農(nóng)業(yè)植保工作中無人機技術(shù)的應(yīng)用

陸英姿

（上海市松江區(qū)農(nóng)機管理所，上海市 201613）

0 引言

農(nóng)用無人機是一種可攜帶多種任務(wù)設(shè)備、可控、有動力、能執(zhí)行多種農(nóng)業(yè)作業(yè)任務(wù)且可重復(fù)使用的無人駕駛飛行器[1]。自2015年起，無人飛機開始在松江區(qū)植保、施肥等方面發(fā)展應(yīng)用。7年來，無人飛機的擁有量和服務(wù)面積在穩(wěn)步提升。近日，據(jù)不完全統(tǒng)計，至2021年底全區(qū)擁有及在用的無人飛機已達(dá)33架，其中本區(qū)家庭農(nóng)場、集體單位、企業(yè)服務(wù)隊配置的共27架、外來飛機在本區(qū)開展社會化服務(wù)的6架，全區(qū)已累計開展飛防作業(yè)約2萬hm2次，依據(jù)飛防面積排序，主要集中在新浜、葉榭、石湖蕩、小昆山、泖港、新橋等鎮(zhèn)，在植保作業(yè)領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。

1 植保無人機的機型配置概況及飛防作業(yè)應(yīng)用情況

1.1 機型配置

松江區(qū)使用的無人飛機都是電動多旋翼機型，前期所用的藥箱容量分10 L、16 L、20 L三種，近兩年藥箱容量逐步向30 L、40 L發(fā)展，品牌主要有深圳大疆、廣州極飛。性能上基本都能實現(xiàn)手動遙控、自動飛行、斷點續(xù)航、避障繞行、厘米級定位、高精度噴頭等，部分新機型配置有攝像頭，可以在夜間進行全天候作業(yè)等，衛(wèi)星定位系統(tǒng)多數(shù)采用北斗導(dǎo)航技術(shù)。無人飛機單價在6～10萬元，價格中一般含4～6組電池、1名飛手免費培訓(xùn)等。

1.2 應(yīng)用情況

1.2.1 作業(yè)用途。本區(qū)主要的應(yīng)用是病蟲害防治、除草劑濕封及干封噴灑、葉面肥噴施3種，其中以病蟲害防治為主。

1.2.2 具體操作。新田塊需要在田的四角（不規(guī)則田塊則多角）采集定位信息，保存后可以一直沿用，規(guī)劃飛行作業(yè)路徑。藥劑兌水調(diào)配，如是粉劑需要過濾，且需隨用隨配，防止沉淀堵塞噴頭。作業(yè)時飛行高度2～3 m，噴幅4～6 m，一組電池使用15～20 min，飛防用藥量約1 L/667m2。作業(yè)中藥劑或電池用完，返回添加或更換后，可自動飛到之前暫停噴藥的地方，繼續(xù)作業(yè)。

1.2.3 作業(yè)效率。熟練飛手平均作業(yè)效率能達(dá)到3.33～4 hm2/h，作業(yè)時間為避開中午高溫時間同時減少藥劑蒸發(fā)，一般安排在清晨天亮至上午10：00，以及下午3：00至天黑，單機手平均工作效率為20 hm2/天。

1.2.4 使用藥劑情況。使用藥劑以家庭農(nóng)場提供為主，即由區(qū)農(nóng)技中心配方、浦江農(nóng)資配送的藥劑，且多數(shù)為綠色防控藥劑，也有部分是飛防植保隊提供的。在使用粉劑進行作業(yè)時仍需隨用隨配，過濾裝載，防止藥粉澄清沉淀造成堵塞。

1.2.5 獲得成效。本區(qū)水稻生長期內(nèi)病蟲害飛防4～6次，部分家庭農(nóng)場還有除草劑濕封及干封噴灑、葉面肥噴施等飛防作業(yè)3～5次。近兩年的飛防效果總體良好，其中本區(qū)水稻病蟲害防控體系完善、病蟲害發(fā)生不嚴(yán)重等因素，也提高了飛防的整體應(yīng)用效果。

