國內植保無人機農業噴灑技術研究

李雪穎 ，王 波 *，張博源 ，張兆寬

（1.黃河交通學院，河南 焦作 454950；2.河南省智能制造技術與裝備工程技術研究中心，河南 焦作 454950）

隨著氣候和農田生態條件的變化，農業景觀中病蟲害的爆發越來越頻繁，增加了對作物生產的威脅。農藥的使用是現代農業的一個組成部分，有助于提高大多數農產品的生產率和質量。傳統農業中主要使用的噴霧器是手動氣壓和電池驅動的背包噴霧器。這些傳統的噴霧器會造成嚴重的農藥損失和環境危害。為了減少對人類和環境的危害，以及解決勞動力短缺問題，噴灑機械化勢在必行。有人駕駛和無人駕駛的農業空中噴灑，往往作為最經濟和最迅速的手段來進行農作物病蟲害防治[1]。

現階段中國國內的種植系統規模普遍較小，地理上更復雜，而且地區間差異很大。基于無人機的噴灑平臺擁有更靈活的適用場景和更低的噴灑成本，同時，無人機還可以高精度地執行特定場地的農場管理[2]。然而，基于無人機的噴灑技術還存在一些需要克服的問題，如霧滴漂移、農藥效能等。現代農業建設的新形勢是使農業實現高產、優質、高效、生態、安全的目標，實現綠色消費和可持續發展，建設資源節約型、環境友好型農業[3]。本文對基于無人機的植保噴灑技術的研究現狀和進展進行了綜述，重點討論了大數據分析在精準農業噴灑技術領域的應用。以期為國內無人機植保研究提供參考，促進國內植保無人機產業蓬勃發展。

1 無人機噴灑系統的發展歷程及特點

1.1 無人機噴灑系統的發展歷程

1985年，雅馬哈首先推出農藥噴灑領域的農業無人機Model Rmax，其多款無人直升機被世界上許多國家作為研究平臺。然而伴隨著其技術封鎖，多旋翼無人機逐步嶄露頭角，現已取代直升機，成為農業應用中最廣泛使用的無人機平臺。近年來，我國研發并實施了用于作物保護的無人機。伴隨農業智能化和精準化的進行，無人機噴灑系統的尺寸和復雜性都在增加，許多先進的技術，如全球定位系統（GPS）導航、自動路徑規劃、自動噴灑系統、大數據分析，高精度定位和避障技術等已被用于多旋翼無人機，運行穩定性、效率、準確性和操作方便性得到大大提升[4-5]。

1.2 植保無人機的類型及特點

現階段無人機形狀和大小根據其提升能力和具體配置發展出多種門類，包括固定翼和單、多旋翼無人機。其動力系統可以是電力或燃料動力的。電動無人機的飛行持續時間為10～45 min，而燃料動力系統可以運行1～4 h。目前使用的大多數多旋翼無人機都是電動的，該型無人機結構簡單，維護方便，飛行穩定性和噴霧效率優異。因此，它已成為基于無人機的植保應用的熱門選擇。

1.3 植保無人機噴灑農藥時的霧化特性

當使用無人機在低空噴灑低量農藥時，旋翼的旋轉和空氣的相互作用為機體提供了必要的升力，并產生向下的氣流，有助于幫助噴霧水滴進入作物冠層，增強藥物沉積，減少漂移，改善農藥分布。相比與傳統噴淋，無人機噴灑的上層和下層均有較高的藥物沉降，且霧滴在農作物冠層上的覆蓋率和分布均勻性最好[6]。

2 基于植保無人機的噴灑技術研究進展

2.1 基于植保無人機的遙感監測

隨著大數據、圖像處理和深度學習技術的進步，通過數碼相機或高光譜傳感器獲取的無人機圖像，可以促進基于無人機的遙感技術在處方變速作業中害蟲檢測和識別的應用。首先，植保無人機可以利用各種各樣的相機和傳感器從空中獲取作物狀況的圖像，其可執行具有高時間和高空間分辨率的遙感和農藥噴灑任務。其次，無人機通常比有人駕駛的農業飛機更高效、更靈活，其可在低空和低速情況下捕捉高質量的圖像。隨著各種小型、輕型、高精度遙感傳感器設備的發展，基于無人機的遙感技術已大大擴大了監測作物的應用范圍，為精準農業收集更多有價值的數據信息[7]。

2.2 植保無人機變速噴灑技術

為了減少農藥的浪費，應根據病蟲害和雜草的嚴重程度精準施用農藥，因此變速噴灑技術近年來發展迅速。變速噴灑技術是精確空中噴霧的關鍵技術之一，其由GPS和變速流量控制系統組成。采用可變噴霧系統的無人機具有控制精度高、響應速度快的特點。現階段國內多位學者開發了地面測控單元，通過無線數據傳輸模塊對噴灑系統的壓力和流量進行遠程控制，實現了植保無人機的變速噴灑調節。同時其不斷通過算法優化和系統創新，結合神經網絡預測模型，不斷完善著無人機植保變速噴灑技術[8]。

