蔡銀杰,孫 娟,丁曉輝,張 爽,馮成玉,肖 穎,沈丹波,焦陽(yáng)陽(yáng),郭儀萱
(1.南通科技職業(yè)學(xué)院,江蘇南通226007;2.南通市農(nóng)業(yè)新技術(shù)推廣協(xié)會(huì),江蘇南通226007;3.海安市植保植檢站,江蘇海安 226600;4.南通市農(nóng)機(jī)化技術(shù)推廣中心,江蘇南通 226006;5.海安焦氏谷物種植專業(yè)合作社,江蘇海安 226600)
中國(guó)作為擁有1.2億hm2(18億畝)基本農(nóng)田的農(nóng)業(yè)大國(guó),每年的農(nóng)業(yè)植保作業(yè)量很大,由此帶來(lái)的問(wèn)題也很多。據(jù)統(tǒng)計(jì),中國(guó)每年因防治病蟲(chóng)害不及時(shí),造成的糧食作物產(chǎn)量損失達(dá)10%以上。我國(guó)每年農(nóng)藥中毒人數(shù)有10萬(wàn)之眾,致死率約20%,農(nóng)藥殘留和污染造成的健康傷害、生態(tài)危害更是難以統(tǒng)計(jì)。近20年來(lái)發(fā)達(dá)國(guó)家一直都在使用無(wú)人機(jī)進(jìn)行農(nóng)藥噴灑,主要因?yàn)樾⌒蜔o(wú)人駕駛直升機(jī)用于植保病蟲(chóng)防治具有很多優(yōu)點(diǎn),如作業(yè)高度低,飄移少,可空中懸停,無(wú)需專用起降機(jī)場(chǎng),旋翼產(chǎn)生的向下氣流有助于增加霧流對(duì)作物的穿透性,防治效果高,遠(yuǎn)距離遙控操作,避免了噴灑作業(yè)人員暴露于農(nóng)藥的危險(xiǎn)等。另外,植保無(wú)人機(jī)采用噴霧噴灑方式可減少農(nóng)藥使用量,節(jié)約90%的用水量,很大程度地降低了資源成本,可廣泛應(yīng)用于小麥、水稻、果樹(shù)、棉花等農(nóng)作物的病蟲(chóng)害防治。
農(nóng)業(yè)部專家對(duì)中國(guó)航空植保技術(shù)需求情況的預(yù)測(cè)表明,中國(guó)農(nóng)業(yè)航空產(chǎn)業(yè)是一個(gè)尚未真正啟動(dòng)的大產(chǎn)業(yè),未來(lái)中國(guó)農(nóng)業(yè)航空市場(chǎng)的需求將會(huì)有爆發(fā)性增長(zhǎng),新增機(jī)型投入將達(dá)到465億元以上。隨著相關(guān)制度及配套核心技術(shù)的不斷完善,中國(guó)農(nóng)業(yè)航空產(chǎn)業(yè)必將得到健康、有序和高速發(fā)展,有利于實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)病蟲(chóng)害統(tǒng)防統(tǒng)治,實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)作業(yè),極大地提速中國(guó)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的進(jìn)程。
植保無(wú)人機(jī)是用于農(nóng)林植物保護(hù)作業(yè)的無(wú)人駕駛飛機(jī),主要是通過(guò)地面遙控或GPS飛控,來(lái)實(shí)現(xiàn)噴灑作業(yè),可以噴灑藥劑、種子等。與傳統(tǒng)植保作業(yè)相比,無(wú)人機(jī)植保作業(yè)具有精準(zhǔn)、高效、環(huán)保、智能化、操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn),此外,由于植保無(wú)人機(jī)體積小,重量輕,運(yùn)輸方便,飛行操控靈活,對(duì)于不同的地塊、作物均具有良好的適用性,因此其應(yīng)用前景非常廣闊,近年來(lái)受到大眾的廣泛關(guān)注。
