無人機農業植保作業優勢與關鍵技術*

黃秋嬌

（廣西現代職業技術學院，廣西 河池 547000）

根據對農業生產的不完全統計，在整個農業生產中，由于病蟲害而導致的農業經濟損失可達到其收益的20%～30%。加之農田面積大、地塊分散、作物品種多樣，在不同的生產工藝條件下，更需要不同型號的植保設備為其作業提供幫助[1]。在深入研究我國農業生產后發現，大部分農業生產者仍在堅持粗放型模式，此種模式導致對農業生產作業中的病蟲害控制效果不佳，甚至會對周邊環境造成一定影響。截至2021年年末，全國機動植保機械達到630萬臺，比上年增加了1.15%，植保機械的使用量不斷增加，對農田環境的污染也越來越大。因此，如何合理使用殺蟲劑已成為農機植保作業面臨的一個難題。

植物保護（簡稱“植保”）是在農村生產作業中用于控制病蟲害、保障農業生產種植安全的主要技術之一。近幾年，隨著我國農機裝備技術的不斷發展，農機裝備的智能化應用越來越廣泛，其技術優勢也越來越明顯[2]。為深化此項工作，有關人員提出采用無人機農業植保作業方式，但此種作業方式尚處于初步研究階段，相關應用仍未能在農業領域內普及。

基于此，筆者分析了無人機農業植保作業的優勢以及關鍵技術，以期為規范無人機農業植保作業提供全面的幫助與技術指導。

1 無人機農業植保作業優勢

植保無人機的噴藥高度在作物頂端400 mm～600 mm之間，因此，利用低空噴灑可以極大地提高植保無人機的農藥利用率[3]。在此過程中，輔助使用先進的控制技術，可以合理控制噴藥量，有效防止過量噴灑農藥引起的農藥殘留問題。同時，植物保護無人機大多配備了高霧化噴霧頭，噴頭與葉片轉動形成的空氣流動相互結合，可以確保殺蟲劑噴霧均勻地噴灑在作物上，從而起到提升植保工作效率的作用。在免耕和密植的情況下，植保無人機的槳葉具有較高滲透性，可以達到在作物中部、根部上噴灑藥劑的效果。

相比傳統的作業機械，此種自動化的噴灑設備在工作中可不受外部環境、地形等因素的限制，其工作效率可達7 hm2/h～12 hm2/h，相當于常規輪式噴灑機工作效率的2～3倍，比常規半自動噴灑機的作業效率高出40多倍。

植保無人機可實現遙控與無人智能作業，相比于半自動化操作的植保設備，前者具有方便、易操作等優勢，使用植保無人機進行農藥噴灑作業，既減少了人力操作的困難，又避免了工人直接接觸殺蟲劑所帶來的危害[4]。與傳統的手工植保、機械化植保相比，無人機植保人員基本不會受到農藥的傷害，作業安全得到了有效保證。此外，植保無人機在作業中不會與農作物發生直接接觸，不會造成作物相互擠壓、刮擦等問題，且不會對土壤的物理結構造成任何損傷，有利于農作物的生長，降低農藥殘留量。

2 關鍵技術

2.1 合理選配無人機農業植保作業藥劑

為滿足無人機農業植保作業需求，應在作業前，進行農業植保作業藥劑的合理化選配。考慮到無人機農業植保大多以噴霧方式進行，噴射的農藥粒徑相對較小，因此在選擇藥劑時，不能使用粉劑類型的藥劑，應選擇水基類型的藥劑，包括水乳試劑、微乳化試劑、懸浮試劑、乳油試劑等，如果使用了可濕水性的干粉試劑就會出現無人機農業植保噴頭堵塞等問題。

同時，根據無人機農業植保需求，應配制濃度較低的藥劑，不能使用含有毒性或高濃度的農藥，如甲胺磷、硫磷、殺蟲脒等，否則將出現噴灑試劑無法擴散造成人員中毒等事故。

由于無人機的飛行速度較快，難以保障噴灑后所有藥物都附著在農作物表面。因此，優先選用內吸型藥物試劑。內吸型藥物試劑是一種可以被植物吸收、通過藥物傳遞到其他器官、引起昆蟲吸食或接觸而導致中毒的藥物，可根據作業中的具體需求，設計噴藥量。

由于無人機農業植保作業中的藥劑存在一定的揮發性。因此，在配置藥物時，技術人員必須在配備好防護裝備的情況下，按照二次稀釋的方法，在開放的場地內配置藥物。嚴禁在密閉的空間下使用或配置藥物，以免藥物揮發對身體健康造成影響[5]。在此過程中，應注意的是，部分技術人員會使用一次性塑膠膜手套進行配藥，但由于一次性塑膠膜手套不具彈性、耐用性，不能保證配藥人員的安全，因此，需要用耐腐蝕的 NBR手套代替一次性塑膠膜手套。

2.2 設計噴灑作業技術參數

在無人機植保作業中，只有保證無人機噴灑的藥物均勻、分布廣泛，具有一定的沉積量，才能保證植保工作的實施符合標準。因此，需要在植保作業中，根據相關工作的實際需求，設計噴灑作業技術參數。

