中國植保無人機及其施藥關(guān)鍵技術(shù)的研究現(xiàn)狀與趨勢

陳盛德，廖玲君，徐小杰，陳威任，黎志宏，周志艷，蘭玉彬

[華南農(nóng)業(yè)大學電子工程學院(人工智能學院)/國家精準農(nóng)業(yè)航空施藥技術(shù)國際聯(lián)合研究中心/工程學院/嶺南現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科學與技術(shù)廣東省實驗室，廣州 510642]

我國地域遼闊，地理及氣象條件多樣，農(nóng)業(yè)病蟲草害具有多發(fā)、重發(fā)、頻發(fā)的特點，嚴重威脅我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和國家糧食安全，而且隨著全球氣候變暖和農(nóng)田生態(tài)條件變化，農(nóng)作物病蟲害呈逐年加重趨勢，病蟲害發(fā)生次數(shù)更加頻繁，發(fā)病范圍逐年擴大[1-2]。據(jù)全國農(nóng)技推廣網(wǎng)分析評估，預(yù)計我國小麥、水稻、玉米、馬鈴薯等主要糧食作物重大病蟲害呈重發(fā)態(tài)勢，全國發(fā)生面積約1.35億hm2，比2022年和2017-2021年均值分別增加29.5%和10.6%，如不采取有效防控措施，潛在產(chǎn)量損失將達17.5 億t 以上[3]。而據(jù)農(nóng)業(yè)部門統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示：我國手動植保機具約35個品種，擔負著全國農(nóng)作物病、蟲、草害防治面積的70%以上[4]，防治任務(wù)十分艱巨。因此，突發(fā)性農(nóng)業(yè)重大病蟲害已經(jīng)成為我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)的重大威脅，加之近年來因農(nóng)村勞動力大量轉(zhuǎn)移造成勞動力嚴重不足的問題，亟需建立更加高效的新型現(xiàn)代化植保體系[5-6]。

而近年來，我國農(nóng)業(yè)航空產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，特別是農(nóng)業(yè)航空的重要組成之一的植保無人機的迅猛發(fā)展和應(yīng)用引起了人們的廣泛關(guān)注[7]。植保無人機航空施藥作業(yè)作為我國的新型植保作業(yè)方式，和傳統(tǒng)的人工施藥和地面機械施藥方法相比，具有效率高、農(nóng)藥利用率高的特點，可有效解決高稈作物、水田和丘陵山地人工和地面機械作業(yè)難等問題，是應(yīng)對大面積突發(fā)性病蟲害防治、緩解由于城鎮(zhèn)化發(fā)展帶來的農(nóng)村勞動力不足、減少農(nóng)藥對操作人員的傷害等問題的有效方式[8-10]。且植保無人飛機采用低空低量噴施方式，飄移少，可空中懸停，與RTK 高精度定位系統(tǒng)配合可實現(xiàn)精度較高的位置定位，旋翼產(chǎn)生的向下氣流有助于增加霧流對作物的穿透性，提高防治效果[11-12]。因此，植保無人機已成為國內(nèi)農(nóng)業(yè)航空一支重要的植保力量。

植保無人機作為一項創(chuàng)新技術(shù)，經(jīng)過幾年的快速發(fā)展，已經(jīng)對人們的社會生活和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)生了深遠影響。目前，我國城市化進程快速發(fā)展，越來越多的勞動力走向城市，集約化農(nóng)業(yè)將是我國農(nóng)業(yè)發(fā)展的必由之路[13]，研究人員、農(nóng)業(yè)工作者正在利用這一先進的工具來推進現(xiàn)代農(nóng)業(yè)和精準農(nóng)業(yè)的發(fā)展，航空作業(yè)技術(shù)的優(yōu)勢在農(nóng)業(yè)中的作用將會得到更加廣闊的發(fā)展，市場潛力巨大。在巨大的市場需求驅(qū)動下，近年來我國農(nóng)用植保無人機生產(chǎn)企業(yè)急劇增加，植保無人機及其施藥作業(yè)關(guān)鍵技術(shù)得以快速發(fā)展。為全面、深入地了解中國植保無人機及其施藥作業(yè)關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及未來趨勢，本研究對我國植保無人機的發(fā)展進行了概述，并對植保無人機作業(yè)關(guān)鍵技術(shù)的研究現(xiàn)狀進行了闡述和分析，指出了植保無人機施藥作業(yè)關(guān)鍵技術(shù)的未來發(fā)展趨勢，以期為科研機構(gòu)和企業(yè)的科學研究提供參考，促進和推動我國植保無人機施藥技術(shù)的快速發(fā)展和應(yīng)用。

1 我國植保無人機的發(fā)展

早在2004年，我國農(nóng)業(yè)農(nóng)村部（原農(nóng)業(yè)部）、科技部就認識到水稻病蟲害防治任務(wù)的艱巨性，尤其在南方地區(qū)田塊比較分散，大規(guī)模的有人駕駛飛機噴灑農(nóng)藥的方式存在不適合、防治難度大等問題，開始呼吁并推動我國農(nóng)業(yè)行業(yè)重視農(nóng)用無人機植保。2008年，科技部“863”計劃便開始了農(nóng)用無人機植保的研究和推廣，由農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機械化研究所、中國農(nóng)業(yè)機械化研究院、中國農(nóng)業(yè)大學、南京林業(yè)大學、總參謀部第六十研究所等單位共同承擔的科技部國家“863”計劃項目“水田超低空低量施藥技術(shù)研究與裝備創(chuàng)制”正式啟動實施，這一項目的實施，標志著國內(nèi)科研機構(gòu)正式開始探索植保無人機航空施藥技術(shù)與裝備研發(fā)。2010年第一架商用的植保無人機交付市場，正式掀開了中國植保無人機產(chǎn)業(yè)化的序幕[14-15]。

