葉新平

（泰興市濟(jì)川街道經(jīng)濟(jì)發(fā)展局，江蘇 泰興 225400）

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，無人機(jī)從一開始的應(yīng)用于測繪攝像、偵查監(jiān)視及定位識別等領(lǐng)域逐步擴(kuò)展至農(nóng)業(yè)領(lǐng)域。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，對農(nóng)作物影響最大的因素之一就是病蟲害，其會嚴(yán)重影響農(nóng)作物的產(chǎn)量和質(zhì)量。植保無人機(jī)在噴藥過程中具有對農(nóng)作物無損傷、作業(yè)強(qiáng)度低及作業(yè)效率高等特點(diǎn)，現(xiàn)已逐步取代傳統(tǒng)的人工噴藥作業(yè)方式，并廣泛應(yīng)用于綠色農(nóng)業(yè)植保領(lǐng)域?；诖耍P者對農(nóng)用植保無人機(jī)的施藥技術(shù)和發(fā)展趨勢進(jìn)行分析，旨在促進(jìn)植保無人機(jī)各方面性能的提升。

1 農(nóng)用植保無人機(jī)的應(yīng)用優(yōu)勢

1.1 定位精準(zhǔn)

無人機(jī)定位系統(tǒng)主要由用戶端、地面基站、驅(qū)動控制器、速度傳感器、飛行控制器、通用無線分組業(yè)務(wù)（General Packet Radio Services，GPRS）網(wǎng)絡(luò)及定位終端導(dǎo)航衛(wèi)星等組成。飛行主控制器先對不同模塊信息進(jìn)行精準(zhǔn)采集，用戶端再對全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）等模塊定位數(shù)據(jù)進(jìn)行收集、處理后完成傳輸。此系統(tǒng)主要是通過控制不同模塊間的串口完成精準(zhǔn)定位，即控制相應(yīng)模塊讀取GPRS及GPS位置信息后，系統(tǒng)再按照位置信息執(zhí)行控制算法，同時輸出相應(yīng)的控制信號控制電機(jī)，以此保證植保無人機(jī)在作業(yè)方面的精準(zhǔn)性。

1.2 工作效率高

傳統(tǒng)農(nóng)藥噴施機(jī)械在作業(yè)形式、施藥量等方面都存在一定限制，這在一定程度上導(dǎo)致農(nóng)作物病蟲害防治工作效率較低。農(nóng)用植保無人機(jī)屬于防止農(nóng)作物受災(zāi)的高科技、高效率設(shè)備。在實際作業(yè)環(huán)節(jié)，技術(shù)人員只需要在設(shè)備上設(shè)定相關(guān)參數(shù)，就能夠?qū)崿F(xiàn)對病蟲害有效防治，并且通常情況下不需要耗費(fèi)過多的勞動力，可在一定程度上幫助農(nóng)戶節(jié)省人力成本。此外，技術(shù)人員還可對無人機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，只需要對其發(fā)送相關(guān)指令即可有效調(diào)節(jié)和控制無人機(jī)實際飛行狀態(tài)，精準(zhǔn)控制無人機(jī)的具體工作模式［1］。

1.3 適應(yīng)性好

無人機(jī)應(yīng)用范圍較廣，適應(yīng)性好，如在山地、沼澤等傳統(tǒng)農(nóng)機(jī)具無法進(jìn)入作業(yè)的地區(qū)，均可通過無人機(jī)開展作業(yè)。植保無人機(jī)正式投入使用前，技術(shù)人員先根據(jù)農(nóng)田的實際情況對工作參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，無人機(jī)接收到相關(guān)指令后就能夠?qū)r(nóng)作物展開自主防治作業(yè)。

2 農(nóng)用植保無人機(jī)精準(zhǔn)施藥技術(shù)研究進(jìn)展

2.1 航空靜電噴霧技術(shù)

航空靜電噴霧技術(shù)主要是指通過感應(yīng)式、電暈式及接觸式等充電形式促使霧滴攜電，基于高壓靜電影響下，帶電藥液可主動附著在農(nóng)作物的正反面靶標(biāo)，實現(xiàn)吸附目的。靜電噴霧可充分發(fā)揮施藥量降低、飄移減少等優(yōu)勢，能夠高質(zhì)量解決植保無人機(jī)在施藥方面的技術(shù)問題，確保施藥的精準(zhǔn)性。

