智能植保無人機的關鍵技術及作業優勢分析

賈文革，于金玲

(梨樹縣萬發鎮綜合服務中心農機服務站，吉林 梨樹 136514)

0 引言

植保作業是農業防治病蟲害的有效手段，據統計，從農業生產的全過程來看，因病蟲害所造成的損失可達20%～30%。由于我國農田面積大、地塊分散、種植作物的種類繁多，生產過程對于植保機械的需求各不相同。加之我國農業生產存在著明顯的粗放性弊端，導致生產過程中使用的化學農藥利用率低，防治效果不理想，且容易造成耕地及周邊環境的污染，從2018年的統計數據來看，我國農業耕地受到農藥污染的面積已達1 300萬～1 600萬 hm2，嚴重影響著農田周邊的生態環境，也影響著農作物產出后的食品安全。截至2020年底，我國機動植保機械總量628.27萬臺，較上年增長1.17%，植保機械應用量的增長在提高植保效率的同時，也對農田造成了更嚴重的污染威脅，如何科學利用農藥成為機械植保必須面對的問題。近年來，智能植保無人機逐漸參與到農業植保作業之中，并體現出了獨特的技術優勢，合理利用和發展植保無人機技術將成為合理防治病蟲害的有效手段。

1 智能植保無人機的結構

1.1 主體結構及組成

現階段農業生產中廣泛使用的植保無人機是在多旋翼無人機的技術上發展而來的，其將多旋翼無人機的主體結構與植保噴桿噴霧技術進行有機結合，并利用電氣控制技術實現對無人機飛行狀態和農藥噴灑狀態的精確控制，從而實現高效的農業植保智能噴霧作業。圖1為農用智能植保無人機的主體結構示意圖，包括了多旋翼飛機主體、噴霧機構總成、藥液箱、輸藥管路、藥液泵、電氣控制系統、傳感器總成、衛星定位模塊等組成[1]。

1.飛機主體；2.噴霧機構總成；3.藥液箱；4.傳感器總成；5.藥液泵；6.電氣控制系統；7.輸藥管路；8.衛星定位模塊

1.2 主要系統功能

1.2.1 飛機控制系統

智能植保無人機控制系統的核心是PLC主芯片，作為數據收集和處理的核心，主芯片主要承擔以下工作任務：一是接收GPS定位和各傳感器的信息，并對信息進行分析、存儲、傳輸；二是按照PLC預設程序執行對飛行的控制和藥物噴灑的控制；三是接收并執行遙控器輸入的指令。除主芯片外，飛機控制系統還通過主板及延伸的供電及通信線路與無刷電機、藥液泵、管路電控開關等連接(圖2)，實現各個功能部件與主芯片的有效連接。此外，飛行控制系統的硬件還配套有PWM 、CAN、IIC、UART 等接口，能夠便捷的實現人機交互。

圖2 無人機主板結構圖

1.2.2 飛行動力系統

智能植保無人機的動力系統是飛行噴霧作業的基礎保證，現階段的飛行動力能源主要采用電池電能，通過電能驅動無刷電機運轉并帶動槳葉旋轉，利用多個槳葉同時切割空氣形成穩定的升力，推動植保無人機飛行。飛行過程中可通過控制電子調速器調整每個無刷電機轉速，從而實現對飛機飛行狀態的控制。

1.2.3 農藥噴灑系統

農藥噴灑系統是智能植保無人機另一個核心技術系統，現階段的植保無人機農藥噴灑主要以噴桿噴霧的形式實現，噴灑系統包括了農藥箱、藥液泵、輸藥管路、過濾裝置、噴桿、噴頭等，植保無人機主要采用濃縮藥液作業，以降低飛機負載。噴灑作業過程由藥液泵驅動農藥在輸藥管路內流動，當管路內形成足夠壓力后，由噴頭進行高霧化噴施[2]。

2 植保無人機的關鍵技術

2.1 衛星定位技術

衛星定位技術是植保無人機自動噴霧作業的基礎保證，能夠保證無人機精確獲取田間位置信息。植保無人機的衛星定位功能主要通過植保無人機上的衛星定位模塊實現，隨著農村地區技術設施建設的完善，衛星定位芯片結合衛星地面基站能夠有效對無人機的定位精度進行修正，保證無人機的作業精度達到厘米級，使無人機更夠更好地利用衛星進行導航，并在電池電量不足或農藥余量不足時實現自動返航和精準斷點續噴，有效減少重噴、漏噴問題的發生。

2.2 智能控制技術

隨著植保無人機功能的不斷豐富，對其控制要求也不斷提升，現階段來看，針對智能植保無人機而言，不僅要求控制系統實現對飛機的飛行和噴霧的常規控制，還必須實現飛行速度與噴霧量的智能匹配，同時通過環境感知技術獲取環境信息，實現有針對性的作業，如根據風力大小調整噴霧方式，大風天氣自動返航、異常氣流懸停、自動避障等。同時實現對各個功能裝置的監控，監測飛行速度、電池電量、藥液余量等，并實現電池低壓保護、無人機異常警示等功能。