近年來，相比有人駕駛飛機航空施藥，無人機航空植保施藥技術(shù)的研究和應(yīng)用發(fā)展迅速，農(nóng)用無人機航空噴灑系統(tǒng)、低空低量噴灑技術(shù)、RTK 精準導航、動態(tài)變量噴灑、視覺環(huán)境感知等技術(shù)在中國均取得突破性進展，并被應(yīng)用于各種農(nóng)作物的航空施藥作業(yè)中。為加快推進植保無人機航空施藥應(yīng)用技術(shù)的研究與推廣，華南農(nóng)業(yè)大學、農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機械化研究所、中國農(nóng)業(yè)大學等全國各科研院校及深圳大疆、安陽全豐、廣州極飛和深圳高科新農(nóng)等各無人機企業(yè)單位積極在全國各地針對不同作物開展試驗演示和技術(shù)推廣。從2016 年國家設(shè)立了國家重點研發(fā)計劃項目“地面與航空高工效施藥技術(shù)及智能化裝備”開始，華南農(nóng)業(yè)大學精準農(nóng)業(yè)航空團隊先后在云南、湖南、新疆、河南等多地開展針對果樹、水稻、棉花、小麥等多種作物的無人機航空施藥技術(shù)應(yīng)用試驗研究60 余次，對植保無人機航空施藥技術(shù)的發(fā)展起到了極大的促進和帶動作用。另外，為促進我國航空植保產(chǎn)業(yè)快速、健康、有序發(fā)展，2016年5月，河南安陽全豐航空科技有限公司和華南農(nóng)業(yè)大學共同發(fā)起并組織40多家農(nóng)用無人機企業(yè)成立了國家航空植?？萍紕?chuàng)新聯(lián)盟，這是正式開啟中國植保無人機航空施藥技術(shù)應(yīng)用發(fā)展的里程碑；2016年8月，陜西省2萬hm2玉米黏蟲病害大爆發(fā)，聯(lián)盟組織多家聯(lián)盟成員并迅速調(diào)動100余架植保無人機開展緊急防治救災(zāi)工作，此次救災(zāi)是國內(nèi)植保無人機航空施藥作業(yè)的首次協(xié)同作戰(zhàn)，標志著我國應(yīng)用植保無人機進行大規(guī)模病蟲害防治進入新的篇章[16]。在2016-2021 年間，聯(lián)盟先后組織多家成員單位分別在河南、新疆、黑龍江、吉林、廣西等地開展多次針對小麥、水稻、棉花及馬鈴薯等主要農(nóng)作物的測試作業(yè)，以加強科研院校與企業(yè)之間的產(chǎn)學研合作，推進植保無人機航空施藥技術(shù)的應(yīng)用和推廣(圖1)。在國家政策扶持方面，2015年農(nóng)業(yè)農(nóng)村部安排在湖南與河南2個省開始首次試點農(nóng)機補貼資金補貼植保無人機，這標志著植保無人機兼具農(nóng)業(yè)機械功能與無人駕駛航空器特征的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用領(lǐng)域的新型產(chǎn)品，開始納入農(nóng)業(yè)機械產(chǎn)品系列的植保機械應(yīng)用管理；2021 年4 月，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部辦公廳、財政部辦公廳發(fā)布《2021-2023年農(nóng)機購置補貼實施指導意見》，正式將植保無人機納入補貼制度，自此植保無人機在全國作為農(nóng)機補貼產(chǎn)品或農(nóng)機新產(chǎn)品，步入了推廣銷售與作業(yè)應(yīng)用快速發(fā)展的軌道[14]。據(jù)統(tǒng)計，截至2021年底，我國植保無人機保有量已超過16萬架，累積作業(yè)面積超過9 300萬hm2。

相比有人駕駛農(nóng)用飛機，植保無人機作業(yè)機型類型則較多，包括油動單旋翼、油動多旋翼、電動單旋翼、電動多旋翼等多種類型。國內(nèi)用于植保作業(yè)的農(nóng)用無人機產(chǎn)品型號及品牌眾多：按升力部件類型來分，主要有單旋翼無人機和多旋翼無人機等類型；按動力部件類型來分，主要有電動農(nóng)用無人機和油動農(nóng)用無人機等類型[17]。但由于單旋翼無人機結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，價格較高，難以維護，且其操控難度較多旋翼無人機機型大，對用戶的操作水平要求較高，因此，目前市場上常見的植保無人機應(yīng)用機型主要是多旋翼電動無人機。當前，多旋翼植保無人機藥箱載荷量多為20 L，部分機型載荷量可達30 L；且多旋翼植保無人機主要以電池為動力，較油動無人機載荷少，但其智能化程度高；目前，各主流企業(yè)已實現(xiàn)和集成了無人機航線自動規(guī)劃、一鍵起飛、全自主飛行、RTK差分定位、斷點續(xù)噴、仿地飛行、自主避障和夜間飛行等多種自主作業(yè)功能(表1)，為植保無人機的應(yīng)用提供了廣闊的施展空間。

