植保無人機施藥技術研究進展
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摘要 農用植保無人作業機是農業生產中防治病蟲害的新興植保裝備之一。通過分析、總結近幾年植保無人機在田間病蟲害防治、智能調控、作業航路規劃等方面的施藥技術研究與應用，分析植保無人機作業模式與作業特點，明確了現階段利用植保無人機進行病蟲害防控的發展趨勢，以期為植保無人機的推廣應用提供參考。
關鍵詞 無人機;智能;噴霧;病蟲害防控
中圖分類號 S43;S252+.3 文獻標識碼 A 文章編號 1007-5739（2019）11-0125-04
Abstract Agricultural plant protection drone is one of the new plant protection equipment for pest control in agricultural production. Through analysis and summary of research and application of drone pesticide application technology in plant pest control，intelligent regulation，and operation route planning and so on in recent years，the operation mode and characteristics of plant protection drones were analyzed，and the development trend of using plant protection drones to prevent pests and diseases was clarified at this stage，in order to provide references for the promotion and application of plant protection drones.
Key words drone;intelligence;spray;pest and disease prevention and control
隨著我國農業的飛速發展，農業病蟲害防治依然是農業生產的重點內容，噴施化學農藥是現階段果園及農田防治病蟲害的主要方法。但近年來我國農村勞動力人口不斷減少，農業勞動力短缺、用工成本高等現象在一定程度上阻礙了病蟲害防治工作的開展[1]。為了實現快速高效地防治病蟲害，亟需利用更先進科學的施藥技術代替傳統的植保作業方式。相比于傳統施藥作業方式，農用無人機在植保作業中表現出了明顯的特點和優勢。
1 農用無人機發展現狀
目前，我國植保作業投入的勞動力多且勞動強度大，使用手動噴霧器與背負式機動噴霧器分別約占國內植保機械的93.07%和5.53%[2]。但傳統噴霧器械工作效率低，作業時間長，農藥利用率低，有50%～70%的農藥流失到土壤或飄移到環境中，大部分農藥不僅沒有起到防控作用，反而污染了環境[3]。植保無人機具有高效省藥等優點，成為農業植保領域的一個利器[4]。近年來，為了提高植保作業效率，降低農業植保的污染度，植保無人機已經在部分地區使用[5]。無人機噴藥相比于傳統噴藥方式，具有很多優點。但是其發展和需求仍然存在著較大的不平衡，我國植保無人機航空施藥面積占總耕地面積的比例不足2%[6]。隨著科技的發展，我國植保無人機已轉化成了多種化的植保方式，為實現減量控害、提高作業效率、降低勞動力成本、科學使用農藥、降低損耗，植保無人機在農業上的應用將會更廣泛[7]。
2 植保無人機結構及工作原理
