植保无人机作业质量提升方法

雷楠　金晨钟　李静波

摘要 植保無人机具有较高的灵活性和施药效率，省工、省力、节约人力成本，近年来受到高度重视。无人机作业质量需要考虑作业环境、作业条件、作业参数、药液配方、药液浓度、无人机参数等因素。选择合适的无人机作业条件和参数以及合理的药液，结合现代精准农业技术优化无人机性能，可提高植保无人机的作业质量，促进植保无人机的发展。

关键词 植保无人机；作业参数；作业质量；性能优化

中图分类号 S252+.3 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2017）13-0140-02

Abstract Recently，unmanned aerial vehicle（UAV） for plant protection is considered as an alternative to traditional pesticide application tools，due to advantages from UAV of reduction in cost and labor force as well as flexible and efficient pesticide application.For UAV operation quality，many factors should be taken into account，including the operating environment，conditions，parameters，liquid formula，liquid concentration，UAV parameters and so on.Optimizing aforesaid factors combined with the technology of modern precision agriculture，can improve UAV performance，thus the development of plant protection UAV can be promoted.

Key words plant protection UAV；UAV parameters；operation quality；performance optimization

近年来，许多由科技创新衍生的植保器械逐渐代替人工进行植保作业，植保无人机代表了这一类高新农业技术，在植保作业中担任着重要的角色。其优势如下：一是在对大面积作物进行防治时，空中飞行作业可以克服人工和地面设备对农作物的损伤，克服某些地形地势劣势，如山地、林地等；二是在进行田间作业时，只需要很小的一块起降区域，灵活性高，适合中国土地田块相对分散的国情；三是机防手对无人机进行远程操控，可远离施药现场，避免机防手受到大量农药的危害；四是无人机运用GPS导航，只需根据作物区域的跨距预先定位，规划航线，就可自主接力，同时可以减少人工施药出现的漏喷、重喷现象，节约资源，提高施药质量；作业时距离作物2～3 m，旋翼产生的下旋气流使药液在作物的垂直结构上穿透力更强，能更有效地到达作物靶标部位[1]。

目前，无人机从机翼结构上可分为固定翼、单旋翼、多旋翼3种。固定翼造价较高、施药效果一般、飞行操控较难，故很少用于农业植保。多旋翼无人机由于其可操作性好、经济、安全、技术成熟度高，在国内应用比较广泛。从动力装置上可以把无人机划分为油动无人机和电动无人机。电动多旋翼无人机灵动方便，但是在电池的续航能力上一直难以突破[2]。在实际施药过程中，1块锂电池大约能使无人机工作15 min，几乎是每喷完1箱药液就需要更换1块电池，并且电池携带不方便，降低了使用效率。油动多旋翼无人机在施药精准性和续航能力上表现不错，安全性较高，其进步与发展有更大的潜力。

植保无人机自面世至今一直颇受关注，争议不断。在农业生产过程中，农户更为关心此类植保器械是否省时、省力、高效。植保无人机的作业质量直接决定了无人机是否能够胜任飞防植保的重任，更是影响着病虫草害的防治，进一步关联着作物的产量和品质。对于植保无人机作业质量，影响因素很多，可对这些因子进行研究取优，以逐步提高植保无人机的作业质量。

1 根据作业参数施药

1.1 作业条件

植保无人机在进行作业时可能受到各种环境因素的影响。一是作业对象。不同的作物可能存在生长区域、地势、生长态势、施药时间等的不同，在进行科学合理的植保作业前，应该先对这种作物做一定的试验研究，再确定喷施方案。二是气象条件。包括风向、风速、降雨、湿度、气温，其中风向、风速对无人机喷施过程中雾滴在作物上的沉积影响最大。根据农用航空器喷施技术作业规程[3]：①风速超过5 m/s时不宜进行航空喷雾；②最佳施药气温为24～30 ℃，当大气温度 ≥35 ℃时应暂停作业；③在进行喷雾时，作业环境的相对湿度应在60%以上；④喷施一般化学农药保证在24 h内无降雨。环境中存在适宜的风能使雾滴更为细小均匀，下风利于雾滴沉积，侧风引起飘移。