高壓扇形噴頭噴出的藥液具有中間多、兩側少的特點，為了保證噴霧的均勻，必須保證噴頭的噴幅存在25%及以上的重疊。通常情況下，控制無人機的相對工作高度在1.7 m～2.2 m范圍內，如果位置過高，就會加速藥液的漂移和蒸發；如果位置過低，就會引起漏噴的問題。對作業過程中容易發生倒伏問題的農作物，應將無人機的工作高度控制在1.9 m～2.6 m范圍內。如果噴灑的目標在中低層（面向目標為病蟲害），就應控制無人機農業植保作業的相對高度在1.5 m～1.9 m。

工作速率對噴灑農藥、試劑的滲透和漂移具有一定的影響。如果無人機農業植保作業速度過大，藥劑的滲透性就將呈現下降趨勢，液滴沉積量同比例也隨之下降，與此同時，藥劑的漂移量增大[6]。因此，根據病蟲害的不同，針對水稻等大田作物，應控制無人機農業植保的工作速度在3.5 m/s～6.5 m/s范圍內。在此過程中應注意的是，使用觸殺、胃毒類農藥，應根據實際情況，減少噴霧粒徑，降低操作速度，確保藥劑在農作物中下部有充分的霧滴沉積。

在操作之前，要實地勘察周圍的農作物種植、畜牧養殖、水產養殖等情況，以防止藥物在噴灑中出現偏移意外[7-8]。此外，在飛行過程中，要注意機與人、障礙物之間的安全距離，事先了解地形、觀察飛行路線、觀察是否有障礙、明確是否有信號干擾，從而規劃合理的降落地點和航線。在操作時應使無人機與人群保持一定距離，并指定人員進行定位和報告。在每日作業完成后，要對作業完成時間進行記錄，做好無人機的清洗、保養和檢查，并對當日的工作區域、飛行架次、當日的用藥量和總的工作區域進行記錄，以便次日繼續工作[9]。

在做好上述工作的基礎上，設計無人機在農業植保作業中的行距，如果行間距超過噴灑覆蓋范圍，就會產生漏噴現象，隨著無人機高度和飛行速度的增加，噴頭寬度和飛行速度的增加，作業行距的設定要根據作業高度和飛行速度等具體條件而定。

2.3 噴灑過程中動力與飛行控制

為確保無人機植保作業在實施中可以發揮預期的效果，應在上述工作的基礎上，對噴灑作業中的動力與飛行進行主動控制。

為滿足上述工作需求，采用三相交流無刷電動機、電子調速器、推進器等建立無人機農業植保作業中的動力系統[10]。按照下述計算公式，對作業中的升力與承載力進行控制。

公式（1）中：f表示無人機農業植保作業中的升力控制，N表示螺旋槳與機體結構的適配性，i表示葉片數量，K表示螺母連接節點數量。

公式（2）中：u表示無人機農業植保作業中的承載力控制，χ表示遙控信號，k表示載重參數，Z表示最大載重值。

在此基礎上，對無人機農業植保作業中的飛行過程進行控制，設計128 MHz緩存的主芯片，實時采集無人機在飛行中的作業數據，根據前端反饋的信息，

在可視化控制終端，進行無人機的飛行控制[11]。控制過程如公式（3）所示：

公式（3）中：C表示無人機在農業植保過程中的飛行控制，E表示無人機滿載狀態下的重心，w表示PID參數自適應調節。

按照上述方式，實現在無人機植保作業過程中的飛行與動力控制，確保作業過程的規范化與合理性。

3 應用效果分析

在完成無人機農業植保作業方法與作業過程中關鍵技術的設計后，為檢驗設計的方法在實際應用中的效果，將按照設計方法，進行某農業生產種植區植保作業的檢驗。

實驗中，選用某科研單位開發的電動四旋翼無人機作為藥劑噴灑機械，對此無人機的技術參數進行設計。如表1所示。

表1 電動四旋農業植保無人機技術參數

按照表1，進行電動四旋農業植保無人機技術參數的設計，在此基礎上，將無人機農業植保作業范圍劃分為A～G個區域，按照公式（4），計算無人機農業植保作業的效率與殺蟲率。

公式（4）中：P表示無人機農業植保的作業效率，p1表示單位時間作業量，p2表示作業時間，Q表示殺蟲率，q1表示噴灑農藥后的殺蟲量，q2表示病蟲害總數量。

按照上述方式，對A～G個區域中，無人機農業植保作業方法的綜合性能進行評估，統計其結果，如表2所示。

從表2所示的實驗結果可以看出，使用該無人機農業植保作業方法，可以使作業農藥噴灑作業效率在10 hm2/h以上，同時，實現對區域內害蟲的消滅率達到95%以上。綜上所述，該無人機農業植保作業方法的應用效果較好。

表2 無人機農業植保作業效果

4 結語

通過合理選配無人機農業植保作業藥劑、設計噴灑作業技術參數、控制噴灑過程中動力與飛行，完成了無人機農業植保作業的研究。并以某農業生產種植區為例，進行了植保方法可行性的檢驗，檢驗結果證明，該設計方法可以在提高植保作業效率的基礎上，優化作業效果，通過此種方式，為我國農業及其附屬產業的發展與建設提供全新的技術支撐，解決由于病蟲害導致的農業生產與發展滯后問題。