現(xiàn)階段，我國尚缺乏詳細(xì)的無人機(jī)靜電噴霧技術(shù)的規(guī)范使用說明，并且不同技術(shù)人員選擇的參數(shù)、旋翼數(shù)量及機(jī)型都有所不同，這在一定程度上導(dǎo)致研究成果缺乏可借鑒的意義。當(dāng)前，研究人員應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注無人機(jī)的延續(xù)性和基礎(chǔ)性試驗研究，重點(diǎn)解決飛控協(xié)調(diào)性弱、播撒、靜電系統(tǒng)及載重等基礎(chǔ)性問題，將霧滴帶電的單一技術(shù)向系統(tǒng)整體研究方向轉(zhuǎn)變。

2.2 農(nóng)藥變量噴霧技術(shù)

變量噴霧技術(shù)主要是先對農(nóng)作物具體情況進(jìn)行分析，然后有針對性地調(diào)整施藥方式和施藥量，以最少的噴施量獲得最佳的防治效果。該技術(shù)在實際應(yīng)用中通常涉及執(zhí)行指令感知、數(shù)據(jù)控制與處理、信息獲取等技術(shù)。目前，變量噴霧技術(shù)的應(yīng)用有兩種類型，一種是基于處方圖，另一種是基于實時感知?；谔幏綀D的變量噴霧技術(shù)是按照農(nóng)田信息的分析結(jié)果調(diào)整作業(yè)模式，而基于實時感知的變量噴霧技術(shù)則是在作業(yè)期間實時獲取農(nóng)田信息，然后對信息進(jìn)行快速判斷并實施變量噴霧。相關(guān)研究顯示，變量噴霧與以往傳統(tǒng)的噴藥方式相比可節(jié)約60%的藥量［2］。

我國部分學(xué)者對航空變量噴霧技術(shù)進(jìn)行了探索性的深入研究。2014年，我國研究人員就利用PWM技術(shù)對無人機(jī)的農(nóng)藥載量進(jìn)行控制，然而此次變量噴霧技術(shù)研究缺乏與作業(yè)參數(shù)的有效結(jié)合；2017年后，技術(shù)人員開始研究自動匹配施藥流量和飛行速度的動態(tài)施藥變量系統(tǒng)，然而缺乏對控制效果和算法的深入研究；2019年以來，有學(xué)者植保無人機(jī)對施藥的均勻性與飛行速度之間的關(guān)系進(jìn)行研究，設(shè)計了PID自適應(yīng)變量噴霧技術(shù)系統(tǒng)；在最新研究中，技術(shù)人員還對基于處方圖的變量噴霧技術(shù)進(jìn)行了實時解譯，進(jìn)一步豐富了變量噴霧技術(shù)的理論依據(jù)［3］?，F(xiàn)階段，我國在變量噴霧的精準(zhǔn)施藥領(lǐng)域還處于起步探索期，而提高植保無人機(jī)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的變量噴霧技術(shù)應(yīng)用效果，進(jìn)一步改善當(dāng)前植保作業(yè)的困境，是廣大農(nóng)業(yè)學(xué)者所面臨的挑戰(zhàn)。

2.3 霧滴飄移控制技術(shù)

霧滴飄移包括蒸發(fā)飄移和飛行飄移兩種，是施藥作業(yè)過程中農(nóng)藥隨著空氣向非目標(biāo)運(yùn)動的一種現(xiàn)象。農(nóng)藥飄移會導(dǎo)致嚴(yán)重的環(huán)境污染問題，甚至還會對蜜蜂養(yǎng)殖、人體健康帶來不同程度的影響。因此，研究人員需要對霧滴沉積和飄移的影響因素進(jìn)行深入研究?，F(xiàn)階段，研究人員深入分析了助劑類型和噴霧參數(shù)對農(nóng)藥沉積分布的影響。此外，研究人員還通過風(fēng)洞環(huán)境模擬無人機(jī)的噴霧作業(yè)，分析噴霧助劑、霧化噴頭對噴霧飄移的最終影響。對各種因素下產(chǎn)生的農(nóng)藥飄移、霧滴飄移的規(guī)律進(jìn)行深入研究，有助于加大環(huán)境保護(hù)力度和提高農(nóng)藥的整體利用率。一般情況下，農(nóng)藥霧滴的沉降和滴落都會受到不同因素的制約和影響，所以其實際運(yùn)動狀態(tài)有不穩(wěn)定、不確定的特點(diǎn)。因此，要想實現(xiàn)對農(nóng)藥霧滴實際運(yùn)動狀態(tài)的深入了解，還需要利用數(shù)學(xué)模型完成相關(guān)計算。對于沉降和運(yùn)輸?shù)难芯?，主要是利用實驗室的相關(guān)軟件對噴霧過程進(jìn)行有效模擬，然后利用計算機(jī)模擬無人機(jī)的航行路徑。在此過程中，研究人員能夠清晰識別氣流速度、霧滴的實際蒸發(fā)速度及沉降速度等。

