農(nóng)用植保無(wú)人機(jī)施藥技術(shù)研究進(jìn)展

葉新平

（泰興市濟(jì)川街道經(jīng)濟(jì)發(fā)展局，江蘇 泰興 225400）

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，無(wú)人機(jī)從一開(kāi)始的應(yīng)用于測(cè)繪攝像、偵查監(jiān)視及定位識(shí)別等領(lǐng)域逐步擴(kuò)展至農(nóng)業(yè)領(lǐng)域。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，對(duì)農(nóng)作物影響最大的因素之一就是病蟲(chóng)害，其會(huì)嚴(yán)重影響農(nóng)作物的產(chǎn)量和質(zhì)量。植保無(wú)人機(jī)在噴藥過(guò)程中具有對(duì)農(nóng)作物無(wú)損傷、作業(yè)強(qiáng)度低及作業(yè)效率高等特點(diǎn)，現(xiàn)已逐步取代傳統(tǒng)的人工噴藥作業(yè)方式，并廣泛應(yīng)用于綠色農(nóng)業(yè)植保領(lǐng)域?；诖?，筆者對(duì)農(nóng)用植保無(wú)人機(jī)的施藥技術(shù)和發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行分析，旨在促進(jìn)植保無(wú)人機(jī)各方面性能的提升。

1 農(nóng)用植保無(wú)人機(jī)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

1.1 定位精準(zhǔn)

無(wú)人機(jī)定位系統(tǒng)主要由用戶(hù)端、地面基站、驅(qū)動(dòng)控制器、速度傳感器、飛行控制器、通用無(wú)線(xiàn)分組業(yè)務(wù)（General Packet Radio Services，GPRS）網(wǎng)絡(luò)及定位終端導(dǎo)航衛(wèi)星等組成。飛行主控制器先對(duì)不同模塊信息進(jìn)行精準(zhǔn)采集，用戶(hù)端再對(duì)全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）等模塊定位數(shù)據(jù)進(jìn)行收集、處理后完成傳輸。此系統(tǒng)主要是通過(guò)控制不同模塊間的串口完成精準(zhǔn)定位，即控制相應(yīng)模塊讀取GPRS及GPS位置信息后，系統(tǒng)再按照位置信息執(zhí)行控制算法，同時(shí)輸出相應(yīng)的控制信號(hào)控制電機(jī)，以此保證植保無(wú)人機(jī)在作業(yè)方面的精準(zhǔn)性。

1.2 工作效率高

傳統(tǒng)農(nóng)藥噴施機(jī)械在作業(yè)形式、施藥量等方面都存在一定限制，這在一定程度上導(dǎo)致農(nóng)作物病蟲(chóng)害防治工作效率較低。農(nóng)用植保無(wú)人機(jī)屬于防止農(nóng)作物受災(zāi)的高科技、高效率設(shè)備。在實(shí)際作業(yè)環(huán)節(jié)，技術(shù)人員只需要在設(shè)備上設(shè)定相關(guān)參數(shù)，就能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)病蟲(chóng)害有效防治，并且通常情況下不需要耗費(fèi)過(guò)多的勞動(dòng)力，可在一定程度上幫助農(nóng)戶(hù)節(jié)省人力成本。此外，技術(shù)人員還可對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，只需要對(duì)其發(fā)送相關(guān)指令即可有效調(diào)節(jié)和控制無(wú)人機(jī)實(shí)際飛行狀態(tài)，精準(zhǔn)控制無(wú)人機(jī)的具體工作模式［1］。

1.3 適應(yīng)性好

無(wú)人機(jī)應(yīng)用范圍較廣，適應(yīng)性好，如在山地、沼澤等傳統(tǒng)農(nóng)機(jī)具無(wú)法進(jìn)入作業(yè)的地區(qū)，均可通過(guò)無(wú)人機(jī)開(kāi)展作業(yè)。植保無(wú)人機(jī)正式投入使用前，技術(shù)人員先根據(jù)農(nóng)田的實(shí)際情況對(duì)工作參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，無(wú)人機(jī)接收到相關(guān)指令后就能夠?qū)r(nóng)作物展開(kāi)自主防治作業(yè)。