1.2 无人机作业参数

飞行器作业参数主要是飞行高度和飞行速度，二者会对雾滴沉降特性造成明显影响，最终影响作业效果和农药利用率[4]。

1.2.1 飞行高度。植保无人机在进行喷施作业时，在气象条件一定的前提下，飞行高度对作业效率的影响较大。飞行高度过高，在药液沉降过程中会导致更多的挥发，并且更容易发生飘移，损害非靶标作物的同时又造成了浪费；飞行高度过低，特别是无人机的喷施高度低于1 m时，无人机旋翼造成的涡流旋场，会打乱药液在作物上的均匀分布，同时有一部分药液也会落于地面，降低了作物上的沉积量，造成浪费，影响效率。

1.2.2 飞行速度。一般而言，旋翼无人机的最佳飞行速度为4～6 m/s[3]。飞行速度过快，可能造成漏喷，达不到预期液滴覆盖效果；飞行速度过慢，则影响工作效率，浪费资源和污染环境。

2 增加靶标区的作用效果

植保无人机在药液喷施过程中受气流的影响，相对于地面施药器械而言，更容易产生飘移[5]。药液在下降过程中的挥发和飘移，既造成资源浪费又污染环境，尤其除草剂的飘移会对非靶标区域的作物造成伤害，在作物种植密集的地区，会造成其他经济作物的损失。同时，使用合适的农药剂型、配方、助剂能增加药液在作物上的沉积，提高药液作用效果。

2.1 减少非靶标区的飘移

目前，关于航空植保作业过程中飘逸雾滴的控制方面，最具代表性的应属航空静电喷雾技术。静电喷雾技术在植保器械上的使用已然颇多，其与航空喷雾相结合，一是无人机在进行喷洒作业时可以利用静电场提高雾滴对靶标的吸附；二是雾滴从无人机落至地面作物上受到重力和下风的作用，在此基础上增加的静电力场加速了雾滴的向下运动，能大大减少雾滴的逸散[6]。

2008年，新疆农垦科学院从美国SES公司引进了一套航空静电喷雾系统，对新疆垦区的棉田进行作业。结果表明，该静电喷雾系统喷雾均匀，雾化效果好，荷电雾滴能更多地吸附在作物的正反面，且沉降速度快[7]。通過对该系统的研究，我国在自主研制静电喷雾系统方面也得到了启发[8]。南京林业大学的茹 煜等通过对国外航空静电喷雾设备的学习后，开始自主研制基于固定翼飞机的静电喷雾系统[9]。静电喷雾技术可显著增加雾滴在作物表面的沉积数量，可以有效提高无人机小载重量、低喷量作业特点下的药液利用率。此项技术的使用在中国尚不成熟，还需要进行大量的研究以促进发展。

2.2 无人机用药的配制及浓度

2.2.1 航空喷雾助剂。无人机喷洒作业，影响雾滴飘移与沉积最重要的参数是雾滴的直径[10]。小雾滴易飘移，但若能均匀地分布在靶标作物上会有良好的覆盖性，提高防治效果；大雾滴不易飘移，能较好沉积，但低容量喷洒时效果会变差。通过在无人机喷液中加入助剂，如液体肥料、矿物油、人工合成的非离子表面活性剂、植物油等，可以改变药液的性质，如表面张力、展着性、与作物的接触角等，有利于使药液雾化更为均匀和促进雾滴沉降，减少药液飘移，改善药液在靶标作物表面的渗透性、展着性，提高附着率[11]。