2.4 液滴霧化技術(shù)

學(xué)者對植保無人機(jī)噴灑技術(shù)領(lǐng)域的研究主要集中于防止復(fù)噴和漏噴、霧滴沉降兩個方面。當(dāng)前應(yīng)用的液滴霧化形式主要有兩種，即離心型霧化和液化型霧化。其中，離心型霧化能夠在一定程度上減輕設(shè)備的實際重量，通過發(fā)電機(jī)對噴頭電機(jī)進(jìn)行供電，使農(nóng)藥液滴在離心力的作用形成霧滴。這是最常用的植保無人機(jī)霧化噴頭，能夠通過調(diào)節(jié)噴頭轉(zhuǎn)速改變霧滴大小。無人機(jī)在飛行期間會影響周圍的氣流，這對農(nóng)藥霧滴下降、噴灑范圍也會造成間接影響，甚至還會在一定程度上影響農(nóng)作物病蟲害的整體防治效果?；诖耍瑸楸Ｕ蠠o人機(jī)的農(nóng)藥噴灑效果，研究人員需要深入研究霧滴的實際噴灑路徑。

3 農(nóng)用植保無人機(jī)的發(fā)展趨勢分析

3.1 研發(fā)穩(wěn)定安全的移動操作平臺

進(jìn)入智能化時代，植保無人機(jī)的智能化操控成為主要的研究方向。工作人員可利用移動端App對無人機(jī)進(jìn)行操控，能夠?qū)ζ溥M(jìn)行虛擬搖桿、導(dǎo)航定位、航線規(guī)劃及上升懸停等操作，還能夠有效解決無人機(jī)障礙物感知和躲避等問題?；诖?，積極研發(fā)更成熟、安全并且穩(wěn)定的移動端操作平臺，能夠進(jìn)一步提高植保無人機(jī)的使用效率。

3.2 精準(zhǔn)施藥技術(shù)

減少環(huán)境污染、降低農(nóng)藥殘留并提高農(nóng)藥利用效率是當(dāng)前植保無人機(jī)的發(fā)展趨勢，通過精準(zhǔn)施藥技術(shù)研究，可將無人機(jī)的優(yōu)勢進(jìn)行放大。而當(dāng)前研究人員需要面臨的難題就是如何通過變量噴霧方式提高噴藥技術(shù)的精準(zhǔn)性，并開發(fā)出高效、智能的遙感系統(tǒng)進(jìn)行實時監(jiān)測。將無人機(jī)與遙感技術(shù)相結(jié)合，能夠以空間圖像的形式分析病蟲害狀況、農(nóng)作物營養(yǎng)和生長狀況。我國在遙感器領(lǐng)域的研究已經(jīng)取得較大進(jìn)展，未來在農(nóng)用植保無人機(jī)施藥技術(shù)方面會有更大的應(yīng)用和發(fā)展空間。

3.3 提高航行時間和加大載藥量

植保無人機(jī)在使用過程中普遍存在承載量小、航行時間短等問題。隨著土地流轉(zhuǎn)增加，市場對高航行時間、高運(yùn)載量的無人機(jī)需求量會越來越多。因此，對無人機(jī)飛行時長和載藥量進(jìn)行有效改善，可全面提高無人機(jī)在農(nóng)作物災(zāi)害防治方面的作業(yè)效率。

4 農(nóng)用植保無人機(jī)發(fā)展建議

4.1 加大科研經(jīng)費(fèi)的投入力度

要想促進(jìn)農(nóng)用植保無人機(jī)的推廣應(yīng)用，政府相關(guān)部門及有關(guān)企業(yè)事業(yè)單位就需要加大科研經(jīng)費(fèi)的投入力度，對植保無人機(jī)載荷、續(xù)航、霧化沉降、噴施設(shè)備和原理、精準(zhǔn)施藥、飛控可靠性與穩(wěn)定性、自主避障等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究。政府相關(guān)部門應(yīng)加大對科研院校創(chuàng)新平臺的扶持力度，提高植保無人機(jī)的研究及推廣應(yīng)用效率［4］。