植保無(wú)人機(jī)大致有2種分類方式:⑴ 按動(dòng)力可分為油動(dòng)無(wú)人機(jī)(發(fā)動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力裝置)、電動(dòng)無(wú)人機(jī)(電機(jī)作為動(dòng)力裝置);⑵ 按機(jī)型結(jié)構(gòu)可分為固定翼無(wú)人機(jī)、單旋翼無(wú)人機(jī)、多旋翼無(wú)人機(jī)。固定翼飛機(jī)主要應(yīng)用于農(nóng)田信息采集和農(nóng)田遙感,具有載量大,飛行速度快,作業(yè)效率高等特點(diǎn)。作業(yè)時(shí)一般采用超低空飛行,距離作物冠層 5~7 m,對(duì)于作業(yè)區(qū)域的地形要求高,一般在開(kāi)闊的農(nóng)場(chǎng)里應(yīng)用較廣。單旋翼植保無(wú)人機(jī)有雙槳、三槳2種型號(hào)。其優(yōu)點(diǎn)是旋翼大,抗風(fēng)能力強(qiáng),飛行穩(wěn)定,霧化效果好,下旋氣流大,穿透力強(qiáng),農(nóng)藥可以打到農(nóng)作物的根莖部位,缺點(diǎn)是造價(jià)較高,操控難度比較大,對(duì)飛手素質(zhì)要求較高。多旋翼植保無(wú)人機(jī)有四旋翼、六旋翼、八旋翼、六軸十二旋翼、八軸十六旋翼等機(jī)型。其優(yōu)點(diǎn)是造價(jià)相對(duì)較低、簡(jiǎn)單易學(xué)、短時(shí)間即可上手作業(yè)。缺點(diǎn)是抗風(fēng)性能較低,連續(xù)作業(yè)能力較差,效率不高。單旋翼和多旋翼無(wú)人機(jī)的體積、載重均相對(duì)較小,操縱靈活,適宜于在較為分散的農(nóng)田區(qū)塊內(nèi)進(jìn)行作業(yè),在我國(guó)廣大農(nóng)村植保作業(yè)中有較強(qiáng)的實(shí)用性。
表1 植保無(wú)人機(jī)按機(jī)型結(jié)構(gòu)劃分及作業(yè)特點(diǎn)
無(wú)人機(jī)有三大核心技術(shù),分別是總體設(shè)計(jì)、動(dòng)力系統(tǒng)和飛控系統(tǒng)。相比軍用無(wú)人機(jī),植保無(wú)人機(jī)是一種相對(duì)低端的無(wú)人機(jī),其結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單,技術(shù)的難點(diǎn)在于動(dòng)力、電池、飛控系統(tǒng)以及噴嘴等幾個(gè)方面。
植保無(wú)人機(jī)的機(jī)體重量通常為10 kg左右,負(fù)載為10~15 kg,因而對(duì)于動(dòng)力系統(tǒng)總體要求不高,一般使用燃油動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)(油動(dòng))或者電機(jī)(電動(dòng))就可以滿足動(dòng)力需求。不過(guò),無(wú)論是選用油動(dòng)還是電動(dòng)裝置,續(xù)航問(wèn)題仍然是困擾植保無(wú)人機(jī)廠商的一大難題。目前行業(yè)內(nèi)較為常見(jiàn)的續(xù)航時(shí)間僅為10~15 min(少部分在20 min以上),這在很大程度上影響了其使用效率。
控制器是無(wú)人機(jī)的核心部件,是制約產(chǎn)業(yè)發(fā)展的核心因素。飛機(jī)控制器的算法開(kāi)發(fā)需要很長(zhǎng)時(shí)間的積累。國(guó)內(nèi)的無(wú)人機(jī)從消費(fèi)級(jí)興起,工業(yè)級(jí)別的控制器開(kāi)發(fā)相對(duì)較弱。植保無(wú)人機(jī)需要在各種地形環(huán)境、風(fēng)力級(jí)別等復(fù)雜環(huán)境下進(jìn)行工作,因此在開(kāi)發(fā)前期需要積累大量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。