植保無人機施藥技術(shù)研究進展

宋雷潔 李建平 楊欣 王鵬飛 劉洪杰

摘要? ? 農(nóng)用植保無人作業(yè)機是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中防治病蟲害的新興植保裝備之一。通過分析、總結(jié)近幾年植保無人機在田間病蟲害防治、智能調(diào)控、作業(yè)航路規(guī)劃等方面的施藥技術(shù)研究與應(yīng)用，分析植保無人機作業(yè)模式與作業(yè)特點，明確了現(xiàn)階段利用植保無人機進行病蟲害防控的發(fā)展趨勢，以期為植保無人機的推廣應(yīng)用提供參考。

關(guān)鍵詞? ? 無人機;智能;噴霧;病蟲害防控

中圖分類號? ? S43;S252+.3? ? ? ? 文獻標識碼? ? A? ? ? ? 文章編號? ?1007-5739（2019）11-0125-04

Abstract? ? Agricultural plant protection drone is one of the new plant protection equipment for pest control in agricultural production. Through analysis and summary of research and application of drone pesticide application technology in plant pest control，intelligent regulation，and operation route planning and so on in recent years，the operation mode and characteristics of plant protection drones were analyzed，and the development trend of using plant protection drones to prevent pests and diseases was clarified at this stage，in order to provide references for the promotion and application of plant protection drones.

Key words? ? drone;intelligence;spray;pest and disease prevention and control

隨著我國農(nóng)業(yè)的飛速發(fā)展，農(nóng)業(yè)病蟲害防治依然是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重點內(nèi)容，噴施化學(xué)農(nóng)藥是現(xiàn)階段果園及農(nóng)田防治病蟲害的主要方法。但近年來我國農(nóng)村勞動力人口不斷減少，農(nóng)業(yè)勞動力短缺、用工成本高等現(xiàn)象在一定程度上阻礙了病蟲害防治工作的開展[1]。為了實現(xiàn)快速高效地防治病蟲害，亟需利用更先進科學(xué)的施藥技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的植保作業(yè)方式。相比于傳統(tǒng)施藥作業(yè)方式，農(nóng)用無人機在植保作業(yè)中表現(xiàn)出了明顯的特點和優(yōu)勢。

1? ? 農(nóng)用無人機發(fā)展現(xiàn)狀

目前，我國植保作業(yè)投入的勞動力多且勞動強度大，使用手動噴霧器與背負式機動噴霧器分別約占國內(nèi)植保機械的93.07%和5.53%[2]。但傳統(tǒng)噴霧器械工作效率低，作業(yè)時間長，農(nóng)藥利用率低，有50%～70%的農(nóng)藥流失到土壤或飄移到環(huán)境中，大部分農(nóng)藥不僅沒有起到防控作用，反而污染了環(huán)境[3]。植保無人機具有高效省藥等優(yōu)點，成為農(nóng)業(yè)植保領(lǐng)域的一個利器[4]。近年來，為了提高植保作業(yè)效率，降低農(nóng)業(yè)植保的污染度，植保無人機已經(jīng)在部分地區(qū)使用[5]。無人機噴藥相比于傳統(tǒng)噴藥方式，具有很多優(yōu)點。但是其發(fā)展和需求仍然存在著較大的不平衡，我國植保無人機航空施藥面積占總耕地面積的比例不足2%[6]。隨著科技的發(fā)展，我國植保無人機已轉(zhuǎn)化成了多種化的植保方式，為實現(xiàn)減量控害、提高作業(yè)效率、降低勞動力成本、科學(xué)使用農(nóng)藥、降低損耗，植保無人機在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用將會更廣泛[7]。

2? ? 植保無人機結(jié)構(gòu)及工作原理

無人機噴藥是用植保無人機將農(nóng)藥帶到作物上空，從上往下噴灑農(nóng)藥殺滅病蟲害的一種作業(yè)方式。無人機植保起源于1987年的日本，2012年后在我國正式推廣[8]。

