植保无人机施药技术研究进展

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　　摘要    农用植保无人作业机是农业生产中防治病虫害的新兴植保装备之一。通过分析、总结近几年植保无人机在田间病虫害防治、智能调控、作业航路规划等方面的施药技术研究与应用，分析植保无人机作业模式与作业特点，明确了现阶段利用植保无人机进行病虫害防控的发展趋势，以期为植保无人机的推广应用提供参考。
　　关键词    无人机;智能;喷雾;病虫害防控
　　中图分类号    S43;S252+.3        文献标识码    A        文章编号   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
　　隨着我国农业的飞速发展，农业病虫害防治依然是农业生产的重点内容，喷施化学农药是现阶段果园及农田防治病虫害的主要方法。但近年来我国农村劳动力人口不断减少，农业劳动力短缺、用工成本高等现象在一定程度上阻碍了病虫害防治工作的开展[1]。为了实现快速高效地防治病虫害，亟需利用更先进科学的施药技术代替传统的植保作业方式。相比于传统施药作业方式，农用无人机在植保作业中表现出了明显的特点和优势。
　　1    农用无人机发展现状
　　目前，我国植保作业投入的劳动力多且劳动强度大，使用手动喷雾器与背负式机动喷雾器分别约占国内植保机械的93.07%和5.53%[2]。但传统喷雾器械工作效率低，作业时间长，农药利用率低，有50%～70%的农药流失到土壤或飘移到环境中，大部分农药不仅没有起到防控作用，反而污染了环境[3]。植保无人机具有高效省药等优点，成为农业植保领域的一个利器[4]。近年来，为了提高植保作业效率，降低农业植保的污染度，植保无人机已经在部分地区使用[5]。无人机喷药相比于传统喷药方式，具有很多优点。但是其发展和需求仍然存在着较大的不平衡，我国植保无人机航空施药面积占总耕地面积的比例不足2%[6]。随着科技的发展，我国植保无人机已转化成了多种化的植保方式，为实现减量控害、提高作业效率、降低劳动力成本、科学使用农药、降低损耗，植保无人机在农业上的应用将会更广泛[7]。
　　2    植保无人机结构及工作原理
　　无人机喷药是用植保无人机将农药带到作物上空，从上往下喷洒农药杀灭病虫害的一种作业方式。无人机植保起源于1987年的日本，2012年后在我国正式推广[8]。
　　农业植保无人机主要由动力系统、喷洒系统、飞控系统等部分组成。其中，常见的动力系统为电力动力系统，主要包括无人机的动力电池、电机、电子调速器、旋翼等部分，为无人机的运行提供动力能源;喷洒系统为植保无人机进行施药作业的主要工作部件，在整机结构中具有重要作用;飞控系统是指无人机的控制系统，用于提供控制与决策指令，使无人机完成GPS定位、导航、数据采集等工作[9]。
　　无人机是通过电机的旋转，使螺旋桨产生升力，当飞机全部旋翼同时产生的升力之和等于飞机自身总重量时，飞机的升力与重力相平衡，飞机就会自动保持悬停状态。通过调节电机转速，可以改变各个旋翼的转速，实现升力的变化，控制飞行器的运动状态[10]。当全部旋翼产生的升力之和大于无人机机身总重量时，无人机向上飞起;反之则下降。当无人机后端旋翼转速增大、前端旋翼转速降低时，无人机前进;反之则后退。当左侧旋翼转速增大、右侧旋翼转速降低时，无人机向右侧飞行;反之则向左侧飞行。
　　无人机喷洒农药，更省时省力、省水省药，在提高作业效率的同时节约成本。作业不受地形、作物长势限制，能够适应不同的施药环境，操作灵活[11]。且可通过远距离遥控操作作业任务，避免了作业人员暴露在农药之下的危险，保障了人员的安全。
