冀北农用无人机优化设计及露地蔬菜飞防植保应用探讨

李 兵樊江岩王玉宏（承德市蔬菜技术推广站，河北承德 067000；承德市农机技术推广站，河北承德 067000）



冀北农用无人机优化设计及露地蔬菜飞防植保应用探讨

应用X4Z四旋翼农用植保无人机飞防蔬菜病虫害，具有成本低、工作效率高、适用作物广、环境适应能力强、受药面积大、农业危害小等优点，但也受设备条件、农药剂型、病虫害种类、操作人员水平、自然环境等因素的制约。

李 兵1樊江岩2王玉宏1
（1承德市蔬菜技术推广站，河北承德 067000；2承德市农机技术推广站，河北承德 067000）

李兵，男，高级农艺师，专业方向：冀北现代化农业技术应用与推广，E-mail：libing219@126.com

河北承德是冀北夏秋蔬菜优势产区，也是中国重要的夏秋蔬菜优势产区，所产大白菜、甘蓝等优质蔬菜远近闻名，产品主要供应华北地区及南方夏秋淡季市场。承德地区蔬菜种植结构清晰，中南部地区以设施蔬菜为主，北部高海拔及坝上地区则以露地蔬菜栽培为主，2014年全市露地蔬菜播种面积5.99万hm2（89.8万亩），马铃薯播种面积5.27万hm2（79万亩）。近年来受市场因素影响，劳动力成本大幅增加，尤其是田间病虫害监测与防控作业，占到总人工成本的40%～60%。为了解决这一问题，承德市农业部门大力开展现代农业装备研发应用，通过应用农用无人机进行飞防植保，大力推动承德地区农业技术集约化、农民职业新型化和农业装备现代化的发展。

1　X4Z四旋翼农用植保无人机平台优化设计

1.1结构布局

X4Z四旋翼农用植保无人机平台采用“X”型结构，平面四旋翼布局，轴距1 300 mm（图1）。该布局在飞行平衡性以及姿态控制响应速度方面效果最佳，在材料一定的情况下，采用“X”型四旋翼结构的飞行平台具有稳定性好、结构简单、质量轻、成本低、续航时间长等优点。

1.2农用便捷设计

X4Z四旋翼农用植保无人机的机身采用碳纤维材料和铝合金承载架轻便设计，外廓展开2 060 mm、折叠600 mm，设备舱全封闭，内部设备不受外界干扰，机翼快拆、机臂与喷杆折叠设计（图1），方便农业运输及转场作业。

图1　X4Z四旋翼农用植保无人机的飞行平台和便捷设计

1.3喷洒机构组装

X4Z四旋翼农用植保无人机采用2 300 mm碳纤维管喷杆，均匀分布超微量空心锥喷头4个，单喷头喷雾角度80°，方锥形药桶容量为10 L（图2），高效隔膜泵的工作压力为0.5 MPa，药液喷洒流量为1 L·min-1。受飞行中的下洗气流影响，药液被强行压制雾化，落到植株叶片正反面。

1.4强化稳定性设计

X4Z四旋翼农用植保无人机采用独创的倾角合力升举式设计（图3），该设计有效地降低了多旋翼农用植保无人机在农田飞防过程中的机械晃动问题，提高了农用无人机在高荷载作业情况下的飞行稳定性。

图2　X4Z四旋翼农用植保无人机的喷洒结构

图3　X4Z四旋翼农用植保无人机的倾角合力升举式设计

1.5性能参数

X4Z四旋翼农用植保无人机起飞质量25 kg，负载质量12 kg，空载续航时间为20 min，满载续航时间为13 min，平均续航大于15 min，飞行高度0.5～500 m，最佳作业高度距作物顶端4～5 m，作业幅宽10 m，飞行速度0～15 m·s-1，最佳飞防作业速度4～7 m·s-1，平均作业效率10 min·hm-2。

2　农用无人机冀北山区使用效果

依托河北省隆化县双滦汇农机专业合作社，在韩家店乡、郭家屯镇、旧屯乡、唐三营镇、汤头沟镇等乡镇使用X4Z四旋翼农用植保无人机进行农田飞防植保示范作业。经测算，X4Z四旋翼农用植保无人机采购单价8万～10万元，单机使用年限为5年，在保证植保效率、飞行器安全和操纵人员合理疲劳度的前提下，规定日植保作业时间为5 h，每小时有效飞行时间约40 min，每小时作业面积4 hm2（60亩），每天可保证20 hm2（300亩）有效植保面积；而传统人工菜田日植保面积约0.53 hm2（8亩），平均每小时作业面积0.06 hm2（0.9亩）。目前，X4Z四旋翼农用植保无人机操作人员工资为200元·d-1，雇佣普通劳动力工资为100元·d-1。由于减少了田间踩踏、避免了植株机械损伤，药效期延长，病虫害发生减轻，与人工菜田植保作业相比，使用农用无人机植保作业成本可降低41.57%，节省植保用水99.12%。

3　山区农用无人机飞防植保优势明显

3.1成本低

目前，传统人工菜田植保作业的工时费用约为187.5元·hm-2；采用X4Z四旋翼农用植保无人机，按单机年飞行20天（保守计算）、日作业20 hm2（300亩），5年设备质保期内总飞防面积可达2 000 hm2（3万亩），折算成本约62.6元·hm-2（含飞机折旧、操作人员工时费、充电系统消耗等）。