表1 植保無人機技術(shù)發(fā)展情況Table 1 Technology development of plant protection UAV

2 植保無人機施藥關(guān)鍵技術(shù)研究現(xiàn)狀

2.1 航空變量施藥技術(shù)

與傳統(tǒng)大容量噴霧技術(shù)相比，變量噴施技術(shù)可以緩解農(nóng)藥過量使用的問題，在節(jié)省農(nóng)藥的同時降低了噴霧過程中霧滴發(fā)生飄移的風險，提高農(nóng)藥的使用效率以及減輕農(nóng)藥對環(huán)境的污染。因此，航空變量施藥技術(shù)作為實現(xiàn)精準施藥的重要手段，其通過獲取田間病蟲草害面積、作物行距及株密度等靶標作物的相關(guān)信息，以及實時獲取施藥設(shè)備位置、作業(yè)速度、噴霧壓力等施藥參數(shù)的相關(guān)信息，綜合處理作物和噴霧裝置的各種信息從而根據(jù)需求實現(xiàn)對靶標作物的精準施藥[18]。

朱航等[19]首次嘗試了將脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)應(yīng)用于植保無人機，開發(fā)了基于PWM 技術(shù)的無人機精確噴灑系統(tǒng)，并根據(jù)地面農(nóng)作物遙感信息建立的精確噴灑決策系統(tǒng)進行了無人機精確噴灑系統(tǒng)試驗。結(jié)果表明，脈寬調(diào)制控制技術(shù)可以實現(xiàn)對無人機噴施系統(tǒng)的精確控制，系統(tǒng)具有一定的可靠性和實用性。王玲等[20]在搭建適用于無人機的PWM 變量噴施系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，開發(fā)了基于LabWindows/CVI的地面測控軟件，通過無線脈沖信號實現(xiàn)對機載噴施系統(tǒng)中泵的脈寬調(diào)制調(diào)速，從而改變系統(tǒng)壓力及流量，實現(xiàn)了無人機噴霧的變量調(diào)節(jié)。王大帥等[21]針對植保無人機施藥系統(tǒng)控制方式單一，施藥流量無法根據(jù)飛行參數(shù)自動調(diào)整造成的霧滴分布不均勻、重噴、漏噴等問題，通過多傳感器融合技術(shù)實現(xiàn)施藥參數(shù)的實時動態(tài)監(jiān)測，設(shè)計了基于施藥流量與飛行速度自動匹配的PWM 的施藥流量控制系統(tǒng)，并通過3CD-15型單旋翼無人機平臺對動態(tài)變量施藥系統(tǒng)實際作業(yè)性能及施藥效果進行了測試，試驗結(jié)果表明該動態(tài)變量施藥系統(tǒng)可實現(xiàn)施藥流量與飛行速度自動匹配。劉洋洋等[22]為保證單位面積施藥量的一致性、實現(xiàn)施藥流量的實時控制，提出了一種航空變量施藥分級控制算法，并基于該算法設(shè)計了基于單片機多信息融合的航空變量施藥實時監(jiān)控系統(tǒng)，通過試驗結(jié)果表明該系統(tǒng)可準確監(jiān)測多種作業(yè)參數(shù)，并可根據(jù)參數(shù)變化精準調(diào)控施藥流量。另外，為避免植保無人機噴施作業(yè)時農(nóng)藥利用率低、造成環(huán)境污染等問題，華南農(nóng)業(yè)大學國家精準農(nóng)業(yè)航空施藥技術(shù)國際聯(lián)合研究中心在自主研制的PID-PWM 控制的植保無人機變量噴霧系統(tǒng)基礎(chǔ)上，充分利用團隊的多旋翼植保無人機作業(yè)數(shù)據(jù)集，訓練影響霧滴沉積量的飛行因素、環(huán)境因素、機身結(jié)構(gòu)參數(shù)以及病蟲害嚴重等級參數(shù)與霧滴沉積量之間的非線性關(guān)系模型，并開發(fā)了基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)決策的植保無人機變量噴霧系統(tǒng)(圖2)，經(jīng)測試驗證其實際霧滴沉積量滿足處方值要求，且響應(yīng)時間低于0.25 s[23]。變量施藥技術(shù)在植保無人機上的應(yīng)用為農(nóng)業(yè)航空精準噴霧控制技術(shù)的發(fā)展提供了參考方向，目前深圳大疆創(chuàng)新科技有限公司、廣州極飛科技有限公司、安陽全豐航空植?？萍加邢薰镜认嚓P(guān)企業(yè)均紛紛推出相關(guān)產(chǎn)品和技術(shù)，但目前的植保無人機變量施藥技術(shù)主要是根據(jù)作業(yè)參數(shù)的變化或預(yù)設(shè)作業(yè)過程中噴施流量的變化等信息進行變量噴施，并沒有根據(jù)作物病蟲草害面積及發(fā)生程度、作物密度等靶標作物的生長信息來實現(xiàn)植保無人機變量噴施的目的，缺乏真正能結(jié)合作物生長處方信息的變量決策系統(tǒng)。

圖2 航空變量噴霧系統(tǒng)Figure 2 Aerial variable-rate spraying system

2.2 航空靜電施藥技術(shù)

