無人機施藥技術研究現狀與趨勢分析

沈德戰(zhàn)，張 園,2，韋麗嬌,3，趙振華,4，陳曉垚，姜 蕾

（1.中國熱帶農業(yè)科學院農業(yè)機械研究所，廣東 湛江 524091；2.廣東省農業(yè)類顆粒體精量排控工程技術研究中心，廣東 湛江 524000；3.湛江市類顆粒體動力學及精準精量排控重點實驗室，廣東 湛江 524091；4.農業(yè)農村部熱帶作物農業(yè)裝備重點試驗室，廣東 湛江 524091；5.中國熱帶農業(yè)科學院環(huán)境與植物保護研究所，海南 海口 571101）

0 引言

我國是一個農業(yè)大國，擁有1.2 億hm2耕地[1]，在農作物的生長發(fā)育過程中，如何進行有效的病蟲害防治是確保糧食安全和產量的關鍵。然而，在我國的農業(yè)生產過程中，植保施藥仍然以人工或微型機器（電動）噴霧機為主，與現代農業(yè)的規(guī)?；N植不相適應，導致了監(jiān)測與預警的分離；與此同時，人工施藥勞動強度大、效率低，施藥人員中毒事故也時有發(fā)生。無人機施藥作為一種新型施藥技術，由于其相對優(yōu)勢特點，在農業(yè)領域的應用逐漸增多，已經貫穿了作物的生長全過程[2-3]。因此，加速推進無人機施藥技術推廣應用，提高作物病蟲害防治水平，是保證糧食品質和安全、保護生態(tài)環(huán)境、推動農業(yè)可持續(xù)發(fā)展的需要。

1 概述

無人機施藥是一種借助植保無人機攜帶藥液在作物上空噴灑藥物的作業(yè)方式[4-6]，其施藥系統(tǒng)如圖1所示，主要由噴灑系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和定位系統(tǒng)等組成。噴灑系統(tǒng)由藥液管、噴頭等組成，用于施撒藥劑的定點定量輸送，是植保無人機施藥過程中的重要部分；控制和定位系統(tǒng)是一種用于對無人機進行控制和決策的控制系統(tǒng)，實現定位、導航和數據采集等功能[7]。

圖1 無人機施藥系統(tǒng)

2 應用優(yōu)勢

無人機施藥技術在農業(yè)生產應用中具備一定的優(yōu)勢。

1）相對安全、高效的作業(yè)模式。傳統(tǒng)的人工噴藥的有效性和穩(wěn)定性較差，而且人工噴藥時存在農藥殘留的危險，有損操作人員的身體健康。而無人機噴藥采用遠程控制，能有效地保障操作人員的安全。除此之外，無人機1 次飛行可以噴灑10～15 畝地（1 畝=0.067 hm2），作業(yè)效率高[8]。一般1 臺無人機1 天可以噴灑400～800 畝，而人工1 天僅噴灑8～10 畝，效率高幾十倍[9]。

2）突出的防治省藥節(jié)水能力。植保無人機施藥時，其旋翼產生的向下氣流可增加霧流對作物的滲透力，使葉片正反兩面有藥附著，滲透性強，能被作物均勻吸收，防治效果和農藥利用率較人工噴藥效果更好，可節(jié)約農藥30%、節(jié)約用水量90%。

3）良好的適應性和靈活性。據統(tǒng)計，我國山脈、高原和丘陵占全國總面積的69%[10]。先進的無人機施藥技術可不受地形、作物高度、周邊環(huán)境等因素的影響，適應性更強，很好地解決了高桿作物、果樹、復雜地形等施藥難的問題。