3.2工作效率高

经测算，采用X4Z四旋翼农用植保无人机进行菜田病虫害防治的效率是传统人工背负喷雾器防治的67.5倍，年节省约91%的植保用工，并且能够合理、有效地利用最佳病虫害防控时段，提升防控效果。

3.3适用作物广

该机型可应用于露地大白菜、甘蓝、菜用枸杞等冀北山区主栽蔬菜作物的地上茎、叶部位复杂药剂处理，同时适用于水稻、玉米等冀北主栽粮食作物飞防植保作业。

3.4环境适应能力强

X4Z四旋翼农用植保无人机对场地没有特殊要求，山地、坡地等复杂地形在可视范围内，只要在风力不大于3级的晴、阴、多云等无降雨天气均可完成，且施药后具有较强的耐雨水冲刷效果。

3.5受药面积大

与固定翼无人植保机、无人植保直升机相比，X4Z四旋翼农用植保无人机使用过程中在旋翼下洗气流的作用下能有效增强农药雾化效果，有助于增加雾流对作物的穿透性。同时依靠倾角合力升举设计，在最佳飞行速度和飞行高度下，药雾在下洗气流影响下向两侧旋转下落、上翻，使作物根基部和叶背部均匀受药。

3.6农业危害小

采用农用无人机进行飞防植保作业，操作人员远离喷药区域，不受田间药剂飘散危害，避免人员农药中毒等伤害事故发生。同时小型农用无人机多采用电力驱动，无废气排放，符合国家节能减排和生态农业发展要求。

4　农用无人机飞防植保的局限性

4.1受设备条件影响

X4Z四旋翼农用植保无人机生产及维护成本8万～10万元，与国内主流植保无人机价格相仿，但一次性投入较大，普通农户或农业组织较难接受。农用无人机多采用电力驱动，载质量越大续航时间越短，10 L载质量的单架次菜田植保约15 min，覆盖面积近1 hm2（15亩），仅适合中小规模使用。变换作业地块操作时需要视觉判断，作业最远距离不应超出起飞点500 m（监视器实时显示农用无人机距离起飞点的距离），有一定的飞行半径。另外，农用无人机设备种类较多，机构差异较大，技术很难规范统一。

4.2受农药剂型影响

由于采用超微量喷洒，对选用的药剂要求比较严格，必须选择正规厂家生产的合格产品，对作物敏感度低、水溶性好、无残渣的高效、低毒、低残留农药或生物农药，不可用于喷洒除草剂。经实际应用发现油剂效果最佳，其他溶解型药剂需要提前准备。药剂配制过程中尽量选用中性水，以提高药效。由于药液浓度较高，不宜在苗期使用，同时药效期和安全间隔期应适当延长。

4.3受病害种类影响

冀北地区冬春寒冷、夏秋凉爽，具有独特的气候类型，露地蔬菜及大田农作物病虫害发生相对较轻，采用X4Z四旋翼农用植保无人机进行飞防植保可达到较好的防治效果。但农用无人机喷洒药液主要作用范围为浅层地表和作物地上茎、叶部位，对于深层地下害虫及土传病害来说，如单一使用农用无人机防治效果一般。

4.4受操作人员影响

农用无人机是将遥感技术与精准农业有效结合，集成了农业装备科技和园艺植保技术，对操作人员具有较高的要求。与固定翼植保无人机、无人植保直升机相比，虽然X4Z四旋翼农用植保无人机操作相对简单，但农村务农人员综合素质相对较低，操作农用无人机还是有一定难度的，通过对5名农机能手培训10次，田间操作仍不稳定。如大范围应用农用无人机进行飞防植保，则亟须加强新型职业农民培训，培育专业组织集中实施。

4.5受自然环境影响

为了保证续航时间，农用无人机设备总质量通常较轻，易受天气影响，当风力大于4级以上则无法较好的完成操作。由于采用超微量喷雾，药液浓度较高，在高温季节喷药受时间限制，需避开午间高温时段，一般选择上午10：00以前、下午16：00以后作业，避免产生药害。多障碍（如电线杆、树木等）地块农用无人机飞防难度加大，如操作不当易损坏设备。

5　冀北农用无人机飞防植保前景

据有关资料显示，日本及美国等发达国家从20世纪90年代就开始了现代化农业航空植保装备的研发，国外单台农业植保无人机的产品报价为80万～100万人民币甚至更高，而X4Z四旋翼农用植保无人机和国产典型农用无人机价格仅为国外产品报价的10%～20%，在此价格基础上推广无人机植保技术，具有明显的价格优势。近年来承德市率先引进以植保无人机为代表的现代化农业装备，并不断加大研发推广力度，组成有关农业装备研发推广团队，具有良好的技术储备。目前承德地区露地蔬菜生产中应用无人机植保面积不足2%，如全市80%露地蔬菜应用该技术，年可节约1.32亿元植保费用而转入农民纯收入；如将该技术覆盖马铃薯、水稻、玉米、中药材等一批区域性特色产业，挖掘更广泛的潜在市场，则可实现大范围的农民增收、农业增效。

基金项目：河北省现代农业产业技术体系蔬菜创新团队项目，承德市科技计划项目（20157025）

收稿日期：2015-08-24；接受日期：2016-01-20