农用无人机撒施肥作业稳定性试验

陈建林，唐宏伟，王健平，李 航，张雨辰，王 丽

（1.天津市农业发展服务中心，天津 300061；2.天津市蓟州区农业发展服务中心，天津 301900）

农用无人机是指用于植物保护作业的具有载重功能的无人驾驶飞机，由飞行平台（固定翼、单旋翼、多旋翼）、导航飞控、喷洒（撒施）机构组成，通过地面遥控或卫星导航飞控，实现喷洒药剂、种子、粉剂或者颗粒肥等生产作业。随着近几年的技术升级，农用无人机操作智能化、适应性不断提高，应用范围不断扩大，不仅能喷洒农药、播种，还可以撒施叶面肥和颗粒肥，逐渐成为与拖拉机、收割机一样普遍使用的农业领域作业机械。由于适度规模化经营的发展，农村劳动力转移，人口老龄化以及从事农业生产经营的年轻人的减少，农业用工难、用工贵等矛盾进一步凸显，未来农业生产必须依靠机械化和机械智能化来实现，而农用无人机作业具有高效、精准的特点，是农业领域植保作业应用的趋势[1]。有研究表明，农用无人机在水稻、小麦返青分蘖期撒肥可缩短作业时间，提高工作效率，避免对秧苗的踩踏损伤，同时通过遥控或者卫星导航定位操控可实现精准（变量）施肥作业，避免重喷漏喷、无效喷撒，既能节省肥料和保护环境，又能实现农作物增产增收[2]。基于此，本研究通过大疆T40 农用无人机田间飞行作业试验，测试农用无人机飞行作业的机具性能和作业稳定性，为农用无人机撒施颗粒肥在生产上应用提供依据。

1 材料和方法

1.1 供试机具

试验机具为大疆T40 农用无人机，供试机具规格和技术参数见表1。

1.2 试验方法

根据作业地块地理情况，预先设置大疆T40农用无人机飞行高度、速度、作业幅宽、单位面积撒施肥料数量等参数。试验共设置五个作业区域，每个作业区域面积不小于0.2 hm2，宽度大于理论作业幅宽7 m 以上，长度300 m 以上，每个作业区域间隔3 m 以上。作业预设农用无人机飞行高度为5 m，飞行速度8 m·s-1，撒施幅宽7 m，施肥量为10 kg·667 m-2[3]，一个作业区域完成作业并采集数据后再进行下一个作业区域作业，单个作业区试验中一次性添加肥料，中途不添加肥料。图1 为大疆T40 农用无人机作业前添加肥料，确保作业中间不停歇；图2 为大疆T40农用无人机一次性完成一个作业区域的飞行撒施肥料作业。

图1 作业前添加肥料

图2 飞行撒施肥料作业

为验证大疆T40 农用无人机施肥作业的稳定性，每次作业飞行高度、理论作业幅宽、设定施肥量、理论飞行作业长度均保持一致。

1.3 试验概况

试验在天津市蓟州区东施古镇柳子口村稻麦连作地块进行，上茬作物为春小麦。试验地于2022年6月28 日进行机插秧，行距30 cm、株距12 cm，随插秧侧深施缓控释复合肥35 kg·667 m-2。2022年7月18 日上午（水稻分蘖期）进行大疆T40 农用无人机撒施氮肥尿素作业。试验前，农用无人机操控人员首先做好机具的各项检查工作，包括电池电量或燃料量及飞行信号灯状态是否正常的检查，调试对讲机，确保操控人员在作业期间沟通顺畅；其次进行不喷肥模拟飞行，再进行正式作业试验[4]；最后查询作业地块的相关信息，包括温度、湿度、风向、风速等气象信息，排除雷雨天气影响。

1.4 调查项目

1.4.1 施肥量调查 每个作业区域每次作业前清空农用无人机肥料箱，称取添加的肥料数量，完成作业后清空肥料箱再次称取剩余肥料数量，2次肥料数量之差为每个作业区域的农用无人机实际施肥数量。农用无人机完成施肥作业后测量肥料落地的长度，为农用无人机实际施肥的作业长度，以此计算单位面积实际施肥量。

1.4.2 作业面积调查 每个作业区域农用无人机完成施肥作业后，沿飞行方向均匀取10 个测试点，测量肥料实际落地的幅宽，计算实际落地幅宽与理论幅宽7 m 的偏差，根据飞行作业长度与撒施幅宽，计算每个作业区域的实际撒施肥料作业面积。

