無人機播種的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

李江濤，李國亮，楊曉煉，陸奇?zhèn)?/p>

（1 湖州市農(nóng)業(yè)科學研究院，313000，浙江湖州；2 湖州信博植保服務有限公司，313001，浙江湖州）

在農(nóng)業(yè)全程機械化的大背景下，農(nóng)業(yè)機械會逐步代替人工勞動。水稻作為我國的主要糧食作物，其種植方式也隨著機械的加入逐漸變得省時省力。水稻的傳統(tǒng)種植方式勞動力投入大，人工成本高，隨著農(nóng)業(yè)機械化的普及，以利用水稻直播機為主的水稻直播方式也得到了推廣應用。水稻直播方式省去了育秧、移秧、插秧等工序，但是人工駕駛直播機成本高、效率低、農(nóng)藝性差，對地形要求高。因此，由飛機直播方式演變而來的無人機直播，既減少了人工成本，又能避免傳統(tǒng)機械直播的各種難題。農(nóng)用無人機與傳統(tǒng)農(nóng)機相比，能集合施藥、播種、撒肥等多種功能于一體，不僅省時省力省成本，而且操作也簡單。

目前我國水稻種植方式還是以機械化育插秧為主，移栽稻在抗倒伏、防蟲害、產(chǎn)量上具有更大的優(yōu)勢，但是無人機直播所帶來的節(jié)省時間、節(jié)約人工成本等優(yōu)勢是機械化育插秧無法相比的。隨著人們對無人機直播技術(shù)的改進，在產(chǎn)量上無人機直播幾乎與人工插秧沒有明顯差異。利用無人機直播可以精準、均勻地播種，保障水稻種植的產(chǎn)量，這是目前研究者們追求的目標。無人機在添加了人工智能系統(tǒng)以后，從播種、施肥、撒藥、田間病害檢測到信息搜集、日常監(jiān)測管理都可由一機完成，大大節(jié)約了人工和時間成本，同時提高了人員的安全性。本文就目前無人機直播的類型及無人機的發(fā)展進行探討總結(jié)，為無人機的改進提供思路，供讀者了解無人機直播的發(fā)展進程。

1 水稻無人機播種技術(shù)的發(fā)展

美國和日本首先將無人機用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。美國以大型農(nóng)場專業(yè)化生產(chǎn)方式為主，建立了以大型地面植保機械和有人駕駛航空器為主體的防治體系。目前美國農(nóng)用無人機主要應用在種子撒播、施藥和施肥等生產(chǎn)中。在無人機技術(shù)方面，目前美國的研究熱點主要集中在圖像實時處理系統(tǒng)、變量噴灑系統(tǒng)和多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)上。日本20 世紀初將無人機技術(shù)主要應用在水稻、蔬菜、果樹的病蟲害防治上，目前日本無人機防治的使用率超過45%。日本主要是山地與丘陵地形，耕地呈零星分布，因此日本的水稻種植主要使用輕便型機械。

2014 年以后，我國政府大力推進農(nóng)業(yè)機械化，加強農(nóng)業(yè)航空建設，國內(nèi)無人機行業(yè)便蓬勃發(fā)展。目前我國農(nóng)用無人機播種主要應用在飛播造林和飛播牧草作業(yè)上。珠海羽人推出了3WDM8-20 型多功能無人機，可以實現(xiàn)固體肥料、種子播撒和粉劑噴撒，且推出了全球第一臺5～10 行精量播種無人機。2019 年以后我國無人機直播技術(shù)的研究與應用有了明顯提升。

2 水稻無人機播種技術(shù)分類

水稻直播無人機按播種方式可以分為撒播型、條播型兩類。撒播型水稻直播無人機利用圓盤高速轉(zhuǎn)動將稻種撒播出去，種子在田間呈現(xiàn)無序、均勻分布。飛播前需要將種子催芽至“露白”才可播種，目前大部分無人機使用的是離心甩盤設計，喂入角的大小決定了喂入料的多少，開角越大，喂入顆粒量越多，缺點是無法精準控制單位面積播種量、撒播均勻度不夠以及容易對胚芽造成損傷。實際撒播作業(yè)中，有芒作物的種子經(jīng)常會出現(xiàn)鉤掛、粘連現(xiàn)象，或者顆粒肥板結(jié)成塊等。條播型水稻直播無人機采用一個或多個播種器利用風機將下落稻種排入定位管道并吹出，種子在田間有序成行、均勻分布。

