植保無人機施藥關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展趨勢

楊昌日 張朝艷

（欽州市欽北區(qū)農(nóng)業(yè)機械化服務(wù)中心，廣西 欽州 535000）

病蟲害是造成糧食減產(chǎn)的重要因素之一［1］。我國糧食種植面積大，種植類型較多，病蟲害問題常有發(fā)生。盡管當(dāng)前科技水平顯著提升，病蟲害防治手段逐漸升級，但依舊有陸續(xù)暴發(fā)性的病蟲害問題，對我國糧食安全造成了重大威脅。而將植保無人機施藥應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，有助于提高病蟲害防治效率和水平，進而提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率和效益。由此可見，對植保無人機施藥關(guān)鍵技術(shù)展開分析至關(guān)重要。

1 植保無人機簡述

目前，無人機已成為我國植保工作中應(yīng)用廣泛的一種重要機械設(shè)備。無人機本身具備的地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System，GIS）和全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS），可對病蟲害防治作業(yè)進行精準(zhǔn)定位，同時不會受到過多地理條件的限制，具有靈活性強、省水省藥等優(yōu)勢，即成本較低、效率較高。在當(dāng)前我國農(nóng)村地區(qū)人口老齡化嚴(yán)重，年輕人口外出務(wù)工的現(xiàn)實形勢下，在植保工作中應(yīng)用無人機進行作業(yè)具有重要意義。

2 植保無人機施藥關(guān)鍵技術(shù)

2.1 變量施藥技術(shù)

與傳統(tǒng)的施藥方法相比，變量施藥能根據(jù)病蟲害實際發(fā)生情況和作物疏密信息等信息按需施藥，能預(yù)防過度使用農(nóng)藥的問題，并能降低施藥成本投入、提高整體防治效率。目前，變量施藥系統(tǒng)大多基于脈寬調(diào)制技術(shù)，通過改變占空比來控制隔膜泵轉(zhuǎn)速，從而調(diào)節(jié)噴施量。該技術(shù)的實用性較強。有學(xué)者基于脈寬調(diào)制技術(shù)設(shè)計了變量噴施測控系統(tǒng)，可通過軟件遠程實現(xiàn)對無人機施藥狀態(tài)、施藥參數(shù)的調(diào)整［2］。有學(xué)者通過應(yīng)用地面站，發(fā)揮多傳感融合功能，對施藥參數(shù)與情況進行跟蹤，確保無人機在飛行流量與速度上滿足要求，降低霧滴沉積量，節(jié)約成本，提高效率。此外，有學(xué)者采用圖像處理技術(shù)對非作物區(qū)進行識別，獲得作物處方圖，再控制噴頭實施精準(zhǔn)施藥。

2.2 避障技術(shù)

我國農(nóng)田環(huán)境較為復(fù)雜，增加了無人機施藥的實施難度，影響了施藥的安全性，所以要提升無人機的自主避障能力。鑒于不同障礙物形態(tài)不同、分布不同，應(yīng)用避障技術(shù)時需注意其自主識別功能。例如，基于激光位移傳感器技術(shù)，為植保無人機提出一種新的避障檢測方法?；诩す馕灰苽鞲衅鞯谋苷舷到y(tǒng)能有效地檢測出未知環(huán)境下障礙物的角度和距離，能對植保作業(yè)環(huán)境中典型障礙物做出較為準(zhǔn)確的類型判別，并實現(xiàn)飛行過程中的動態(tài)避障。具有自動避障功能的旋翼無人機系統(tǒng)，通過激光雷達獲得障礙物的初步位置數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理模塊對障礙物數(shù)據(jù)進行濾除和數(shù)據(jù)識別后，將障礙物位置信息發(fā)送給飛行控制器，飛行控制器根據(jù)避障算法控制無人機自動繞開障礙物。該系統(tǒng)具有控制精度高、安全性能高、穩(wěn)定可靠等特點，具有一定的應(yīng)用價值。

2.3 減漂技術(shù)

