蒸發(fā)形成農(nóng)藥的結(jié)晶聚集體， 而會均勻分散為納米微粒， 而且由于加入了抗漂移劑， 增大藥液粘度， 噴灑時一般可抵抗漂移的發(fā)生， 提高農(nóng)藥使用效率， 減少農(nóng)藥的使用量和殘留量，而不影響防治效果，利國利民。

3 結(jié)論

植保無人機(jī)因其省水、 節(jié)藥、 高效而得到廣泛關(guān)注， 并在近兩年發(fā)展火熱， 植保無人機(jī)的生產(chǎn)廠家數(shù)量和植保無人機(jī)的保有量每年都在持續(xù)遞增， 市場一片繁榮。 植保無人機(jī)的發(fā)展?jié)摿皯?yīng)用前景已在世界各國達(dá)成廣泛共識。 但是， 植保無人機(jī)的精準(zhǔn)噴灑還有較長的路要走， 希望我們整個行業(yè)能團(tuán)結(jié)一致，各自發(fā)揮自己的優(yōu)勢， 突破技術(shù)難關(guān)， 真正實現(xiàn)精準(zhǔn)噴灑，以最少的農(nóng)藥投入量，減少作物農(nóng)藥殘留，實現(xiàn)防治效果并對環(huán)境的污染達(dá)到最小。