航空靜電噴霧技術(shù)是傳統(tǒng)的地面靜電噴霧技術(shù)在植保無人機噴施系統(tǒng)上的創(chuàng)新應(yīng)用[24-25]，在航空噴施作業(yè)過程中，利用高壓靜電在噴頭和噴灑作物目標之間建立靜電場，使得藥液流經(jīng)噴頭霧化后被充上和噴嘴極性相同的電荷。根據(jù)靜電感應(yīng)原理，地面作物表面將引起和霧滴極性相反的電荷。由于同性電荷相互排斥，異性電荷相互吸引，因此荷電霧滴將在靜電場力和其他外力的共同作用下，向地面作定向運動并最終吸附在靶標作物植株的各個部位[26-27]。靜電噴霧技術(shù)不僅可以使霧滴吸附到作物葉片的正面，而且還能吸附在作物植株的中下部和葉片背面，提高藥液霧滴沉積率的同時減少霧滴飄移，改善施藥區(qū)域周圍的生態(tài)環(huán)境。

茹煜等[28]針對XY8D 型無人機進行了靜電噴霧系統(tǒng)整體設(shè)計，并就該系統(tǒng)在水稻田中開展了靜電噴霧和非靜電噴霧條件下霧滴沉積試驗研究，試驗結(jié)果表明靜電噴霧方式對增加霧滴沉積具有明顯的效果。此次試驗是靜電噴霧系統(tǒng)在無人機植保作業(yè)上的首次嘗試，靜電噴霧技術(shù)在植保無人機上的應(yīng)用還有待進一步研究。為此，金蘭等[29]針對AF-811 型單旋翼無人直升機設(shè)計了一套航空靜電噴霧系統(tǒng)，并進行了有效噴幅和霧滴沉積效果試驗研究，研究結(jié)果表明，無人機靜電噴霧增加了農(nóng)藥在目標上的附著率，減少了霧滴的飄移，起到了更好地保護生態(tài)環(huán)境的效果。同樣，蔡彥倫[30]以F-50 型植保無人直升機飛行平臺為基礎(chǔ)，開發(fā)出新型接觸式靜電噴霧系統(tǒng)；并對不同荷電方式的噴霧沉積效果進行試驗比較，結(jié)果表明：靜電噴霧可以提供藥液在植物上層和中層的沉積量，而且接觸式荷電和感應(yīng)式荷電都可以提高航空噴霧的沉積均勻性，接觸式荷電的沉積均勻性更優(yōu)。廉琦[31]以YG20-6 型多旋翼植保無人機為載體，設(shè)計了一套應(yīng)用于植保無人機的靜電噴霧系統(tǒng)，并通過靜電噴霧系統(tǒng)的最佳作業(yè)參數(shù)對無人機靜電噴霧效果進行了室外效果試驗，試驗結(jié)果得出，霧滴在采集裝置上的平均沉積密度為上部133.8 個·cm-2、中部113.8 個·cm-2，相比于非靜電噴霧，霧滴在上方的平均沉積密度提高13.6%，中部的平均沉積密度提高32.6%。華南農(nóng)業(yè)大學國家精準農(nóng)業(yè)航空施藥技術(shù)國際聯(lián)合研究中心為了探究電極材料對靜電噴嘴霧化效果和荷電性能的影響和確定設(shè)計的靜電噴嘴的最佳作業(yè)參數(shù)，以電極材料、電極電壓、噴施壓力和噴孔直徑為噴施變量，針對自主研發(fā)的靜電航空噴嘴進行室內(nèi)霧化和室外沉積試驗，結(jié)果表明，設(shè)計的靜電噴嘴能有效提高植保無人機航空噴施霧滴沉積效果，增加噴嘴有效噴幅寬度(圖3)[32]。

圖3 航空靜電噴嘴Figure 3 Aerial electrostatic nozzle

目前，植保無人機的有效載荷和成本是用戶比較關(guān)注的重要參數(shù)[33]。由于靜電噴霧作業(yè)時機身需要加裝靜電發(fā)生器、電池等配件，必然會減小植保無人機的有效載荷，從而導致植保無人機作業(yè)過程中出現(xiàn)頻繁加藥的問題，減少持續(xù)作業(yè)時間及降低作業(yè)效率；且目前市場上應(yīng)用于植保無人機的靜電噴霧系統(tǒng)價格普遍在1萬元，靜電噴霧系統(tǒng)將大幅度增加植保無人機的購機成本。因此，靜電噴霧系統(tǒng)的重量及成本成為目前影響植保無人機靜電噴霧作業(yè)技術(shù)發(fā)展的首要因素。另外，從上述研究可以看出，我國關(guān)于植保無人機靜電噴霧技術(shù)的研究始于2015 年，起步較晚，由于目前市場上無人機機型多樣，在硬件設(shè)計方面，靜電噴霧系統(tǒng)的掛載方式及其作業(yè)標準有待繼續(xù)開發(fā)和驗證。

2.3 航線規(guī)劃技術(shù)

當人為操控植保無人機進行噴施作業(yè)時，受操控人員及環(huán)境等因素的影響，人為即時飛行航線與理想航線難以保持一致，極易導致無人機作業(yè)漏噴率和重噴率偏高等問題，從而影響植保無人機噴施作業(yè)效果；且由于無人機能量和載荷限制，植保無人機因電量不足而發(fā)生墜機等情況時有發(fā)生[34-35]。因此，隨著GIS 與GPS 技術(shù)的普及和傳感器技術(shù)的發(fā)展，航線規(guī)劃技術(shù)已成為植保無人機智能作業(yè)技術(shù)中最基本的組成部分。進行合理的作業(yè)路徑規(guī)劃可有效提高植保無人機的續(xù)航能力，降低對操控人員的技術(shù)要求，從而進一步提高植保無人機的作業(yè)效果和作業(yè)效率。