2 農(nóng)用植保無(wú)人機(jī)精準(zhǔn)施藥技術(shù)研究進(jìn)展

2.1 航空靜電噴霧技術(shù)

航空靜電噴霧技術(shù)主要是指通過(guò)感應(yīng)式、電暈式及接觸式等充電形式促使霧滴攜電，基于高壓靜電影響下，帶電藥液可主動(dòng)附著在農(nóng)作物的正反面靶標(biāo)，實(shí)現(xiàn)吸附目的。靜電噴霧可充分發(fā)揮施藥量降低、飄移減少等優(yōu)勢(shì)，能夠高質(zhì)量解決植保無(wú)人機(jī)在施藥方面的技術(shù)問(wèn)題，確保施藥的精準(zhǔn)性。

現(xiàn)階段，我國(guó)尚缺乏詳細(xì)的無(wú)人機(jī)靜電噴霧技術(shù)的規(guī)范使用說(shuō)明，并且不同技術(shù)人員選擇的參數(shù)、旋翼數(shù)量及機(jī)型都有所不同，這在一定程度上導(dǎo)致研究成果缺乏可借鑒的意義。當(dāng)前，研究人員應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注無(wú)人機(jī)的延續(xù)性和基礎(chǔ)性試驗(yàn)研究，重點(diǎn)解決飛控協(xié)調(diào)性弱、播撒、靜電系統(tǒng)及載重等基礎(chǔ)性問(wèn)題，將霧滴帶電的單一技術(shù)向系統(tǒng)整體研究方向轉(zhuǎn)變。

2.2 農(nóng)藥變量噴霧技術(shù)

變量噴霧技術(shù)主要是先對(duì)農(nóng)作物具體情況進(jìn)行分析，然后有針對(duì)性地調(diào)整施藥方式和施藥量，以最少的噴施量獲得最佳的防治效果。該技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中通常涉及執(zhí)行指令感知、數(shù)據(jù)控制與處理、信息獲取等技術(shù)。目前，變量噴霧技術(shù)的應(yīng)用有兩種類(lèi)型，一種是基于處方圖，另一種是基于實(shí)時(shí)感知?；谔幏綀D的變量噴霧技術(shù)是按照農(nóng)田信息的分析結(jié)果調(diào)整作業(yè)模式，而基于實(shí)時(shí)感知的變量噴霧技術(shù)則是在作業(yè)期間實(shí)時(shí)獲取農(nóng)田信息，然后對(duì)信息進(jìn)行快速判斷并實(shí)施變量噴霧。相關(guān)研究顯示，變量噴霧與以往傳統(tǒng)的噴藥方式相比可節(jié)約60%的藥量［2］。

我國(guó)部分學(xué)者對(duì)航空變量噴霧技術(shù)進(jìn)行了探索性的深入研究。2014年，我國(guó)研究人員就利用PWM技術(shù)對(duì)無(wú)人機(jī)的農(nóng)藥載量進(jìn)行控制，然而此次變量噴霧技術(shù)研究缺乏與作業(yè)參數(shù)的有效結(jié)合；2017年后，技術(shù)人員開(kāi)始研究自動(dòng)匹配施藥流量和飛行速度的動(dòng)態(tài)施藥變量系統(tǒng)，然而缺乏對(duì)控制效果和算法的深入研究；2019年以來(lái)，有學(xué)者植保無(wú)人機(jī)對(duì)施藥的均勻性與飛行速度之間的關(guān)系進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)了PID自適應(yīng)變量噴霧技術(shù)系統(tǒng)；在最新研究中，技術(shù)人員還對(duì)基于處方圖的變量噴霧技術(shù)進(jìn)行了實(shí)時(shí)解譯，進(jìn)一步豐富了變量噴霧技術(shù)的理論依據(jù)［3］。現(xiàn)階段，我國(guó)在變量噴霧的精準(zhǔn)施藥領(lǐng)域還處于起步探索期，而提高植保無(wú)人機(jī)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的變量噴霧技術(shù)應(yīng)用效果，進(jìn)一步改善當(dāng)前植保作業(yè)的困境，是廣大農(nóng)業(yè)學(xué)者所面臨的挑戰(zhàn)。

