植保無人機低空低量噴霧技術研究現狀

吳 笛 李君興 袁洪印*

（1.吉林農業大學工程技術學院，吉林 長春130118；2.吉林省農業機械研究院，吉林 長春130022）

引言

近年來，無人機熱度持續增長，無人機植保技術的發展也緊跟其上。在植保方面，無人機相比傳統植保機械具有很大的優勢，例如體積小，質量輕、自動化程度高，工作量小、優良的噴施效果，高效的作業性能、實現人機分離等。作為植保無人機主要研究方向，低空低量噴霧技術、靜電噴霧技術、GPS自動導航技術、低飄移噴霧技術等，都取得突破性的進展[1-3]。

低空低量噴霧技術是指在距作物1m以上，4m以下的低空環境下，通過提高噴霧藥液的濃度、降低稀釋倍數、確保單位面積施藥量不變、減小霧滴粒徑等辦法，以提高農藥利用率的一種施藥方式。根據《MTH 1008-1997 飛機噴施設備性能技術指標》，低量噴霧要求霧滴直徑（VMD）處于150～250μm。該技術主要是利用小霧滴較好的穿透性和高覆蓋率及低空環境下的低漂移率，使霧滴到達植物各個部位，包括葉子背面的均勻分布，進而減少霧滴飄移，提高農藥利用率。

1 國內外農業航空發展狀況

農業航空起源于德國，1911年德國人提出了將飛機應用于植物保護工作中。目前，美國農用飛機保有量達4000多架（有人駕駛固定翼飛機占88%）；俄羅斯的農業飛機保有量數目高達1.1萬架，作業的機型主要以有人駕駛飛機為主[4]；日本受地形的影響，有人駕駛固定翼飛機不適宜進行農業航空作業,輕型無人機異軍突起[4]。據統計，截至2010年，日本的微輕型農用無人機達2346架；2003年農用無人機首次亮相韓國，開啟農業航空時代。因耕地面積小，地形等因素的影響，韓國農業航空噴灑多使用無人機進行。截至2010年，農用無人機達101架，有人駕駛直升機20架[4]。

農業航空技術已經成為農業發達國家的評判標準，各個國家都針對本國國情選擇合適的農業航空設備。在美俄等地廣人稀的國家，多采用有人駕駛飛機為主，無人機為輔的植保作業方式；而日韓等國，小型無人機的各種優勢吸引著廣大農戶。

1951年，我國農業航空技術開始起步，農業航空飛機只能使用他國生產。20世紀90年代，輕型飛機及配套的噴灑設備廣泛用于小麥、水稻等農作物的農藥噴灑、葉面施肥。2016年，我國植保無人機保有量是4890架。2017年我國植保無人機保有量達8393架，同比增長72%。

圖1 農用航空作業占耕地面積比例

雖然，我國的無人機保有量保持持續增長的姿態，但是農業航空作業占耕地面積比例僅1.65%，如上圖所示。較美、日等農業航空發達的國家相差甚遠，世界平均水平也達到17%，遠高于我國。就當前數據來看，我國農業航空的發展剛剛起步，還需要各方人士共同努力。

2 國內外低空低量噴霧技術發展概況

隨著航空噴霧技術的發展，我國各位學者在低空低量噴灑、低空變量噴藥系統等關鍵噴霧技術的各個環節上展開了相關研究，并取得了很大的突破。針對無人機的低空、低量、均勻性及高功效的噴灑要求，我國的許多學者對無人機的噴頭進行了設計、試驗與改進。

2014年，茹煜等著重對一種兼顧了液力噴霧和離心噴霧的旋轉液力霧化噴頭進行了測試。以噴孔直徑、噴霧壓力、電機轉速3種因素進行實驗，分析各因素對噴頭霧滴粒徑、沉積分布、噴幅和功率消耗的影響。結果顯示，噴頭旋轉電機電壓對霧滴粒徑的影響遠高于噴孔直徑，壓力。電機電壓提高，噴幅擴大，霧滴沉積量呈現正態分布。噴霧壓力和噴孔直徑對功率消耗的影響也很大[5]；

2016年，王森建立了單旋翼植保無人機垂直風場模型及仿真模型，為分析無人機風場和噴灑作業中霧滴沉積規律提供了很大幫助。還對農業航空噴頭進行了研究實驗，獲得了較優的噴灑參數，為提高農藥利用率做出重要貢獻[6]。

農業航空低空低容量噴霧技術的發展已進入了瓶頸，為了能夠突破瓶頸的限制，相關人士針對不同的發展方向都進行了實驗研究。

2.1 明確防治不同作物主要病蟲害的最佳藥劑和最佳施藥量

利用農業航空低空低容量噴霧技術防治稻飛虱、稻縱卷葉螟、二化螟、紋枯病等病蟲害，研究藥劑噴霧霧滴大小及霧滴密度與防治效果的關系，明確防治不同作物主要病蟲害的最佳藥劑和最佳施藥量。2014年，楊帥等對4種不同無人機進行低空噴霧作業，尋找霧滴在作物冠層的沉積分布規律，并進行了防治效果的研究。實驗顯示，無人機噴幅在一定范圍內，隨高度增加而增加，確定最佳防治效果所需的飛行高度。不同無人機噴霧技術在冠層各位置的沉積密度均勻性不盡相同[7]；