2 植保無人機在飛防作業(yè)中的應(yīng)用優(yōu)勢分析

2.1 節(jié)藥節(jié)水環(huán)保

無人機噴灑技術(shù)采用噴霧方式，可以節(jié)約50%的農(nóng)藥使用量、90%的用水量，很大程度上降低了資源成本。同時，植保作業(yè)快速，對大氣、土壤和農(nóng)作物危害較少，且利用北斗導(dǎo)航技術(shù)精準(zhǔn)作業(yè)、均勻施藥，更符合環(huán)保要求[2]。

2.2 作業(yè)高效安全

無人機植保的作業(yè)效率相比擔(dān)架式植保機提高近10倍，相比自走式植保機提高超2倍。且植保飛防實現(xiàn)了人和藥的分離，通過地面遙控操作，噴灑作業(yè)人員遠(yuǎn)距離操作，避免了暴露于農(nóng)藥下的身體傷害。

2.3 科學(xué)防治方式

無人機采用超低量噴霧噴灑方式，飛機旋翼產(chǎn)生的向下氣流有助于增加藥劑對農(nóng)作物的穿透性，使用飛防助劑可以減少藥劑揮發(fā)、增加藥劑附著等作用，顯著提升防治效果。對于人工難以進入的植保場景，如果樹等高稈作物，飛防作業(yè)更能發(fā)揮高空作業(yè)的優(yōu)勢。

2.4 能夠夜間作業(yè)

在夏季高溫時節(jié)，中午溫度高，藥劑易蒸發(fā)，人員易中暑，植保作業(yè)的最佳時間主要靠早晨或傍晚。而無人機則可以依托規(guī)劃好的作業(yè)路線，在夜間也可以自動飛行作業(yè)，大大降低藥劑蒸發(fā)和人員中暑等情況發(fā)生，實現(xiàn)全天候飛防[3]。

3 植保無人機存在不足

植保無人機技術(shù)作為一把“雙刃劍”，隨著相應(yīng)配套設(shè)備的發(fā)展，雖然在農(nóng)作物的病蟲害防治中獲得了很大成效，也起到了節(jié)水、節(jié)約勞動力的作用，但依然存在一些不足之處。

3.1 無人機產(chǎn)品質(zhì)量參差

一方面是指部分植保無人機并無產(chǎn)品標(biāo)牌、標(biāo)識，制作上并不精良，飛行技術(shù)參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)有一定隨意性，和實際的使用上有較大出入。另一方面是飛行作業(yè)時姿態(tài)不穩(wěn)、作業(yè)精度不足，噴灑裝置的不合理也會導(dǎo)致液泵不能吸上藥、噴霧斷斷續(xù)續(xù)，發(fā)生嚴(yán)重的漏噴和重噴現(xiàn)象。

3.2 重噴或漏噴仍會發(fā)生

雖然現(xiàn)在植保無人機都能使用自動模式規(guī)劃飛行，但實際上對于一些不規(guī)則的地塊，或田內(nèi)田邊有障礙物的，如電線桿、樹木等，還是需要手工作業(yè)，這時重復(fù)噴灑和漏噴現(xiàn)象比較嚴(yán)重，就算是自動噴灑，也不能完全避免。不過隨著定位的準(zhǔn)確性提高，這個問題慢慢會解決。

3.3 藥劑選擇問題

一方面，是目前在植保無人機相應(yīng)藥劑的選擇上并無確切標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，有較大的安全風(fēng)險；植保無人機的低空、低容量噴霧施藥方法，導(dǎo)致藥物施用濃度較高，相較于地面常規(guī)噴霧有更高的安全風(fēng)險。所以，植保無人機的作業(yè)使用藥劑一定要選擇低毒、微毒的農(nóng)藥，并兼具考量環(huán)境毒性，選擇對環(huán)境生物安全的藥劑。