影響霧滴漂移的因素較多，如噴施技術(shù)、氣象條件等，應(yīng)通過研發(fā)減漂噴頭、應(yīng)用飛防助劑、設(shè)置漂移緩沖區(qū)等方式減少影響因素的干擾。噴頭通過控制霧滴粒徑大小來減小漂移，改變噴頭類型、尺寸、壓力，開發(fā)空氣誘導(dǎo)型噴頭，可降低漂移量。目前應(yīng)用較多的減漂噴頭主要采用射流技術(shù)，在噴頭內(nèi)部混合藥液、空氣后，在霧化作用下形成液滴；或者對噴頭內(nèi)腔直徑、V 形槽角和相對切深進行優(yōu)化，設(shè)計出控制漂移的噴頭，調(diào)整無人機航線，確保能將霧滴使用在靶標(biāo)區(qū)。另外，可通過調(diào)整農(nóng)藥添加劑的配方來改變農(nóng)藥理化特性，降低漂移帶來的風(fēng)險。施藥區(qū)周邊設(shè)置漂移緩沖區(qū)可以保護水渠不受污染，如通過風(fēng)洞試驗來估算漂移緩沖區(qū)的設(shè)置距離。

查閱文獻發(fā)現(xiàn)，有學(xué)者在研究漂移機理和霧滴沉降的基礎(chǔ)上，建立漂移模型，如Teske等建立AGDISP 模型，用戶可以輸入噴頭、藥液、飛機類型、天氣因素等信息，調(diào)用內(nèi)部數(shù)據(jù)庫的相關(guān)數(shù)據(jù)，對可能產(chǎn)生的漂移進行預(yù)測?；蛘呓㈧F滴漂移能量模型，根據(jù)霧滴運動速度和霧滴粒徑有效預(yù)測霧滴漂移潛力，當(dāng)相鄰兩噴頭噴霧扇面適當(dāng)重疊時可以增加霧滴粒徑，從而增加霧滴動能，減小漂移。

2.4 霧滴檢測技術(shù)

結(jié)合霧滴沉積的特性，可準(zhǔn)確判斷無人機噴灑質(zhì)量。當(dāng)前應(yīng)用較多的方法是霧滴密度判斷法和50%有效沉積量判斷法，應(yīng)根據(jù)植保無人機噴施霧滴粒徑的范圍選擇合適的方法。其中，霧滴密度判斷法在發(fā)生霧滴重疊時會產(chǎn)生誤差，因此，考慮霧滴沉積分布特點和工作效率需求，建議采用50%有效沉積判定法確定有效噴幅。有學(xué)者提倡應(yīng)用紅外熱成像技術(shù)，獲得該區(qū)域噴灑后特定環(huán)境下的熱差數(shù)據(jù)，進而掌握霧滴分布濃度、范圍等參數(shù)［3］。相比于水敏紙法，這種方法較為快捷，且全程無接觸。另外，基于激光雷達反射原理測量霧滴分布的新方法，與人工測量值相比，測量結(jié)果相對誤差較小，而且具有掃描周期短、精度高等優(yōu)點。

3 植保無人機發(fā)展趨勢

3.1 配置安全穩(wěn)定的移動操作平臺

隨著智能化時代的到來，植保無人機具備更多智能化功能，將其與移動端智能化操作相結(jié)合，必然是植保無人機應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展趨勢。人們可以通過下載手機APP對無人機進行直接操作，如上升懸停、航線的規(guī)劃以及使用GPS 進行導(dǎo)航等，這實際是對植保無人機避障技術(shù)的完善，可提高其可操作性，并能有效解決植保無人機原有的無法精確感知問題［4］。

3.2 提高載量與航行時長

當(dāng)前人們所應(yīng)用的植保無人機普遍存在承載質(zhì)量小、航行時長短等問題，不能很好地適應(yīng)逐漸增加的土地流轉(zhuǎn)及農(nóng)田施藥工作需求，隨著土地集中化程度的提高，高運載量與高航行植保無人機成為人們的需求目標(biāo)。所以，未來提高植保無人機載藥量和增加飛行時長至關(guān)重要，以進一步提高植保無人機的使用功能和效率，助力農(nóng)業(yè)發(fā)展［5］。

4 結(jié)語

當(dāng)前越來越多的國際組織和國家已正視農(nóng)藥對農(nóng)業(yè)帶來的雙刃劍作用，紛紛大力提倡減少農(nóng)藥濫用、推廣病蟲害綜合防治措施。我國更要將長期以來過于關(guān)注農(nóng)產(chǎn)品轉(zhuǎn)移到了解農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)，協(xié)調(diào)好環(huán)境與農(nóng)田施藥之間的關(guān)系。另外，我國農(nóng)作物種類多、種植區(qū)域碎片化以及天氣環(huán)境條件差異明顯，因此，需因地制宜地發(fā)展和應(yīng)用植保無人機施藥技術(shù)，以進一步推動我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展。