不過(guò),由于近年來(lái)飛控系統(tǒng)逐步走向開(kāi)源,導(dǎo)致行業(yè)的技術(shù)壁壘降低,使得更多廠商進(jìn)入成為可能。目前,國(guó)內(nèi)植保無(wú)人機(jī)的飛控系統(tǒng)開(kāi)發(fā)基本采用國(guó)外開(kāi)發(fā)成型的飛控平臺(tái)或者國(guó)內(nèi)自主開(kāi)發(fā)的飛控平臺(tái)加載噴藥系統(tǒng)。國(guó)內(nèi)也僅有大疆、傲翼飛控、零度智控等少數(shù)企業(yè)具備飛控系統(tǒng)供應(yīng)能力。
噴嘴是保證農(nóng)藥噴灑效果的重要零部件,因無(wú)人機(jī)飛行噴灑作業(yè)會(huì)產(chǎn)生飄移,故需要開(kāi)發(fā)霧滴譜窄,飄移低的航空專用可控霧化系列噴嘴。此外,由于植保無(wú)人機(jī)作業(yè)環(huán)境差異性大,需要根據(jù)噴嘴、藥液類型、天氣狀況等因素預(yù)測(cè)可能產(chǎn)生的飄移、霧滴的運(yùn)動(dòng)和地面沉積模式等因素,因而需要建立強(qiáng)大的數(shù)據(jù)庫(kù)以支撐作業(yè)的高效進(jìn)行。目前,國(guó)內(nèi)企業(yè)在此環(huán)節(jié)均處于經(jīng)驗(yàn)積累階段,僅有少部分公司經(jīng)過(guò)多年的試飛和作業(yè)試驗(yàn)后積累了較為豐富的經(jīng)驗(yàn)。
盡管迄今中國(guó)植保無(wú)人機(jī)發(fā)展迅速,但是其作業(yè)面積仍不足耕地面積的3%,與世界上農(nóng)業(yè)航空較發(fā)達(dá)國(guó)家如美國(guó)、俄羅斯、澳大利亞、加拿大、巴西、日本、韓國(guó)等仍存在較大的差距[1]。國(guó)內(nèi)農(nóng)業(yè)航空業(yè)自1951年開(kāi)始探索,從起步、發(fā)展直至成熟歷經(jīng)67年。具體情況見(jiàn)表2。
進(jìn)入2017年,新疆、河北、河南和湖北等農(nóng)業(yè)大省區(qū),植保無(wú)人機(jī)已經(jīng)能大規(guī)模作業(yè)了,比如,極飛公司在新疆組織的“百團(tuán)大戰(zhàn)”完成了 13.3萬(wàn) hm2(200萬(wàn)畝)的棉花落葉劑噴灑作業(yè),安陽(yáng)全豐在河南完成了6.7萬(wàn)hm2(100萬(wàn)畝)的集中連片統(tǒng)防統(tǒng)治作業(yè)。整體看,在內(nèi)地20 hm2(300畝)以上的大戶,以及新疆和東北66.7 hm2(1 000畝)以上的大戶對(duì)植保無(wú)人機(jī)接受度最高。至2017年底,據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),全國(guó)植保無(wú)人機(jī)保有量超過(guò)10 000架,作業(yè)面積超過(guò)670萬(wàn)hm2。目前,在主流的電動(dòng)多旋翼植保無(wú)人機(jī)市場(chǎng),已經(jīng)形成以大疆、極飛占據(jù)多數(shù)市場(chǎng),漢和、全豐位居第二陣營(yíng),其他企業(yè)分食剩余市場(chǎng)的格局。2017年整個(gè)飛防市場(chǎng)是跑馬圈地階段,2018年正式步入降價(jià)競(jìng)爭(zhēng)階段,價(jià)格已經(jīng)成為各企業(yè)爭(zhēng)奪的焦點(diǎn)。比較顯著的是在2018年4月北京舉辦的“世界精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)航空大會(huì)”上湖北龍翼機(jī)器人有限公司推出了6 kg機(jī)型,采用鋁合金機(jī)身,簡(jiǎn)化操控系統(tǒng),成功將價(jià)格壓縮在1萬(wàn)元之內(nèi),而價(jià)格的降低,則意味著普通農(nóng)戶市場(chǎng)將會(huì)進(jìn)一步被打開(kāi)[3]。