農(nóng)業(yè)植保無人機主要由動力系統(tǒng)、噴灑系統(tǒng)、飛控系統(tǒng)等部分組成。其中，常見的動力系統(tǒng)為電力動力系統(tǒng)，主要包括無人機的動力電池、電機、電子調(diào)速器、旋翼等部分，為無人機的運行提供動力能源;噴灑系統(tǒng)為植保無人機進行施藥作業(yè)的主要工作部件，在整機結(jié)構(gòu)中具有重要作用;飛控系統(tǒng)是指無人機的控制系統(tǒng)，用于提供控制與決策指令，使無人機完成GPS定位、導(dǎo)航、數(shù)據(jù)采集等工作[9]。

無人機是通過電機的旋轉(zhuǎn)，使螺旋槳產(chǎn)生升力，當飛機全部旋翼同時產(chǎn)生的升力之和等于飛機自身總重量時，飛機的升力與重力相平衡，飛機就會自動保持懸停狀態(tài)。通過調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速，可以改變各個旋翼的轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)升力的變化，控制飛行器的運動狀態(tài)[10]。當全部旋翼產(chǎn)生的升力之和大于無人機機身總重量時，無人機向上飛起;反之則下降。當無人機后端旋翼轉(zhuǎn)速增大、前端旋翼轉(zhuǎn)速降低時，無人機前進;反之則后退。當左側(cè)旋翼轉(zhuǎn)速增大、右側(cè)旋翼轉(zhuǎn)速降低時，無人機向右側(cè)飛行;反之則向左側(cè)飛行。

無人機噴灑農(nóng)藥，更省時省力、省水省藥，在提高作業(yè)效率的同時節(jié)約成本。作業(yè)不受地形、作物長勢限制，能夠適應(yīng)不同的施藥環(huán)境，操作靈活[11]。且可通過遠距離遙控操作作業(yè)任務(wù)，避免了作業(yè)人員暴露在農(nóng)藥之下的危險，保障了人員的安全。

近年來，我國廣大研究學(xué)者從不同方面對無人機植保技術(shù)進行了研究。

3? ? 無人機植保技術(shù)

3.1? ? 無人機田間植保技術(shù)

劉道奇等[12]通過應(yīng)用3W16-10型多旋翼植保無人機開展噴霧均勻性試驗，得到的最佳作業(yè)參數(shù)為飛行高度1.39 m、飛行速度2.38 m/s、噴霧壓力0.5 MPa。

陶? 波等[13]利用植保無人機開展田間飛防試驗，對比田間雜草防效，分析了植保無人機最佳作業(yè)狀態(tài)，并提出了無人機作業(yè)狀態(tài)為飛行高度1 m、飛行速度5 m/s、噴液流量1 800 mL/min。

李繼宇等[14]通過試驗檢測了無人機形成的不同粒徑霧滴在水稻冠層的沉積效果及穿透性，結(jié)果表明，水稻冠層下部的霧滴沉積量均高于上部和中部;且噴霧粒徑越小，單位面積藥液沉積量越多，霧滴穿透性也越好。

胡中澤等[15]通過進行田間藥效試驗得出，相比于電動噴霧器防治處理，無人機防治處理在第10天對病害的防治效果更好;添加助劑處理的發(fā)病率和病情指數(shù)均低于不加助劑的處理，說明助劑能夠輔助提高小麥植株對藥液的吸收能力，顯著提高對病蟲害的防治能力。

胡紅巖等[16]提出，在棉花生產(chǎn)過程中，尤其是生長中后期，棉花冠層葉片相互遮擋嚴重，采用植保無人機噴施脫葉劑，可以極大地提高作業(yè)效率和脫葉催熟效果。

淦 城等[17]研究表明，無人機田間作業(yè)能避免作業(yè)期間因踩踏產(chǎn)生的油菜損傷，作業(yè)效率高、節(jié)水、省工、勞動強度低，節(jié)本增收效益明顯。

顏貞龍等[18]通過進行植保無人機與常規(guī)電動噴霧機防治水稻病蟲害的藥效對比試驗發(fā)現(xiàn)，在使用相同藥劑條件下，水稻分蘗盛期、孕穗末期植保無人機施藥紋枯病病指防效分別為90.3%和94.7%，均明顯優(yōu)于常規(guī)電動噴霧機施藥藥效（分別為84.4%和49.7%）。