4）有效避免機械損傷作物。與傳統(tǒng)的農業(yè)機械相比，無人機噴灑的藥滴更容易附著在作物的表面，可有效避免作物與器械多次接觸造成的損傷、損壞。

3 發(fā)展現狀

3.1 國外發(fā)展概況及關鍵技術

當前，美國和日本的植保無人機技術相對發(fā)達，處于世界領先水平。其次，澳大利亞、韓國等農業(yè)發(fā)達國家70%以上的農藥噴灑都是通過無人機作業(yè)完成的。其中，日本是無人機植保技術最發(fā)達的國家，自90 年代以來，日本已將農用無人機應用于大田作物、果樹、蔬菜等作物的病蟲害防治方面。近幾年，日本農用植保無人機由于其單位面積施藥量小、作業(yè)效率高、農藥飄動小等優(yōu)勢而迅速發(fā)展。據統(tǒng)計，日本使用無人機進行害蟲控制的面積超過45%。

當前美國的農業(yè)航天技術領域，以實時影像處理系統(tǒng)、變量噴灑系統(tǒng)設計和多種傳感器信息系統(tǒng)的集成設計為研究重點，以實現施藥作業(yè)實時可視化監(jiān)控[11]；可變量噴射施藥系統(tǒng)使農藥資源的回收利用更合理、有效，實現了高效節(jié)能和環(huán)保減排的目的；多傳感器數據融合技術使復雜系統(tǒng)的綜合表達方式更為完整和明確，改善了系統(tǒng)響應的精確度和快速性，減少了系統(tǒng)的決策風險。美國GT-MAX 農機公司[12]的植保飛機，其飛行控制結構為內環(huán)式，并集成三軸式慣性加速度計、航向磁強計、聲納、雷達測高儀和DGPS 等多個傳感器的數據融合技術，可實現施藥作業(yè)精確定位等功能。

韓國農業(yè)機械化水平較高，農業(yè)無人機施藥技術依賴中國和日本出口，因其較為寬松的政策法規(guī)以及在農業(yè)無人機市場上較高的開放度和接受程度，農業(yè)無人機施藥技術發(fā)展較為穩(wěn)定。縱觀國際現狀，各發(fā)達國家不僅注重植保施藥作業(yè)對環(huán)境的影響，也注重農用噴霧技術、遙感技術和精準導航控制技術等的研究，以減少農藥噴灑漂移量，提高農藥利用率。

3.1.1 噴霧技術

噴霧技術是無人機施藥作業(yè)的一項關鍵技術。自20 世紀90 年代以來，美國一直在生產最先進的空中靜電噴霧器，用于各種小型螺旋槳驅動的飛機上。近年來，美國的專家和學者們一直在測試和研究空中靜電涂層系統(tǒng)的抗漂移性能；美國農業(yè)部農業(yè)研究服務署（USDA-ARS）的CARLTON 等[13]設計的電動旋轉靜電噴頭能有效防止藥液的漂移；美國噴霧系統(tǒng)公司[14]生產的額寬幅扁型噴頭和低壓扇形噴頭具有自動控制的功能，可根據壓力變化產生不同霧型，從而獲得更好的附著效果。

3.1.2 遙感技術

遙感技術是一種通過無接觸的方式獲得由目標自身和目標所表示的地區(qū)和事物的特征，并對所獲得的數據進行處理和提取的技術。無人機攜帶遙感設備（高光譜、多光譜相機和熱成像儀等），利用作物的光合作用和水分蒸發(fā)原理監(jiān)測農業(yè)病蟲害情況；在日本，大多數情況下都是使用微型無人機攜帶照相設備，通過SfM 軟件對其進行數據分析，獲得稻米的長勢等農業(yè)情況。美國無人機技術公司PrecisionHawk、Agribotix、DroneDeploy[15]研究的 農業(yè)遙感技術應用于農作物的估產、土壤關鍵屬性、農業(yè)災害監(jiān)測及精準農業(yè)服務等，通過遙感技術，利用無人機采集的數據生成精準農業(yè)NDVI 指數圖，分析植被狀況和植被覆蓋度信息。