2.1 撒播型水稻無人機主要問題及研究進展

為提高無人機播撒效率，彭冬星[1]設計了一款基于六旋翼的水平圓盤撒播機，在種箱出口處設置了L 型攪種棒用于均勻流速，并研究了水稻種子落種點位置、落種口大小及撒播圓盤的轉(zhuǎn)速對撒播效果的影響，在確定的落種點位置、落種開口大小為759.88 mm2、撒播圓盤轉(zhuǎn)速為1 077 r/min、攪種棒轉(zhuǎn)速為50 r/min、飛行高度為2 m、飛行速度為3 m/s、兩相鄰軌跡距離為3.6 m 的條件下，能夠滿足大田內(nèi)早稻直播的生產(chǎn)需求，工作效率達到0.065 hm2/min，較人工撒播效率有顯著增加。但此撒播機載質(zhì)量有限，后續(xù)研究可考慮增加無人機載質(zhì)量，以提高工作效率，并且可以增加路徑規(guī)劃分析功能。

針對種子在下落過程中，容易受旋翼風場的干擾，導致落種位置不可控、播種均勻性不佳等問題，鄧浩等[2]設計了一款以大疆T16 六旋翼無人機為基礎的甩盤水稻撒播裝置，對野香優(yōu)稻種進行了物理特性參數(shù)的測定，并且采用了EDEM-FLUENT 耦合仿真對水稻種子在無人機運動風場中的運動規(guī)律進行分析，采用單因素試驗和響應面試驗探究了擋環(huán)角度、甩盤葉片弧長和甩盤葉片數(shù)量對撒播均勻性的影響。在野香優(yōu)稻種的最大容量為12 kg 的條件下對樣機進行試驗，無人機直播的水稻成熟后產(chǎn)量測定為8 615.81 kg/hm2，與該品種平均產(chǎn)量8 706.45 kg/hm2基本持平。此試驗研究了播種時無人機運動風場對種子撒播的影響，但并未對側(cè)風場的影響進行分析。

針對種子直播到稻田表面，容易被鳥類蟲鼠取食，并且水稻扎根淺容易倒伏等問題，周龍[3]以雙螺旋式水稻直播機為模型，以秈稻F 優(yōu)498 為研究試材，研究無人機撒播的水稻植株的抗倒伏特性，試驗設置了育秧手插、機插、無人機撒播3 種方式，結(jié)果表明無人機撒播的水稻在莖稈主要物理特性上的顯著差異表現(xiàn)為基部第2、3 節(jié)間莖稈細，且植株較高，抗折力較小，倒伏指數(shù)較高，這是抗倒伏能力較差的主要原因。水稻倒伏的原因有很多，無人機撒播應在播種深度、撒播密度的控制上作進一步研究，從而為無人機撒播在丘陵地區(qū)的推廣打下理論基礎。

極飛農(nóng)業(yè)無人機在不斷更新后，智能化程度、作業(yè)效率更高，其更新了極飛RTK 厘米級精準定位、滾軸定量和高速氣流噴射技術(shù)。在設定好相關(guān)參數(shù)后，通過手機就能控制無人機進行全自主撒播作業(yè)，一架無人機作業(yè)效率可達5.3 hm2/h，一天作業(yè)8 h 可完成42.4 hm2田地的播種，是人工撒播效率的50～60 倍。極飛農(nóng)業(yè)無人機可以將種子精準、均勻地噴射進泥土淺表層，與人工和傳統(tǒng)直播機械相比，極飛農(nóng)業(yè)無人機撒播的種子扎根更深，出芽率更高(高達98%以上)，根系更發(fā)達，抗倒伏能力更強，水稻生長更均勻，利于透風采光，減少病蟲害的發(fā)生，水稻產(chǎn)量與質(zhì)量比傳統(tǒng)人工和機械播撒高。

