李 兵樊江巖王玉宏（承德市蔬菜技術(shù)推廣站，河北承德 067000；承德市農(nóng)機(jī)技術(shù)推廣站，河北承德 067000）

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冀北農(nóng)用無(wú)人機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)及露地蔬菜飛防植保應(yīng)用探討

應(yīng)用X4Z四旋翼農(nóng)用植保無(wú)人機(jī)飛防蔬菜病蟲(chóng)害，具有成本低、工作效率高、適用作物廣、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)、受藥面積大、農(nóng)業(yè)危害小等優(yōu)點(diǎn)，但也受設(shè)備條件、農(nóng)藥劑型、病蟲(chóng)害種類、操作人員水平、自然環(huán)境等因素的制約。

李 兵1樊江巖2王玉宏1
（1承德市蔬菜技術(shù)推廣站，河北承德 067000；2承德市農(nóng)機(jī)技術(shù)推廣站，河北承德 067000）

李兵，男，高級(jí)農(nóng)藝師，專業(yè)方向：冀北現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)技術(shù)應(yīng)用與推廣，E-mail：libing219@126.com

河北承德是冀北夏秋蔬菜優(yōu)勢(shì)產(chǎn)區(qū)，也是中國(guó)重要的夏秋蔬菜優(yōu)勢(shì)產(chǎn)區(qū)，所產(chǎn)大白菜、甘藍(lán)等優(yōu)質(zhì)蔬菜遠(yuǎn)近聞名，產(chǎn)品主要供應(yīng)華北地區(qū)及南方夏秋淡季市場(chǎng)。承德地區(qū)蔬菜種植結(jié)構(gòu)清晰，中南部地區(qū)以設(shè)施蔬菜為主，北部高海拔及壩上地區(qū)則以露地蔬菜栽培為主，2014年全市露地蔬菜播種面積5.99萬(wàn)hm2（89.8萬(wàn)畝），馬鈴薯播種面積5.27萬(wàn)hm2（79萬(wàn)畝）。近年來(lái)受市場(chǎng)因素影響，勞動(dòng)力成本大幅增加，尤其是田間病蟲(chóng)害監(jiān)測(cè)與防控作業(yè)，占到總?cè)斯こ杀镜?0%～60%。為了解決這一問(wèn)題，承德市農(nóng)業(yè)部門(mén)大力開(kāi)展現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備研發(fā)應(yīng)用，通過(guò)應(yīng)用農(nóng)用無(wú)人機(jī)進(jìn)行飛防植保，大力推動(dòng)承德地區(qū)農(nóng)業(yè)技術(shù)集約化、農(nóng)民職業(yè)新型化和農(nóng)業(yè)裝備現(xiàn)代化的發(fā)展。

1　X4Z四旋翼農(nóng)用植保無(wú)人機(jī)平臺(tái)優(yōu)化設(shè)計(jì)

1.1結(jié)構(gòu)布局

X4Z四旋翼農(nóng)用植保無(wú)人機(jī)平臺(tái)采用“X”型結(jié)構(gòu)，平面四旋翼布局，軸距1 300 mm（圖1）。該布局在飛行平衡性以及姿態(tài)控制響應(yīng)速度方面效果最佳，在材料一定的情況下，采用“X”型四旋翼結(jié)構(gòu)的飛行平臺(tái)具有穩(wěn)定性好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、質(zhì)量輕、成本低、續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。

1.2農(nóng)用便捷設(shè)計(jì)

X4Z四旋翼農(nóng)用植保無(wú)人機(jī)的機(jī)身采用碳纖維材料和鋁合金承載架輕便設(shè)計(jì)，外廓展開(kāi)2 060 mm、折疊600 mm，設(shè)備艙全封閉，內(nèi)部設(shè)備不受外界干擾，機(jī)翼快拆、機(jī)臂與噴桿折疊設(shè)計(jì)（圖1），方便農(nóng)業(yè)運(yùn)輸及轉(zhuǎn)場(chǎng)作業(yè)。

圖1　X4Z四旋翼農(nóng)用植保無(wú)人機(jī)的飛行平臺(tái)和便捷設(shè)計(jì)

1.3噴灑機(jī)構(gòu)組裝

X4Z四旋翼農(nóng)用植保無(wú)人機(jī)采用2 300 mm碳纖維管噴桿，均勻分布超微量空心錐噴頭4個(gè)，單噴頭噴霧角度80°，方錐形藥桶容量為10 L（圖2），高效隔膜泵的工作壓力為0.5 MPa，藥液噴灑流量為1 L·min-1。受飛行中的下洗氣流影響，藥液被強(qiáng)行壓制霧化，落到植株葉片正反面。