2 结果与分析

2.1 农用无人机施肥量稳定性测试

通过测定实际施肥量，计算实际施肥量与设定施肥量的偏差均值。表2 显示大疆T40 农用无人机五个作业区域最大施肥量为10.27 kg·667 m-2，最小施肥量为9.53 kg·667 m-2，与设定施肥量10 kg·667 m-2的偏差最大值为0.47 kg·667 m-2，偏差均值为0.3 kg·667 m-2，偏差均值小于0.5 kg·667 m-2的理论期望值，说明大疆T40 农用无人机撒施颗粒肥的偏差可控制在3%之内。由此可见，大疆T40 农用无人机可以满足水稻追肥作业要求。

表2 大疆T40 农用无人机作业实际施肥情况

大疆T40 农用无人机每个作业区域实际测得的平均施肥量趋势如图3 所示，每个作业区域的平均施肥量在9.53 ～10.27 kg·667 m-2之间，与设定值的施肥量偏差为0.20 ～0.47 kg·667 m-2，偏差区间在理论期望值0.50 kg·667 m-2区间内，由此得出大疆T40 农用无人机撒施颗粒肥平均施肥量与理论设定值偏差稳定[5]。

图3 大疆T40 农用无人机各作业区施肥量变化趋势

2.2 农用无人机撒施作业幅宽稳定性测试

大疆T40 农用无人机五个作业区域作业幅宽保持在6.977 ～7.127 m 之间，与已设定理论幅宽7 m 的均值最大偏差为0.127 m、最小偏差为0.023 m、平均偏差为0.082 2 m，作业幅宽误差控制为1.74%（表3）。由此看出，大疆T40 农用无人机撒施颗粒肥能保证作业幅宽稳定性，满足不漏肥、不重肥的作业要求。

表3 大疆T40 农用无人机撒施肥料作业幅宽 m

试验表明，大疆T40 农用无人机五个作业区域测定的50 个测定点实际作业幅宽与理论值的偏差均值为0.082 2 m，实测幅宽主要集中在理论值周围（图4）。说明大疆T40 农用无人机撒施颗粒肥实际作业幅宽稳定，符合作业要求。

图4 大疆T40 农用无人机实际撒肥作业幅宽偏差趋势

3 结论与讨论

试验结果表明，大疆T40 农用无人机平均施肥量与设定值的偏差为0.3 kg·667 m-2，小于0.5 kg·667 m-2的理论偏差期望值；实际作业幅宽与设定值的偏差为0.082 2 m，且实测幅宽主要集中在设定值周围，这说明大疆T40 农用无人机撒施颗粒肥作业稳定、施肥精准，可以满足水稻追肥作业要求。

随着科技的发展，越来越多的机械化、信息化、智能化技术在农业生产领域应用，农用无人机植保及播种作业得以快速发展和应用[6]，很大程度上减轻了农民种植的劳动强度，提高了工作效率，降低了生产成本，逐步被广大农民认可。本次试验的大疆T40 农用无人机属目前市场上普遍使用的机型，采用共轴双旋翼设计，可达到50 kg（70 L）的播撒载重[7]，设计采用了碳纤维复合材料桁架式机身，配合一键锁紧的折叠机臂设计，折叠后体积缩小80%，方便转运存贮。该机型搭载球形雷达系统，可全方位、全天候探测障碍物，自主绕障或避障；有源相控阵雷达融合双目视觉避障系统，360 °全向感知，探测距离高达50 m，支持智能仿地，顺滑翻越和绕行多重障碍物，适应复杂地形，实现畅飞无阻。从试验结果来看，相比传统施肥，大疆T40 农用无人机可实现精准、精量、高效的施肥效果，实现在较短时间内完成较大面积的施肥作业，节约时间和用工成本。农用无人机作业还可降低对田间作物秧苗的碰撞和踩踏，避免由于踩踏造成秧苗损伤，同时可以解决重施、漏施、无效喷施的问题，与人工及地面机械比较，农用无人机播撒能实现更高的均匀度，施肥量和撒施幅宽稳定均衡，具有良好的应用前景。

今后农用无人机应进一步提升载质量，延长续航时间，研究开发配套的喷施肥料，实现无人机遥感诊断与施肥技术的优化融合[8]，提高施肥精准度和稳定性，实现农用无人机在更广泛的领域应用发展。