2.3 人工遙控技術

人工遙控技術是通過遙控器或智能手機對無人機實現控制，利用人工控制完成農業生產過程中無人機難以自動完成的工作任務。智能植保無人機在某些特定情況下難以獨立完成作業任務，如在作業開始前利用無人機獲取并定位農田的邊界信息，駕駛員操作植保無人機飛行到指定位置后記錄定位信息，并通過多點記錄生成作業范圍，供植保無人機自動作業使用，如圖3所示為植保無人機定位邊界信息后系統自動規劃的作業路徑。或在衛星定位信號不良地區，可通過人工控制飛機飛行，配合農藥自動噴灑實現半自動化作業。無人機使用者也可自主駕駛無人機進行植保作業，用以實現果園、山地等復雜農田的植保噴霧作業。

圖3 定位邊界信息及噴施路徑規劃

3 植保無人機的作業優勢

3.1 噴藥質量明顯提升

由于植保無人機噴灑藥物的高度距離作物頂部僅400～600 mm，采用此種低空噴霧有利于顯著提高農藥的利用率，利用現代控制技術，植保無人機飛行速度與噴霧量形成合理匹配，避免了過量噴藥造成農作物農藥殘留問題的發生。先進的植保無人機采用了高霧化噴頭，配合槳葉旋轉產生的氣流，能夠保證農藥霧滴均勻的覆蓋在農作物表面，顯著提高植保作業效果。此外，對于免耕播種或密植作物，植保無人機槳葉產生的氣流能起到良好的滲透作用，能實現對作物中下部甚至根部的藥物噴施[3]。

3.2 植保效率顯著提升

智能植保無人機作業相對于傳統植保機械而言，不受地形條件的制約，植保作業的最佳效率可達6～10 hm2·h-1，可達到普通輪式噴桿噴霧機作業效率的2～3倍，更是傳統半自動化噴霧作業效率的40倍以上。且植保無人機工作過程可靠性更好，作業穩定性強，維修、維護耽誤的工時明顯減少[4-5]。

3.3 作業安全性更高

植保無人機可實現遠距離控制和無人智能作業，由于遠程操作和智能作業的便捷性，不僅降低了人員操作的難度，同時避免了操作人員直接接觸農藥而出現的健康威脅，相對于傳統的人工植保和機械駕駛植保，無人機植保操作人員基本不受農藥藥害，作業安全性顯著提高[6]。

3.4 有利于保護農作物

植保無人機作業過程不直接與農作物接觸，相對于傳統的輪式機械作業，不會對農作物產生擠壓、剮蹭等影響，且作業過程不會破壞土壤的物理結構，有利于保持農作物生長的物理條件和植株健康狀態，且無人機植保作業有利于減少農藥殘留，避免土壤污染影響農作物健康生長。

4 無人機技術應用及發展難點

4.1 政策支持不足

現階段來看，我國不同地區對于植保無人機的技術支持和相關政策傾斜存在較大的差異性，部分地區已將植保無人機納入無人機補貼范圍，但仍有很多地區未將植保無人機納入農機購置補貼范圍，即使植保無人機納入補貼，但仍存在限量補貼、補貼金額較低等問題，導致農民購買植保無人機的經濟負擔加重，購機熱情相應降低[7]。

4.2 技術不夠成熟

現階段應用的植保無人機以電驅動多旋翼機型為主，由于其發展的時間較短，盡管在飛控技術方面已經較為成熟，但是無人機在農業生產過程的應用仍沒有充分與我國生產實際相結合，存在的主要問題包括：1)農藥的適應性差。我國的農藥生產能力很強，市場上銷售的農藥品種很多，但植保無人機的工作必須使用專用農藥，導致傳統生產過程中使用的很多技術成熟的農藥不能直接應用于植保無人機，農民在植保作業過程中的農藥選擇無法利用自身經驗，常造成植保過程農藥選擇的不合理。2)飛機續航能力不足。航空植保需攜帶大量農藥，在此過程中對于電量的消耗速度很快，現階段的電池技術難以支持植保無人機長時間高效率的工作，導致在更換電池、電池充電等過程中植保無人機的整體工作效率降低。

4.3 缺乏統一規范與監管

現階段我國的植保無人機市場相對混亂，由于植保無人機的基礎研發和投入時間較短，機型的種類較多，品質存在較大差異，且農機監管部門對于植保無人機這一新型農機還沒有建立系統的監管規范和相關制度，導致無人機在農業生產和銷售的過程中存在一定的質量缺陷。同時受到國家飛行作業的政策制約，部分先進的無人機設備難以在我國農業生產的植保作業中應用，這影響了植保無人機行業的技術優化與合理發展[8]。

5 結語

綜上所述，智能植保無人機具有農藥利用率高、防治效果好、工作效率高、安全性好等眾多優勢，且對于農業生產的地形、小塊田地、作物品種具有良好的適應性，在確保病蟲害防治的同時，還能降低傳統機械植保造成的農藥污染問題。與此同時，植保無人機技術在智能控制、電池電力、噴霧能力方面仍有較大的提升空間，我國農民對植保無人機的駕駛和應用能力也有很大的提升空間，需要通過智能無人機技術及應用能力的不斷升級，保證無人機植保作業的高質量實施。