無人機農藥噴灑與人工作業的比較試驗

朱祖武

(江西工業貿易職業技術學院，南昌 330000)

0 引言

近年來，隨著科技的進步，農作物病蟲害的防治方式有了新的突破：之前廣泛應用于軍事偵探、空中航拍、交通監測及地形勘察[1]等領域的無人機技術，被引入到農業發展中。目前，在加快農業發展的進程中，農藥噴灑這一環節顯得尤為重要。中國現階段主要防止病蟲害的方式為地面噴灑農藥，而這一舉措促使植保無人機農藥噴灑技術的誕生。針對我國農藥噴灑方式正在由傳統的人工噴灑作業逐步向無人機噴灑技術轉變，及落后的噴灑機具與先進的探測、控制技術應用于農藥噴灑技術的對比，本文主要闡述了無人機農藥噴灑關鍵技術，并與傳統的人工農藥噴灑作業方式進行對比試驗。

1 人工作業農藥噴灑技術

農作物病蟲害的存在是制約玉米、水稻、蔬菜等農作物產量高低的關鍵因素。長期以來，對于病蟲害的防治措施之一主要采用人工地面噴灑農藥：一方面，小面積人工噴灑農藥，引起作業人員中毒的概率為85%左右；據不完全統計，全國農業農藥施肥作業過程中引起中毒事件的人數高達10萬余人，死亡人數占10%以上，同時勞動強度大，不利于作業效率的提高。另一方面傳統的農藥噴灑機具主要結構包括存儲農藥箱體、噴灑機構、各種動力驅動裝置(圖1為機械化噴灑農藥作業實拍)，作業效率較人工施藥有所提高；但是農藥的利用效率不高，作業場地也存在一定的局限性。

2 無人機農藥噴灑技術

無人機農藥噴灑技術在國內外的發展較為迅速，一些發達國家的無人機控制技術更為成熟。圖2為多旋翼型無人機外觀示意圖。

圖2 多旋翼無人機外觀示意圖Fig.2 Appearance figure of the rotary wings unmanned aerial vehicle (UAV)

其工作原理可簡要描述為：無人機通過在空中定向定點噴灑農藥，旋翼產生的強大氣流將藥液直接作用于農作物的各個層面，農藥隨氣流可深入到農作物的根部、葉子的正反面等。無人機實現精準農藥噴灑，關鍵是實現無人機作業時與地面監控中心的實時通訊與控制。無人機平臺與地面監控中心之間的簡易框圖，如圖3所示。

圖3 無人機平臺與地面監控中心框圖Fig.3 Block figure between the UAV platform and the ground monitoring center

2.1 無人機噴灑系統控制

無人機農藥噴灑系統主要包括液位測量系統和無線電波遙控系統[2]。液位測量與控制通過在藥箱中設置一個電容式液位傳感器來實現，無線電波遙控系統主要是對農藥的液位高度數據進行數據發射端與接收端之間的傳輸，進而處理器進行相關控制操作。

無人機成功完成一次農藥噴灑作業，關鍵在于獲取實時的監測數據及噴灑裝置的實時作業動態。在滿足無人機平穩飛行前提下，對農作物進行均勻、精準的施藥，離不開精密的姿態控制，將無人機的平移速度與機翼的旋轉角度、噴嘴噴灑角度實現高效的耦合，并通過傳感器實現數據的精準傳遞、實時定位及動態調整，從而實施精確噴藥。相關控制模塊如圖4所示。

圖4 噴灑系統控制框圖Fig.4 Spraying system control block diagram

2.2 噴灑系統硬件與軟件構成

1)硬件配置上，主控芯片可采用ARM。其中，姿態測量部分的傳感器主要包含高精度的角速度計、加速度計和陀螺儀、氣壓傳感器、電子羅盤，以及超聲波測距模塊等，如圖5所示。

圖5 噴灑系統內部硬件結構Fig.5 Internal hardware structure of spraying system

另外，對于噴灑系統的噴頭進行專業選型，主要考慮噴嘴材質及噴霧效果和液滴沉降等因素，同時硬件回路設計多種信號隔離、抗干擾電路等，以達到噴灑系統運行精準的目標。

2)軟件設計上，充分利用編程語言對多個功能傳感器進行融合，獲取無人機農藥噴灑作業實時姿態，并使用PID控制算法[3]，如圖6所示。

圖6 PID控制簡圖Fig.6 A brief diagram of PID control

針對無人機噴灑系統存在的擾動和相關參數變化，李永偉[12]等在六旋翼植保無人機模糊PID控制中得出，模糊自適應PID算法優于傳統PID算法，性能參數比較如表1所示。

表1 傳統PID與模糊自適應PID主要性能參數[12]的比較

結合農藥噴灑系統的硬件配置，實現對姿態的識別和目標控制，設計高效、合理的噴灑控制作業方式。一般無人機噴灑系統軟件設計流程圖[4]，如圖7所示。

圖7 噴灑系統軟件設計大體流程圖Fig.7 The general flow chart of spraying system software design

2.3 噴灑系統關鍵技術參數

無人機在進行農藥噴灑的過程中，應重點關注噴灑系統的關鍵技術參數，如目標植株、霧滴流場的輸運特性、農藥液滴的霧化程度及穿透性[5]等，實現無人機農藥噴灑作業的效率最大化。影響技術參數大致可分為以下3類：