無人機噴藥是用植保無人機將農藥帶到作物上空，從上往下噴灑農藥殺滅病蟲害的一種作業方式。無人機植保起源于1987年的日本，2012年后在我國正式推廣[8]。
農業植保無人機主要由動力系統、噴灑系統、飛控系統等部分組成。其中，常見的動力系統為電力動力系統，主要包括無人機的動力電池、電機、電子調速器、旋翼等部分，為無人機的運行提供動力能源;噴灑系統為植保無人機進行施藥作業的主要工作部件，在整機結構中具有重要作用;飛控系統是指無人機的控制系統，用于提供控制與決策指令，使無人機完成GPS定位、導航、數據采集等工作[9]。
無人機是通過電機的旋轉，使螺旋槳產生升力，當飛機全部旋翼同時產生的升力之和等于飛機自身總重量時，飛機的升力與重力相平衡，飛機就會自動保持懸停狀態。通過調節電機轉速，可以改變各個旋翼的轉速，實現升力的變化，控制飛行器的運動狀態[10]。當全部旋翼產生的升力之和大于無人機機身總重量時，無人機向上飛起;反之則下降。當無人機后端旋翼轉速增大、前端旋翼轉速降低時，無人機前進;反之則后退。當左側旋翼轉速增大、右側旋翼轉速降低時，無人機向右側飛行;反之則向左側飛行。
無人機噴灑農藥，更省時省力、省水省藥，在提高作業效率的同時節約成本。作業不受地形、作物長勢限制，能夠適應不同的施藥環境，操作靈活[11]。且可通過遠距離遙控操作作業任務，避免了作業人員暴露在農藥之下的危險，保障了人員的安全。
近年來，我國廣大研究學者從不同方面對無人機植保技術進行了研究。
3 無人機植保技術
3.1 無人機田間植保技術
劉道奇等[12]通過應用3W16-10型多旋翼植保無人機開展噴霧均勻性試驗，得到的最佳作業參數為飛行高度1.39 m、飛行速度2.38 m/s、噴霧壓力0.5 MPa。 陶 波等[13]利用植保無人機開展田間飛防試驗，對比田間雜草防效，分析了植保無人機最佳作業狀態，并提出了無人機作業狀態為飛行高度1 m、飛行速度5 m/s、噴液流量1 800 mL/min。
李繼宇等[14]通過試驗檢測了無人機形成的不同粒徑霧滴在水稻冠層的沉積效果及穿透性，結果表明，水稻冠層下部的霧滴沉積量均高于上部和中部;且噴霧粒徑越小，單位面積藥液沉積量越多，霧滴穿透性也越好。
胡中澤等[15]通過進行田間藥效試驗得出，相比于電動噴霧器防治處理，無人機防治處理在第10天對病害的防治效果更好;添加助劑處理的發病率和病情指數均低于不加助劑的處理，說明助劑能夠輔助提高小麥植株對藥液的吸收能力，顯著提高對病蟲害的防治能力。
胡紅巖等[16]提出，在棉花生產過程中，尤其是生長中后期，棉花冠層葉片相互遮擋嚴重，采用植保無人機噴施脫葉劑，可以極大地提高作業效率和脫葉催熟效果。
淦 城等[17]研究表明，無人機田間作業能避免作業期間因踩踏產生的油菜損傷，作業效率高、節水、省工、勞動強度低，節本增收效益明顯。
顏貞龍等[18]通過進行植保無人機與常規電動噴霧機防治水稻病蟲害的藥效對比試驗發現，在使用相同藥劑條件下，水稻分蘗盛期、孕穗末期植保無人機施藥紋枯病病指防效分別為90.3%和94.7%，均明顯優于常規電動噴霧機施藥藥效（分別為84.4%和49.7%）。
寧國云等[19]采用植保無人機、擔架式機動噴霧機和背負式電動噴霧機施藥進行水稻病蟲害防治試驗，結果表明，植保無人機在正常情況下，每3人一組，作業效率可達2 hm2/h，是背負式電動噴霧機的10倍，是擔架式機動噴霧機的3倍，極大地提高了作業效率、降低了勞動強度。
張 莉等[20]通過使用極飛P20植保無人機對水稻田稻飛虱進行田間藥效試驗發現，植保無人機能減少作業用水量，由傳統電動噴霧的450 kg/hm2減少至7.5 kg/hm2，較常規電動噴霧機噴藥省工省時。
陳春玲等[21]研究了多旋翼植保無人機低空噴施作業過程中水稻冠層霧滴沉積的分布規律，結果發現，植保無人機有效噴幅內旋翼下方區域的霧滴覆蓋效果最好，遠離旋翼的位置霧滴覆蓋率較差，霧滴冠層覆蓋率為54.86%。
