植保無(wú)人機(jī)技術(shù)原理及其在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的優(yōu)缺點(diǎn)分析

張 良

(正陽(yáng)縣農(nóng)業(yè)綜合行政執(zhí)法大隊(duì)，河南 正陽(yáng) 463600)

0 引言

隨著農(nóng)業(yè)機(jī)械化的快速發(fā)展，我國(guó)的農(nóng)業(yè)機(jī)械普及率顯著提高，目前來(lái)看，在耕整地、播種、收獲等工序上已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)了可靠的機(jī)械化作業(yè)，但是從機(jī)械化植保作業(yè)來(lái)看，受到農(nóng)作物生長(zhǎng)中后期植株?duì)顟B(tài)的影響，現(xiàn)階段植保作業(yè)中的手工作業(yè)和半自動(dòng)化作業(yè)仍占據(jù)較大比例，化學(xué)防治作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的基礎(chǔ)保障，科學(xué)的實(shí)施噴施作業(yè)對(duì)于提升生產(chǎn)效率和農(nóng)作物產(chǎn)量具有重要意義，而現(xiàn)階段很多地區(qū)以人工為主的作業(yè)形式，不僅工作效率低下，而且噴施的均勻度、噴施量存在較多的不合理問(wèn)題，人工噴施還易對(duì)工作人員造成健康危害，其應(yīng)當(dāng)被機(jī)械化技術(shù)所取代。近年來(lái)，除傳統(tǒng)的輪式植保機(jī)具應(yīng)用量不斷上升外，以多旋翼無(wú)人機(jī)為代表的植保無(wú)人機(jī)應(yīng)用量也顯著增多，為農(nóng)業(yè)機(jī)械化植保作業(yè)的實(shí)施提供了新的實(shí)施思路。

1 植保機(jī)械發(fā)展現(xiàn)狀

據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)現(xiàn)階段的植保機(jī)械化水平約落后發(fā)達(dá)國(guó)家60年左右，其中人工作業(yè)的手動(dòng)噴施、背負(fù)式機(jī)動(dòng)噴施和擔(dān)架式機(jī)動(dòng)噴施所占比例接近97%，拖拉機(jī)懸掛噴霧機(jī)、高地隙自走式噴霧機(jī)、植保無(wú)人機(jī)作業(yè)面積僅占3%左右，機(jī)械化植保作業(yè)已經(jīng)成為我國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化發(fā)展中最薄弱環(huán)節(jié)之一。隨著土地流轉(zhuǎn)政策的進(jìn)一步實(shí)施，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的規(guī)?；?jīng)營(yíng)逐漸擴(kuò)大，高效機(jī)械化植保技術(shù)的需求不斷提升，且對(duì)于噴施合理性、環(huán)保性、節(jié)約性的要求也會(huì)越來(lái)越高，總體上講，無(wú)論是植保無(wú)人機(jī)還是輪式植保機(jī)，在技術(shù)和普及程度上都有很大的提升空間。

2 植保無(wú)人機(jī)的種類劃分

植保無(wú)人機(jī)的應(yīng)用具有效率高、均勻度好等很多優(yōu)勢(shì)，在現(xiàn)階段的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中能夠發(fā)揮巨大的作用，尤其是在現(xiàn)階段農(nóng)村勞動(dòng)力逐漸向城鎮(zhèn)轉(zhuǎn)移的情況下，植保無(wú)人機(jī)的應(yīng)用更能顯示出其突出優(yōu)勢(shì)?？傮w上講，我國(guó)的航空植保技術(shù)應(yīng)用已經(jīng)有較長(zhǎng)的歷史，但是無(wú)人機(jī)植保作業(yè)的形式是近10年左右才開(kāi)始逐漸被重視和應(yīng)用的。在科學(xué)技術(shù)快速發(fā)展的推動(dòng)下，植保無(wú)人機(jī)產(chǎn)業(yè)得到了快速的發(fā)展，從目前的農(nóng)用無(wú)人機(jī)市場(chǎng)來(lái)看，植保無(wú)人機(jī)具有品牌、型號(hào)較多，技術(shù)特點(diǎn)各異的現(xiàn)象，但從總體的無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)來(lái)看，按照飛行特點(diǎn)可將其分為單旋翼植保無(wú)人機(jī)和多旋翼植保無(wú)人機(jī)兩類，受到機(jī)械結(jié)構(gòu)的限制，單旋翼植保無(wú)人機(jī)主要以燃油機(jī)型為主，部分產(chǎn)品也配套有電動(dòng)機(jī)，而多旋翼植保無(wú)人機(jī)均為電動(dòng)機(jī)型。從操控的難易程度來(lái)看，單旋翼植保無(wú)人機(jī)的專業(yè)性更強(qiáng)，操控難度更大，多旋翼植保無(wú)人機(jī)機(jī)型更小，操控更為簡(jiǎn)易，從技術(shù)發(fā)展和市場(chǎng)表現(xiàn)來(lái)看，多旋翼植保無(wú)人機(jī)更可能成為未來(lái)植保無(wú)人機(jī)的主要發(fā)展方向。