2.2.2 施药浓度。在农药田间喷雾时，对病虫草害的防治效果起决定性作用的是雾滴沉积密度。国内已有学者研究发现[12-13]，在一定范围内，增大药剂浓度，防治效果会上升，但是雾滴的沉积量到达限值之后，防治效果差异不明显，且沉积量过大会造成资源浪费、影响生态环境，特别是在喷施除草剂时，雾滴沉积量过大可能会伤害有效作物。用无人机喷施农药时，需要对喷施浓度做合理的分析，以达到节约资源、避免污染、提高效率的目的。

2.2.3 剂型选择。目前，无人机在作业过程中，工作人员配制农药尚无一套可供参考的属于无人机专用的配药标准，大多根据传统手动机械的经验配制农药，但传统农药的剂型和浓度不适合进行无人机喷洒作业。植保无人机采用的是雾化喷头，其喷雾药滴直径约为传统植保机械的1/10。因此，传统农药的喷雾配方往往容易堵塞喷头，达不到最佳防治效果。专业的无人机飞防专用农药必须具有渗透强、润湿快、飘移小、分布更均匀、沉降速度快、用量小、效率高等特点。就当前经验及研究发现，在剂型上不能选用粉剂，宜选择水乳剂或水剂进行无人机的作业喷洒[14]。

3 优化无人机性能

在农用无人机作业时，其本身的性能对施药质量有很大的影响。目前，我国植保无人机各项技术尚不成熟。未来无人机想要适应更高的植保要求，必须不断研发新技术，根据不同型号无人机的参数特点研发新的操控手段，结合卫星定位及地理信息实施精准施药。

3.1 操作智能化

遥控式植保无人机对机手的操作能力要求高，尤其是单旋翼植保无人机，操作更是复杂。一架无人机正常作业需要配药、远程操控，并且无法超视距飞行，需要有人专门进行位置及障碍的报告（至少需要2～3人），大大增加了人力成本。无人机操控系统需要更加智能，如定速仿地形飞行、自动返航、电子围栏等功能，能大大增加作业准确度，提高效率，节约劳动力[15]。

3.2 选择喷雾参数

同一种无人机机型，喷雾参数（包括喷嘴型号、喷雾压力、喷射角度、雾滴粒径等）不同，喷雾质量必然会产生差异。张慧春等[16]以风洞实验室试验建立了多变量非线性雾滴飘移特性模型，包含采样距离、风速、喷头类型和药剂类型。结果表明，飘移量的大小与喷头的结构有关，试验的几种喷头型号关系为延长范围扇形喷头>广角扇形喷头>气吸扇形喷头>涡流气吸喷头。通过反复试验，选择最合适的喷雾参数，将能大大提高喷雾质量，增加沉积，减少飘移。

3.3 发展精准农业技术

依靠信息技术和信息工具，根据作物的生长环境，高效利用各类农业资源，实现作物生产率的最大化目标，精准农业已然成为了当今世界农业发展的新潮流[17]。精准农业目前有三大热点，即图像实时处理系统、多传感数据融合技术、变量喷洒系统。图像实时处理系统，目标是建立一个完备的图像处理软件系统，根据空中图像的数据，分析数据之后立即进行变量喷洒；多传感数据融合技术，可以把不同位置环境、生物、多光谱、多分辨数据进行综合，降低感应器传感器之间的矛盾，完善系统的感知描述，使遥感系统迅速而准确地做出反应、决策和规划。变量喷洒系统，可以根据地理信息的处方图灵活控制施药量，达到精准施药。无人机想要进一步更高层次的发展，必须结合未来的精准农业技术。

4 结语

植保无人机在中国尚处于起步阶段，作为航空农业的一部分，在未来必定会有更大的施展空间，应用会越来越广，在植保作业中担任不可或缺的角色。通过研究无人机喷施的适宜作业参数、专用药剂及配方，借鉴发达国家的航空精准农业技术，并且逐步优化飞行器参数，才能使植保无人机适应未来更高的要求[18]。

5 参考文献

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