蒙艷華等[22]通過研究植保無人機高濃度低容量和背負式噴霧器大容量低濃度噴施30%戊唑醇懸浮劑防治小麥病害發現，植保無人機處理組中30%戊唑醇懸浮劑在麥穗和麥葉中的原始沉積量顯著高于背負式噴霧器。
文純杰等[23]對牽引式吊機噴霧機車與植保無人機用于棉花脫葉作業的脫葉效果進行對比，結果發現，同機車作業相比，無人機作業既減少了人工分行的費用，還無掛落棉桃的弊端;并提出無人機噴藥將是今后棉田脫葉劑施藥的較好選擇。
蘇小記等[24]研究了常用植保機械對農作物病蟲害防治的應用效果，結果表明，電動噴霧器、機動彌霧機和自走式噴桿噴霧機沉積率較高，達到51.4%～63.7%;單旋翼無人機和地面噴霧機械防治效果達到80%以上，優于其他低空低量植保機械。
趙冰梅等[25]利用KT-10-Ⅱ型四旋翼植保無人機開展了玉米灌漿期三點斑葉蟬的防治試驗，結果表明，KT-10-Ⅱ型四旋翼無人機施藥時，在飛行作業高度距玉米植株冠層1 m、飛行速度6 m/s、施藥液量15 L/hm2的條件下，螺旋槳產生的下旋氣流能很好地使霧滴具有穿透性，保證玉米植株上、中、下部均能著藥。
胡紅巖等[26]通過霧滴測試發現，植保無人機在棉田作業過程中，不同采樣點霧滴沉積分布情況存在較大差異，中心航線附近采樣點的霧滴沉積量較大，而遠離航線的旋翼兩側采樣點的霧滴沉積量較小。
綜上研究結果可知，采用植保無人機在田間進行施藥作業，可顯著提高藥液霧滴在作物冠層中的沉降，從而提高農藥利用率，達到防治效果;同時可避免機械下地作業時對作物造成的損傷，減少損耗。
3.2 無人機智能噴霧技術
無人機施藥在實際作業過程中既可依據作業對象精準變量施藥，降低農藥用藥量，減少農藥殘留;也可以對病害的發展情況進行實時監測，采集農業信息[27]。朱 超等[28]設計了一種高效自適應噴霧植保無人機，結果發現，設計研發的噴霧植保無人機在飛行過程中能根據植株密度進行自適應可靠控制噴藥流量，施藥量明顯降低，較常規作業噴藥量平均降低16.63%，施藥作業霧滴沉積量較均勻。
王金星等[29]設計了一種實驗室變量噴藥沉積試驗測試系統，確定霧化噴頭最佳工作電壓為10 V;通過水稻田間試驗，確定最佳作業高度為2.0 m，作業速度為1.0 m/s。
白明亮等[30]設計了基于Web的無人機三維仿地飛行規劃，較傳統的農業植保方式更加快速高效，能準確完成植保任務。
明宇[31]研究了一種基于視覺的植保無人機避障，使用MATLAB軟件進行了仿真，表明該方法可以實現植保無人機的避障功能。
王 軍等[32]設計研發了一種無人機植保無線數據傳輸采集控制系統，通過反復應用及測試，該系統運行平穩、性能可靠，可實現植保作業的數據精準化、控制變量化。
吳冬[33]設計研究了一種基于GPS和GPRS的混合農業植保無人機高精度定位系統，并對系統進行了測試，結果表明，所設計的系統能夠有效滿足無人機對定位精準性的要求，且所設計的定位系統質量輕、投入低，能夠實現無人機自主導航服務。
韓 賓等[34]提出了一種新的彎道姿態控制算法，對彎道處航路進行重新規劃，由“幾”字形航路變為更適合轉彎的曲線航路。通過對比試驗發現，對于同一架植保機，在相同作業條件下，采用彎道姿態控制算法轉彎植保機作業效率提高了20%。
吳開華等[35]提出了一種基于結構光視覺的植保無人機障礙物檢測方法，設計了可探測前方障礙物信息的光學檢測系統。結果表明，該方法能夠有效檢測出未知環境下障礙物的距離、方位角和寬度，并且距離檢測誤差小于6 cm。 宋天明等[36]設計了流量微調噴灑系統，可以通過速度控制噴灑泵，達到流速微調噴灑，可以有效解決流量噴灑難以控制的問題，更加精細地實施噴灑作業。
范思儀等[37]設計了一種適用于農用植保無人直升機的航路規劃方案，通過仿真驗證了方案的可行性，證明了算法可使無人直升機在植保環境下應用有較好的效果。
