農(nóng)用無人機(jī)的應(yīng)用與改進(jìn)

魏 禮，吳愛茹，褚春年

（陜西省西安市農(nóng)機(jī)監(jiān)理與推廣總站，西安 710065)

在農(nóng)業(yè)機(jī)械化轉(zhuǎn)型升級(jí)發(fā)展趨勢下，農(nóng)用無人機(jī)的應(yīng)用范圍規(guī)?？焖贁U(kuò)大。與傳統(tǒng)機(jī)械化植保方式相比，農(nóng)用無人機(jī)更能達(dá)到高效化、自動(dòng)化、省力化等精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)機(jī)械發(fā)展目標(biāo)，化學(xué)藥劑和顆粒肥基本均勻噴灑。目前，農(nóng)用無人機(jī)多用于病蟲害防治中，其他功能相對較少。秋淋多雨天氣，機(jī)械進(jìn)地困難，農(nóng)用無人機(jī)應(yīng)用于小麥播種作業(yè)發(fā)揮了重要作用。

一、農(nóng)用無人機(jī)技術(shù)現(xiàn)狀

1、農(nóng)用無人機(jī)應(yīng)用優(yōu)勢

農(nóng)用無人機(jī)可承載農(nóng)藥化學(xué)制劑，均勻噴灑，與人工操作相比成本大大降低?，F(xiàn)階段，農(nóng)用無人機(jī)的使用規(guī)模范圍快速擴(kuò)大，其機(jī)械結(jié)構(gòu)性能也全面得到了優(yōu)化[1]。與傳統(tǒng)植保方式相比，應(yīng)用無人機(jī)作業(yè)可提升工作效率，節(jié)約資源。農(nóng)用無人機(jī)具有自動(dòng)操控和無人駕駛的特性，能夠?qū)崿F(xiàn)精準(zhǔn)噴灑和全面覆蓋，損耗比例達(dá)到最低[2]。

2、農(nóng)用無人機(jī)的目前發(fā)展現(xiàn)狀

20 世紀(jì)40年代以后，美國針對農(nóng)業(yè)機(jī)械化領(lǐng)域開始首次嘗試運(yùn)用旋翼式與固定式兩種飛機(jī)進(jìn)行噴灑化學(xué)殺蟲藥劑的操作。與國外現(xiàn)有的成熟技術(shù)相比，國內(nèi)現(xiàn)有農(nóng)用無人機(jī)操作控制實(shí)施方案正在逐步轉(zhuǎn)變與優(yōu)化。有人駕駛操控的農(nóng)用飛機(jī)無法嚴(yán)格確保噴灑藥物的最佳精準(zhǔn)度；無人機(jī)噴藥模式下，藥液易隨氣流產(chǎn)生移動(dòng)，很難保證藥液完全融入到指定區(qū)域的土壤中[3]。

近年來，無人機(jī)開始逐步用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐領(lǐng)域[4]。農(nóng)用無人機(jī)具有運(yùn)行靈活與快捷的優(yōu)勢，符合了節(jié)省人力、精準(zhǔn)施藥的機(jī)械化高質(zhì)量發(fā)展目標(biāo)。種植大戶和無人農(nóng)場，全面推廣適用無人機(jī)自動(dòng)化噴藥控制作業(yè)模式勢在必行。

二、農(nóng)用無人機(jī)技術(shù)應(yīng)用要點(diǎn)

1、無人機(jī)的組成結(jié)構(gòu)體系

目前，多數(shù)種類型號(hào)的農(nóng)用無人機(jī)至少需要機(jī)載平臺(tái)、飛機(jī)平臺(tái)、遙控操作感知和作業(yè)系統(tǒng)等關(guān)鍵性機(jī)械系統(tǒng)基本組成部分[5]。不帶有駕駛室的直升機(jī)載體可以被設(shè)計(jì)為單旋翼的飛行載體，機(jī)載系統(tǒng)可以達(dá)到自動(dòng)感知飛行方位高度、飛行速度以及飛行空間位置參數(shù)的目標(biāo)。技術(shù)人員合理設(shè)置作業(yè)參數(shù)指標(biāo)，確保達(dá)到自動(dòng)化與智能化的飛行控制調(diào)節(jié)效果。無人機(jī)搭載的自動(dòng)化遙控操作系統(tǒng)平臺(tái)模塊設(shè)有機(jī)載裝置與地面控制裝置，有益于實(shí)時(shí)控制監(jiān)測現(xiàn)有的作業(yè)流程[6]。

2、無人機(jī)作業(yè)流程步驟

首先是設(shè)計(jì)航線以及確定無人機(jī)的起飛點(diǎn)，對于總體性的飛行計(jì)劃進(jìn)行科學(xué)確定。然后是加載操作飛行計(jì)劃，確保無人機(jī)起飛達(dá)到特定的高度要求標(biāo)準(zhǔn)，對其實(shí)施自動(dòng)化懸停處理。無人機(jī)準(zhǔn)確進(jìn)入預(yù)設(shè)飛行航線后，全面展開噴灑藥劑操作。最后，準(zhǔn)確返回預(yù)設(shè)起飛點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了程自動(dòng)飛行噴藥控制操作[7]。