　　近年来，我国广大研究学者从不同方面对无人机植保技术进行了研究。
　　3    无人机植保技术
　　3.1    无人机田间植保技术
　　刘道奇等[12]通过应用3W16-10型多旋翼植保无人机开展喷雾均匀性试验，得到的最佳作业参数为飞行高度1.39 m、飞行速度2.38 m/s、喷雾压力0.5 MPa。 　　陶  波等[13]利用植保无人机开展田间飞防试验，对比田间杂草防效，分析了植保无人机最佳作业状态，并提出了无人机作业状态为飞行高度1 m、飞行速度5 m/s、喷液流量1 800 mL/min。
　　李继宇等[14]通过试验检测了无人机形成的不同粒径雾滴在水稻冠层的沉积效果及穿透性，结果表明，水稻冠层下部的雾滴沉积量均高于上部和中部;且喷雾粒径越小，单位面积药液沉积量越多，雾滴穿透性也越好。
　　胡中泽等[15]通过进行田间药效试验得出，相比于电动喷雾器防治处理，无人机防治处理在第10天对病害的防治效果更好;添加助剂处理的发病率和病情指数均低于不加助剂的处理，说明助剂能够辅助提高小麦植株对药液的吸收能力，显著提高对病虫害的防治能力。
　　胡红岩等[16]提出，在棉花生产过程中，尤其是生长中后期，棉花冠层叶片相互遮挡严重，采用植保无人机喷施脱叶剂，可以极大地提高作业效率和脱叶催熟效果。
　　淦 城等[17]研究表明，无人机田间作业能避免作业期间因踩踏产生的油菜损伤，作业效率高、节水、省工、劳动强度低，节本增收效益明显。
　　颜贞龙等[18]通过进行植保无人机与常规电动喷雾机防治水稻病虫害的药效对比试验发现，在使用相同药剂条件下，水稻分蘖盛期、孕穗末期植保无人机施药纹枯病病指防效分别为90.3%和94.7%，均明显优于常规电动喷雾机施药药效（分别为84.4%和49.7%）。
　　宁国云等[19]采用植保无人机、担架式机动喷雾机和背负式电动喷雾机施药进行水稻病虫害防治试验，结果表明，植保无人机在正常情况下，每3人一组，作业效率可达2 hm2/h，是背负式电动喷雾机的10倍，是担架式机动喷雾机的3倍，极大地提高了作业效率、降低了劳动强度。
　　张 莉等[20]通过使用极飞P20植保无人机对水稻田稻飞虱进行田间药效试验发现，植保无人机能减少作業用水量，由传统电动喷雾的450 kg/hm2减少至7.5 kg/hm2，较常规电动喷雾机喷药省工省时。
　　陈春玲等[21]研究了多旋翼植保无人机低空喷施作业过程中水稻冠层雾滴沉积的分布规律，结果发现，植保无人机有效喷幅内旋翼下方区域的雾滴覆盖效果最好，远离旋翼的位置雾滴覆盖率较差，雾滴冠层覆盖率为54.86%。
　　蒙艳华等[22]通过研究植保无人机高浓度低容量和背负式喷雾器大容量低浓度喷施30%戊唑醇悬浮剂防治小麦病害发现，植保无人机处理组中30%戊唑醇悬浮剂在麦穗和麦叶中的原始沉积量显著高于背负式喷雾器。
　　文纯杰等[23]对牵引式吊机喷雾机车与植保无人机用于棉花脱叶作业的脱叶效果进行对比，结果发现，同机车作业相比，无人机作业既减少了人工分行的费用，还无挂落棉桃的弊端;并提出无人机喷药将是今后棉田脱叶剂施药的较好选择。
　　苏小记等[24]研究了常用植保机械对农作物病虫害防治的应用效果，结果表明，电动喷雾器、机动弥雾机和自走式喷杆喷雾机沉积率较高，达到51.4%～63.7%;单旋翼无人机和地面喷雾机械防治效果达到80%以上，优于其他低空低量植保机械。
　　赵冰梅等[25]利用KT-10-Ⅱ型四旋翼植保无人机开展了玉米灌浆期三点斑叶蝉的防治试验，结果表明，KT-10-Ⅱ型四旋翼无人机施药时，在飞行作业高度距玉米植株冠层1 m、飞行速度6 m/s、施药液量15 L/hm2的条件下，螺旋桨产生的下旋气流能很好地使雾滴具有穿透性，保证玉米植株上、中、下部均能着药。