劉小軍等[38]提出了一種基于Cortex-M4內核的六旋翼植保無人機方案，提高了系統動態擾動下的控制能力，保證了系統控制性能和飛行姿態的穩定。
植保無人機智能施藥技術可根據作物實際情況調整藥液的噴施量，減少藥液浪費，實現更精細的施藥作業。通過精確定位、避障等技術可有效提高無人機作業的準確性、安全性。
3.3 其他技術創新
徐偉誠等[39]設計了一款太陽能植保無人機，通過利用太陽能這種綠色的能源為鋰電池充電，從而達到增加無人機續航時間的目的。
賈瑞昌等[40]將光固化成型技術應用于無人機植保噴頭，結果表明，其性能滿足噴霧工作要求。將光固化成型技術運用于研發農業機械及其器件，可以減少制造時間和降低制造成本。
董 康等[41]設計了一種植保無人機離心噴頭，優化了噴頭的結構參數，設計了一套霧化效果試驗裝置，獲得了最佳工作參數，即電機電壓12 V、噴霧壓力0.08 MPa、噴嘴口徑0.471 mm。
鄭啟帥等[42]研究了航空噴施作業時液滴對葉片的潤濕性能及影響因素。試驗結果表明，添加助劑和保證液滴與葉片接觸速度至少為1.55 m/s，能有效提高葉面肥對葉片的潤濕性。
文 晟等[43]研究了單旋翼植保無人機翼尖渦流對霧滴飄移的影響。試驗結果表明，當無人機飛行速度大于3 m/s時，機身后方開始出現螺旋型尾渦，且飛行速度越大、飛行高度越高，尾渦向機身后方的擴散距離越遠;當飛行速度為5 m/s、飛行高度為3 m時，38%的霧滴因螺旋尾渦而造成空中飄移，其中粒徑小于100 μm的霧滴約占總飄移霧滴數的80%。
徐志雄[44]通過研究發現，無人機植保效果與槳盤載荷具有很大關系。試驗證明，變槳距四旋翼對藥滴的霧化和擴散效果強于同起飛重量的電動四旋翼。合理的槳盤載荷對作業效果至關重要，變槳距四旋翼構型是達到合適槳盤載荷較可行的發展趨勢。
通過對無人機操控系統、組成結構、零件材料等方面的研究，對現有無人機技術進行了改進和創新，有效提高了無人機各方面的工作性能，并對未來無人機作業的發展方向提供了依據。
4 無人機在果園中的應用
李莉[45]通過研究發現，使用無人機驅避技術可以有效防治鳥害。采用無人機驅避技術防治鳥害，果實受啄率較采用風力驅鳥器降低了83.08%，較采用超聲波驅鳥器降低了86.42%，較采用生物驅避劑降低了71.05%，較采用有色防鳥網阻隔技術高54.5%，說明無人機驅避效果僅次于有色防鳥網阻隔技術。
崔廣鑫[46]通過試驗發現，采用無人機授粉的果實樣品較自然授粉的果實樣品平均單果重大，且采用無人機授粉的果實果柄長度更長。對于白粉病的防治，無人機噴藥可以使病梢率減少65%、病葉率減少50%。通過數據分析發現，無人機在果樹行間進行植保作業較在果園上空進行植保作業的效果好。
劉 暉等[47]研究設計了在無人機上搭載圖像與光譜傳感器，利用無人機飛行高度的優勢，克服普通冠層分析儀只能采集低矮植物冠層圖像的限制。
劉德江等[48]通過試驗發現，相比于單旋翼，多旋翼產生的下行氣流場更均勻;但單旋翼產生的下行氣流較強，對果樹葉片的擾動較大，提高了霧滴在樹冠中下部的穿透性。
綜上所述，無人機作業在果園防鳥、授粉、施藥等多方面工作中均能體現其優勢，且適合多種復雜地形作業。
5 結語
無人機作業極大地提升了作業效率，解決了勞動力短缺的問題，在果園及大田作業中均能體現出較大優勢。但農用無人機在作業過程中仍存在續航時間短、載藥量少等問題，需進一步進行研發，解決現存問題;同時，要推進植保無人機智能化，利用無人機結合先進技術，對作物進行智能分析，實現植保無人機高效精準作業。
6 參考文獻
[1] 張國鳴，鐘雪明，王曄青，等.植保無人機應用于水稻主要病蟲害防治之效果評價[J].中國農技推廣，2018，34（11）：72-74.