為盡可能地減少飛行總距離和多余覆蓋面積，節(jié)省無人機的能耗和藥液消耗，徐博等[36]研究了一種基于作業(yè)方向的不規(guī)則區(qū)域作業(yè)航線規(guī)劃算法，該算法根據(jù)指定的作業(yè)方向，可快速規(guī)劃出較優(yōu)的作業(yè)航線，使整個作業(yè)過程能耗和藥耗最優(yōu)；針對植保施藥多個作業(yè)區(qū)域的情況，他還提出了一種植保無人機全局航線規(guī)劃算法，從作業(yè)路程、多余覆蓋和遺漏覆蓋的角度確定了無人機在單區(qū)域內(nèi)的覆蓋方式，并基于改進的遺傳算法得到區(qū)域間的優(yōu)化作業(yè)順序和區(qū)域間的調(diào)度航線規(guī)劃[37]。為了使植保無人機作業(yè)更精準、高效與節(jié)能，王宇等[38-39]分別基于引力搜索算法和改進蟻群算法研究了適用于三維地形的植保無人機路徑規(guī)劃方法；同樣，為實現(xiàn)植保無人機在丘陵山地區(qū)域的作業(yè)效率最大化，范葉滿等[40]以山地果園為研究區(qū)域、以植保無人機飛行能效系數(shù)為約束條件，基于無人機功率與升力模型設(shè)計了可用于無人機三維路徑規(guī)劃的模擬退火算法，并分別對植保無人機在山地區(qū)域作業(yè)時的最優(yōu)作業(yè)路徑進行了規(guī)劃和驗證。黃小毛等[41]針對同一區(qū)域內(nèi)相鄰多田塊的無人機單機作業(yè)任務(wù)路徑規(guī)劃問題，從續(xù)航、負重等實際問題出發(fā)，提出并實現(xiàn)一套含障礙物多田塊條件下單機多架次作業(yè)的農(nóng)用無人機自主飛行作業(yè)的路徑規(guī)劃算法；在此基礎(chǔ)上，針對含障礙物多田塊條件下的多臺無人機作業(yè)路徑規(guī)劃問題，研究提出了一套完整的多無人機協(xié)同作業(yè)路徑優(yōu)化算法解決方案[42]。華南農(nóng)業(yè)大學國家精準農(nóng)業(yè)航空施藥技術(shù)國際聯(lián)合研究中心基于自主恒速飛行和最小轉(zhuǎn)彎半徑約束的無人機轉(zhuǎn)彎掉頭策略，分析并設(shè)計了任意凸多邊形作業(yè)區(qū)域下無人機的路徑規(guī)劃方法，提出了基于幅寬微變的航線歸整法路徑規(guī)劃方案，并對結(jié)構(gòu)化農(nóng)田區(qū)域?qū)崿F(xiàn)全區(qū)域覆蓋條件下的路徑進行了規(guī)劃與優(yōu)化選擇[43]（圖4）；另外，團隊還針對植保無人機作業(yè)時無法覆蓋大規(guī)模區(qū)域中多個分散田塊的問題，提出了一種基于多架植保無人機作業(yè)過程中與補給車輛之間的聯(lián)合路徑規(guī)劃和調(diào)度方法，并通過試驗驗證該方法可以有效節(jié)省多架植保無人機及補給車輛的作業(yè)時間，縮短非噴施作業(yè)的飛行距離，提高作業(yè)效率[44]。

圖4 不同作業(yè)方向下的飛行航線[43]Figure 4 Flight routes in different operation directions

目前，研究者們分別從作業(yè)區(qū)域形狀、作業(yè)路徑長短、續(xù)航時間等多個因素中的某一個或兩個因素對植保無人機航線規(guī)劃進行了研究，并未綜合多個因素來考慮植保無人機作業(yè)的航線規(guī)劃問題；另外，從航線規(guī)劃方面的研究趨勢可以看出，隨著RTK 高精度定位技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，植保無人機航線規(guī)劃的應(yīng)用范圍已從平面地形發(fā)展到三維地形，且正朝著多架植保無人機協(xié)同作業(yè)的方向發(fā)展。隨著智慧農(nóng)業(yè)時代的到來[45]，面向多機協(xié)同作業(yè)及綜合多個主要因素的航線規(guī)劃問題值得繼續(xù)深入研究。

2.4 自主避障技術(shù)

無人機自主避障技術(shù)指的是無人機本身能夠自主識別障礙物類型并完成指定避障動作的核心智能技術(shù)。對于植保作業(yè)而言，當田間作業(yè)環(huán)境光照不足或飛機與飛手之間的距離較遠時，若主要依靠人肉眼觀察判斷，作業(yè)受限因素多且危險性高，因此，隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，實現(xiàn)障礙物的自主識別和實時避障已成為植保無人機智能化發(fā)展的重要組成之一[46]。