　　胡红岩等[26]通过雾滴测试发现，植保无人机在棉田作业过程中，不同采样点雾滴沉积分布情况存在较大差异，中心航线附近采样点的雾滴沉积量较大，而远离航线的旋翼两侧采样点的雾滴沉积量较小。
　　综上研究结果可知，采用植保无人机在田间进行施药作业，可显著提高药液雾滴在作物冠层中的沉降，从而提高农药利用率，达到防治效果;同时可避免机械下地作业时对作物造成的损伤，减少损耗。
　　3.2    无人机智能喷雾技术
　　无人机施药在实际作业过程中既可依据作业对象精准变量施药，降低农药用药量，减少农药残留;也可以对病害的发展情况进行实时监测，采集农业信息[27]。朱 超等[28]设计了一种高效自适应喷雾植保无人机，结果发现，设计研发的喷雾植保无人机在飞行过程中能根据植株密度进行自适应可靠控制喷药流量，施药量明显降低，较常规作业喷药量平均降低16.63%，施药作业雾滴沉积量较均匀。
　　王金星等[29]设计了一种实验室变量喷药沉积试验测试系统，确定雾化喷头最佳工作电压为10 V;通过水稻田间试验，确定最佳作业高度为2.0 m，作业速度为1.0 m/s。
　　白明亮等[30]设计了基于Web的无人机三维仿地飞行规划，较传统的农业植保方式更加快速高效，能准确完成植保任务。
　　明宇[31]研究了一种基于视觉的植保无人机避障，使用MATLAB软件进行了仿真，表明该方法可以实现植保无人机的避障功能。
　　王  军等[32]设计研发了一种无人机植保无线数据传输采集控制系统，通过反复应用及测试，该系统运行平稳、性能可靠，可实现植保作业的数据精准化、控制变量化。
　　吴冬[33]设计研究了一种基于GPS和GPRS的混合农业植保无人机高精度定位系统，并对系统进行了测试，结果表明，所设计的系统能够有效满足无人机对定位精准性的要求，且所设计的定位系统质量轻、投入低，能够实现无人机自主导航服务。
　　韩  宾等[34]提出了一种新的弯道姿态控制算法，对弯道处航路进行重新规划，由“几”字形航路变为更适合转弯的曲线航路。通过对比试验发现，对于同一架植保机，在相同作业条件下，采用弯道姿态控制算法转弯植保机作业效率提高了20%。
　　吴开华等[35]提出了一种基于结构光视觉的植保无人机障碍物检测方法，设计了可探测前方障碍物信息的光学检测系统。结果表明，该方法能够有效检测出未知环境下障碍物的距离、方位角和宽度，并且距离检测误差小于6 cm。 　　宋天明等[36]设计了流量微调喷洒系统，可以通过速度控制喷洒泵，达到流速微调喷洒，可以有效解决流量喷洒难以控制的问题，更加精细地实施喷洒作业。
　　范思儀等[37]设计了一种适用于农用植保无人直升机的航路规划方案，通过仿真验证了方案的可行性，证明了算法可使无人直升机在植保环境下应用有较好的效果。
　　刘小军等[38]提出了一种基于Cortex-M4内核的六旋翼植保无人机方案，提高了系统动态扰动下的控制能力，保证了系统控制性能和飞行姿态的稳定。
　　植保无人机智能施药技术可根据作物实际情况调整药液的喷施量，减少药液浪费，实现更精细的施药作业。通过精确定位、避障等技术可有效提高无人机作业的准确性、安全性。
　　3.3    其他技术创新
　　徐伟诚等[39]设计了一款太阳能植保无人机，通过利用太陽能这种绿色的能源为锂电池充电，从而达到增加无人机续航时间的目的。
　　贾瑞昌等[40]将光固化成型技术应用于无人机植保喷头，结果表明，其性能满足喷雾工作要求。将光固化成型技术运用于研发农业机械及其器件，可以减少制造时间和降低制造成本。