3.1.3 精準導航控制技術

精準農業(yè)空中施藥技術是利用及時、準確的信息采集技術和現代信息處理技術，實現減少施藥量、高效、省力的綜合技術。用GPS 確定無人機與需要噴灑地點的位置關系，用飛行控制器進行航路規(guī)劃，并開啟可變系統(tǒng)裝置，進行精確、定點、超低量、高效噴灑。尹選春等[16]提出了由無人直升機攜帶偽衛(wèi)星設備進行導航控制，并驗證了導航精度和可靠性比GPS 高；IWAHORI 等[17]開發(fā)了一種由無人直升機攜帶的3D GIS 地圖系統(tǒng)，用于精確的空中測量；美國雅馬哈發(fā)動機公司研制的RMA X 型工業(yè)無人直升機采用精確噴藥的方法控制水稻病蟲害；SUZUKI等[18]擬把非線性模型控制算法用于小型無人機自動避障控制與導航中；NONAKA 等[19]設計了外部干擾、地面控制站和無人機動力學模型，利用滑模控制算法減弱外部干擾，降低模型誤差，實現了無人機順利起降及懸停于空中的平穩(wěn)控制。

3.2 國內發(fā)展概況

農業(yè)無人機在中國起步較晚，但發(fā)展迅速[20]。2008 年，國家“863”計劃課題——“水田超低空，低體運用技術研究及裝備創(chuàng)新”的正式落地，表明我國科研機構正式步入無人機運用技術探索時期[21]。2010 年，我國第1 架自主研發(fā)的施藥無人機成功問世[22]。2014 年，中央一號文件提出“加快農用航空建設”，推進生態(tài)友好型農業(yè)。2015 年，農業(yè)農村部編制了《到2020 年化肥使用量零增長行動方案》和《到2020 年農藥使用量零增長行動計劃》，以及個別省份地方性補貼政策的出臺，促進了無人機施藥的快速發(fā)展。2017 年，農業(yè)農村部首次將農業(yè)無人機納入農機補貼。到2020 年，通過產學研等合作方式，中國農業(yè)無人機產業(yè)得到了迅猛發(fā)展，誕生了大疆創(chuàng)新、極飛科技、漢和、極目等諸多代表性農業(yè)無人機品牌。2021 年，大疆T30 植保無人機搭載了枝向對靶技術和球型雷達系統(tǒng)，提高了作物對藥液的吸收以及解決了植保無人機在極端天氣無法及時避讓障礙物的問題。極飛無人機配置的RTK 導航系統(tǒng)提高了施藥的精確度，其研發(fā)的離心變量噴灑系統(tǒng)解決了傳統(tǒng)無人機因軸承摩擦而產生的噴藥效率和藥液漂移問題。

在農業(yè)無人機自主研發(fā)和創(chuàng)新方面，我國雖已達到了相當的高度，但依然有較大的提升空間。無人機的可變量施藥是植保技術發(fā)展的首要趨勢之一，通過系統(tǒng)控制噴灑藥量可以解決農藥過量使用的問題，提高農藥使用效率。王玲[23]設計的基于PWM 的變量噴霧測控系統(tǒng)可以通過軟件遠程調整無人機的應用狀態(tài)和參數；王大帥等[24]開發(fā)了基于LabVIEW 的軟件來控制地面站，并使用了多個傳感器相結合技術進行實時監(jiān)控施藥參數的變化；王林惠等[25]采用圖像處理技術識別作物區(qū)與非作物區(qū)，繪制出作物處方圖，然后控制噴頭實施精準施藥，理想條件下，減施率可達32.7%。

自主避障是無人機提升適用性的必然選擇，蘭玉彬等[26]比較了各種農用無人機避障技術的適用范圍，并對其主要避障傳感器進行了比較，提出了多種避障技術組合、實時主動避障技術、建立輔助避障體系和避障程序規(guī)范等方面的研究方向；李海林等[27]提出一種基于激光位移傳感器的避障技術，實現了飛行過程中的動態(tài)避障。肖儒亮[28]利用開源APM 作為四旋翼無人機的核心，完成了避障系統(tǒng)的軟硬件設計，實現了避障測距與控制。