表2 國(guó)內(nèi)無(wú)人機(jī)植保發(fā)展階段
植保無(wú)人機(jī)施藥技術(shù)的目標(biāo)是精準(zhǔn)施藥,實(shí)現(xiàn)高效的農(nóng)作物病蟲(chóng)草害防治。近年來(lái),農(nóng)作物病蟲(chóng)害逐漸呈現(xiàn)爆發(fā)的趨勢(shì),有時(shí)人工防治效率不夠,大面積病蟲(chóng)害發(fā)生時(shí)無(wú)法及時(shí)防治,從而錯(cuò)過(guò)最佳防治時(shí)期。一般的植保無(wú)人機(jī)每次裝藥可以噴灑8~10 min,每次起降可噴灑 0.667~1.333 hm2(10~20畝)農(nóng)田,是目前傳統(tǒng)的人工噴灑速度的20~60倍,可以在病蟲(chóng)害的最佳防治時(shí)期快速完成飛防作業(yè),從而保證了防治的最佳效果,降低了因防治不及時(shí)給農(nóng)民帶來(lái)的損失。
此外,植保無(wú)人機(jī)飛行產(chǎn)生的下降氣流吹動(dòng)葉片,能使葉片正反面均能著藥,防治效果相比人工與機(jī)械提高15%~35%,應(yīng)對(duì)突發(fā)、爆發(fā)性病蟲(chóng)害的防控效果好;不受作物長(zhǎng)勢(shì)的限制,可解決作物生長(zhǎng)中后期地面機(jī)械難以下田作業(yè)的問(wèn)題。例如:作物生長(zhǎng)至封行后行壟不清晰,特別是對(duì)于玉米等高稈作物,玉米大喇叭口期高度一般都在1.2 m以上,與拖拉機(jī)配套的普通懸掛式、牽引式噴桿噴霧機(jī)難以進(jìn)入進(jìn)行殺蟲(chóng)劑、殺菌劑、除草劑以及催熟脫葉劑、增糖劑、葉面肥料等噴灑作業(yè),尤其在丘陵山區(qū)交通不便、人煙稀少或內(nèi)澇嚴(yán)重的地區(qū),地面機(jī)械難以進(jìn)入作業(yè),航空作業(yè)可很好地解決這一難題。
植保無(wú)人機(jī)具有精準(zhǔn)作業(yè)、高效環(huán)保、智能化、操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn),為農(nóng)戶節(jié)省大型機(jī)械和大量人力的成本。全國(guó)各地不少地區(qū)都已使用植保無(wú)人機(jī)進(jìn)行藥物作業(yè),受到了人們的肯定。據(jù)相關(guān)人士稱,未來(lái)農(nóng)業(yè)植保領(lǐng)域?qū)?huì)有千億市場(chǎng)空間[2]。
植保無(wú)人機(jī):用于執(zhí)行農(nóng)藥噴灑。
智能氣象站:獲取當(dāng)?shù)氐目諝鉂穸?、溫度、氣候條件以及風(fēng)速風(fēng)向等。
智能手持終端(地面端):用于實(shí)施監(jiān)視無(wú)人機(jī)飛行中的參數(shù)(高度、速度等),農(nóng)藥噴灑情況(剩余藥液以及噴灑密度等),航線規(guī)劃(航線完成的進(jìn)度)等。
RTK定位系統(tǒng):RTK定位系統(tǒng)包含GNSS手持測(cè)繪器、RTK模塊和移動(dòng)基站。RTK技術(shù)使作業(yè)前所規(guī)劃航線的精度達(dá)到厘米級(jí),同時(shí)讓植保無(wú)人機(jī)實(shí)現(xiàn)厘米級(jí)高精度航線飛行[5]。
智能電池:智能電池由高密度鋰聚合物制成,具有自動(dòng)平衡功能,可以防止電池的過(guò)度充放電,極大的提高了電池的使用壽命。智能電池在低溫環(huán)境下還可以自動(dòng)加熱,使得無(wú)人機(jī)在嚴(yán)酷的氣溫條件下也能正常作業(yè)。藥箱:要采用防止浪涌結(jié)構(gòu)的藥箱,提升空間利用率;藥箱內(nèi)部經(jīng)過(guò)特殊設(shè)計(jì),防止藥物殘余;雜質(zhì)過(guò)濾系統(tǒng)能有效地防止管道堵塞;創(chuàng)新的藥箱插口設(shè)計(jì),使其即插即用,即拔即關(guān),方便易用,提高作業(yè)效率。