明宇等[47]通過搭載于植保無人機機身上的攝像機采集視頻圖像，經(jīng)過圖像預(yù)處理、圖像分割、障礙物檢測、避障策略等方法研究了一種基于視覺的植保無人機避障技術(shù)。程曦等[48]研究了基于雙目視覺的植保無人機環(huán)境感知技術(shù)，基于灰度化點增強與濾波去噪增強提高圖像質(zhì)量，提出了基于邊緣特征加強的特征匹配算法，并通過對去噪后的灰度圖進行邊緣檢測、特征提取及k近鄰特征匹配后，驗證了算法對障礙物檢測精度和檢測速度上的有效性。另外，吳開華等[49]基于結(jié)構(gòu)光視覺技術(shù)提出了一種障礙物檢測新方法，當植保無人機作業(yè)過程中前方存在障礙物時，該方法通過光路的變化能夠準確檢測出障礙物的距離、角度、寬度，從而做出相應(yīng)的繞飛動作，且能夠有效檢測出未知環(huán)境下障礙物的距離、方位角和寬度，距離檢測誤差小于0.06 m。孫柯等[50]針對植保無人機的避障問題，設(shè)計了一種基于毫米波雷達的植保無人機避障系統(tǒng)，并根據(jù)毫米波雷達障礙物檢測回波中心在障礙物尺寸范圍內(nèi)變化的特點，設(shè)計了基于毫米波的障礙物檢測算法，包括前方距離檢測算法、側(cè)方距離檢測算法、寬度檢測算法和障礙物危險程度排序算法，且通過靜態(tài)試驗和動態(tài)試驗驗證了該避障系統(tǒng)能夠有效檢測障礙物參數(shù)，對障礙物前方距離檢測誤差小于±115 mm，側(cè)方距離檢測誤差小于±195 mm，寬度檢測誤差小于±235 mm。結(jié)合農(nóng)田植保飛行環(huán)境和各類型傳感器的優(yōu)缺點，同時考慮準確性、實時性、可靠性和成本等因素，劉立臣等[51]采用毫米波雷達和雙目視覺傳感器相結(jié)合的方式對植保無人機前方的障礙物進行檢測，通過毫米波雷達進行障礙物目標預(yù)警，再利用雙目視覺傳感器完成障礙物目標識別，最終采用基于預(yù)設(shè)航線的避障路徑規(guī)劃算法完成植保無人機對障礙物的避讓并回歸原本的作業(yè)航線。

從避障技術(shù)方面的研究可以看出，根據(jù)采用的傳感器類型，目前應(yīng)用在植保無人機的障礙物檢測技術(shù)可以主要分為視覺檢測技術(shù)（單目視覺和雙目視覺）、毫米波雷達檢測技術(shù)、超聲波雷達檢測技術(shù)、激光雷達檢測技術(shù)及多傳感器融合檢測技術(shù)等。然而，由于我國農(nóng)田作業(yè)環(huán)境復(fù)雜、障礙物類型多樣，各種障礙物檢測技術(shù)難以準確識別出農(nóng)田障礙物的大小及與飛機之間的距離；且由于無人機飛行速度較地面農(nóng)業(yè)機械行走速度更快，對障礙物識別及識別后做出相應(yīng)的避障動作的實時性要求較高。因此，對于以山地、丘陵為主的我國南方地區(qū)，應(yīng)用于植保無人機的自主避障技術(shù)仍需進一步研究。

2.5 航空施藥效果檢測技術(shù)

在植保無人機航空施藥過程中，作業(yè)環(huán)境的復(fù)雜性和作業(yè)參數(shù)的多變性導致了霧滴運動軌跡及沉積分布結(jié)果難以預(yù)料[52]，因此，地面藥液的沉積效果和分布特性成為了指導航空施藥噴施的重要參考。為快速的檢測霧滴沉積分布情況及更好地理解植保無人機航空噴施霧滴沉積分布特性，施藥效果檢測是植保無人機航空施藥技術(shù)中的重要組成部分，是航空噴施作業(yè)中獲取霧滴沉積數(shù)據(jù)必不可少的技術(shù)手段。

為了檢驗農(nóng)田作業(yè)航線的人為即時規(guī)劃情況和評價實際作業(yè)質(zhì)量及效果，彭孝東等[53]設(shè)計了基于GPS 的坐標采集無線傳輸系統(tǒng)，以水稻田邊界直線為參照，通過目視和經(jīng)驗遙控無人機分別進行循直線飛行試驗和基于作業(yè)幅寬的航線規(guī)劃飛行試驗。結(jié)果表明人為即時規(guī)劃的航線與理論航線偏離嚴重，在理想噴霧條件下估算出的作業(yè)遺漏率為17.1%，重復(fù)作業(yè)占8.2%，區(qū)域外浪費占0.7%。王昌陵等[54]提出了一種無人機施藥霧滴空間質(zhì)量平衡測試試驗方法，即在無人機作業(yè)時的底部、上風向部、頂部和下風向部不同位置布置霧滴收集裝置以分析其霧滴沉積情況，該方法為植保無人機霧滴沉積分布研究提供了新的試驗檢測方法，有助于更好地理解植保無人機在不同作業(yè)參數(shù)下航空噴施霧滴的沉積分布特性。華南農(nóng)業(yè)大學國家精準農(nóng)業(yè)航空施藥技術(shù)國際聯(lián)合研究中心為對比不同類型和不同控制方式的植保無人機航空噴施作業(yè)的飛行質(zhì)量和作業(yè)效果，采用團隊研發(fā)的微輕型機載北斗導航定位系統(tǒng)對半自主飛行控制模式下單旋翼油動植保無人機、單旋翼電動植保無人機和四旋翼電動植保無人機以及全自主控制模式下四旋翼電動植保無人機的飛行質(zhì)量（包括飛行參數(shù)均勻性、航線精度和航線長度均勻性）進行了分析和評價(圖5)，為植保無人機作業(yè)效果的改進提供數(shù)據(jù)支持和指導[12]。

