國內(nèi)植保無人機(jī)農(nóng)業(yè)噴灑技術(shù)研究

李雪穎 ，王 波 *，張博源 ，張兆寬

（1.黃河交通學(xué)院，河南 焦作 454950；2.河南省智能制造技術(shù)與裝備工程技術(shù)研究中心，河南 焦作 454950）

隨著氣候和農(nóng)田生態(tài)條件的變化，農(nóng)業(yè)景觀中病蟲害的爆發(fā)越來越頻繁，增加了對作物生產(chǎn)的威脅。農(nóng)藥的使用是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的一個(gè)組成部分，有助于提高大多數(shù)農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)率和質(zhì)量。傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)中主要使用的噴霧器是手動(dòng)氣壓和電池驅(qū)動(dòng)的背包噴霧器。這些傳統(tǒng)的噴霧器會造成嚴(yán)重的農(nóng)藥損失和環(huán)境危害。為了減少對人類和環(huán)境的危害，以及解決勞動(dòng)力短缺問題，噴灑機(jī)械化勢在必行。有人駕駛和無人駕駛的農(nóng)業(yè)空中噴灑，往往作為最經(jīng)濟(jì)和最迅速的手段來進(jìn)行農(nóng)作物病蟲害防治[1]。

現(xiàn)階段中國國內(nèi)的種植系統(tǒng)規(guī)模普遍較小，地理上更復(fù)雜，而且地區(qū)間差異很大?；跓o人機(jī)的噴灑平臺擁有更靈活的適用場景和更低的噴灑成本，同時(shí)，無人機(jī)還可以高精度地執(zhí)行特定場地的農(nóng)場管理[2]。然而，基于無人機(jī)的噴灑技術(shù)還存在一些需要克服的問題，如霧滴漂移、農(nóng)藥效能等?，F(xiàn)代農(nóng)業(yè)建設(shè)的新形勢是使農(nóng)業(yè)實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效、生態(tài)、安全的目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)綠色消費(fèi)和可持續(xù)發(fā)展，建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型農(nóng)業(yè)[3]。本文對基于無人機(jī)的植保噴灑技術(shù)的研究現(xiàn)狀和進(jìn)展進(jìn)行了綜述，重點(diǎn)討論了大數(shù)據(jù)分析在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)噴灑技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用。以期為國內(nèi)無人機(jī)植保研究提供參考，促進(jìn)國內(nèi)植保無人機(jī)產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展。

1 無人機(jī)噴灑系統(tǒng)的發(fā)展歷程及特點(diǎn)

1.1 無人機(jī)噴灑系統(tǒng)的發(fā)展歷程

1985年，雅馬哈首先推出農(nóng)藥噴灑領(lǐng)域的農(nóng)業(yè)無人機(jī)Model Rmax，其多款無人直升機(jī)被世界上許多國家作為研究平臺。然而伴隨著其技術(shù)封鎖，多旋翼無人機(jī)逐步嶄露頭角，現(xiàn)已取代直升機(jī)，成為農(nóng)業(yè)應(yīng)用中最廣泛使用的無人機(jī)平臺。近年來，我國研發(fā)并實(shí)施了用于作物保護(hù)的無人機(jī)。伴隨農(nóng)業(yè)智能化和精準(zhǔn)化的進(jìn)行，無人機(jī)噴灑系統(tǒng)的尺寸和復(fù)雜性都在增加，許多先進(jìn)的技術(shù)，如全球定位系統(tǒng)（GPS）導(dǎo)航、自動(dòng)路徑規(guī)劃、自動(dòng)噴灑系統(tǒng)、大數(shù)據(jù)分析，高精度定位和避障技術(shù)等已被用于多旋翼無人機(jī)，運(yùn)行穩(wěn)定性、效率、準(zhǔn)確性和操作方便性得到大大提升[4-5]。

1.2 植保無人機(jī)的類型及特點(diǎn)