　　董  康等[41]设计了一种植保无人机离心喷头，优化了喷头的结构参数，设计了一套雾化效果试验装置，获得了最佳工作参数，即电机电压12 V、喷雾压力0.08 MPa、喷嘴口径0.471 mm。
　　郑启帅等[42]研究了航空喷施作业时液滴对叶片的润湿性能及影响因素。试验结果表明，添加助剂和保证液滴与叶片接触速度至少为1.55 m/s，能有效提高叶面肥对叶片的润湿性。
　　文  晟等[43]研究了单旋翼植保无人机翼尖涡流对雾滴飘移的影响。试验结果表明，当无人机飞行速度大于3 m/s时，机身后方开始出现螺旋型尾涡，且飞行速度越大、飞行高度越高，尾涡向机身后方的扩散距离越远;当飞行速度为5 m/s、飞行高度为3 m时，38%的雾滴因螺旋尾涡而造成空中飘移，其中粒径小于100 μm的雾滴约占总飘移雾滴数的80%。
　　徐志雄[44]通过研究发现，无人机植保效果与桨盘载荷具有很大关系。试验证明，变桨距四旋翼对药滴的雾化和扩散效果强于同起飞重量的电动四旋翼。合理的桨盘载荷对作业效果至关重要，变桨距四旋翼构型是达到合适桨盘载荷较可行的发展趋势。
　　通过对无人机操控系统、组成结构、零件材料等方面的研究，对现有无人机技术进行了改进和创新，有效提高了无人机各方面的工作性能，并对未来无人机作业的发展方向提供了依据。
　　4    无人机在果园中的应用
　　李莉[45]通过研究发现，使用无人机驱避技术可以有效防治鸟害。采用无人机驱避技术防治鸟害，果实受啄率较采用风力驱鸟器降低了83.08%，较采用超声波驱鸟器降低了86.42%，较采用生物驱避剂降低了71.05%，较采用有色防鸟网阻隔技术高54.5%，说明无人机驱避效果仅次于有色防鸟网阻隔技术。
　　崔广鑫[46]通过试验发现，采用无人机授粉的果实样品较自然授粉的果实样品平均单果重大，且采用无人机授粉的果实果柄长度更长。对于白粉病的防治，无人机喷药可以使病梢率减少65%、病叶率减少50%。通过数据分析发现，无人机在果树行间进行植保作业较在果园上空进行植保作业的效果好。
　　刘  晖等[47]研究设计了在无人机上搭载图像与光谱传感器，利用无人机飞行高度的优势，克服普通冠层分析仪只能采集低矮植物冠层图像的限制。
　　刘德江等[48]通过试验发现，相比于单旋翼，多旋翼产生的下行气流场更均匀;但单旋翼产生的下行气流较强，对果树叶片的扰动较大，提高了雾滴在树冠中下部的穿透性。
　　综上所述，无人机作业在果园防鸟、授粉、施药等多方面工作中均能体现其优势，且适合多种复杂地形作业。
　　5    结语
　　无人机作业极大地提升了作业效率，解决了劳动力短缺的问题，在果园及大田作业中均能体现出较大优势。但农用无人机在作业过程中仍存在续航时间短、载药量少等问题，需进一步进行研发，解决现存问题;同时，要推进植保无人机智能化，利用无人机结合先进技术，对作物进行智能分析，实现植保无人机高效精准作业。
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　　基金项目   国家重点研发计划（2016YFD0201100）;河北省现代农业产业技术体系水果创新团队（HBCT2018100205）;河北农业大学社科基金和理工基金（ZD201701，LG201703）;现代农业产业技术体系建设专项资金（CARS-27）。
　　作者简介   宋雷洁（1993-），女，河北邢台人，在读硕士研究生。研究方向：农业机械设计研究。
　　*通信作者
　　收稿日期   2019-02-20
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