單從多旋翼植保無(wú)人機(jī)來(lái)看，主要根據(jù)旋翼的數(shù)量來(lái)進(jìn)行劃分，可分為四旋翼、六旋翼、八旋翼、十二旋翼等多種機(jī)型，為滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的不同需求，多旋翼植保無(wú)人機(jī)多采用航空鋁材或碳纖維兩類材料的主機(jī)身，并須配套安裝有無(wú)刷電機(jī)、槳葉、電源、藥箱、噴桿等裝置。根據(jù)體積、機(jī)身材料和旋翼數(shù)量的不同，多旋翼植保無(wú)人機(jī)機(jī)身重量在15～40 kg(不含藥液)，可攜帶5～20 L左右的農(nóng)藥藥液進(jìn)行作業(yè)，通常的植保作業(yè)效率可達(dá)0.07～0.15 hm2·min-1，具有較高的作業(yè)效率。

3 植保無(wú)人機(jī)的工作原理

3.1 植保無(wú)人機(jī)的主要功能部件

植保無(wú)人機(jī)的主要功能部件包括飛行機(jī)構(gòu)、噴灑機(jī)構(gòu)、控制機(jī)構(gòu)、電源及輔助機(jī)構(gòu)等組成。飛行機(jī)構(gòu)包括了無(wú)刷電機(jī)、槳葉兩大主要元件；噴灑機(jī)構(gòu)包括噴桿、噴頭、輸藥管路、噴藥泵、藥箱等；控制機(jī)構(gòu)包括GPS接收機(jī)、陀螺儀、速度及加速度傳感器、紅外測(cè)距、遙控接收裝置等。通過(guò)各個(gè)功能部件的配合，植保無(wú)人機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)在指定高度、指定速度、指定噴藥量的情況下來(lái)進(jìn)行高效且可靠的植保噴施作業(yè)。

3.2 飛行控制原理

無(wú)人機(jī)的飛行主要依靠槳葉旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的提升力來(lái)克服重力，使飛機(jī)飛離地面，無(wú)人機(jī)飛行的過(guò)程中需要執(zhí)行不同的動(dòng)作以滿足前后左右移動(dòng)、升降、調(diào)頭等功能要求。以結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的四旋翼無(wú)人機(jī)為例，其能夠?qū)崿F(xiàn)的飛行動(dòng)作共有6種，分別為垂直升降、前后移動(dòng)、左右移動(dòng)、俯仰、滾轉(zhuǎn)、偏航。

垂直升降主要是控制對(duì)角線方向的兩個(gè)電機(jī)反向旋轉(zhuǎn)，使槳葉旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的對(duì)機(jī)身的反扭矩形成平衡，當(dāng)各個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速同步提高時(shí)，無(wú)人機(jī)則垂直上升，當(dāng)各個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速同步降低時(shí)，無(wú)人機(jī)則垂直下降；前后移動(dòng)主要是針對(duì)前后兩個(gè)方向的槳葉轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)，當(dāng)后方槳葉轉(zhuǎn)速上升、前方槳葉轉(zhuǎn)速降低，左右兩側(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)速不變的情況下，無(wú)人機(jī)向前傾斜推進(jìn)，當(dāng)前方槳葉轉(zhuǎn)速上升、后方槳葉轉(zhuǎn)速降低，無(wú)人機(jī)則向后倒退；同理無(wú)人機(jī)的左右移動(dòng)只需要對(duì)左右兩個(gè)方向的槳葉進(jìn)行轉(zhuǎn)速調(diào)整，而前后方向電機(jī)轉(zhuǎn)速維持不變，既能實(shí)現(xiàn)左右移動(dòng)；俯仰運(yùn)動(dòng)是在瞬時(shí)增減前后方向的電機(jī)轉(zhuǎn)速，使無(wú)人機(jī)在原地實(shí)現(xiàn)俯仰動(dòng)作；滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)與俯仰運(yùn)動(dòng)類似，是瞬時(shí)增減左右方向的電機(jī)轉(zhuǎn)速，使無(wú)人機(jī)在原地實(shí)現(xiàn)左右方向翻滾動(dòng)作；偏航運(yùn)動(dòng)主要是借助旋翼產(chǎn)生的反扭矩來(lái)實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)四個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速相同時(shí)，由于對(duì)角線電機(jī)轉(zhuǎn)向相反，四個(gè)旋翼產(chǎn)生的反扭矩相互平衡，使植保無(wú)人機(jī)不發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)四個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速不完全相同時(shí)，反扭矩會(huì)產(chǎn)生不平衡現(xiàn)象，引起植保無(wú)人機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，則形成偏航運(yùn)動(dòng)。