4.2 加強(qiáng)推廣、示范與應(yīng)用

鑒定機(jī)構(gòu)和生產(chǎn)企業(yè)需要嚴(yán)格按照有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)化植保無人機(jī)在鑒定和研究方面的試驗。第一，推廣部門可積極組織種糧大戶、農(nóng)機(jī)合作社等對無人機(jī)的操控性、經(jīng)濟(jì)性、適應(yīng)性及穩(wěn)定可靠性進(jìn)行試驗，明確植保無人機(jī)的優(yōu)勢和劣勢所在，并將試驗情況反饋給研發(fā)制造部門，使其以此為依據(jù)對無人機(jī)進(jìn)行針對性改進(jìn)［5］。第二，研究人員應(yīng)對無人機(jī)作業(yè)參數(shù)、作業(yè)環(huán)境及藥劑助劑等開展試驗，探索出最優(yōu)作業(yè)狀態(tài)，將最優(yōu)作業(yè)參數(shù)篩選出來，并以此為依據(jù)制訂相應(yīng)的作業(yè)規(guī)范。第三，生產(chǎn)企業(yè)、推廣部門和農(nóng)業(yè)主管部門可聯(lián)合組織開展植保無人機(jī)作業(yè)示范和演示，開展無人機(jī)維保、操控等相關(guān)技術(shù)培訓(xùn)，使農(nóng)民能夠?qū)π聶C(jī)具和新技術(shù)有更清晰的認(rèn)知。各地可通過上述方式，實現(xiàn)對植保無人機(jī)的優(yōu)化、推廣和應(yīng)用。

4.3 調(diào)整、優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)

第一，各大高校、科研院所要按照市場實際需求，同企業(yè)共同研發(fā)具有更智能化、更大載荷、更低成本及更好適應(yīng)性等特點(diǎn)的無人機(jī)，聯(lián)合攻關(guān)無人機(jī)失控保護(hù)、精準(zhǔn)定位和自主避障等核心技術(shù)。第二，生產(chǎn)企業(yè)需要關(guān)注用戶的使用反饋信息和需求，協(xié)同各大高校及科研院所對技術(shù)進(jìn)行創(chuàng)新，旨在生產(chǎn)出性能更優(yōu)的無人機(jī)，并將科研成果向?qū)嶋H生產(chǎn)力進(jìn)行轉(zhuǎn)化。第三，租賃商和銷售商需要詳細(xì)分析無人機(jī)在市場中的威脅、機(jī)會、劣勢和優(yōu)勢所在，進(jìn)一步提升植保無人機(jī)在市場上的占有率，同時以市場和政策引導(dǎo)無人機(jī)的特性逐步轉(zhuǎn)變?yōu)閭€性化和差異化，不斷優(yōu)化市場結(jié)構(gòu)，最大限度防止市場出現(xiàn)無序惡性競爭。第四，推廣部門需要與用戶、企業(yè)聯(lián)合做好植保無人機(jī)的應(yīng)用培訓(xùn)、推廣、示范和試驗工作，進(jìn)一步提高作業(yè)效率。在此過程中，技術(shù)人員還需要將推廣和試驗中所遇到的問題及時向生產(chǎn)企業(yè)反饋。第五，用戶需要及時掌握新機(jī)具的使用和維保技術(shù)，并將使用過程中出現(xiàn)的問題和不足向生產(chǎn)企業(yè)反饋。強(qiáng)化產(chǎn)業(yè)鏈上中下游之間的技術(shù)合作與信息交流，能夠在一定程度上提升各方的協(xié)同和創(chuàng)新能力，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)勢互補(bǔ)，并充分聚集產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢資源，最大限度發(fā)揮出各方協(xié)同功效，最終實現(xiàn)從研發(fā)制造到推廣銷售、再到應(yīng)用售后的良性閉環(huán)產(chǎn)業(yè)體系的形成。

5 結(jié)語

農(nóng)用植保無人機(jī)是一種高科技農(nóng)業(yè)設(shè)備。在其推廣應(yīng)用過程中，一方面農(nóng)戶會遇到較多的操作問題，另一方面由于無人機(jī)市場售價相對較高，大部分農(nóng)戶基本沒有能力購置。因此，農(nóng)用植保無人機(jī)的推廣應(yīng)用會存在很多阻礙。但是，植保無人機(jī)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)領(lǐng)域是發(fā)展的必然趨勢，不可忽視其使用價值?；诖?，研究人員需要借助政府的力量進(jìn)行大力推廣，進(jìn)一步加快我國農(nóng)業(yè)的現(xiàn)代化生產(chǎn)進(jìn)程。