2.2 研究用于農業航空低空低量噴霧中增加附著率和防漂移助劑

在研究藥劑霧滴直徑與作物葉面附著率之間的關系及霧滴蒸發萎縮規律的基礎上，研發用于農業航空低空低容量噴霧中增加附著率和防飄移助劑。2016年，文晟等針對植保無人機低量噴灑作業中，液力噴頭的大粒徑及離心噴頭的復雜結構和高成本，提出了一種超低容量旋流噴頭結構，并進行了試驗分析[8]。秦維彩等在水田環境中，利用植保無人機進行超低空低量噴霧實驗，測試漂移量與沉積量。數據顯示，非靶標區域霧滴漂移量占總噴灑量的12.9%,水稻下部葉片沉積量達到上部葉片的92.8%。證明了低空低量顯著的噴灑沉積效果[9]；Hoffmann W.C等利用一套自主開發壓力式噴霧系統，研究了助劑對噴霧液滴霧化特性的影響，實驗證明系統壓力的上升，添加助劑能夠減小霧滴粒徑變化，從而更準確的進行低量噴霧作業實驗，為低空低量噴霧技術發展提供了很大的幫助[10]。

2.3 研制無人旋翼植保機專用的智能控制方法與裝置

針對目前農業無人旋翼施藥機噴霧過程中因噴霧不均勻而發生作物藥害、藥效不理想和環境污染問題，研制無人旋翼施藥機用的智能控制方法及裝置，從而達到無人旋翼機隨速度變化而改變施藥液量，從而提高病蟲害防治效果，減少農業航空施藥過程中作物藥害和環境污染。Alvin R Womac 等人修改入口的壓力差調節活塞在殼體內的位置，改變空間的尺寸，調節噴頭流量的目的，實現了低量精量噴霧[11]。HUANG 等設計了一種針對全自主飛行無人機的低容量噴霧系統，測試了4種不同噴嘴的噴霧效果[12]。

2.4 構造農業航空低空低量噴霧作業參數專家決策系統

對作業參數專家系統總體框架進行設計，建立相應的知識庫及數據庫系統；系統需要能夠根據遠程用戶手機終端提供的作物圖像，判斷作物的葉面積指數、生長期、病蟲害發病情況，利用精準施藥知識特點及決策樹算法對無人機藥液量，噴頭的選擇、飛行高度和速度給出決策支持。2017年，陳勝德等對多旋翼無人機旋翼下方風場進行風場分布測量，結合航空噴霧技術，通過調整相關的不同參數進行噴灑實驗，研究了風場對霧滴沉積分布的影響,揭示多旋翼無人機航空噴霧技術中霧滴沉積原理[13]。

2.5 構建低空低量噴霧現場配藥系統、復核監督決策系統

構建低空低容量噴霧現場配藥系統復核監督決策系統，完成作業現場配藥、稱量、記錄遠監控控系統，從而最大限度減少噴霧作業配藥過程中藥劑錯配，漏配現象，為航空低空低容量噴霧安全性及病蟲害防治效果提供保障。

3 結語

農用無人機的發展固然可圈可點，但我國的農業航空起步時間較晚，且大多農業無人機并沒有高效的低空低量噴霧技術的支撐，這也是農業航空發展的短板。因此，需要做的是加大農業航空低空低量噴霧技術的研究力度，彌補行業發展的漏洞。低空低量噴霧技術的發展還有很長的路要走，不僅需要各個環節上的技術突破，更需要建立低空低量噴霧作業規范，以期在針對不同作物、病蟲害及作物周邊環境的情況下，都能選擇適宜的藥劑，藥量和安全區域。

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[2]溫源，薛新宇，邱白晶，等.中國植保無人機發展技術路線及行業趨勢探析[J].中國植保導刊，2014.

[3]郭永旺，袁會珠，何雄奎，等.我國農業航空植保發展概況與前景分析[J].中國植保導刊，2014.

[4]周志艷，臧英，羅錫文，等.中國農業航空植保產業技術創新發展戰略[J].農業工程學報，2013，29(24)：1-10.

[5]茹煜，金蘭，周宏平，等.航空施藥旋轉液力霧化噴頭性能試驗[J].農業工程學報，2014，30(03)：50-55.

[6]王森.單旋翼無人機航空施藥效果分析與試驗研究[D].黑龍江八一農墾大學，2016.

[7]楊帥.無人機低空噴霧霧滴在作物冠層的沉積分布規律及防治效果研究[D].中國農業科學院，2014.

[8]文晟，蘭玉彬，張建桃，等.農用無人機超低容量旋流噴嘴的霧化特性分析與試驗[J].農業工程學報，2016.

[9]秦維彩，薛新宇，吳萍.水田超低空低量噴霧飄移與沉積量的試驗研究[C].江蘇省昆蟲學會.江蘇省昆蟲學會第十三次會員代表大會暨學術研討會論文摘要集.江蘇省昆蟲學會，2012：6.

[10] Hoffmann W.C，Fritz B.K，Kirk，I.W.Aerial methods for increasing spray deposits on wheat heads[J].Applied Engineering in Agriculture，1996，24(6)：1109-1209.

[11] Alvin R Womac，QU y D Bui Development of variable flow rate fan nozzle for precision chemical application[Z].ASAE Annual International Meeting，2001.

[12] HUANG Y，HOFFMANN W C，WESLEY C，et al.Development of a spray system for an unmanned aerial vehicle platform[J].Applied Engineering in Agriculture，2009，25(6)：803-809.

[13]陳盛德，蘭玉彬，李繼宇，等.植保無人機航空噴施作業有效噴幅的評定與試驗[J].農業工程學報，2017.