2.3 霧滴飄移控制技術(shù)

霧滴飄移包括蒸發(fā)飄移和飛行飄移兩種，是施藥作業(yè)過(guò)程中農(nóng)藥隨著空氣向非目標(biāo)運(yùn)動(dòng)的一種現(xiàn)象。農(nóng)藥飄移會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的環(huán)境污染問(wèn)題，甚至還會(huì)對(duì)蜜蜂養(yǎng)殖、人體健康帶來(lái)不同程度的影響。因此，研究人員需要對(duì)霧滴沉積和飄移的影響因素進(jìn)行深入研究?，F(xiàn)階段，研究人員深入分析了助劑類(lèi)型和噴霧參數(shù)對(duì)農(nóng)藥沉積分布的影響。此外，研究人員還通過(guò)風(fēng)洞環(huán)境模擬無(wú)人機(jī)的噴霧作業(yè)，分析噴霧助劑、霧化噴頭對(duì)噴霧飄移的最終影響。對(duì)各種因素下產(chǎn)生的農(nóng)藥飄移、霧滴飄移的規(guī)律進(jìn)行深入研究，有助于加大環(huán)境保護(hù)力度和提高農(nóng)藥的整體利用率。一般情況下，農(nóng)藥?kù)F滴的沉降和滴落都會(huì)受到不同因素的制約和影響，所以其實(shí)際運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有不穩(wěn)定、不確定的特點(diǎn)。因此，要想實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)藥?kù)F滴實(shí)際運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的深入了解，還需要利用數(shù)學(xué)模型完成相關(guān)計(jì)算。對(duì)于沉降和運(yùn)輸?shù)难芯?，主要是利用?shí)驗(yàn)室的相關(guān)軟件對(duì)噴霧過(guò)程進(jìn)行有效模擬，然后利用計(jì)算機(jī)模擬無(wú)人機(jī)的航行路徑。在此過(guò)程中，研究人員能夠清晰識(shí)別氣流速度、霧滴的實(shí)際蒸發(fā)速度及沉降速度等。

2.4 液滴霧化技術(shù)

學(xué)者對(duì)植保無(wú)人機(jī)噴灑技術(shù)領(lǐng)域的研究主要集中于防止復(fù)噴和漏噴、霧滴沉降兩個(gè)方面。當(dāng)前應(yīng)用的液滴霧化形式主要有兩種，即離心型霧化和液化型霧化。其中，離心型霧化能夠在一定程度上減輕設(shè)備的實(shí)際重量，通過(guò)發(fā)電機(jī)對(duì)噴頭電機(jī)進(jìn)行供電，使農(nóng)藥液滴在離心力的作用形成霧滴。這是最常用的植保無(wú)人機(jī)霧化噴頭，能夠通過(guò)調(diào)節(jié)噴頭轉(zhuǎn)速改變霧滴大小。無(wú)人機(jī)在飛行期間會(huì)影響周?chē)臍饬?，這對(duì)農(nóng)藥?kù)F滴下降、噴灑范圍也會(huì)造成間接影響，甚至還會(huì)在一定程度上影響農(nóng)作物病蟲(chóng)害的整體防治效果?；诖?，為保障無(wú)人機(jī)的農(nóng)藥噴灑效果，研究人員需要深入研究霧滴的實(shí)際噴灑路徑。

3 農(nóng)用植保無(wú)人機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)分析

3.1 研發(fā)穩(wěn)定安全的移動(dòng)操作平臺(tái)

進(jìn)入智能化時(shí)代，植保無(wú)人機(jī)的智能化操控成為主要的研究方向。工作人員可利用移動(dòng)端App對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行操控，能夠?qū)ζ溥M(jìn)行虛擬搖桿、導(dǎo)航定位、航線(xiàn)規(guī)劃及上升懸停等操作，還能夠有效解決無(wú)人機(jī)障礙物感知和躲避等問(wèn)題?；诖?，積極研發(fā)更成熟、安全并且穩(wěn)定的移動(dòng)端操作平臺(tái)，能夠進(jìn)一步提高植保無(wú)人機(jī)的使用效率。

