無人機噴藥技術發展現狀與趨勢

王斌 袁洪印

摘 要：農業可持續發展已經成為當今世界農業發展的主流，而影響農業可持續發展的因素之一就是病蟲害。然而，防治病蟲害的主要手段仍然是化學藥劑防治。相比于傳統人工地面進行噴灑作業，無人機噴灑方式正在為人們所接受。本文介紹了無人機噴藥技術的特點及優勢，分析了國內外無人機噴藥技術發展研究概況，著重闡述了無人機噴藥技術相關內容以及未來的發展趨勢，分析了我國進行無人機噴藥技術面臨問題并指出應用無人機進行噴藥將大大提高防治病蟲害的效率和作業效率，推動我國農業可持續發展。

關鍵詞：無人機；噴藥技術；農業可持續發展

中圖分類號：S22 文獻標識碼：A DOI：10.11974/nyyjs.20160431025

引言

農業可持續發展在世界范圍內的影響越來越顯著，人們對農業機械的要求越來越高，促進了農業機械化水平的提高。在作物生長過程中，防治病蟲害是保證作物良好生長，促進糧食增產豐收的關鍵手段，直接影響糧食食品安全[1]。然而，在農作物植保方面，尤其是噴灑化學藥劑防治病蟲害，農藥噴灑仍然以手工、半機械操作為主，這種生產方式已經不能滿足現代農業生產的規模化種植的需要，而且噴藥人員中毒事件時有發生。為了促進農業穩定增產，保證農產品質量和作業人員安全，在噴灑化學藥劑防治作物病蟲草害方面，必須加快推進噴藥技術機械化，滿足作業要求，提高作業效率，達到作業目的。

無人機是最先應用于軍事戰爭的武器裝備。無人機噴藥技術，就是利用無人機搭載噴藥裝置，并通過控制系統和傳感器進行操控，達到對作物進行定量的精準噴藥。無人機噴藥技術為提高我國農業生產信息化，農業生產過程機械化提供良好的技術支撐和平臺[2]。無人機噴藥適用范圍廣，噴藥效果好，還能夠完成人工作業所達不到的地域，真正做到了農業機械化。

1 無人機噴藥的特點及優勢

1.1 無人機噴藥特點

農用無人機高效、安全、便利且不受地形限制的特點，讓其在農業植保領域備受關注。無人機噴灑農藥效率很高，幾乎是傳統人工作業的30倍[3]。噴藥大多為低量超低量噴灑，且操控人員遠離施藥區域，減少農藥中毒風險。遠距離操控飛機大大提高了作業安全性。無人機旋翼產生的向下氣流還有助于增加霧流對作物的穿透性，作業效果遠強于傳統作業方式。如果搭載視頻器件，還可以對噴藥作業過程進行實時監控。

1.2 無人機噴藥的優點

小型無人機噴藥，具有地形適應性好、勞動強度低、噴灑效果好、施藥效率高、安全環保等優點。其主要優點有：

高效安全，易操作，噴灑速度快。操作簡單方便，操作人員只需在田間地頭對無人機進行起飛降落，操作靈活方便。據統計，每架飛機每天可作業20～33.3hm2。

噴灑均勻，霧化效果好；覆蓋密度高，防治效果好。在旋翼的作用下，霧流向下穿透力強，霧滴更均勻，可以提高藥物利用率30%以上。

成本低，省水、省藥、省力。無人機噴藥設備易于維護，折舊率低，同時零部件更換方便。

全能實用。農用無人機遙控低空飛行噴藥，廣泛應用于大豆、小麥、玉米、甘蔗等作物的病蟲草害的防治。

2 國內外無人機噴藥發展概況

在無人機飛行植保這個新興領域中，美國和日本等發達國家走在前列。這些國家無論是在機械設備，藥劑及智能化設備的研發上，還是先進的植保技術方面都給我國提供大量的可借鑒經驗。