多旋翼:大疆MG-1S(MG-1P)、極飛P20(P30)、零度Z10、守護(hù)者、天鷹兄弟等。
單旋翼:無(wú)錫漢和、高科新農(nóng)等。
表3 國(guó)內(nèi)主流植保無(wú)人機(jī)型號(hào)參數(shù)對(duì)比
⑴ 天氣因素:雨天嚴(yán)禁飛行,風(fēng)力大于4級(jí)的天氣暫緩作業(yè),風(fēng)力大于6級(jí)的天氣嚴(yán)禁作業(yè)。⑵地理因素:作業(yè)田塊周界10 m范圍內(nèi)無(wú)人員居住的房舍。作業(yè)田塊周界10 m范圍內(nèi)無(wú)防護(hù)林、高壓線塔、電桿等障礙物。作業(yè)田塊中間無(wú)影響飛行安全的障礙物或影響飛行視線的障礙物。作業(yè)田塊周界或田塊中間有合適飛機(jī)的起落點(diǎn)。作物高度應(yīng)低于操作人員的視線,操作人員能夠觀察到飛機(jī)飛行姿態(tài)。作業(yè)田塊應(yīng)有適合操控人員行走的道路[3]。
隨著我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)代化的發(fā)展,農(nóng)業(yè)對(duì)植保無(wú)人機(jī)的需求量逐年增加。需積極采取有效措施應(yīng)對(duì)發(fā)展難題,從政策扶持、體制建設(shè)、技術(shù)保障、人員保障及安全監(jiān)管等多方面共同入手,提高無(wú)人機(jī)植保作業(yè)效率,實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物病蟲(chóng)害的統(tǒng)防統(tǒng)治,加快我國(guó)農(nóng)業(yè)航空植保無(wú)人機(jī)的發(fā)展步伐。
企業(yè)和科研院校發(fā)揮各自優(yōu)勢(shì)進(jìn)行產(chǎn)學(xué)研合作,研發(fā)適用的先進(jìn)植保無(wú)人機(jī)及其配套技術(shù),推動(dòng)科研院校的成果轉(zhuǎn)化,加快推進(jìn)植保無(wú)人機(jī)的可持續(xù)發(fā)展。發(fā)揮國(guó)內(nèi)高校、科研單位、企業(yè)以及相關(guān)農(nóng)業(yè)航空聯(lián)盟與學(xué)會(huì)的作用,普及農(nóng)業(yè)航空知識(shí),培養(yǎng)航空植保人才。將目前企業(yè)進(jìn)行的植保無(wú)人機(jī)操控手的培訓(xùn)納入農(nóng)機(jī)培訓(xùn)的范疇,對(duì)無(wú)人機(jī)操控手進(jìn)行無(wú)人機(jī)管理法規(guī)以及植保知識(shí)培訓(xùn),提高行業(yè)整體水平。近年來(lái),華南農(nóng)業(yè)大學(xué)國(guó)家精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)航空施藥技術(shù)國(guó)際聯(lián)合研究中心與安陽(yáng)全豐、廣州極飛、北大荒通用、山東瑞達(dá)、深圳高科新農(nóng)、新疆天山羽人航空植??萍加邢薰镜榷嗉移髽I(yè)簽訂了產(chǎn)學(xué)研合作協(xié)議,開(kāi)展了包括技術(shù)開(kāi)發(fā)、聯(lián)合施藥試驗(yàn)等實(shí)質(zhì)性合作,并聯(lián)合國(guó)內(nèi)十幾個(gè)省(自治區(qū))進(jìn)行了有人機(jī)、無(wú)人機(jī)航空遙感與施藥、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航等合作試驗(yàn)與技術(shù)研發(fā),目前已初見(jiàn)成效,是產(chǎn)學(xué)研合作的成功范例。