[2] 徐小杰，陳盛德，周志艷，等.植保無人機主要性能指標測評方法的分析與思考[J].農機化研究，2018，40（12）：1-10.
[3] 王穗，彭爾瑞，吳國星，等.農藥霧滴在作物上的沉積量和其分布規律的研究概述[J].云南農業大學學報，2010，25（1）：113-117.
[4] 李欣雨，溫曉鑫，葛宜元，等.農業植保無人機發展現狀及趨勢[J].農機使用與維修，2017（8）：1-4.
[5] 闕名錦.農用無人機在水稻病蟲害防治中的應用綜述[J].廣西農學報，2018，33（3）：44-47.
[6] 馬一丹.植保無人機外觀設計研究[D].北京：華北電力大學，2018.
[7] 魏小平.小型植保無人機在水稻全程病蟲害防治中的應用分析[J].中國農業信息，2016（24）：59.
[8] 趙佩新，宣德華，方永明.淺談小型無人機在植保中的應用[J].農民致富之友，2018（23）：149.
[9] 蘭玉彬，王國賓.中國植保無人機的行業發展概況和發展前景[J].農業工程技術，2018，38（9）：17-27.
[10] 崔永明.農業植保無人機的結構原理和使用方法[J].農機使用與維修，2018（7）：29-30. [11] 亓文哲，王菲菲，孟臻，等.我國植保無人機應用現狀[J].農藥，2018，57（4）：247-254.
[12] 劉道奇，余永昌，張開飛，等.多旋翼植保無人機噴霧均勻性試驗[J/OL].[2019-01-16].https：//doi.org/10.15889/j.issn.1002-1302.2018.24.
027.
[13] 陶波，孔令偉.無人機噴霧霧滴分布研究[J].東北農業大學學報，2018，49（8）：64-72.
[14] 李繼宇，蘭玉彬，彭瑾.無人機噴霧粒徑對水稻冠層霧滴沉積效果的影響[J].湖南農業大學學報（自然科學版），2018，44（4）：442-446.
[15] 胡中澤，王安，錢巍，等.植保無人機對小麥主要病害的防治[J].浙江農業科學，2018，59（7）：1206-1210.
[16] 胡紅巖，任相亮，馬小艷，等.無人機噴施噻苯隆·敵草隆對棉花的脫葉催熟效果[J].中國棉花，2018，45（6）：21-23.
[17] 淦城，肖明徽，梁聲榮，等.六旋翼植保無人機防治油菜菌核病效果探析[J].中國植保導刊，2018，38（11）：69-71.
[18] 顏貞龍，張勇，周正春，等.植保無人機施藥防治水稻二化螟和紋枯病試驗[J].浙江農業科學，2018，59（6）：983-984.
[19] 寧國云，許琴芳，柏超.植保無人機施藥防治水稻病蟲害試驗[J].浙江農業科學，2018，59（5）：765-766.
[20] 張莉，李國清，婁兵，等.極飛P20植保無人機防治稻飛虱田間藥效試驗[J].湖北植保，2018（2）：9-10.
[21] 陳春玲，于豐華，許童羽.四旋翼植保無人機噴霧參數對東北粳稻霧滴沉積的影響[J].農業工程技術，2018，38（9）：99-101.
[22] 蒙艷華，郭永旺，蘭玉彬，等.植保無人機低容量高濃度施藥藥劑在小麥植株上的消解動態研究[J].農業工程技術，2018，38（9）：94-98.
[23] 文純杰，楊炬仁，韓軍，等.植保無人機與機動車噴施棉花脫葉劑效果對比[J].農村科技，2018（3）：26-27.
[24] 蘇小記，王雅麗，魏靜，等.9種植保機械防治小麥穗蚜的農藥沉積率與效果比較[J].西北農業學報，2018，27（1）：149-154.
[25] 趙冰梅，丁麗麗，張強，等.電動多旋翼植保無人機低容量噴霧防治玉米三點斑葉蟬的應用研究[J].植物保護，2018，44（1）：186-189.