1)進行農藥噴灑時的氣象條件，如風向、風速等；

2)無人機位于植株上空的相關飛行參數，如飛行速度、飛行高度[6]等；

3)無人機噴霧流量、噴霧粒徑與霧滴的沉積分布[7]之間的相互影響。

對于關鍵技術參數的選取及優化通常采用高速攝影技術、計算機模擬檢測技術相結合經過準確計算而設定：針對農藥噴灑中涉及到的關鍵技術參數確定，在環境參數：風速v=0～0.1m/s，溫度t=27～28℃的條件下，構建以飛行高度X1、飛行速度X2和噴嘴流量X3等參數為設計變量，以噴灑的農藥霧滴沉積水平M為優化目標的參數優化模型。首先進行單因素試驗，利用響應面回歸分析方法確定二次回歸模型，進而進行模型交互項解析，并通過利用Design Expert軟件獲取最優無人機農藥噴灑關鍵參數條件(即3個關鍵參數X1、X2、X3分別取某個確定值得到最佳的霧滴沉積水平。根據秦維彩等[6]試驗結果，對于無人機噴灑作業過程中的最佳關鍵技術參數進行選擇：無人機飛行高度在2m左右、飛行速度約在4m/s左右、噴頭流量約在450mL/min時，可達到霧滴最大沉積水平在69%左右。

旋翼型無人機構件可選取超低容量旋流噴嘴[8],該旋流噴嘴的結構組成及霧化機理決定了其能夠在無人機進行農藥噴灑過程中，在表面張力和離心力的共同作用下形成均勻霧滴，直接附著于農作物表面、背面或根部。根據旋流噴嘴的湍流流場特性選取氣液兩相流控制方程,選用Fluent軟件中的流體體積函數VOF方法進行數值模擬與分析，控制方程為

(1)

(2)

(3)

(4)

式中ρ—流體的密度(kg/m3)；

ui—流體速度在i方向上的分量(m/s)；

t—時間(s)；

xi、xj—i、j方向上的空間坐標(m)；

γ—體積分數；

μ—流體的粘度(Pa·s)；

FV—作用在體單元上的力(N)；

σ—流體的表面張力系數(N/m)；

κ—界面曲率(m-1)；

δ—狄拉克函數；

n—交界面上的法線向量。

根據文晟等[8]所做試驗結果，噴嘴出口直徑直接影響噴灑霧化性能，出口直徑增大，噴霧流量、噴霧角隨之增大且幅度較大；且農藥流體的相對壓強對噴嘴流量和霧滴粒徑影響也較明顯，噴灑系統的相對壓強從70kPa 升至160kPa，旋流噴嘴平均直徑約下降30%左右。

3 對比分析

通過對人工噴灑農藥的了解調查及無人機農藥噴灑工作方式的闡述，明確植保無人機農藥噴灑效率遠遠高于傳統的人工農藥噴灑。無人機應用了國內外較為先進的控制監測裝置，提高了工作效率，減輕了作業人員的勞動強度，保證了作業人員的人身安全。

無人機農藥噴灑將遠距離遙控操作與飛行控制導航自主作業相結合,達到高效施藥效果，在一定程度上解決了噴藥難、利用率低等問題。無人機采用超低量農藥噴灑，在大多數情況下明顯優于傳統人工噴灑作業方式，無人機農藥噴灑平均噴灑667m2只需要2min，每天可噴灑20hm2；而人工每人每天噴灑作業[9]僅能完成0.67 hm2。無人機與手動噴霧器、機械噴霧器相比效率可提高30～80倍以上，具體對比項目如表2所示。

表2 無人機農藥噴灑與人工噴灑[10]的比較

續表2

無人機農藥噴灑技術相對于傳統人工農藥噴灑，不但實現了自動化，更對無人機技術領域提出更高的技術要求：

1)在了解農田地理地形的前提下，量身設計并規劃好噴灑任務的作業路線和飛行軌跡，以實現最優噴灑；

2)確保滿足噴灑的精度要求，選擇合適的導航控制算法；

3)對于接收、發射信號的傳感器關鍵部件要求極高，需保證實時定位、了解無人機的飛行及噴灑姿態；

4)針對圖像無線傳輸，要選取功耗低、運行處理速度快的集成芯片[11](DSP、FPGA等)，融入可有效解決復雜作業環境之下的糾錯編碼技術、無人機目標圖像穩像技術和實時傳輸技術等。

另一方面，針對無人機農藥噴灑技術本身而言，存在自身關鍵掌控點：

1)高精度遙感監測。無人機進行遙感監測的技術精度應達到90%以上，從分析掌握相關農田地形、當地氣候和歷史有效數據入手，以提供準確作業數據，包括了解農情遙感機理和定量研究，建立符合實際地況、農作物狀況的數據模型，減少或最大限度降低遙感監測。

2)最佳作業效率。只有在確保合適的飛行高度、飛行速度條件下實現作業效率最大化。此時，無人機的噴藥系統通過無人機旋翼產生的向下氣流，擾動各種農作物的葉片，使藥液更容易滲入，可減少20%以上的農藥量，達到最佳噴藥效果。相關資料及試驗數據顯示，在h≥3m、v<10m/s時，作業效率最佳。

4 結論

與傳統人工作業相比，無人機農藥噴灑技術具有明顯的優勢，該技術在精準農業發展中具有非常重要的應用推廣價值，應成為我國農業發展創新的一股重要推動力量。為了使農藥噴灑效果發揮最佳、噴灑目標性更強，應從理論、試驗及應用上不斷開展無人機農藥噴灑技術新研究。

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