圖5 植保無人機飛行軌跡偏差測試Figure 5 Flight path deviation test of plant protection UAV

另外，為實現(xiàn)對植保無人機航空施藥霧滴地面沉積效果的快速獲取，張京等[55]使用紅外熱像儀與無人機聯(lián)用測試噴霧前、后作物冠層溫度，通過溫度變化率反映霧滴在水稻冠層的沉積效果。結(jié)果表明，以霧滴沉積量與冠層溫度變化率為評價指標得到的結(jié)果一致，紅外熱成像技術(shù)可以準確反映霧滴在水稻上的沉積規(guī)律。鄭永軍等[56]基于激光雷達反射波的原理建立了航空施藥霧滴檢測方法，利用反射波信息來識別目標霧滴，并提取霧滴的位置坐標來反映霧滴在空間的分布情況，通過風洞試驗和田間試驗發(fā)現(xiàn)，該方法測量霧滴沉積結(jié)果的相對誤差小于7%，可有效應(yīng)用于航空施藥霧滴檢測。張瑞瑞等[57]基于變介電常數(shù)電容器原理和傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)設(shè)計了航空施藥霧滴地面沉積實時檢測系統(tǒng)，對系統(tǒng)進行了應(yīng)用測試，并參照水敏紙圖像處理方法數(shù)據(jù)對系統(tǒng)的測量數(shù)據(jù)進行了分析，分析結(jié)果表明，該系統(tǒng)在航空施藥霧滴沉積均一性、有效幅寬等測量方面具有較大的實用性。同樣，華南農(nóng)業(yè)大學國家精準農(nóng)業(yè)航空施藥技術(shù)國際聯(lián)合研究中心基于共平面插指式電容器原理設(shè)計了一種實時檢測農(nóng)業(yè)噴灑無人機農(nóng)藥霧滴噴灑效果的傳感器(圖6)，該傳感器由共平面插指式電容器、高頻振蕩器、測頻模塊和數(shù)據(jù)處理模塊組成，其測量精度可達0.1 ug·cm-2，單點測量速度可達10 μs。該傳感器不僅能夠測量農(nóng)藥霧滴沉積量，而且還可以觀測到農(nóng)藥霧滴沉積和蒸發(fā)的全過程。這些研究與傳統(tǒng)地面檢測技術(shù)相比，縮短了實際試驗的檢測周期和簡化了實際試驗檢測過程，有助于加速航空施藥技術(shù)的應(yīng)用推廣和提高航空施藥技術(shù)的應(yīng)用效果[58]。

圖6 霧滴沉積量檢測傳感器Figure 6 Droplet deposition detection sensor

霧滴沉積分布效果是衡量植保無人機航空噴施作業(yè)性能好壞的最重要和最直接的指標。從上述研究可以看出，圍繞航空噴施霧滴沉積分布效果測試，研究人員主要從植保無人機飛行作業(yè)模式及霧滴傳感器檢測等方面開展了大量研究。飛行作業(yè)模式能夠體現(xiàn)出植保無人機飛行效果，卻無法體現(xiàn)藥液霧滴的沉積分布效果[59-60]；霧滴傳感器能反映植保無人機在某一狀態(tài)下及作業(yè)區(qū)域內(nèi)某一位置處的霧滴沉積結(jié)果，但難以反映出植保無人機在整個作業(yè)過程及作業(yè)區(qū)域的噴施作業(yè)效果。因此，為得到理想的霧滴沉積效果，需對航空噴施霧滴沉積分布與飄移規(guī)律開展深入研究，以指導植保無人機航空噴施作業(yè)。

3 植保無人機施藥技術(shù)發(fā)展趨勢

3.1 航空變量施藥決策系統(tǒng)

植保作業(yè)的最基本要求是具有理想的防效；同時，提高農(nóng)藥的有效利用率、減少農(nóng)藥用量也是對植保技術(shù)未來發(fā)展的必然要求。植保無人機航空變量噴施技術(shù)是實現(xiàn)這一要求的有效手段，其主要思想就是可以根據(jù)農(nóng)作物的生長需求來實現(xiàn)對目標作業(yè)區(qū)域進行精準施藥[16]。目前，一些植保無人機在硬件上已基本可以實現(xiàn)變量噴施的功能，其變量作業(yè)主要是通過人為預(yù)先設(shè)定好不同區(qū)域內(nèi)的施藥量而進行噴施作業(yè)，難以達到真正意義上的變量噴施。作為植保無人機變量施藥系統(tǒng)的“大腦”，航空變量施藥決策系統(tǒng)的相關(guān)研究才剛剛起步。航空變量施藥決策系統(tǒng)主要是通過實際檢測不同采樣點的病蟲害類別或農(nóng)田植株的生長趨勢，生成相應(yīng)病蟲草害作業(yè)處方圖和最佳噴施處方圖來指導變量施藥系統(tǒng)進行作業(yè)，在實際作業(yè)過程中，決策系統(tǒng)實時采集各執(zhí)行機構(gòu)的狀態(tài)以及所處經(jīng)緯度位置，并將這些采集的信息與處方圖信息進行對比，從而確定施藥量，有效保證了噴施的精準性。因此，如何通過航空變量施藥決策系統(tǒng)來提高植保無人機噴施作業(yè)的智能化水平將是未來重要的研究趨勢之一。

