植保無人機施藥關鍵技術及發展趨勢

楊昌日 張朝艷

（欽州市欽北區農業機械化服務中心，廣西 欽州 535000）

病蟲害是造成糧食減產的重要因素之一［1］。我國糧食種植面積大，種植類型較多，病蟲害問題常有發生。盡管當前科技水平顯著提升，病蟲害防治手段逐漸升級，但依舊有陸續暴發性的病蟲害問題，對我國糧食安全造成了重大威脅。而將植保無人機施藥應用于農業生產中，有助于提高病蟲害防治效率和水平，進而提高農業生產效率和效益。由此可見，對植保無人機施藥關鍵技術展開分析至關重要。

1 植保無人機簡述

目前，無人機已成為我國植保工作中應用廣泛的一種重要機械設備。無人機本身具備的地理信息系統（Geographic Information System，GIS）和全球定位系統（Global Positioning System，GPS），可對病蟲害防治作業進行精準定位，同時不會受到過多地理條件的限制，具有靈活性強、省水省藥等優勢，即成本較低、效率較高。在當前我國農村地區人口老齡化嚴重，年輕人口外出務工的現實形勢下，在植保工作中應用無人機進行作業具有重要意義。

2 植保無人機施藥關鍵技術

2.1 變量施藥技術

與傳統的施藥方法相比，變量施藥能根據病蟲害實際發生情況和作物疏密信息等信息按需施藥，能預防過度使用農藥的問題，并能降低施藥成本投入、提高整體防治效率。目前，變量施藥系統大多基于脈寬調制技術，通過改變占空比來控制隔膜泵轉速，從而調節噴施量。該技術的實用性較強。有學者基于脈寬調制技術設計了變量噴施測控系統，可通過軟件遠程實現對無人機施藥狀態、施藥參數的調整［2］。有學者通過應用地面站，發揮多傳感融合功能，對施藥參數與情況進行跟蹤，確保無人機在飛行流量與速度上滿足要求，降低霧滴沉積量，節約成本，提高效率。此外，有學者采用圖像處理技術對非作物區進行識別，獲得作物處方圖，再控制噴頭實施精準施藥。

2.2 避障技術

我國農田環境較為復雜，增加了無人機施藥的實施難度，影響了施藥的安全性，所以要提升無人機的自主避障能力。鑒于不同障礙物形態不同、分布不同，應用避障技術時需注意其自主識別功能。例如，基于激光位移傳感器技術，為植保無人機提出一種新的避障檢測方法。基于激光位移傳感器的避障系統能有效地檢測出未知環境下障礙物的角度和距離，能對植保作業環境中典型障礙物做出較為準確的類型判別，并實現飛行過程中的動態避障。具有自動避障功能的旋翼無人機系統，通過激光雷達獲得障礙物的初步位置數據，經過數據處理模塊對障礙物數據進行濾除和數據識別后，將障礙物位置信息發送給飛行控制器，飛行控制器根據避障算法控制無人機自動繞開障礙物。該系統具有控制精度高、安全性能高、穩定可靠等特點，具有一定的應用價值。

2.3 減漂技術

影響霧滴漂移的因素較多，如噴施技術、氣象條件等，應通過研發減漂噴頭、應用飛防助劑、設置漂移緩沖區等方式減少影響因素的干擾。噴頭通過控制霧滴粒徑大小來減小漂移，改變噴頭類型、尺寸、壓力，開發空氣誘導型噴頭，可降低漂移量。目前應用較多的減漂噴頭主要采用射流技術，在噴頭內部混合藥液、空氣后，在霧化作用下形成液滴；或者對噴頭內腔直徑、V 形槽角和相對切深進行優化，設計出控制漂移的噴頭，調整無人機航線，確保能將霧滴使用在靶標區。另外，可通過調整農藥添加劑的配方來改變農藥理化特性，降低漂移帶來的風險。施藥區周邊設置漂移緩沖區可以保護水渠不受污染，如通過風洞試驗來估算漂移緩沖區的設置距離。

查閱文獻發現，有學者在研究漂移機理和霧滴沉降的基礎上，建立漂移模型，如Teske等建立AGDISP 模型，用戶可以輸入噴頭、藥液、飛機類型、天氣因素等信息，調用內部數據庫的相關數據，對可能產生的漂移進行預測。或者建立霧滴漂移能量模型，根據霧滴運動速度和霧滴粒徑有效預測霧滴漂移潛力，當相鄰兩噴頭噴霧扇面適當重疊時可以增加霧滴粒徑，從而增加霧滴動能，減小漂移。

2.4 霧滴檢測技術

結合霧滴沉積的特性，可準確判斷無人機噴灑質量。當前應用較多的方法是霧滴密度判斷法和50%有效沉積量判斷法，應根據植保無人機噴施霧滴粒徑的范圍選擇合適的方法。其中，霧滴密度判斷法在發生霧滴重疊時會產生誤差，因此，考慮霧滴沉積分布特點和工作效率需求，建議采用50%有效沉積判定法確定有效噴幅。有學者提倡應用紅外熱成像技術，獲得該區域噴灑后特定環境下的熱差數據，進而掌握霧滴分布濃度、范圍等參數［3］。相比于水敏紙法，這種方法較為快捷，且全程無接觸。另外，基于激光雷達反射原理測量霧滴分布的新方法，與人工測量值相比，測量結果相對誤差較小，而且具有掃描周期短、精度高等優點。

3 植保無人機發展趨勢

3.1 配置安全穩定的移動操作平臺

隨著智能化時代的到來，植保無人機具備更多智能化功能，將其與移動端智能化操作相結合，必然是植保無人機應用于農業生產的發展趨勢。人們可以通過下載手機APP對無人機進行直接操作，如上升懸停、航線的規劃以及使用GPS 進行導航等，這實際是對植保無人機避障技術的完善，可提高其可操作性，并能有效解決植保無人機原有的無法精確感知問題［4］。

3.2 提高載量與航行時長

當前人們所應用的植保無人機普遍存在承載質量小、航行時長短等問題，不能很好地適應逐漸增加的土地流轉及農田施藥工作需求，隨著土地集中化程度的提高，高運載量與高航行植保無人機成為人們的需求目標。所以，未來提高植保無人機載藥量和增加飛行時長至關重要，以進一步提高植保無人機的使用功能和效率，助力農業發展［5］。

4 結語

當前越來越多的國際組織和國家已正視農藥對農業帶來的雙刃劍作用，紛紛大力提倡減少農藥濫用、推廣病蟲害綜合防治措施。我國更要將長期以來過于關注農產品轉移到了解農業生態系統，協調好環境與農田施藥之間的關系。另外，我國農作物種類多、種植區域碎片化以及天氣環境條件差異明顯，因此，需因地制宜地發展和應用植保無人機施藥技術，以進一步推動我國農業生產發展。