精準(zhǔn)噴施作業(yè)是確保植保無(wú)人機(jī)有效防治病蟲(chóng)的前提。通過(guò)多傳感器、多光譜輔助、多時(shí)甚至多分辨率遙感數(shù)據(jù)融合,利用GIS技術(shù)創(chuàng)建精確的植保作業(yè)處方圖,依據(jù)處方圖預(yù)設(shè)作業(yè)路線,通過(guò)植保無(wú)人機(jī)的智能飛行控制,進(jìn)行無(wú)人機(jī)的遠(yuǎn)程控制或自主飛行。植保無(wú)人機(jī)自主飛行時(shí),通過(guò)傳感器、GPS導(dǎo)航、遙感和超聲波測(cè)距等技術(shù),在線感知環(huán)境形勢(shì),根據(jù)實(shí)時(shí)采集到的環(huán)境信息進(jìn)行建模分析和輔助決策,及時(shí)調(diào)整飛行路線和施藥設(shè)備參數(shù),進(jìn)行避障飛行和精準(zhǔn)施藥,減少霧滴飄移,提高無(wú)人機(jī)作業(yè)效率。目前,大部分植保無(wú)人機(jī)智能飛行控制的研究是在相對(duì)確定的環(huán)境下進(jìn)行,更長(zhǎng)遠(yuǎn)的目標(biāo)是要實(shí)現(xiàn)在快速變化的不確定環(huán)境下,增強(qiáng)植保無(wú)人機(jī)對(duì)地形的適應(yīng)能力,提高植保施藥和飛行控制精度,實(shí)現(xiàn)真正意義上的植保無(wú)人機(jī)精準(zhǔn)噴施作業(yè)。
采用新一代信息技術(shù),建立“互聯(lián)網(wǎng)+”精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)航空服務(wù)綜合服務(wù)平臺(tái),為農(nóng)業(yè)航空植保作業(yè)服務(wù)商和終端農(nóng)戶提供溝通和服務(wù)的橋梁,便于政府和有關(guān)部門(mén)對(duì)植保無(wú)人機(jī)實(shí)施跟蹤和監(jiān)管。通過(guò)平臺(tái)可對(duì)植保服務(wù)、作業(yè)效果和植保無(wú)人機(jī)檢測(cè)進(jìn)行管理,對(duì)作業(yè)人員、植保無(wú)人機(jī)及其他物資進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)配,利用大數(shù)據(jù)技術(shù)為廣大農(nóng)戶提供多種無(wú)人機(jī)植保增值服務(wù)。隨著植保無(wú)人機(jī)產(chǎn)業(yè)化的推進(jìn),技術(shù)、人員和配套設(shè)施保障的加強(qiáng),植保無(wú)人機(jī)的應(yīng)用將向多元化、精準(zhǔn)化和智能化發(fā)展[4]。
植保無(wú)人機(jī)的應(yīng)用技術(shù)將為我國(guó)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展帶來(lái)巨變,特別是在發(fā)展植保無(wú)人機(jī)技術(shù)的同時(shí),國(guó)家通過(guò)制定相應(yīng)的扶持政策,完善標(biāo)準(zhǔn)與補(bǔ)貼制度,引導(dǎo)常規(guī)藥劑的飛防登記管理,鼓勵(lì)農(nóng)化企業(yè)研發(fā)飛防專用藥劑,進(jìn)一步完善植保無(wú)人機(jī)技術(shù)維護(hù)保障機(jī)制。植保無(wú)人機(jī)必將步入快速發(fā)展階段,為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展和鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的實(shí)施發(fā)揮重要支撐作用。