2.1 國外無人機噴藥技術發展概況

1918年，美國首次打開了農用航空的大門是利用飛機在棉花上噴灑農藥。美國航空植保經歷了有人駕駛直升機向無人機技術的發展過程[4]。目前，美國擁有農用飛機的品種有20多個，9000多架次，其中農用直升機占13%，占世界擁有量的28%。每2萬hm2耕地就用一架農用飛機。農業化學處理作業的65%由飛機完成的。60%以上的農藥噴施作業由無人機智能機械完成的。

美國還進行了其他方面的科學研究工作。如通過輸入飛機的操作參數，大氣的狀況與噴灑對象的特性，運用AGDISP可以計算順風的霧滴沉降量；2003年，美國學者B. Richardson和M. O.Kim-berley指出，當氣溫高于20℃時航空噴霧的霧滴沉降量顯著下降；2005年，Thistle等人通過研究表明風速和風向是影響霧滴水平運動最大的因素，風速與霧滴漂移量線性相關。

從20世紀90年代起，日本在大田作物、果樹和蔬菜的病蟲害防治上開始應用無人直升機。1990年，日本山葉公司最先推出世界第一架主要用于噴灑農藥無人直升機[5]。日本一直處于領先地位在無人直升機植保技術上。在無人機的管理上，已經從1995年的307架增加到現在的2400多架。日本農用無人機因其獨特優勢已經得到快速發展，包括播種、耕作、施肥、噴灑農藥等。據統計，日本國用無人直升機進行病蟲害防治的水稻種植總面積有45%，日本常年應用將3000架無人直升機作業在其533.33萬hm2農田中。不僅如此，日本重視培養飛行人才，已經取得執照的操控人員達6000多人。因此，日本采用無人機進行農業生產成為現代農業發展的趨勢之一。

2.2 國內的發展概況

航空噴灑技術在我國正式開展起來是在20世紀50年代。經過幾十年發展，中國農業航空作業量不斷增加，主要以有人駕駛固定翼飛機和直升機為主，到2012年，中國農業航空作業量約為31900h[6]。

2008年，我國才真正系統研究小型農業無人機噴灑技術。近年來，全國各地都積極開展了農用無人機噴藥技術的研發和應用，機型越來越多，應用范圍越來越廣，推廣速度越來越快，技術研究也越來越深入。

我國已有多家生產噴藥無人機的公司企業。比如，北方天途航空技術發展（北京）有限公司，主營國際領先的無人直升機、多旋翼無人機、固定翼無人機等植保專用無人機；深圳天鷹兄弟航空科技有限公司，公司推廣銷售電池動力植保無人飛機，田鷹-111、田鷹-555、田鷹-777等機型，該公司主營無人直升機和多旋翼無人機；山東衛士植保機械有限公司，主要生產“衛士”牌系列多旋翼植保無人機，產品遠銷非洲、美洲和東南亞等幾十個國家；珠海羽人飛行器有限公司，主營“谷上飛”系列多旋翼無人噴藥機。

在無人機噴藥技術的研究上，我國的專家學者更是取得一系列顯著成果。范慶妮在理論分析的基礎上，設計了2套小型無人直升機的農藥霧化系統-離心霧化系統和液力霧化系統[7]；茹煜為了提高無人機施藥的霧滴沉積效果，針對XY8D無人機設計了靜電噴霧系統[8]；茹煜還根據離心霧化和液力霧化的優點設計出了旋轉液力霧化噴頭，通過試驗研究給出了適合無人機噴藥工作的旋轉液力霧化噴頭的最佳工作參數[9]；史萬萍在GPS和GIS等技術的支持下，對精準變量噴藥技術進行研究，闡述了3種變量控制系統的工作原理及優缺點[10]。周立新和薛欣宇等對無人直升機農藥噴灑系統進行了詳細的設計與概括；茹煜教授在基于德國VARIO公司的多用途無人機遠程控制變量系統的基礎上，設計了專用于無人機噴霧的遠程控制系統[11]；徐興等基于脈寬調制（PWM）技術，設計了小型無人機機載農藥變量噴灑系統[12]。