2.3 植保無人機噴灑系統運行參數

植保無人機的運行參數對噴霧漂移和沉積效果有很大影響。許多研究者致力于探索影響噴霧沉積和下風運動的因素，以優化不同無人機和作物類型組合的操作參數。

2.4 植保無人機噴灑農藥漂移模型

農藥的安全、高效的使用要求對農藥的漂移和沉積進行管理。漂移因其對許多因素的敏感性，包括大氣條件和應用設備，使其難以現場測試所有可能的氣象應用場景。建模為評估噴灑作業的潛在風險和可能的緩解方案的潛在有效性提供了一個一致的框架[9]。許多研究人員試圖通過模擬噴霧漂流來預測釋放的噴霧的順風行為，并評估其潛在的環境影響。空氣噴霧模型有兩種研究方法:經驗模型和機理模型。經驗模型不解釋任何物理基礎，一般只適用于與它們所針對的情況非常相似的情況。

3 國內植保無人機農業噴灑技術的未來發展

3.1 植保無人機運行時的下洗氣流場研究

使用無人機在低空飛行時噴灑低量農藥不同于傳統的有人操縱空中噴灑。無人機產生的下洗氣流直接決定了噴霧液滴在空間中的運動。它是影響液滴在農作物上沉積的主要因素，也是液滴偏離農作物的主要原因。目前該領域的研究大多集中在氣流分布特性及其對噴霧性能的影響方面，但在現場試驗條件下對氣流模型、系統機理、噴霧參數相關性、準確的測量方法等方面研究不夠深入透徹[10]。目前的氣流模型是針對特定類型的無人機開發的，因此需要針對無人機建立通用的、可靠的氣流模型，完成檢驗和驗證后，還需要對不同的作物在不同的條件下進行具體的實踐測試和分析。

3.2 大數據分析與植保無人機技術的結合運用

近年來，基于無人機的遙感技術發展迅速，已成為植物保護場地管理的有效工具。其有利于擴大監測作物的應用范圍，以便在大氣、環境和太陽光照良好的情況下提供高分辨率數據。如何實現對數百至數千幅小范圍圖像的自動化分析，是基于無人機的植物保護遙感技術應用面臨的一個挑戰。人工智能（AI）和無人機的集成被認為是智能農業發展最有前途的解決方案之一，二者的結合可以提高技術的便捷性，方便處理復雜的海量大數據，并快速地提供高精度和高質量的解決方案。現階段，深度學習算法在基于無人機的遙感系統中已得到廣泛的應用，此外，物聯網的出現可以帶來有價值的、有經濟效益的精準農業應用。為了助力鄉村振興和實現共同富裕，信息通信技術、機器人、人工智能、大數據、物聯網等高新技術與無人機的結合需要投入更多的系統研究[11]。

3.3 植保無人機的變速噴灑技術研究

變速噴藥技術可按需噴藥，在提高農藥利用率、減少農藥殘留、降低環境風險方面具有較大潛力。可變流量技術包括壓力控制、可變流量噴嘴和脈寬控制技術（PWM）。現階段，設計出能夠產生最佳霧滴尺寸譜的噴嘴，以減緩偏離目標漂移，并提供最大的應用效能，是開發智能噴灑器重要的一環。同時，變速噴灑技術還應利用控制技術來降低設備成本和提高設備性能，不斷開發算法，建立影響因素與噴霧量的關系模型，使變速噴灑技術更加穩定和低成本化。

3.4 植保無人機的噴灑減漂技術研究

一些研究已經證明了各種作物的噴灑沉積模式，但現階段取得的相關技術仍不具備普適性，其仍缺乏詳細的信息來幫助應用程序配置特定的無人機。隨著越來越多的農田使用無人機進行管理，農藥漂移影響鄰近作物和其他敏感地區的機會也會增加。植保無人機噴灑沉積和漂移的相互作用仍待進一步研究。

同時，無人機噴灑農藥漂移模型為評估噴灑作業的潛在風險和可能的緩解辦法的潛在有效性提供了一個連貫的框架[12]。隨著測試中使用的設備和其他噴灑技術的更新，需要投入更多的研究來不斷創新技術，并精準化創新和應用技術。

3.5 群無人機協同技術在植保無人機領域的推廣

單架植保無人機的特點是飛行續航能力有限，單位時間內作業面積較小，不能在大面積作物中完成所有任務。此時，群無人機協同技術就顯現出提高植保無人機利用率和效率的潛力。國內多場高質量的無人機燈光秀展示了群無人機協同技術的良好協調性和控制性。這項技術可很好地應用于農業管理。使用多架植保無人機對農田進行噴灑農藥處理將增加每天的地面噴灑量，其所需的自動化控制系統以及飛行操作規范都已較為成熟，但由于國內監管規定，其在農業領域的推廣受到了一些阻礙。群無人機協同技術可以使農業管理更加智能化和便捷化，減少人為因素的干擾，提高作業的穩定性和安全性。

4 結束語

雖然植保無人機是世界各地農民和施藥者用于農業管理新增加的使用工具，但其已在農作物保護優化和農藥噴灑領域取得不菲成績。農藥冠層滲透、霧滴沉積與覆蓋、噴霧漂移控制是評價植保無人機產品效果的重點。我們需要對影響植保無人機噴灑質量和農藥功效的多個變量進行全面了解，并大力促進大數據分析與植保無人機技術的結合運用，才能保證植保無人機飛行和噴灑的順利進行。助力精準農業和智慧農業，實現鄉村振興。