寧國云等[19]采用植保無人機、擔架式機動噴霧機和背負式電動噴霧機施藥進行水稻病蟲害防治試驗，結(jié)果表明，植保無人機在正常情況下，每3人一組，作業(yè)效率可達2 hm2/h，是背負式電動噴霧機的10倍，是擔架式機動噴霧機的3倍，極大地提高了作業(yè)效率、降低了勞動強度。

張 莉等[20]通過使用極飛P20植保無人機對水稻田稻飛虱進行田間藥效試驗發(fā)現(xiàn)，植保無人機能減少作業(yè)用水量，由傳統(tǒng)電動噴霧的450 kg/hm2減少至7.5 kg/hm2，較常規(guī)電動噴霧機噴藥省工省時。

陳春玲等[21]研究了多旋翼植保無人機低空噴施作業(yè)過程中水稻冠層霧滴沉積的分布規(guī)律，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，植保無人機有效噴幅內(nèi)旋翼下方區(qū)域的霧滴覆蓋效果最好，遠離旋翼的位置霧滴覆蓋率較差，霧滴冠層覆蓋率為54.86%。

蒙艷華等[22]通過研究植保無人機高濃度低容量和背負式噴霧器大容量低濃度噴施30%戊唑醇懸浮劑防治小麥病害發(fā)現(xiàn)，植保無人機處理組中30%戊唑醇懸浮劑在麥穗和麥葉中的原始沉積量顯著高于背負式噴霧器。

文純杰等[23]對牽引式吊機噴霧機車與植保無人機用于棉花脫葉作業(yè)的脫葉效果進行對比，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，同機車作業(yè)相比，無人機作業(yè)既減少了人工分行的費用，還無掛落棉桃的弊端;并提出無人機噴藥將是今后棉田脫葉劑施藥的較好選擇。

蘇小記等[24]研究了常用植保機械對農(nóng)作物病蟲害防治的應(yīng)用效果，結(jié)果表明，電動噴霧器、機動彌霧機和自走式噴桿噴霧機沉積率較高，達到51.4%～63.7%;單旋翼無人機和地面噴霧機械防治效果達到80%以上，優(yōu)于其他低空低量植保機械。

趙冰梅等[25]利用KT-10-Ⅱ型四旋翼植保無人機開展了玉米灌漿期三點斑葉蟬的防治試驗，結(jié)果表明，KT-10-Ⅱ型四旋翼無人機施藥時，在飛行作業(yè)高度距玉米植株冠層1 m、飛行速度6 m/s、施藥液量15 L/hm2的條件下，螺旋槳產(chǎn)生的下旋氣流能很好地使霧滴具有穿透性，保證玉米植株上、中、下部均能著藥。

胡紅巖等[26]通過霧滴測試發(fā)現(xiàn)，植保無人機在棉田作業(yè)過程中，不同采樣點霧滴沉積分布情況存在較大差異，中心航線附近采樣點的霧滴沉積量較大，而遠離航線的旋翼兩側(cè)采樣點的霧滴沉積量較小。

綜上研究結(jié)果可知，采用植保無人機在田間進行施藥作業(yè)，可顯著提高藥液霧滴在作物冠層中的沉降，從而提高農(nóng)藥利用率，達到防治效果;同時可避免機械下地作業(yè)時對作物造成的損傷，減少損耗。

3.2? ? 無人機智能噴霧技術(shù)

無人機施藥在實際作業(yè)過程中既可依據(jù)作業(yè)對象精準變量施藥，降低農(nóng)藥用藥量，減少農(nóng)藥殘留;也可以對病害的發(fā)展情況進行實時監(jiān)測，采集農(nóng)業(yè)信息[27]。朱 超等[28]設(shè)計了一種高效自適應(yīng)噴霧植保無人機，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，設(shè)計研發(fā)的噴霧植保無人機在飛行過程中能根據(jù)植株密度進行自適應(yīng)可靠控制噴藥流量，施藥量明顯降低，較常規(guī)作業(yè)噴藥量平均降低16.63%，施藥作業(yè)霧滴沉積量較均勻。

王金星等[29]設(shè)計了一種實驗室變量噴藥沉積試驗測試系統(tǒng)，確定霧化噴頭最佳工作電壓為10 V;通過水稻田間試驗，確定最佳作業(yè)高度為2.0 m，作業(yè)速度為1.0 m/s。