另一方面，農(nóng)藥劑型上的選擇不當(dāng)，也會造成堵塞噴頭、藥劑結(jié)塊或者是其他問題，影響到防治效果。如粉劑有時會在藥箱內(nèi)產(chǎn)生沉淀，最終導(dǎo)致噴頭堵塞，從而影響植保效果，降低作業(yè)效率。如植保無人機作業(yè)時，農(nóng)戶有將幾種農(nóng)藥制劑混合使用的習(xí)慣，認(rèn)為這樣可以達(dá)到“一噴多防”的作用就目前實際而言，用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上的農(nóng)藥制劑大多是針對地面植保機械采取的常規(guī)噴霧方式而研制的，其稀釋倍數(shù)大都在幾百倍甚至幾千倍，這樣的濃度稀釋體系下，幾種農(nóng)藥制劑的混合使用可保證藥液效果的穩(wěn)定性。但是用藥植保無人機在作業(yè)時，卻會導(dǎo)致幾種藥液的混合使用發(fā)生分層、結(jié)塊等問題[4]。

3.4 嚴(yán)重的農(nóng)藥霧滴漂移問題

植保無人機噴霧施藥屬于一種低容量噴霧技術(shù)，和常規(guī)的地面噴霧技術(shù)相比，霧滴要更細(xì)，加之植保無人機開展噴霧作業(yè)時其噴頭距離作物的冠層較遠(yuǎn)，不免有更大的霧滴漂移風(fēng)險。

4 植保無人機技術(shù)的發(fā)展研究

植保無人機以其智能、高效且仿效好等優(yōu)勢獲得了更多的關(guān)注，在未來的發(fā)展上，應(yīng)進一步加大財政資金支持、加強技術(shù)研發(fā)，旨在解決當(dāng)前植保無人機尚存的不足問題，并為其發(fā)展提供科技支持，促進智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展。

4.1 擇優(yōu)選擇機型品牌

比較極飛P30 2019便準(zhǔn)版（16L）4翼和XP2020標(biāo)準(zhǔn)版（20L）4翼兩個型號，前者優(yōu)點：噴頭噴灑質(zhì)量比較高；霧化比較均勻，不會漏噴；可通過手機APP操作，輕便簡單。缺點：維修成本高；田塊間需要人工搬運；續(xù)航能力低（只有10 min）。

后者的優(yōu)點：蠕動泵低壓噴頭，靠離心霧化噴頭霧化藥劑，適用更多類型藥劑；定位精度高，航線規(guī)劃APP生成，無漏噴、重噴現(xiàn)象；手機APP操作，界面化滑動設(shè)定飛行參數(shù)等，全自主飛行，操作易學(xué)簡便；IP67級全機身防水以及緊湊堅固的機身結(jié)構(gòu)，在同樣故障條件下非正常降落造成的配件損失會更少。缺點：配件的價格與兩三年前有明顯的下降，同比其它品牌的價格，槳葉噴頭等易損部件配件價格不高；新款的手持單握，已經(jīng)可以控制飛機升降、上下、左右、轉(zhuǎn)向等任何動作。另外，可以設(shè)定指定降落點，免去搬運操作；續(xù)航能力和撒肥系統(tǒng)的載重能力有待提升。綜上，選擇XP2020 標(biāo)準(zhǔn)版（20L）4翼為宜。

4.2 變量施藥

實現(xiàn)變量施藥是未來植保無人機技術(shù)發(fā)展的主要趨勢，可以彌補傳統(tǒng)施藥技術(shù)的不足之處，實現(xiàn)變量施藥能夠根據(jù)病蟲害發(fā)生程度、農(nóng)作物疏密信息等按需給藥，既解決了農(nóng)藥過度使用的問題，還能減少成本投入，提高應(yīng)用效率。變量施藥系統(tǒng)可以借由脈寬調(diào)制技術(shù)來更改占空比，通過對隔膜泵轉(zhuǎn)速的控制相應(yīng)調(diào)節(jié)噴施量。基于脈寬調(diào)制技術(shù)設(shè)計變量噴施測控系統(tǒng)，經(jīng)軟件的遠(yuǎn)程功能可完成無人機的施藥、施藥參數(shù)調(diào)整等作業(yè)。基于圖像處理技術(shù)的變量噴施技術(shù)，能夠有效識別非作物區(qū)，并得到作物處方圖，之后控制噴頭進行精準(zhǔn)施藥[5]。