1.4強(qiáng)化穩(wěn)定性設(shè)計(jì)

X4Z四旋翼農(nóng)用植保無(wú)人機(jī)采用獨(dú)創(chuàng)的傾角合力升舉式設(shè)計(jì)（圖3），該設(shè)計(jì)有效地降低了多旋翼農(nóng)用植保無(wú)人機(jī)在農(nóng)田飛防過(guò)程中的機(jī)械晃動(dòng)問(wèn)題，提高了農(nóng)用無(wú)人機(jī)在高荷載作業(yè)情況下的飛行穩(wěn)定性。

圖2　X4Z四旋翼農(nóng)用植保無(wú)人機(jī)的噴灑結(jié)構(gòu)

圖3　X4Z四旋翼農(nóng)用植保無(wú)人機(jī)的傾角合力升舉式設(shè)計(jì)

1.5性能參數(shù)

X4Z四旋翼農(nóng)用植保無(wú)人機(jī)起飛質(zhì)量25 kg，負(fù)載質(zhì)量12 kg，空載續(xù)航時(shí)間為20 min，滿載續(xù)航時(shí)間為13 min，平均續(xù)航大于15 min，飛行高度0.5～500 m，最佳作業(yè)高度距作物頂端4～5 m，作業(yè)幅寬10 m，飛行速度0～15 m·s-1，最佳飛防作業(yè)速度4～7 m·s-1，平均作業(yè)效率10 min·hm-2。

2　農(nóng)用無(wú)人機(jī)冀北山區(qū)使用效果

依托河北省隆化縣雙灤匯農(nóng)機(jī)專業(yè)合作社，在韓家店鄉(xiāng)、郭家屯鎮(zhèn)、舊屯鄉(xiāng)、唐三營(yíng)鎮(zhèn)、湯頭溝鎮(zhèn)等鄉(xiāng)鎮(zhèn)使用X4Z四旋翼農(nóng)用植保無(wú)人機(jī)進(jìn)行農(nóng)田飛防植保示范作業(yè)。經(jīng)測(cè)算，X4Z四旋翼農(nóng)用植保無(wú)人機(jī)采購(gòu)單價(jià)8萬(wàn)～10萬(wàn)元，單機(jī)使用年限為5年，在保證植保效率、飛行器安全和操縱人員合理疲勞度的前提下，規(guī)定日植保作業(yè)時(shí)間為5 h，每小時(shí)有效飛行時(shí)間約40 min，每小時(shí)作業(yè)面積4 hm2（60畝），每天可保證20 hm2（300畝）有效植保面積；而傳統(tǒng)人工菜田日植保面積約0.53 hm2（8畝），平均每小時(shí)作業(yè)面積0.06 hm2（0.9畝）。目前，X4Z四旋翼農(nóng)用植保無(wú)人機(jī)操作人員工資為200元·d-1，雇傭普通勞動(dòng)力工資為100元·d-1。由于減少了田間踩踏、避免了植株機(jī)械損傷，藥效期延長(zhǎng)，病蟲(chóng)害發(fā)生減輕，與人工菜田植保作業(yè)相比，使用農(nóng)用無(wú)人機(jī)植保作業(yè)成本可降低41.57%，節(jié)省植保用水99.12%。

3　山區(qū)農(nóng)用無(wú)人機(jī)飛防植保優(yōu)勢(shì)明顯

3.1成本低

目前，傳統(tǒng)人工菜田植保作業(yè)的工時(shí)費(fèi)用約為187.5元·hm-2；采用X4Z四旋翼農(nóng)用植保無(wú)人機(jī)，按單機(jī)年飛行20天（保守計(jì)算）、日作業(yè)20 hm2（300畝），5年設(shè)備質(zhì)保期內(nèi)總飛防面積可達(dá)2 000 hm2（3萬(wàn)畝），折算成本約62.6元·hm-2（含飛機(jī)折舊、操作人員工時(shí)費(fèi)、充電系統(tǒng)消耗等）。