3、無人機(jī)的作業(yè)參數(shù)設(shè)置

只有設(shè)定合理科學(xué)的機(jī)械運(yùn)行參數(shù)，才能有效降低農(nóng)用無人機(jī)系統(tǒng)操控實(shí)施成本。科學(xué)設(shè)計(jì)無人機(jī)裝置系統(tǒng)的各項(xiàng)作業(yè)參數(shù)，重點(diǎn)包含了單位用藥總量、噴灑藥物高度、飛行速度與噴頭流量等。一般，應(yīng)確保限定在每分鐘1 L 左右的機(jī)械噴頭流量，并對現(xiàn)有的機(jī)械噴頭流量參數(shù)進(jìn)行必要優(yōu)化調(diào)整。無人機(jī)最佳藥物噴灑高度在3 m 左右，最高不超出6 m。

4、無人機(jī)的實(shí)踐成本效益

無人機(jī)的機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)行成本效益有多個(gè)影響要素，多數(shù)情況下，系統(tǒng)運(yùn)行綜合效率指標(biāo)決定于機(jī)械預(yù)設(shè)參數(shù)以及機(jī)械自動(dòng)操作控制的準(zhǔn)確度等。自然氣候條件以及作物種類規(guī)模等因素也會(huì)顯著影響機(jī)械運(yùn)行效率。惡劣氣候條件下，無人機(jī)操作運(yùn)行速度將會(huì)受到嚴(yán)重不利影響，無法確保作業(yè)效果。

三、農(nóng)用無人機(jī)的技術(shù)研發(fā)改進(jìn)措施

1、合理控制無人機(jī)的飛行速度與高度

飛行速度與飛行高度參數(shù)都是非常關(guān)鍵的無人機(jī)自動(dòng)控制參數(shù)指標(biāo)，沒有得到科學(xué)優(yōu)化，將會(huì)造成農(nóng)用無人機(jī)運(yùn)行使用存在明顯偏差[8]，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)造成藥液損耗，無法確保精準(zhǔn)施藥，造成資源浪費(fèi)和環(huán)境污染。農(nóng)用無人機(jī)如果懸停在相對較高的飛行高度，則藥液降落時(shí)的偏移與蒸發(fā)比率會(huì)明顯增加；飛行高度參數(shù)設(shè)定過低，植物表面會(huì)聚集過多藥液。

2、準(zhǔn)確設(shè)計(jì)施用農(nóng)藥的總量與規(guī)格

化學(xué)藥劑的種類、用量、風(fēng)向等氣候因素都會(huì)顯著影響無人機(jī)的藥物噴灑效果。技術(shù)人員應(yīng)科學(xué)界定各種類型藥物的規(guī)格數(shù)量指標(biāo)，防止過度施藥產(chǎn)生不利后果。需因地制宜，合理優(yōu)化現(xiàn)有農(nóng)用無人機(jī)噴藥參數(shù)指標(biāo)，提升無人機(jī)的噴藥效率。

3、確保噴藥分布均勻以及液體粒徑體積適當(dāng)

農(nóng)藥噴灑過程中的浪費(fèi)損耗總量直接取決于噴藥分布的均勻性，應(yīng)合理設(shè)計(jì)現(xiàn)有的噴藥分布均勻度參數(shù)。全面考慮當(dāng)?shù)仫L(fēng)向因素、藥液品種因素以及作物需求吸收等因素，確保藥液比例與噴灑降落中的粒徑體積大小適當(dāng)，嚴(yán)格控制與限定藥液分布濃度。

4、優(yōu)化設(shè)計(jì)飛行路徑

農(nóng)用無人機(jī)的預(yù)設(shè)飛行路徑直接關(guān)系著運(yùn)行軌跡，應(yīng)在特定的藥物噴灑幅度范圍內(nèi)，簡化飛行路徑，有助于無人機(jī)在指定噴藥時(shí)間中達(dá)到更快的噴藥操作速度。目前現(xiàn)有的遙感平臺(tái)輔助技術(shù)方法有助于實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)化的無人機(jī)飛行路徑軌跡設(shè)計(jì)，通過運(yùn)用自主導(dǎo)航法、遙感檢測法與北斗定位法，發(fā)送實(shí)時(shí)性的自動(dòng)操控指令數(shù)據(jù)。

四、結(jié)語

農(nóng)用無人機(jī)在農(nóng)業(yè)機(jī)械化生產(chǎn)中占據(jù)重要地位，應(yīng)用關(guān)鍵是準(zhǔn)確設(shè)定無人機(jī)的操作流程、機(jī)械運(yùn)行參數(shù)、體系結(jié)構(gòu)組成等，包含合理控制無人機(jī)的飛行速度與高度、準(zhǔn)確設(shè)計(jì)施用農(nóng)藥的總量與規(guī)格、確保噴藥分布均勻以及液體粒徑體積適宜，進(jìn)而達(dá)到組合、高效、智能的農(nóng)業(yè)機(jī)械化發(fā)展目標(biāo)。