3.3 精準(zhǔn)定位原理

植保無(wú)人機(jī)的定位技術(shù)主要有兩種形式，一種是僅利用植保無(wú)人機(jī)上的接收端進(jìn)行定位，通過(guò)接收端與多個(gè)衛(wèi)星(3個(gè)以上)之間的位置關(guān)系，來(lái)為無(wú)人機(jī)的空間位置賦予坐標(biāo)，這種衛(wèi)星定位的方式屬于傳統(tǒng)的定位技術(shù)，其精確度與車(chē)輛導(dǎo)航、手機(jī)定位等近似，只能達(dá)到米級(jí)的精準(zhǔn)度，對(duì)于無(wú)人機(jī)的精量定位和定點(diǎn)懸停功能的實(shí)現(xiàn)，難以提供足夠的技術(shù)保障；另一項(xiàng)應(yīng)用于植保無(wú)人機(jī)的定位技術(shù)是GPS差分技術(shù)，主要是在傳統(tǒng)的三維衛(wèi)星定位技術(shù)的基礎(chǔ)上，利用地面基站的位置信息進(jìn)行衛(wèi)星定位的精度校正，無(wú)人機(jī)所應(yīng)用的GPS差分技術(shù)以單基準(zhǔn)站差分、多基準(zhǔn)站的局部區(qū)域差分技術(shù)為主，能夠利用GPS接收機(jī)觀測(cè)4顆衛(wèi)星后便可對(duì)基站位置進(jìn)行三維定位，而基站的位置已經(jīng)固定且具有準(zhǔn)確坐標(biāo)，因此利用無(wú)人機(jī)附近的基站定位過(guò)程與無(wú)人機(jī)定位過(guò)程進(jìn)行對(duì)比，能夠消除二者之間的共同誤差，減少大氣、衛(wèi)星軌道等誤差影響，使定位精確度達(dá)到厘米級(jí)精度。

4 植保無(wú)人機(jī)應(yīng)用的優(yōu)缺點(diǎn)

4.1 植保無(wú)人機(jī)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

(1)藥物噴施質(zhì)量較高。植保無(wú)人機(jī)采用高霧化噴頭配合低噴施量的作業(yè)方案，配合預(yù)設(shè)的噴施速度和噴施高度，使農(nóng)藥的使用量在滿足植保需求的同時(shí)，盡可能的降低殘留問(wèn)題對(duì)人身健康的影響，同時(shí)，利用無(wú)人機(jī)槳葉產(chǎn)生的下旋風(fēng)作用，農(nóng)藥更容易到達(dá)作物根部，防治效果能得到進(jìn)一步提高。

(2)噴施效率明顯提高。植保無(wú)人機(jī)的作業(yè)不受地形條件的限制，同時(shí)無(wú)人機(jī)便于攜帶，通過(guò)私家車(chē)即可運(yùn)輸至田地，農(nóng)藥噴施速度顯著高于輪式機(jī)具。

(3)操作人員的安全性較好。植保無(wú)人機(jī)采用自動(dòng)化作業(yè)的模式，操作人員確定無(wú)人機(jī)工作范圍和起止點(diǎn)后，無(wú)人機(jī)即可自行工作，操作人員在遠(yuǎn)離田地的位置查看或調(diào)整無(wú)人機(jī)的工作狀態(tài)即可，避免了傳統(tǒng)作業(yè)人員接觸農(nóng)藥產(chǎn)生的危害。

(4)機(jī)具對(duì)田地的適應(yīng)性較好。植保無(wú)人機(jī)體積小巧，對(duì)于大面積田地和小塊田地的作業(yè)都能很好的適應(yīng)，且作業(yè)過(guò)程按照預(yù)設(shè)路線飛行，重噴漏噴問(wèn)題較少。

4.2 植保無(wú)人機(jī)技術(shù)的不足之處

盡管植保無(wú)人機(jī)的應(yīng)用具有諸多優(yōu)點(diǎn)，但在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中也存在一定的技術(shù)限制，一是植保無(wú)人機(jī)的使用對(duì)于操作技術(shù)的要求相對(duì)較高，農(nóng)民使用無(wú)人機(jī)進(jìn)行植保必須經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間的專業(yè)學(xué)習(xí)和訓(xùn)練才能實(shí)現(xiàn)；二是植保無(wú)人機(jī)采用飛行的模式，作業(yè)中需要攜帶較重的藥液，這影響了電池的續(xù)航時(shí)間，導(dǎo)致植保無(wú)人機(jī)連續(xù)作業(yè)僅能維持在10～15 min，現(xiàn)階段不得不采用更換電池的方式連續(xù)作業(yè)。此外，現(xiàn)階段我國(guó)很多農(nóng)村地區(qū)的GPS基站建設(shè)密度不足，導(dǎo)致GPS差分技術(shù)的實(shí)施精確度受到一定程度的影響，使植保機(jī)作業(yè)中常出現(xiàn)定位誤差、精確度不足問(wèn)題，影響噴施的質(zhì)量，因此，植保無(wú)人機(jī)技術(shù)要得到進(jìn)一步提升，還必須要不斷提升人員操作能力和電池續(xù)航能力，并在良好的基礎(chǔ)設(shè)施保障下實(shí)現(xiàn)高效率、高質(zhì)量的作業(yè)任務(wù)。

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