3.2工作效率高

經(jīng)測(cè)算，采用X4Z四旋翼農(nóng)用植保無(wú)人機(jī)進(jìn)行菜田病蟲(chóng)害防治的效率是傳統(tǒng)人工背負(fù)噴霧器防治的67.5倍，年節(jié)省約91%的植保用工，并且能夠合理、有效地利用最佳病蟲(chóng)害防控時(shí)段，提升防控效果。

3.3適用作物廣

該機(jī)型可應(yīng)用于露地大白菜、甘藍(lán)、菜用枸杞等冀北山區(qū)主栽蔬菜作物的地上莖、葉部位復(fù)雜藥劑處理，同時(shí)適用于水稻、玉米等冀北主栽糧食作物飛防植保作業(yè)。

3.4環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)

X4Z四旋翼農(nóng)用植保無(wú)人機(jī)對(duì)場(chǎng)地沒(méi)有特殊要求，山地、坡地等復(fù)雜地形在可視范圍內(nèi)，只要在風(fēng)力不大于3級(jí)的晴、陰、多云等無(wú)降雨天氣均可完成，且施藥后具有較強(qiáng)的耐雨水沖刷效果。

3.5受藥面積大

與固定翼無(wú)人植保機(jī)、無(wú)人植保直升機(jī)相比，X4Z四旋翼農(nóng)用植保無(wú)人機(jī)使用過(guò)程中在旋翼下洗氣流的作用下能有效增強(qiáng)農(nóng)藥?kù)F化效果，有助于增加霧流對(duì)作物的穿透性。同時(shí)依靠?jī)A角合力升舉設(shè)計(jì)，在最佳飛行速度和飛行高度下，藥?kù)F在下洗氣流影響下向兩側(cè)旋轉(zhuǎn)下落、上翻，使作物根基部和葉背部均勻受藥。

3.6農(nóng)業(yè)危害小

采用農(nóng)用無(wú)人機(jī)進(jìn)行飛防植保作業(yè)，操作人員遠(yuǎn)離噴藥區(qū)域，不受田間藥劑飄散危害，避免人員農(nóng)藥中毒等傷害事故發(fā)生。同時(shí)小型農(nóng)用無(wú)人機(jī)多采用電力驅(qū)動(dòng)，無(wú)廢氣排放，符合國(guó)家節(jié)能減排和生態(tài)農(nóng)業(yè)發(fā)展要求。

4　農(nóng)用無(wú)人機(jī)飛防植保的局限性

4.1受設(shè)備條件影響

X4Z四旋翼農(nóng)用植保無(wú)人機(jī)生產(chǎn)及維護(hù)成本8萬(wàn)～10萬(wàn)元，與國(guó)內(nèi)主流植保無(wú)人機(jī)價(jià)格相仿，但一次性投入較大，普通農(nóng)戶或農(nóng)業(yè)組織較難接受。農(nóng)用無(wú)人機(jī)多采用電力驅(qū)動(dòng)，載質(zhì)量越大續(xù)航時(shí)間越短，10 L載質(zhì)量的單架次菜田植保約15 min，覆蓋面積近1 hm2（15畝），僅適合中小規(guī)模使用。變換作業(yè)地塊操作時(shí)需要視覺(jué)判斷，作業(yè)最遠(yuǎn)距離不應(yīng)超出起飛點(diǎn)500 m（監(jiān)視器實(shí)時(shí)顯示農(nóng)用無(wú)人機(jī)距離起飛點(diǎn)的距離），有一定的飛行半徑。另外，農(nóng)用無(wú)人機(jī)設(shè)備種類較多，機(jī)構(gòu)差異較大，技術(shù)很難規(guī)范統(tǒng)一。

4.2受農(nóng)藥劑型影響

由于采用超微量噴灑，對(duì)選用的藥劑要求比較嚴(yán)格，必須選擇正規(guī)廠家生產(chǎn)的合格產(chǎn)品，對(duì)作物敏感度低、水溶性好、無(wú)殘?jiān)母咝А⒌投?、低殘留農(nóng)藥或生物農(nóng)藥，不可用于噴灑除草劑。經(jīng)實(shí)際應(yīng)用發(fā)現(xiàn)油劑效果最佳，其他溶解型藥劑需要提前準(zhǔn)備。藥劑配制過(guò)程中盡量選用中性水，以提高藥效。由于藥液濃度較高，不宜在苗期使用，同時(shí)藥效期和安全間隔期應(yīng)適當(dāng)延長(zhǎng)。