4.3 避障技術(shù)

無人機工作時由于農(nóng)田四周環(huán)境復(fù)雜，或有建筑物、電網(wǎng)和通信等設(shè)施，不僅會造成重噴或漏噴的現(xiàn)象，而且也威脅到安全植保作業(yè)，關(guān)于避障技術(shù)是目前研究的焦點話題。由于障礙物在形狀、特征上有著較大差異，分布上也存在著隨機化特點，因此關(guān)于植保無人機避障技術(shù)的研究難點在于對障礙物的自主識別。出于對植保無人機避障技術(shù)適用性與主要避障傳感器的考量和分析，認(rèn)為：實時性主動避障技術(shù)、構(gòu)建輔助避障系統(tǒng)、訂制避障規(guī)程標(biāo)準(zhǔn)和各種避障技術(shù)的組合應(yīng)用等是該領(lǐng)域未來主要的研究方向[6]。

基于激光位移傳感器的避障技術(shù)，其關(guān)鍵技術(shù)包括：飛前的自檢、數(shù)據(jù)自動采集、有效數(shù)據(jù)塊地提取、障礙物基本參數(shù)的計算和障礙物模式識別等[7]。通過室外飛行測試正式該技術(shù)能夠檢測到未知環(huán)境下的障礙物角度與距離，較準(zhǔn)確地判斷植保作業(yè)環(huán)境中存在的典型障礙物，能夠在飛行過程當(dāng)中實現(xiàn)動態(tài)避障，基本可以確定該技術(shù)應(yīng)用的有效性與可行性。

4.4 專用藥劑的研發(fā)

植保無人機作為一種農(nóng)藥噴灑工具，必須要配備專用的藥劑才能實現(xiàn)高效的植保作業(yè)，有效防控農(nóng)作物病蟲草害。目前我國植保無人機低容量噴霧所用農(nóng)藥皆是地面常規(guī)噴霧研制生產(chǎn)的，并不完全適用于植保無人機的噴施技術(shù)要求。日本、韓國等已經(jīng)針對植保無人機低容量噴霧的這一特點進行了適合專用藥劑的研制，我國也應(yīng)積極借鑒國外已經(jīng)成熟的經(jīng)驗，逐步建立并完善植保無人機施藥專用藥劑與制劑的選擇標(biāo)準(zhǔn)、評價方法，以低毒、微毒用藥作為基本原則，并兼之考量環(huán)境毒性，例如水稻田或是近水源農(nóng)田要注意藥劑對水生生物可能會帶來的毒性作用，綜而研制分散程度高、耐蒸發(fā)以及配伍性好的農(nóng)藥制劑或噴霧助劑，針對粉劑因沉淀會造成噴頭堵塞的問題進行研發(fā)，提高農(nóng)藥應(yīng)用效率[8]。

4.5 多機協(xié)同技術(shù)

多機協(xié)同的無人機作業(yè)是指以單架無人機作為基礎(chǔ)，構(gòu)成包含著多機的智能網(wǎng)絡(luò)，在網(wǎng)絡(luò)中的每架飛機都要以植保任務(wù)為中心、進行整體的協(xié)調(diào)，從而覆蓋住一個大的區(qū)域，并在協(xié)作進程中完成信息的交互?；诨ヂ?lián)網(wǎng)技術(shù)與大數(shù)據(jù)技術(shù)的支持和進步，多機協(xié)同作業(yè)勢必會在很大程度上減少勞動力的投入，進一步提高精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的航空作業(yè)效率。

5 結(jié)語

植保無人機在農(nóng)業(yè)工作中由于噴灑效果好、效率高、操作安全以及實用性強等優(yōu)點已經(jīng)得到了迅速發(fā)展，植保無人機的靈活性也符合我國農(nóng)作物種植面積碎塊化的基本國情。所以，為了進一步促進無人機技術(shù)的應(yīng)用，應(yīng)通過總結(jié)應(yīng)用不足，持續(xù)研究其關(guān)鍵技術(shù)與配套設(shè)備，助力現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)與智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展。