藥水漂移是影響無人機施藥效果的重要因素，降低藥水漂移的方法主要有研制減漂噴頭、添加飛防助劑、優(yōu)化噴灑技術等。張亞坤[29]對噴嘴的內腔直徑、V 型槽角、相對切深進行了優(yōu)化，并設計了用于控制漂移的噴嘴；董祥[30]將霧滴的沉積分為界面接觸期、水平擴散期、收縮期和彈離期4 個階段，在收縮期結束后，霧滴是否還有足夠的能量從界面中分離出來，這是導致霧滴是否發(fā)生反射或沉淀的重要因素；王瀟楠[31]提出了一種基于水滴運動速率和水滴直徑的水滴漂移模型，可以有效地預測出水滴的漂移潛能，并得出了2 個水滴噴嘴在一定程度上疊加后，水滴的直徑增大，水滴的動能增大，并減小了漂移的結論。趙春江等[32]研制了一種用于航空農用的藥霧分布和漂移趨勢預測系統(tǒng)，可實現藥物霧氣漂移趨勢預測。張瑞瑞等[33]研制的飛機噴霧滴沉積特征分析系統(tǒng)由霧滴采集介質、感染區(qū)識別編碼、沉淀特征分析3 部分組成，可實現藥液快速精準檢測。

靜電噴射系統(tǒng)是以電荷的相反吸收原理為基礎，通過電場力、重力、噴射壓力等因素的影響，使液滴遠離靶板，從而改善了沉積性能。茹煜等[34]為使旋翼內的湍流流動轉化成層流，并使電極保持干燥，采用了一種具有8 kV 的錐形電極，既能較好地降低水滴的漂移，又能顯著地增加水滴的沉積量。王繼環(huán)設計的靜電噴嘴，其內部為不銹鋼環(huán)形電極，外部為PVC，其優(yōu)點是重量輕，絕緣性能好，比無靜電噴嘴更好。

4 面臨的主要問題

目前，我國植保無人機研究仍處于初級階段，仍存在許多問題需要解決[35]。

4.1 核心關鍵技術研究滯后

1）不能實時自主避障。在自動飛行模式下，可以通過GPS 定位和軟件預先規(guī)劃好飛行的軌跡，避讓已知的障礙點，但不可以避讓突然出現的障礙物（如飛行生物），此時無人機仍是按預先規(guī)定的軌跡飛行，無法進行實時自主避障。

2）電池續(xù)航時間短。目前植保無人機飛防作業(yè)時，2 個飛行起降就需要換1 組電池，時效短，給飛防作業(yè)帶來很大的不便。

3）噴施組件和特定的劑量供給不足。目前，無人機在植物防護作業(yè)中所采用的噴嘴大多是常規(guī)噴嘴，霧滴譜寬、粒徑不可調、霧化噴涂效果較差，對航空專用噴頭、藥物添加劑的研制也較落后，可供選擇的種類和性能無法滿足實際需求。植保無人機噴灑的農藥要想發(fā)揮良好的殺蟲殺草效果，藥劑應該具備漂移系數小、難揮發(fā)、難蒸發(fā)、耐雨水沖刷、易滲透等特點。然而，目前尚未有制藥企業(yè)生產這類農藥。

4.2 作業(yè)人員缺少植保專業(yè)技術

目前，市場上的無人機作業(yè)團隊基本上都是以飛行操作手為主，面對種類繁多的作物對象，尤其是熱帶特色經濟作物，無人機作業(yè)人員并沒有一定的農藥選擇和農藥配比知識。農用無人機的飛行穩(wěn)定性和準確性比商用的要求更高，而目前我國缺乏專門從事農業(yè)無人機施藥的操作人員。

4.3 農業(yè)無人機行業(yè)標準體系尚不健全

雖然相關部門一直在完善農業(yè)無人機行業(yè)的標準體系和政策規(guī)程，規(guī)范農業(yè)無人機行業(yè)的發(fā)展，切實保障廣大農民的根本利益，但植保無人機的制造和作業(yè)標準規(guī)范仍不完善，缺少細化的作業(yè)規(guī)范和作業(yè)質量標準，相關部門監(jiān)管困難。