[26] 胡紅巖，任相亮，姜偉麗，等.植保無人機棉田噴灑農藥沉積分布研究[J].華中農業大學學報，2018，37（5）：59-64.
[27] 胡紅巖，任相亮，馬小艷，等.棉花脫葉劑的植保無人機噴施技術[J].中國棉花，2018，45（11）：43-44.
[28] 朱超，張紅欣.高效自適應噴霧植保無人機設計與研究[J].農機化研究，2019，41（9）：88-93.
[29] 王金星，王震，張菡，等.低量低空小型植保無人機變量噴藥參數優化試驗[J].江蘇農業科學，2018，46（17）：215-219.
[30] 白明亮，范沖，何明宏.基于WEB的無人機三維仿地飛行規劃在農業植保中的應用[J].中國農業信息，2018，30（4）：117-123.
[31] 明宇.一種基于視覺的植保無人機避障[J].電子世界，2018（22）：141-142.
[32] 王軍，鄒學慶，盧蓓蓓，等.基于nRF24L01植保無人機無線數據傳輸系統設計[J].中國農機化學報，2018，39（6）：52-55.
[33] 吳冬.基于GPS和GPRS的混合農業植保無人機高精度定位系統設計與應用[J].農業工程，2018，8（5）：37-40.
[34] 韓賓，吳開華，王文杰.全自動植保無人機彎道姿態控制算法[J].傳感器與微系統，2018，37（4）：142-144.
[35] 吳開華，王文杰.植保無人機結構光視覺的障礙物檢測方法[J].光電工程，2018，45（4）：32-40.
[36] 宋天明，任喆，劉國崇.植保無人機噴灑系統的設計[J].農機使用與維修，2018（4）：12.
[37] 范思儀，陳銘，丁念.基于流體擾動算法的農用植保無人機避障航路規劃與仿真[J].農業工程技術，2018，38（9）：51-54.
[38] 劉小軍，牛綠原，劉增元，等.基于Cortex-M4六旋翼植保無人機的研究與開發[J].電工技術，2018（6）：18-20.
[39] 徐偉誠，陳凱，張銘，等.基于太陽能的植保無人機續航提升方案[J].中國農業科技導報，2018，20（11）：62-68.
[40] 賈瑞昌，唐楚鵬，王志敏，等.光固化成型技術在無人機植保噴頭研發中的應用[J].農業工程，2018，8（9）：1-5.
[41] 董康，陳華才，鄭永明，等.植保無人機離心噴頭的設計與試驗[J].中國計量大學學報，2018，29（3）：265-268.
[42] 鄭啟帥，岑海燕，方慧，等.植保無人機噴施液滴潤濕性探究[J].浙江大學學報（農業與生命科學版），2018，44（4）：407-413.
[43] 文晟，韓杰，蘭玉彬，等.單旋翼植保無人機翼尖渦流對霧滴飄移的影響[J].農業機械學報，2018，49（8）：127-137.
[44] 徐志雄.槳盤載荷對植保無人機構型的影響[J].農業與技術，2018，38（6）：83.
[45] 李莉.果園幾種鳥雀驅避技術效果研究[D].銀川：寧夏大學，2016.
[46] 崔廣鑫.洛川縣蘋果園實施無人機噴藥的試驗[D].楊凌：西北農林科技大學，2017.
[47] 劉暉，李兆雄，詹杰，等.基于無人機的果園冠層圖像采集裝置設計[J].農業技術與裝備，2018（10）：76-77.
[48] 劉德江，龔艷，王果，等.果園航空噴霧的農藥沉積分布比較[J].江蘇農業科學，2018，46（6）：207-211.
基金項目 國家重點研發計劃（2016YFD0201100）;河北省現代農業產業技術體系水果創新團隊（HBCT2018100205）;河北農業大學社科基金和理工基金（ZD201701，LG201703）;現代農業產業技術體系建設專項資金（CARS-27）。
作者簡介 宋雷潔（1993-），女，河北邢臺人，在讀碩士研究生。研究方向：農業機械設計研究。
*通信作者
收稿日期 2019-02-20
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