3 無人機噴藥裝置設計

無人機噴藥就是將無人機機體與機載農藥噴灑裝置有效的結合，通過對無人機和噴藥系統的遠程控制，進而實現對作物的噴灑。

3.1 無人機

無人機一般由動力系統、無人機機體和控制系統組成。動力系統由葉璇、電機、蓄電池和燃料組成。其中動力有電動力、油動力或油電混合；無人機機體由機身、機架和起落架組成；控制系統則包括遙控裝置、接收機（一般裝在無人機機身上）和飛行控制器組成。

3.2 機載農藥噴灑系統關鍵部件

機載農藥噴灑系統由藥箱、噴頭、噴桿（懸臂）、液泵、噴控系統（噴灑控制系統）、控制線和軟水管等部件構成，如圖1所示。

3.2.1 藥箱

藥箱就是用于盛放藥液或藥粉的箱型部件，一般安裝在無人機底部。藥箱對無人機在進行噴藥作業時的穩定性起重要作用。因此在設計藥箱時，要注意以下幾個問題：藥箱的安裝位置不能影響飛行作業的穩定性；藥箱的材料在滿足強度的基礎上盡量減輕重量以增加載藥量，同時具有抗腐蝕性；藥箱載藥容量不能超過無人機負荷能力。

提高藥箱穩定性，可以采用如下措施：可以采用防震或者軟體藥箱。藥箱設計時根據無人機類型結構進而確定藥箱外形形狀；在藥箱內加入防顛裝置。一般由壓波浮板、滑桿和滑套組成。主要目的是起減震作用。

藥箱內還要有液位傳感器，當藥液不足時，能自動控制液泵停止工作。

3.2.2 噴頭

噴頭是完成噴霧工作的關鍵部件，噴頭直接影響著霧化效果。噴頭類型按霧化方式分為液力霧化噴頭和離心霧化噴頭。其中液力式霧化噴頭是使液體在一定壓力下，使彈簧壓力改變，進而通過一定形狀的小孔而霧化噴出；離心式霧化噴頭也稱轉盤式離心霧化噴頭，是液體在一個由電動機旋轉帶動霧化盤上延徑向流動，最后從圓盤邊緣噴霧飛出形成液滴。

根據以上2種噴頭還研究設計了幾種新型霧化噴頭。旋轉式液力霧化噴頭，其與普通噴頭結構不同之處在于噴頭結構中安裝一個小型電動機。工作原理是噴頭工作時，將來自藥箱內的液體經霧化后隨著噴嘴做圓周運動噴出，在離心力的作用下，進一步霧化了液滴直徑。靜電液力霧化噴頭，也稱靜電噴頭。靜電噴頭是靜電霧化系統的關鍵部件，其工作原理是給霧化噴出的液滴帶電荷，讓其減少漂移影響，使噴藥均勻效果更好。