4.4 無人機鋰電池易受溫度影響

鋰電池具有工作性能穩(wěn)定、能量密度與功率密度高、壽命長、質量輕等優(yōu)點，被作為電動無人機動力源廣泛使用。而無人機在飛行過程中，尤其是在極端的高溫條件下，由于太陽直射無人機機體而引起光熱效應，機體內積蓄大量熱量，如果無人機內部沒有散熱系統(tǒng)，高溫將嚴重影響鋰電池的壽命和容量，甚至產生爆炸的危險。據相關研究表明，鋰電池內部的電化學活性在溫度低于15 ℃時明顯減弱，當溫度高于45℃時，電池-電解液加速的副反應作用會造成鋰電池容量的衰減，故多將45 ℃作為鋰電池工作溫度的上限[36-37]。相比較于高溫環(huán)境，低溫環(huán)境對電池的性能影響更大。在低于-15 ℃的低溫環(huán)境時，無人機起飛耗電量大；在低于-25 ℃的更低溫環(huán)境時，無人機無法正常飛行[38]。無人機作業(yè)時還會遇到極端天氣，如果不及時改進，將會造成不必要的損失。

4.5 非人為原因引起無人機失控失聯

無人機在空中飛行時一旦失去控制，短時間內會以各種姿態(tài)從高處墜落，對地面的人員和設備構成嚴重的威脅。無人機受風力干擾或電磁干擾也會引起失聯、失控的情況[39]。當無人機在飛行時遇到惡劣天氣時，無人機會受到強烈的氣流擾動，很容易撞擊建筑物或墜入山谷；無人機在飛行過程中受到高大建筑或是山林遮擋會影響GPS 信號，導致定位不準，無法完成航行，容易引起墜機事故[40]。

5 發(fā)展對策及建議

5.1 加速解決安全隱患

1）針對無人機起飛前安全檢查缺失、飛行操作手操作失誤、姿態(tài)模式飛行、電量耗盡和非人為因素引起的無人機失控墜落和失聯問題，應及時做出預警、強化保護裝置設計，例如槳葉保護罩、機身整體保護罩和降落傘防墜裝置等，解決無人機因碰撞而導致的失控問題，避免因高空墜落導致的人員傷害和經濟損失。

2）為有效解決無人機塑料外殼熱導率較低的問題，可均布式設計銅制均熱片，提高設備散熱效率，但需考慮隨著銅制均熱片長度的不斷增加，無人機重量線性增加的問題。針對極端天氣環(huán)境，可通過內設恒溫系統(tǒng)幫助機體散熱，調節(jié)機體電池周圍溫度，提高無人機的工作穩(wěn)定性和安全性[41]。

5.2 加強植保無人機施藥標準制定

全方位推進技術創(chuàng)新，提升植保無人機的穩(wěn)定性能，適應多地區(qū)、多農作物類型的推廣應用。為進一步規(guī)范行業(yè)發(fā)展，加大管理力度，制定更加完善和細化的施藥標準和作業(yè)技術標準及規(guī)范。

5.3 充分發(fā)揮相關機構的協同作用

各有關科研單位、企業(yè)要加強協同合作，制定行業(yè)、產品、技術標準，對檢驗機構的建設給予高度的重視；各相關單位可以通過建立信息共享的平臺或者產業(yè)網絡，不斷提高技術業(yè)務的銜接緊密度，實現產業(yè)資源的共享[42]。

5.4 完善無人機植保市場

無人機農業(yè)植保市場的規(guī)范是產業(yè)健康發(fā)展的重要前提，要充分發(fā)揮政府的主導作用。一是建立健全相關法律法規(guī)制度，營造良好的市場氛圍，明確具體市場需求，建立并優(yōu)化相關準入機制，強化市場的規(guī)范度，從根本上保障無人機性能符合農業(yè)植保切實需求，為市場的后續(xù)管理奠定基礎。二是相關政府部門應充分認識到政策扶持在產業(yè)市場完善過程中的作用，逐步引導農業(yè)從業(yè)人員接受無人機施藥，助力無人機植保市場。