現(xiàn)階段無人機(jī)形狀和大小根據(jù)其提升能力和具體配置發(fā)展出多種門類，包括固定翼和單、多旋翼無人機(jī)。其動(dòng)力系統(tǒng)可以是電力或燃料動(dòng)力的。電動(dòng)無人機(jī)的飛行持續(xù)時(shí)間為10～45 min，而燃料動(dòng)力系統(tǒng)可以運(yùn)行1～4 h。目前使用的大多數(shù)多旋翼無人機(jī)都是電動(dòng)的，該型無人機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，維護(hù)方便，飛行穩(wěn)定性和噴霧效率優(yōu)異。因此，它已成為基于無人機(jī)的植保應(yīng)用的熱門選擇。

1.3 植保無人機(jī)噴灑農(nóng)藥時(shí)的霧化特性

當(dāng)使用無人機(jī)在低空噴灑低量農(nóng)藥時(shí)，旋翼的旋轉(zhuǎn)和空氣的相互作用為機(jī)體提供了必要的升力，并產(chǎn)生向下的氣流，有助于幫助噴霧水滴進(jìn)入作物冠層，增強(qiáng)藥物沉積，減少漂移，改善農(nóng)藥分布。相比與傳統(tǒng)噴淋，無人機(jī)噴灑的上層和下層均有較高的藥物沉降，且霧滴在農(nóng)作物冠層上的覆蓋率和分布均勻性最好[6]。

2 基于植保無人機(jī)的噴灑技術(shù)研究進(jìn)展

2.1 基于植保無人機(jī)的遙感監(jiān)測

隨著大數(shù)據(jù)、圖像處理和深度學(xué)習(xí)技術(shù)的進(jìn)步，通過數(shù)碼相機(jī)或高光譜傳感器獲取的無人機(jī)圖像，可以促進(jìn)基于無人機(jī)的遙感技術(shù)在處方變速作業(yè)中害蟲檢測和識別的應(yīng)用。首先，植保無人機(jī)可以利用各種各樣的相機(jī)和傳感器從空中獲取作物狀況的圖像，其可執(zhí)行具有高時(shí)間和高空間分辨率的遙感和農(nóng)藥噴灑任務(wù)。其次，無人機(jī)通常比有人駕駛的農(nóng)業(yè)飛機(jī)更高效、更靈活，其可在低空和低速情況下捕捉高質(zhì)量的圖像。隨著各種小型、輕型、高精度遙感傳感器設(shè)備的發(fā)展，基于無人機(jī)的遙感技術(shù)已大大擴(kuò)大了監(jiān)測作物的應(yīng)用范圍，為精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)收集更多有價(jià)值的數(shù)據(jù)信息[7]。

2.2 植保無人機(jī)變速噴灑技術(shù)

為了減少農(nóng)藥的浪費(fèi)，應(yīng)根據(jù)病蟲害和雜草的嚴(yán)重程度精準(zhǔn)施用農(nóng)藥，因此變速噴灑技術(shù)近年來發(fā)展迅速。變速噴灑技術(shù)是精確空中噴霧的關(guān)鍵技術(shù)之一，其由GPS和變速流量控制系統(tǒng)組成。采用可變噴霧系統(tǒng)的無人機(jī)具有控制精度高、響應(yīng)速度快的特點(diǎn)?，F(xiàn)階段國內(nèi)多位學(xué)者開發(fā)了地面測控單元，通過無線數(shù)據(jù)傳輸模塊對噴灑系統(tǒng)的壓力和流量進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，實(shí)現(xiàn)了植保無人機(jī)的變速噴灑調(diào)節(jié)。同時(shí)其不斷通過算法優(yōu)化和系統(tǒng)創(chuàng)新，結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型，不斷完善著無人機(jī)植保變速噴灑技術(shù)[8]。

2.3 植保無人機(jī)噴灑系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)

植保無人機(jī)的運(yùn)行參數(shù)對噴霧漂移和沉積效果有很大影響。許多研究者致力于探索影響噴霧沉積和下風(fēng)運(yùn)動(dòng)的因素，以優(yōu)化不同無人機(jī)和作物類型組合的操作參數(shù)。