3.2 精準(zhǔn)施藥技術(shù)

減少環(huán)境污染、降低農(nóng)藥殘留并提高農(nóng)藥利用效率是當(dāng)前植保無(wú)人機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)，通過(guò)精準(zhǔn)施藥技術(shù)研究，可將無(wú)人機(jī)的優(yōu)勢(shì)進(jìn)行放大。而當(dāng)前研究人員需要面臨的難題就是如何通過(guò)變量噴霧方式提高噴藥技術(shù)的精準(zhǔn)性，并開(kāi)發(fā)出高效、智能的遙感系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。將無(wú)人機(jī)與遙感技術(shù)相結(jié)合，能夠以空間圖像的形式分析病蟲(chóng)害狀況、農(nóng)作物營(yíng)養(yǎng)和生長(zhǎng)狀況。我國(guó)在遙感器領(lǐng)域的研究已經(jīng)取得較大進(jìn)展，未來(lái)在農(nóng)用植保無(wú)人機(jī)施藥技術(shù)方面會(huì)有更大的應(yīng)用和發(fā)展空間。

3.3 提高航行時(shí)間和加大載藥量

植保無(wú)人機(jī)在使用過(guò)程中普遍存在承載量小、航行時(shí)間短等問(wèn)題。隨著土地流轉(zhuǎn)增加，市場(chǎng)對(duì)高航行時(shí)間、高運(yùn)載量的無(wú)人機(jī)需求量會(huì)越來(lái)越多。因此，對(duì)無(wú)人機(jī)飛行時(shí)長(zhǎng)和載藥量進(jìn)行有效改善，可全面提高無(wú)人機(jī)在農(nóng)作物災(zāi)害防治方面的作業(yè)效率。

4 農(nóng)用植保無(wú)人機(jī)發(fā)展建議

4.1 加大科研經(jīng)費(fèi)的投入力度

要想促進(jìn)農(nóng)用植保無(wú)人機(jī)的推廣應(yīng)用，政府相關(guān)部門(mén)及有關(guān)企業(yè)事業(yè)單位就需要加大科研經(jīng)費(fèi)的投入力度，對(duì)植保無(wú)人機(jī)載荷、續(xù)航、霧化沉降、噴施設(shè)備和原理、精準(zhǔn)施藥、飛控可靠性與穩(wěn)定性、自主避障等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究。政府相關(guān)部門(mén)應(yīng)加大對(duì)科研院校創(chuàng)新平臺(tái)的扶持力度，提高植保無(wú)人機(jī)的研究及推廣應(yīng)用效率［4］。

4.2 加強(qiáng)推廣、示范與應(yīng)用

鑒定機(jī)構(gòu)和生產(chǎn)企業(yè)需要嚴(yán)格按照有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)化植保無(wú)人機(jī)在鑒定和研究方面的試驗(yàn)。第一，推廣部門(mén)可積極組織種糧大戶(hù)、農(nóng)機(jī)合作社等對(duì)無(wú)人機(jī)的操控性、經(jīng)濟(jì)性、適應(yīng)性及穩(wěn)定可靠性進(jìn)行試驗(yàn)，明確植保無(wú)人機(jī)的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)所在，并將試驗(yàn)情況反饋給研發(fā)制造部門(mén)，使其以此為依據(jù)對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行針對(duì)性改進(jìn)［5］。第二，研究人員應(yīng)對(duì)無(wú)人機(jī)作業(yè)參數(shù)、作業(yè)環(huán)境及藥劑助劑等開(kāi)展試驗(yàn)，探索出最優(yōu)作業(yè)狀態(tài)，將最優(yōu)作業(yè)參數(shù)篩選出來(lái)，并以此為依據(jù)制訂相應(yīng)的作業(yè)規(guī)范。第三，生產(chǎn)企業(yè)、推廣部門(mén)和農(nóng)業(yè)主管部門(mén)可聯(lián)合組織開(kāi)展植保無(wú)人機(jī)作業(yè)示范和演示，開(kāi)展無(wú)人機(jī)維保、操控等相關(guān)技術(shù)培訓(xùn)，使農(nóng)民能夠?qū)π聶C(jī)具和新技術(shù)有更清晰的認(rèn)知。各地可通過(guò)上述方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)植保無(wú)人機(jī)的優(yōu)化、推廣和應(yīng)用。