5.5 重視新產品的更新

要最大程度發(fā)揮無人機在農業(yè)植保領域中的作用，多元化的無人機種類必不可少。相關企業(yè)要不斷豐富無人機種類，切實滿足實際的農業(yè)植保需求。應充分認識到實效性提升的重要性，從而在最大程度上避免出現相關功能“創(chuàng)新性有余、實效性不足”的現象。可以借助實際試驗研究工作，收集分析植保作業(yè)過程中的信息，切實提升應用過程中的精細化程度，通過精細化工作的優(yōu)化，解決具體運行過程中的操作、維護以及各種邊緣化問題，以此延伸產業(yè)鏈條。

5.6 健全產品推廣體系

生產的本質是服務應用，要有效發(fā)揮無人機在農業(yè)植保領域產業(yè)的作用，必須從提高相關使用人員的使用意識入手[43]。因此，應利用多樣化的手段不斷完善推廣體系：一是出臺農機使用補貼政策，提高相關人員的積極性；二是充分發(fā)揮基層作用，通過村鎮(zhèn)牽頭宣傳教育，向相關人員宣傳無人機在農業(yè)植保領域中的優(yōu)勢，提高接受程度；三是加強培訓，讓機手學習和掌握無人機的使用及配套技術，為開展高質量的農業(yè)植保工作打下基礎。

6 發(fā)展趨勢

無人機施藥技術是農業(yè)植保的一個重要組成，正朝著以下方向發(fā)展。

1）精準施藥。精準施藥既能提高農藥利用率，降低農藥殘留量，也能保護施藥區(qū)周邊的生態(tài)。而GIS 和航空遙感技術相結合，可以有效地改善噴霧的可變控制[44]。因此，如何有效地利用航空遙感技術，實現霧滴沉積、漂移、均勻分布、圖像處理等高科技的開發(fā)與應用，就顯得非常重要。

2）穩(wěn)定安全的移動操作平臺。在植保無人機技術日趨成熟、智能化的今天，將植保無人機與移動終端有機地結合在一起，對其進行智能控制具有十分重要的意義[45]。通過手機App 進行遠程控制，可實現自動避障、自動飛行、GPS 跟蹤和虛擬搖桿操縱等功能。而上述功能的實現，而更加穩(wěn)定且可靠的自主飛行控制系統(tǒng)，更具平穩(wěn)的移動操作平臺必不可少[46]。

3）高載質量、高效率、長航時技術。植保無人機存在載重不足（30～40 kg）、飛行時間短等缺點，因此須重視電池的整體性能和儲存容量，不斷優(yōu)化電池使用效果，增強電池功率和續(xù)航能力，以及提高無人機承載能力，延長飛行時間和增加載藥量，提高無人機運行效率。隨著單位面積噴灌收益的提高及土地的流轉，市場對高負荷、高效率、超長使用壽命的無人機需求將會逐漸顯現。因此，高載質量、高效、長航時的植保無人機將成為今后發(fā)展的重點[47]。

4）靜電超低容量施藥技術。常規(guī)噴灑農藥僅有25%～50%的農藥在作物表面且發(fā)生了大量漂移。靜電噴施能明顯地增加化學溶液的粘附率、降低漂移和提高化學溶液的利用率，并能有效地控制漂移，降低對環(huán)境及土壤的污染。隨著科技水平的提高以及對環(huán)境的要求越來越高，靜電施藥技術在農業(yè)航空植保機械上將會有越來越廣泛的應用[48]。

綜上所述，農用無人機具有安全、高效、智能的優(yōu)勢，市場前景廣闊，加快農用無人機的研發(fā)和應用，有助于促進農業(yè)綠色發(fā)展，給農業(yè)插上科技的翅膀[49]。隨著無人機技術的不斷進步，未來農用無人機將在農業(yè)植保領域發(fā)揮越來越重要的作用。