2.4 植保無人機(jī)噴灑農(nóng)藥漂移模型

農(nóng)藥的安全、高效的使用要求對農(nóng)藥的漂移和沉積進(jìn)行管理。漂移因其對許多因素的敏感性，包括大氣條件和應(yīng)用設(shè)備，使其難以現(xiàn)場測試所有可能的氣象應(yīng)用場景。建模為評估噴灑作業(yè)的潛在風(fēng)險(xiǎn)和可能的緩解方案的潛在有效性提供了一個(gè)一致的框架[9]。許多研究人員試圖通過模擬噴霧漂流來預(yù)測釋放的噴霧的順風(fēng)行為，并評估其潛在的環(huán)境影響。空氣噴霧模型有兩種研究方法:經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃蜋C(jī)理模型。經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ筒唤忉屓魏挝锢砘A(chǔ)，一般只適用于與它們所針對的情況非常相似的情況。

3 國內(nèi)植保無人機(jī)農(nóng)業(yè)噴灑技術(shù)的未來發(fā)展

3.1 植保無人機(jī)運(yùn)行時(shí)的下洗氣流場研究

使用無人機(jī)在低空飛行時(shí)噴灑低量農(nóng)藥不同于傳統(tǒng)的有人操縱空中噴灑。無人機(jī)產(chǎn)生的下洗氣流直接決定了噴霧液滴在空間中的運(yùn)動(dòng)。它是影響液滴在農(nóng)作物上沉積的主要因素，也是液滴偏離農(nóng)作物的主要原因。目前該領(lǐng)域的研究大多集中在氣流分布特性及其對噴霧性能的影響方面，但在現(xiàn)場試驗(yàn)條件下對氣流模型、系統(tǒng)機(jī)理、噴霧參數(shù)相關(guān)性、準(zhǔn)確的測量方法等方面研究不夠深入透徹[10]。目前的氣流模型是針對特定類型的無人機(jī)開發(fā)的，因此需要針對無人機(jī)建立通用的、可靠的氣流模型，完成檢驗(yàn)和驗(yàn)證后，還需要對不同的作物在不同的條件下進(jìn)行具體的實(shí)踐測試和分析。

3.2 大數(shù)據(jù)分析與植保無人機(jī)技術(shù)的結(jié)合運(yùn)用

近年來，基于無人機(jī)的遙感技術(shù)發(fā)展迅速，已成為植物保護(hù)場地管理的有效工具。其有利于擴(kuò)大監(jiān)測作物的應(yīng)用范圍，以便在大氣、環(huán)境和太陽光照良好的情況下提供高分辨率數(shù)據(jù)。如何實(shí)現(xiàn)對數(shù)百至數(shù)千幅小范圍圖像的自動(dòng)化分析，是基于無人機(jī)的植物保護(hù)遙感技術(shù)應(yīng)用面臨的一個(gè)挑戰(zhàn)。人工智能（AI）和無人機(jī)的集成被認(rèn)為是智能農(nóng)業(yè)發(fā)展最有前途的解決方案之一，二者的結(jié)合可以提高技術(shù)的便捷性，方便處理復(fù)雜的海量大數(shù)據(jù)，并快速地提供高精度和高質(zhì)量的解決方案?，F(xiàn)階段，深度學(xué)習(xí)算法在基于無人機(jī)的遙感系統(tǒng)中已得到廣泛的應(yīng)用，此外，物聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)可以帶來有價(jià)值的、有經(jīng)濟(jì)效益的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)應(yīng)用。為了助力鄉(xiāng)村振興和實(shí)現(xiàn)共同富裕，信息通信技術(shù)、機(jī)器人、人工智能、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等高新技術(shù)與無人機(jī)的結(jié)合需要投入更多的系統(tǒng)研究[11]。