2.2 條播型水稻無人機主要問題及研究進展

針對撒播落種雜亂無章，難以達到成行成穴的播種效果，作物在后期生長時通風透氣性較差，易滋生病蟲害，且不便于田間管理的問題，陳博[4]設計了一種用于無人機條播的機載吹射式種子精量直播裝置，作業(yè)時利用風機氣流將種子吹出，實現(xiàn)成行落種，播種作業(yè)均勻。這種方式對種子的加速能力有限，為減少旋翼風場的干擾以保證條播效果，作業(yè)時播種裝置的出種口需靠近地面(通常為0.5 m 以內(nèi))，存在較大的安全風險。

周志艷等[5]設計了一種農(nóng)用無人機條播裝置，該裝置工作時利用電磁鐵、彈簧和永磁體來構(gòu)成彈性勢能積累和釋放的循環(huán)系統(tǒng)，從而通過彈力將種子彈出，達到種子加速的效果。該裝置雖然能提高種子的下落初速度，但加速能力仍然有限，種子下落時仍易受旋翼風場等外部風力的干擾，且裝置的運作方式復雜，播種速度易受限制。

為了解決上述問題，一種點射式水稻播種裝置出現(xiàn)了，何偉灼[6]等發(fā)明了一款結(jié)合點射式水稻播種裝置和飛行控制器的播種控制系統(tǒng)，開發(fā)了配套的地面站航線規(guī)劃和斷點續(xù)航等功能。經(jīng)過播種量準確性、播種成行性和均勻性試驗，結(jié)果顯示：樣機在模擬飛行時，在1.5 m 的高度下作業(yè)，種子分布在12 cm 行寬度內(nèi)的平均概率超過80%，成行性較好，考慮安全因素，優(yōu)選樣機適宜的作業(yè)高度為1.5 m；在3 倍丸?；痉N的播種量設置為90～150 kg/hm2(裸種的播種量為22.5～37.5 kg/hm2)，作業(yè)速度設置為0.5～2.0 m/s 時，平均播種均勻性變異系數(shù)為20.51%～35.52%。播種控制系統(tǒng)具有較好的控制精度。試驗中摩擦輪電機轉(zhuǎn)速為經(jīng)驗值，未考慮影響種子入泥深度的因素，種子入泥深度與土壤軟硬度、摩擦輪電機轉(zhuǎn)速、風場干擾等因素相關(guān)，后續(xù)需結(jié)合農(nóng)藝和播種作業(yè)參數(shù)進一步開展試驗研究。

3 展望

無人機播種方法的崛起，為傳統(tǒng)種植業(yè)提供了新的思路，但無人機撒播模式下產(chǎn)量顯著低于機械穴直播。機械穴直播模式下水稻間距合適，促進了田間有效穗的形成，提高了產(chǎn)量。這種產(chǎn)量的差異也可能與種子選擇以及后期的水肥、蟲害、雜草管理相關(guān)。水稻無人機播種的方法還需要因地制宜進一步改進。對于無人機的改進方向筆者提出一些思路。

首先是加強無人機續(xù)航能力研發(fā)及管理系統(tǒng)優(yōu)化，提高單架次作業(yè)覆蓋面積。目前無人機主要使用油動系統(tǒng)和電動系統(tǒng)，油動系統(tǒng)巡航速度高、航時長，電動系統(tǒng)姿態(tài)控制精準、噪聲低。無論是油動還是電動無人機系統(tǒng)，提升續(xù)航能力的本質(zhì)在于材料設計、重量等方面的優(yōu)化改進。電動系統(tǒng)的無人機還可從電池本身優(yōu)化及電池管理系統(tǒng)優(yōu)化方面入手。

其次是增加無人機荷載能力。無人機的容量箱容積一般在5～30 L，需要提高單次作業(yè)時間和效率，當需要大面積作業(yè)時，還需實現(xiàn)中途加料和斷點續(xù)飛精準對接，避免重復播種或者漏播。

最后是提升無人機智能化。隨著科技的發(fā)展，人們對無人機智能化的要求越來越高，不僅要實現(xiàn)自主充電續(xù)航、自主添料，還需要實現(xiàn)自主規(guī)劃路徑，特別是在一些丘陵山區(qū)作業(yè)時，自主避障能力必不可少。

近年來，無人機播種技術(shù)在不斷地提升，發(fā)展農(nóng)用無人機需要社會各方面力量一起努力，尤其是需要政府大力支持，出臺相關(guān)政策，更加規(guī)范指導無人機的使用，加快農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的步伐。