3.2.3 藥液泵

藥液泵是用來將藥液從藥箱里泵出來進而進入水管和噴頭。控制系統可以通過控制藥液泵的開閉控制噴頭噴霧流量大小。

3.2.4 噴桿

噴桿一般安裝在無人機機架上，同時將噴頭用緊固螺釘固定其上。噴桿材料的選擇在滿足剛度要求下，盡可能重量輕。必要時，可設計成折疊噴桿。

3.2.5 變量噴灑控制裝置

變量噴灑控制裝置是無人機進行噴藥時，控制藥液量變化的核心部件。

目前，有3種變量噴藥控制方式系統。壓力變化噴藥變量控制方式，這種方式應用比較廣泛。其原理為控制器根據無人機速度控制伺服閥開度的大小，使系統達到一定壓力，從而使噴藥量達到能夠滿足作業地塊兒的要求噴出；注入式變量噴藥控制方式，即將農藥與溶劑分開。其工作原理為：噴藥前，計算機通過相關信息計算出該地塊所需藥量配比（農藥與溶劑之比），然后將信息傳遞藥液泵，進而根據無人機速度泵出確定量的農藥與溶劑混合進入噴頭噴出。除了控制藥劑泵入速度外，還可以實時控制溶劑注入速度。其優點是可以避免清洗藥箱而造成的環境污染；不足就是農藥注入泵到達噴頭時間過長，可能導致傳輸延遲；脈沖電控變量噴藥控制方式，該方式采用脈沖電控噴頭。工作原理為：通過控制調節噴藥系統的脈沖寬度來實現變量噴藥。這種方式在保持噴藥壓力恒定的條件下可實現較大范圍的變量控制，而且霧滴指標變化小，流速響應也比較快。

3.2.6 控制線、水管等其他部件

為了提高載藥量，控制線、水管等部件除了滿足要求外，應該滿足重量輕，耐腐蝕等特點。

3.3 其他

無人機噴藥效果的好壞直接與其穩定性相關。為了使作業效果最優，飛行高度大約在3m（根據作物高矮不同，選擇合適的作業高度）。為了使無人機保持飛行高度一致，在無人機上裝高度傳感器或者利用超聲波測距，使無人機保持一定高度平穩飛行。

4 結語

無人機噴灑農藥方式不僅是農業現代化的重要進程之一，更是實現未來農業可持續發展的關鍵因素。

未來無人機噴藥的發展趨勢主要有：無人機技術高度發達。動力系統改進，采用清潔能源。更多動力系統的無人機機型將問世；采用高分子材料制造無人機機身。無人機噴藥技術將大幅度促進相關噴灑技術的研發。如無人機精準噴藥方式的提高；先進傳感器的開發應用；改進更好的變量噴藥控制方式；還可以研究無人機霧滴沉降規律，實現藥物漂移預測。進一步研發智能技術和計算機技術應用于無人機噴灑農藥，讓噴藥裝置具有“識別”能力從而自動決定是否噴霧，做到真正意義上的“對靶噴霧”，提高作業精度。操控人員不斷涌現。無人機噴藥技術的推廣，讓越來越多農民意識到其極大的優點，激發農民學習操控的積極性。

無人機噴藥技術在我國雖然取得很大進步，推廣的速度也越來越快，但仍然面臨一些問題：載重太?。焕m航能力不足，頻繁換加藥液，一定程度上影響作業效率；作業精準度相對較差；操作無人機的技術人員少，我國應該大力發展高素質技術操作人員；無人機售后服務力度和購機補貼政策欠缺；現在只有河南、湖南和福建3省購買無人機實行補貼政策。隨著無人機噴藥技術推廣，相關部門應該制定對農民購買無人機享有補貼的相關政策。同時還要完善售后服務和相關配套服務，維修，保險也應該更加完善。

作為一種新型的農藥噴灑技術，無人機噴藥正在成為農機行業的亮點和熱點。無人機噴藥技術的快速發展和應用普及，真正實現了高效、環保安全的植保要求。綜上所述，無人機噴藥技術必將加速病蟲害防治的進程，促進我國農業現代化實現，為我國農業的可持續發展做出貢獻。

參考文獻

[1]吳小偉，茹煜，周宏平.無人機噴灑技術的研究[J].農機化研究，2015.

[2]賈志成，吳小偉，茹煜。直升機植保技術研究綜述[C].中國林業機械協會論文集.北京：國家林業總局，2011.

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[10]史萬萍，王熙，王新忠.基于GPS 和GIS的變量噴藥技術研究[J].農機化研究，2001.

[11]茹煜，賈志成，范慶妮，等.無人直升機遠程噴霧控制系統[J].農業機械學報，2012.

[12]徐興.小型無人機機載農藥變量噴灑系統設計[J].廣東農業科學，2014.