4.3受病害種類影響

冀北地區(qū)冬春寒冷、夏秋涼爽，具有獨(dú)特的氣候類型，露地蔬菜及大田農(nóng)作物病蟲(chóng)害發(fā)生相對(duì)較輕，采用X4Z四旋翼農(nóng)用植保無(wú)人機(jī)進(jìn)行飛防植?？蛇_(dá)到較好的防治效果。但農(nóng)用無(wú)人機(jī)噴灑藥液主要作用范圍為淺層地表和作物地上莖、葉部位，對(duì)于深層地下害蟲(chóng)及土傳病害來(lái)說(shuō)，如單一使用農(nóng)用無(wú)人機(jī)防治效果一般。

4.4受操作人員影響

農(nóng)用無(wú)人機(jī)是將遙感技術(shù)與精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)有效結(jié)合，集成了農(nóng)業(yè)裝備科技和園藝植保技術(shù)，對(duì)操作人員具有較高的要求。與固定翼植保無(wú)人機(jī)、無(wú)人植保直升機(jī)相比，雖然X4Z四旋翼農(nóng)用植保無(wú)人機(jī)操作相對(duì)簡(jiǎn)單，但農(nóng)村務(wù)農(nóng)人員綜合素質(zhì)相對(duì)較低，操作農(nóng)用無(wú)人機(jī)還是有一定難度的，通過(guò)對(duì)5名農(nóng)機(jī)能手培訓(xùn)10次，田間操作仍不穩(wěn)定。如大范圍應(yīng)用農(nóng)用無(wú)人機(jī)進(jìn)行飛防植保，則亟須加強(qiáng)新型職業(yè)農(nóng)民培訓(xùn)，培育專業(yè)組織集中實(shí)施。

4.5受自然環(huán)境影響

為了保證續(xù)航時(shí)間，農(nóng)用無(wú)人機(jī)設(shè)備總質(zhì)量通常較輕，易受天氣影響，當(dāng)風(fēng)力大于4級(jí)以上則無(wú)法較好的完成操作。由于采用超微量噴霧，藥液濃度較高，在高溫季節(jié)噴藥受時(shí)間限制，需避開(kāi)午間高溫時(shí)段，一般選擇上午10：00以前、下午16：00以后作業(yè)，避免產(chǎn)生藥害。多障礙（如電線桿、樹(shù)木等）地塊農(nóng)用無(wú)人機(jī)飛防難度加大，如操作不當(dāng)易損壞設(shè)備。

5　冀北農(nóng)用無(wú)人機(jī)飛防植保前景

據(jù)有關(guān)資料顯示，日本及美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家從20世紀(jì)90年代就開(kāi)始了現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)航空植保裝備的研發(fā)，國(guó)外單臺(tái)農(nóng)業(yè)植保無(wú)人機(jī)的產(chǎn)品報(bào)價(jià)為80萬(wàn)～100萬(wàn)人民幣甚至更高，而X4Z四旋翼農(nóng)用植保無(wú)人機(jī)和國(guó)產(chǎn)典型農(nóng)用無(wú)人機(jī)價(jià)格僅為國(guó)外產(chǎn)品報(bào)價(jià)的10%～20%，在此價(jià)格基礎(chǔ)上推廣無(wú)人機(jī)植保技術(shù)，具有明顯的價(jià)格優(yōu)勢(shì)。近年來(lái)承德市率先引進(jìn)以植保無(wú)人機(jī)為代表的現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)裝備，并不斷加大研發(fā)推廣力度，組成有關(guān)農(nóng)業(yè)裝備研發(fā)推廣團(tuán)隊(duì)，具有良好的技術(shù)儲(chǔ)備。目前承德地區(qū)露地蔬菜生產(chǎn)中應(yīng)用無(wú)人機(jī)植保面積不足2%，如全市80%露地蔬菜應(yīng)用該技術(shù)，年可節(jié)約1.32億元植保費(fèi)用而轉(zhuǎn)入農(nóng)民純收入；如將該技術(shù)覆蓋馬鈴薯、水稻、玉米、中藥材等一批區(qū)域性特色產(chǎn)業(yè)，挖掘更廣泛的潛在市場(chǎng)，則可實(shí)現(xiàn)大范圍的農(nóng)民增收、農(nóng)業(yè)增效。

基金項(xiàng)目：河北省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系蔬菜創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目，承德市科技計(jì)劃項(xiàng)目（20157025）

收稿日期：2015-08-24；接受日期：2016-01-20