4.3 調(diào)整、優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)

第一，各大高校、科研院所要按照市場(chǎng)實(shí)際需求，同企業(yè)共同研發(fā)具有更智能化、更大載荷、更低成本及更好適應(yīng)性等特點(diǎn)的無(wú)人機(jī)，聯(lián)合攻關(guān)無(wú)人機(jī)失控保護(hù)、精準(zhǔn)定位和自主避障等核心技術(shù)。第二，生產(chǎn)企業(yè)需要關(guān)注用戶(hù)的使用反饋信息和需求，協(xié)同各大高校及科研院所對(duì)技術(shù)進(jìn)行創(chuàng)新，旨在生產(chǎn)出性能更優(yōu)的無(wú)人機(jī)，并將科研成果向?qū)嶋H生產(chǎn)力進(jìn)行轉(zhuǎn)化。第三，租賃商和銷(xiāo)售商需要詳細(xì)分析無(wú)人機(jī)在市場(chǎng)中的威脅、機(jī)會(huì)、劣勢(shì)和優(yōu)勢(shì)所在，進(jìn)一步提升植保無(wú)人機(jī)在市場(chǎng)上的占有率，同時(shí)以市場(chǎng)和政策引導(dǎo)無(wú)人機(jī)的特性逐步轉(zhuǎn)變?yōu)閭€(gè)性化和差異化，不斷優(yōu)化市場(chǎng)結(jié)構(gòu)，最大限度防止市場(chǎng)出現(xiàn)無(wú)序惡性競(jìng)爭(zhēng)。第四，推廣部門(mén)需要與用戶(hù)、企業(yè)聯(lián)合做好植保無(wú)人機(jī)的應(yīng)用培訓(xùn)、推廣、示范和試驗(yàn)工作，進(jìn)一步提高作業(yè)效率。在此過(guò)程中，技術(shù)人員還需要將推廣和試驗(yàn)中所遇到的問(wèn)題及時(shí)向生產(chǎn)企業(yè)反饋。第五，用戶(hù)需要及時(shí)掌握新機(jī)具的使用和維保技術(shù)，并將使用過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題和不足向生產(chǎn)企業(yè)反饋。強(qiáng)化產(chǎn)業(yè)鏈上中下游之間的技術(shù)合作與信息交流，能夠在一定程度上提升各方的協(xié)同和創(chuàng)新能力，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，并充分聚集產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢(shì)資源，最大限度發(fā)揮出各方協(xié)同功效，最終實(shí)現(xiàn)從研發(fā)制造到推廣銷(xiāo)售、再到應(yīng)用售后的良性閉環(huán)產(chǎn)業(yè)體系的形成。

5 結(jié)語(yǔ)

農(nóng)用植保無(wú)人機(jī)是一種高科技農(nóng)業(yè)設(shè)備。在其推廣應(yīng)用過(guò)程中，一方面農(nóng)戶(hù)會(huì)遇到較多的操作問(wèn)題，另一方面由于無(wú)人機(jī)市場(chǎng)售價(jià)相對(duì)較高，大部分農(nóng)戶(hù)基本沒(méi)有能力購(gòu)置。因此，農(nóng)用植保無(wú)人機(jī)的推廣應(yīng)用會(huì)存在很多阻礙。但是，植保無(wú)人機(jī)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)領(lǐng)域是發(fā)展的必然趨勢(shì)，不可忽視其使用價(jià)值?；诖?，研究人員需要借助政府的力量進(jìn)行大力推廣，進(jìn)一步加快我國(guó)農(nóng)業(yè)的現(xiàn)代化生產(chǎn)進(jìn)程。