3.3 植保無人機(jī)的變速噴灑技術(shù)研究

變速噴藥技術(shù)可按需噴藥，在提高農(nóng)藥利用率、減少農(nóng)藥殘留、降低環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)方面具有較大潛力。可變流量技術(shù)包括壓力控制、可變流量噴嘴和脈寬控制技術(shù)（PWM）。現(xiàn)階段，設(shè)計(jì)出能夠產(chǎn)生最佳霧滴尺寸譜的噴嘴，以減緩偏離目標(biāo)漂移，并提供最大的應(yīng)用效能，是開發(fā)智能噴灑器重要的一環(huán)。同時(shí)，變速噴灑技術(shù)還應(yīng)利用控制技術(shù)來降低設(shè)備成本和提高設(shè)備性能，不斷開發(fā)算法，建立影響因素與噴霧量的關(guān)系模型，使變速噴灑技術(shù)更加穩(wěn)定和低成本化。

3.4 植保無人機(jī)的噴灑減漂技術(shù)研究

一些研究已經(jīng)證明了各種作物的噴灑沉積模式，但現(xiàn)階段取得的相關(guān)技術(shù)仍不具備普適性，其仍缺乏詳細(xì)的信息來幫助應(yīng)用程序配置特定的無人機(jī)。隨著越來越多的農(nóng)田使用無人機(jī)進(jìn)行管理，農(nóng)藥漂移影響鄰近作物和其他敏感地區(qū)的機(jī)會也會增加。植保無人機(jī)噴灑沉積和漂移的相互作用仍待進(jìn)一步研究。

同時(shí)，無人機(jī)噴灑農(nóng)藥漂移模型為評估噴灑作業(yè)的潛在風(fēng)險(xiǎn)和可能的緩解辦法的潛在有效性提供了一個(gè)連貫的框架[12]。隨著測試中使用的設(shè)備和其他噴灑技術(shù)的更新，需要投入更多的研究來不斷創(chuàng)新技術(shù)，并精準(zhǔn)化創(chuàng)新和應(yīng)用技術(shù)。

3.5 群無人機(jī)協(xié)同技術(shù)在植保無人機(jī)領(lǐng)域的推廣

單架植保無人機(jī)的特點(diǎn)是飛行續(xù)航能力有限，單位時(shí)間內(nèi)作業(yè)面積較小，不能在大面積作物中完成所有任務(wù)。此時(shí)，群無人機(jī)協(xié)同技術(shù)就顯現(xiàn)出提高植保無人機(jī)利用率和效率的潛力。國內(nèi)多場高質(zhì)量的無人機(jī)燈光秀展示了群無人機(jī)協(xié)同技術(shù)的良好協(xié)調(diào)性和控制性。這項(xiàng)技術(shù)可很好地應(yīng)用于農(nóng)業(yè)管理。使用多架植保無人機(jī)對農(nóng)田進(jìn)行噴灑農(nóng)藥處理將增加每天的地面噴灑量，其所需的自動(dòng)化控制系統(tǒng)以及飛行操作規(guī)范都已較為成熟，但由于國內(nèi)監(jiān)管規(guī)定，其在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的推廣受到了一些阻礙。群無人機(jī)協(xié)同技術(shù)可以使農(nóng)業(yè)管理更加智能化和便捷化，減少人為因素的干擾，提高作業(yè)的穩(wěn)定性和安全性。

4 結(jié)束語

雖然植保無人機(jī)是世界各地農(nóng)民和施藥者用于農(nóng)業(yè)管理新增加的使用工具，但其已在農(nóng)作物保護(hù)優(yōu)化和農(nóng)藥噴灑領(lǐng)域取得不菲成績。農(nóng)藥冠層滲透、霧滴沉積與覆蓋、噴霧漂移控制是評價(jià)植保無人機(jī)產(chǎn)品效果的重點(diǎn)。我們需要對影響植保無人機(jī)噴灑質(zhì)量和農(nóng)藥功效的多個(gè)變量進(jìn)行全面了解，并大力促進(jìn)大數(shù)據(jù)分析與植保無人機(jī)技術(shù)的結(jié)合運(yùn)用，才能保證植保無人機(jī)飛行和噴灑的順利進(jìn)行。助力精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)和智慧農(nóng)業(yè)，實(shí)現(xiàn)鄉(xiāng)村振興。