白明亮等[30]設(shè)計了基于Web的無人機三維仿地飛行規(guī)劃，較傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)植保方式更加快速高效，能準確完成植保任務(wù)。

明宇[31]研究了一種基于視覺的植保無人機避障，使用MATLAB軟件進行了仿真，表明該方法可以實現(xiàn)植保無人機的避障功能。

王? 軍等[32]設(shè)計研發(fā)了一種無人機植保無線數(shù)據(jù)傳輸采集控制系統(tǒng)，通過反復(fù)應(yīng)用及測試，該系統(tǒng)運行平穩(wěn)、性能可靠，可實現(xiàn)植保作業(yè)的數(shù)據(jù)精準化、控制變量化。

吳冬[33]設(shè)計研究了一種基于GPS和GPRS的混合農(nóng)業(yè)植保無人機高精度定位系統(tǒng)，并對系統(tǒng)進行了測試，結(jié)果表明，所設(shè)計的系統(tǒng)能夠有效滿足無人機對定位精準性的要求，且所設(shè)計的定位系統(tǒng)質(zhì)量輕、投入低，能夠?qū)崿F(xiàn)無人機自主導(dǎo)航服務(wù)。

韓? 賓等[34]提出了一種新的彎道姿態(tài)控制算法，對彎道處航路進行重新規(guī)劃，由“幾”字形航路變?yōu)楦m合轉(zhuǎn)彎的曲線航路。通過對比試驗發(fā)現(xiàn)，對于同一架植保機，在相同作業(yè)條件下，采用彎道姿態(tài)控制算法轉(zhuǎn)彎植保機作業(yè)效率提高了20%。

吳開華等[35]提出了一種基于結(jié)構(gòu)光視覺的植保無人機障礙物檢測方法，設(shè)計了可探測前方障礙物信息的光學(xué)檢測系統(tǒng)。結(jié)果表明，該方法能夠有效檢測出未知環(huán)境下障礙物的距離、方位角和寬度，并且距離檢測誤差小于6 cm。

宋天明等[36]設(shè)計了流量微調(diào)噴灑系統(tǒng)，可以通過速度控制噴灑泵，達到流速微調(diào)噴灑，可以有效解決流量噴灑難以控制的問題，更加精細地實施噴灑作業(yè)。

范思儀等[37]設(shè)計了一種適用于農(nóng)用植保無人直升機的航路規(guī)劃方案，通過仿真驗證了方案的可行性，證明了算法可使無人直升機在植保環(huán)境下應(yīng)用有較好的效果。

劉小軍等[38]提出了一種基于Cortex-M4內(nèi)核的六旋翼植保無人機方案，提高了系統(tǒng)動態(tài)擾動下的控制能力，保證了系統(tǒng)控制性能和飛行姿態(tài)的穩(wěn)定。

植保無人機智能施藥技術(shù)可根據(jù)作物實際情況調(diào)整藥液的噴施量，減少藥液浪費，實現(xiàn)更精細的施藥作業(yè)。通過精確定位、避障等技術(shù)可有效提高無人機作業(yè)的準確性、安全性。

3.3? ? 其他技術(shù)創(chuàng)新

徐偉誠等[39]設(shè)計了一款太陽能植保無人機，通過利用太陽能這種綠色的能源為鋰電池充電，從而達到增加無人機續(xù)航時間的目的。

賈瑞昌等[40]將光固化成型技術(shù)應(yīng)用于無人機植保噴頭，結(jié)果表明，其性能滿足噴霧工作要求。將光固化成型技術(shù)運用于研發(fā)農(nóng)業(yè)機械及其器件，可以減少制造時間和降低制造成本。

董? 康等[41]設(shè)計了一種植保無人機離心噴頭，優(yōu)化了噴頭的結(jié)構(gòu)參數(shù)，設(shè)計了一套霧化效果試驗裝置，獲得了最佳工作參數(shù)，即電機電壓12 V、噴霧壓力0.08 MPa、噴嘴口徑0.471 mm。

鄭啟帥等[42]研究了航空噴施作業(yè)時液滴對葉片的潤濕性能及影響因素。試驗結(jié)果表明，添加助劑和保證液滴與葉片接觸速度至少為1.55 m/s，能有效提高葉面肥對葉片的潤濕性。