3.2 多機協(xié)同作業(yè)技術(shù)

隨著農(nóng)業(yè)規(guī)?；a(chǎn)的迫切需求及植保無人機施藥應(yīng)用的廣泛開展，單機作業(yè)逐漸難以滿足人們對高效率的現(xiàn)代化生產(chǎn)的要求。為了彌補單機作業(yè)的缺陷，多機協(xié)同作業(yè)技術(shù)也開始得到農(nóng)用無人機行業(yè)的關(guān)注。多機協(xié)同作業(yè)，即在單機作業(yè)的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)多架無人機智能聯(lián)網(wǎng)，這需要每個無人機之間能夠作為一個整體協(xié)調(diào)工作，以便有效地覆蓋大面積區(qū)域并進行信息交互與協(xié)同作業(yè)。隨著物聯(lián)網(wǎng)及大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展，多機協(xié)同作業(yè)將從較大程度上節(jié)約勞動力成本，提高植保無人機航空噴施作業(yè)的效率，有效加快植保無人機智能化航空施藥技術(shù)的推廣和應(yīng)用。

3.3 航空施藥作業(yè)專家系統(tǒng)

植保無人機施藥因其霧化程度高，霧滴粒徑小，且存在飛行速度較快而造成的相對風場和無人機旋翼風場等因素的影響[61]，導致航空噴施霧滴沉積區(qū)域不穩(wěn)定、運動規(guī)律不明確等問題。目前，國內(nèi)對各種類型的植保無人機在施藥過程中霧滴沉積與飄移規(guī)律的研究還處于初步階段。我國植保無人機機型多樣、作業(yè)條件復(fù)雜及作業(yè)種類繁多，未來的研究需要針對多類型的植保無人機在不同氣象條件和作業(yè)參數(shù)下的農(nóng)藥霧滴沉積與飄移規(guī)律進行研究，并基于霧滴沉積與飄移規(guī)律建立植保無人機航空施藥作業(yè)專家系統(tǒng)，使用戶在施藥作業(yè)前就可以根據(jù)植保無人機類型及作業(yè)要求選擇適宜的作業(yè)參數(shù)，以取得較佳的噴霧作業(yè)效果。

3.4 植保無人機配套施藥技術(shù)

植保無人機航空施藥具有低容量高濃度、藥液霧化程度高、霧滴易飄失等特點，因此，為保障植保無人機施藥技術(shù)的有效應(yīng)用，相應(yīng)的配套技術(shù)具有巨大的研究潛力和發(fā)展空間，如植保無人機專用航空噴嘴研發(fā)技術(shù)、專用航空藥劑及航空助劑研發(fā)技術(shù)等。其中，航空噴嘴包括靜電噴嘴、可控霧滴粒徑譜噴嘴、變量噴嘴等[62]，航空藥劑包括超低容量液劑、納米生物制劑等，航空噴霧助劑包括改性植物油助劑、有機硅助劑等。這些技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用將有效減少航空噴施霧滴的飄移與流失，促進農(nóng)作物對藥液有效成分的吸收，為植保無人機的精準噴施提供有力的保障。

4 結(jié)語

加快植保無人飛機的推廣應(yīng)用是我國現(xiàn)代農(nóng)業(yè)建設(shè)的需要。目前，作業(yè)實踐已經(jīng)證明，植保無人機及其施藥技術(shù)由于在不受作物長勢和地勢限制、提高作業(yè)效率、節(jié)本增效等方面具有不可替代的優(yōu)勢，在我國取得了極大的進步和應(yīng)用。隨著經(jīng)濟的發(fā)展，中國面臨著人口老齡化和城鎮(zhèn)化發(fā)展帶來的農(nóng)村勞動力不足的嚴峻形勢，而且由于單體農(nóng)戶的小規(guī)模生產(chǎn)模式的存在，為了保障我國農(nóng)業(yè)的穩(wěn)定和可持續(xù)發(fā)展，加快實現(xiàn)農(nóng)業(yè)機械化和現(xiàn)代化的進程，特別是山區(qū)與水田的全程機械化作業(yè)水平已經(jīng)成為中國國家層面的發(fā)展戰(zhàn)略，植保無人機及其低空低量施藥技術(shù)取代傳統(tǒng)人力背負式噴霧作業(yè)符合當前中國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展的要求，在較大程度上提升了中國植保機械化水平。

另外，從日本等國外發(fā)達國家植保無人飛機的發(fā)展歷程[63]以及國內(nèi)的市場需求來看，植保無人機市場前景非常廣闊，潛在的應(yīng)用方面將不斷拓展。植保無人機在中國是一個新興產(chǎn)業(yè)，植保無人機及其施藥技術(shù)與裝備也處于不斷發(fā)展之中，為保證植保無人機的健康發(fā)展和推廣應(yīng)用，深入研究植保無人機及其低空低量施藥技術(shù)的迫切性不容忽視；同時，更好地理解和掌握植保無人機施藥技術(shù)會有助于植保無人機及其噴施部件的設(shè)計和優(yōu)化，促進農(nóng)藥的高效使用，對中國植保無人機市場的健康、有序發(fā)展具有重要的促進意義。