文? 晟等[43]研究了單旋翼植保無人機翼尖渦流對霧滴飄移的影響。試驗結(jié)果表明，當無人機飛行速度大于3 m/s時，機身后方開始出現(xiàn)螺旋型尾渦，且飛行速度越大、飛行高度越高，尾渦向機身后方的擴散距離越遠;當飛行速度為5 m/s、飛行高度為3 m時，38%的霧滴因螺旋尾渦而造成空中飄移，其中粒徑小于100 μm的霧滴約占總飄移霧滴數(shù)的80%。

徐志雄[44]通過研究發(fā)現(xiàn)，無人機植保效果與槳盤載荷具有很大關(guān)系。試驗證明，變槳距四旋翼對藥滴的霧化和擴散效果強于同起飛重量的電動四旋翼。合理的槳盤載荷對作業(yè)效果至關(guān)重要，變槳距四旋翼構(gòu)型是達到合適槳盤載荷較可行的發(fā)展趨勢。

通過對無人機操控系統(tǒng)、組成結(jié)構(gòu)、零件材料等方面的研究，對現(xiàn)有無人機技術(shù)進行了改進和創(chuàng)新，有效提高了無人機各方面的工作性能，并對未來無人機作業(yè)的發(fā)展方向提供了依據(jù)。

4? ? 無人機在果園中的應(yīng)用

李莉[45]通過研究發(fā)現(xiàn)，使用無人機驅(qū)避技術(shù)可以有效防治鳥害。采用無人機驅(qū)避技術(shù)防治鳥害，果實受啄率較采用風力驅(qū)鳥器降低了83.08%，較采用超聲波驅(qū)鳥器降低了86.42%，較采用生物驅(qū)避劑降低了71.05%，較采用有色防鳥網(wǎng)阻隔技術(shù)高54.5%，說明無人機驅(qū)避效果僅次于有色防鳥網(wǎng)阻隔技術(shù)。

崔廣鑫[46]通過試驗發(fā)現(xiàn)，采用無人機授粉的果實樣品較自然授粉的果實樣品平均單果重大，且采用無人機授粉的果實果柄長度更長。對于白粉病的防治，無人機噴藥可以使病梢率減少65%、病葉率減少50%。通過數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，無人機在果樹行間進行植保作業(yè)較在果園上空進行植保作業(yè)的效果好。

劉? 暉等[47]研究設(shè)計了在無人機上搭載圖像與光譜傳感器，利用無人機飛行高度的優(yōu)勢，克服普通冠層分析儀只能采集低矮植物冠層圖像的限制。

劉德江等[48]通過試驗發(fā)現(xiàn)，相比于單旋翼，多旋翼產(chǎn)生的下行氣流場更均勻;但單旋翼產(chǎn)生的下行氣流較強，對果樹葉片的擾動較大，提高了霧滴在樹冠中下部的穿透性。

綜上所述，無人機作業(yè)在果園防鳥、授粉、施藥等多方面工作中均能體現(xiàn)其優(yōu)勢，且適合多種復(fù)雜地形作業(yè)。

5? ? 結(jié)語

無人機作業(yè)極大地提升了作業(yè)效率，解決了勞動力短缺的問題，在果園及大田作業(yè)中均能體現(xiàn)出較大優(yōu)勢。但農(nóng)用無人機在作業(yè)過程中仍存在續(xù)航時間短、載藥量少等問題，需進一步進行研發(fā)，解決現(xiàn)存問題;同時，要推進植保無人機智能化，利用無人機結(jié)合先進技術(shù)，對作物進行智能分析，實現(xiàn)植保無人機高效精準作業(yè)。

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基金項目? ?國家重點研發(fā)計劃（2016YFD0201100）;河北省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系水果創(chuàng)新團隊（HBCT2018100205）;河北農(nóng)業(yè)大學(xué)社科基金和理工基金（ZD201701，LG201703）;現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專項資金（CARS-27）。

作者簡介? ?宋雷潔（1993-），女，河北邢臺人，在讀碩士研究生。研究方向：農(nóng)業(yè)機械設(shè)計研究。

*通信作者

收稿日期? ?2019-02-20