植保無(wú)人機(jī)作業(yè)寬度的影響因素及其相應(yīng)優(yōu)化策略研究

在科技持續(xù)進(jìn)步的背景下，我國(guó)的植物保護(hù)技術(shù)取得了顯著的進(jìn)展。這不僅減少了作業(yè)所需的時(shí)間和人力成本，而且對(duì)農(nóng)作物和林業(yè)等提供了有效的保護(hù)，同時(shí)也有助于提升植物生長(zhǎng)的質(zhì)量。隨著無(wú)人機(jī)技術(shù)的逐漸完善與成熟，無(wú)人機(jī)植保技術(shù)已廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，顯著提升了農(nóng)林作業(yè)的機(jī)械化程度。尤其植保無(wú)人機(jī)在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)病蟲(chóng)害防治中發(fā)揮著重要作用，其中作業(yè)寬度作為影響其作業(yè)效率與防治效果的關(guān)鍵參數(shù)，受到多種因素的綜合影響。以下文章對(duì)植保無(wú)人機(jī)作業(yè)寬度的影響因素進(jìn)行了簡(jiǎn)要分析，比如無(wú)人機(jī)自身性能、噴頭特性以及氣象條件與作物冠層結(jié)構(gòu)等等，針對(duì)這些因素，提出了相應(yīng)的詳細(xì)優(yōu)化策略。以期為提高植保無(wú)人機(jī)作業(yè)質(zhì)量，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)高效施藥，提供切實(shí)可行的理論支持與實(shí)踐指導(dǎo)，希望對(duì)從事農(nóng)業(yè)工作的人員有所幫助。

植保無(wú)人機(jī)，也就是無(wú)人飛行器，因作業(yè)效率高、勞動(dòng)力成本低、能適應(yīng)復(fù)雜地形等顯著優(yōu)勢(shì)，在全國(guó)范圍內(nèi)被廣泛應(yīng)用。作業(yè)寬度是其重要參數(shù)之一，與單位時(shí)間內(nèi)的作業(yè)面積直接相關(guān)，從而影響作業(yè)效率和成本。不過(guò)，作業(yè)寬度并非獨(dú)立存在，會(huì)受到多種因素的交互影響。如果設(shè)置不當(dāng)，不僅會(huì)降低作業(yè)效率，還可能造成農(nóng)藥?kù)F滴沉積不均勻，影響病蟲(chóng)害防治效果，嚴(yán)重時(shí)甚至導(dǎo)致資源浪費(fèi)和環(huán)境污染。因此，有必要深入研究影響植保無(wú)人機(jī)作業(yè)寬度的因素，并制定有效的優(yōu)化策略。只有這樣，才能推動(dòng)植保無(wú)人機(jī)技術(shù)的科學(xué)應(yīng)用，促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展，加快農(nóng)業(yè)革新與進(jìn)步。

一、影響植保無(wú)人機(jī)作業(yè)寬度的相關(guān)因素

1、無(wú)人機(jī)自身性能① 飛行穩(wěn)定性

飛行穩(wěn)定性將影響作業(yè)寬度的精確度和均勻性。在飛行過(guò)程中，如出現(xiàn)晃動(dòng)、漂移等不穩(wěn)定現(xiàn)象，則會(huì)改變噴頭的噴霧方向，導(dǎo)致霧滴分布不均勻，從而實(shí)際作業(yè)寬度將會(huì)偏離理論作業(yè)寬度。如在天氣有風(fēng)的情況下，小型的植保無(wú)人機(jī)由于其抗風(fēng)能力不足，會(huì)影響與干擾到飛行姿態(tài)，使得農(nóng)藥?kù)F滴在橫向分布上出現(xiàn)偏移，具體表現(xiàn)在某些區(qū)域霧滴沉積過(guò)多或過(guò)少，這直接影響了作業(yè)效果。

② 飛行高度

飛行高度與作業(yè)寬度關(guān)系密切，通常來(lái)講在一定范圍內(nèi)，作業(yè)寬度會(huì)隨飛行高度的增加而加大。這是因?yàn)殡S著高度升高，會(huì)增加噴頭噴出的霧滴在下降過(guò)程中向周邊擴(kuò)散的時(shí)間。另外飛行高度過(guò)高也會(huì)帶來(lái)諸多的其它問(wèn)題，如霧滴在空氣中的漂移距離增大，受氣流影響更明顯，導(dǎo)致霧滴沉積不均勻，同時(shí)會(huì)降低霧滴在作物冠層的沉積密度，影響防治效果。相關(guān)研究表明，當(dāng)植保無(wú)人機(jī)飛行高度從2m增加到4m時(shí)，作業(yè)寬度可擴(kuò)大約 20% ，但霧滴沉積密度會(huì)下降 30% 左右，總之飛行高度會(huì)影響噴灑的覆蓋范圍。通常情況下，載重量更大的機(jī)型需要飛行在更高的高度，以防止對(duì)作物造成倒伏。

③ 飛行速度

飛行速度會(huì)間接影響作業(yè)寬度。當(dāng)飛行速度過(guò)快時(shí)，霧滴在單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)單位面積的數(shù)量會(huì)減少，為了確保農(nóng)藥的施用量，必須增加噴液量或擴(kuò)大作業(yè)寬度。然而，過(guò)快的飛行速度會(huì)導(dǎo)致霧滴在空中的停留時(shí)間很短，這會(huì)影響霧滴在作物表面的附著與沉積，進(jìn)而造成霧滴分布的不均勻。相對(duì)地，過(guò)慢的飛行速度則會(huì)降低作業(yè)效率。比如在進(jìn)行水稻病蟲(chóng)害防治時(shí)，如果飛行速度超過(guò) 8m/s ，即便作業(yè)寬度加大，也無(wú)法確保農(nóng)藥在水稻葉片上的有效沉積，同時(shí)會(huì)降低病蟲(chóng)害防治效果。

2、噴頭特性① 噴頭類(lèi)型

噴頭的多種類(lèi)型具有顯著不同的噴霧特性，這些特性會(huì)直接影響作業(yè)的寬度。噴頭類(lèi)型包括壓力式噴頭、離心式噴頭與靜電噴頭等。壓力式噴頭通過(guò)壓力將藥液從噴孔擠出形成霧滴，其噴霧角度相對(duì)固定，噴頭的噴霧角度及飛行高度決定作業(yè)寬度。離心式噴頭是通過(guò)高速旋轉(zhuǎn)的離心盤(pán)把藥液甩出形成霧滴，其霧滴粒徑較小，范圍分布較廣，作業(yè)寬度相對(duì)較大。靜電噴頭則是通過(guò)給霧滴施加靜電，以增加霧滴與作物表面的吸附力，在一定程度上可提高霧滴在目標(biāo)區(qū)域的沉積效率，其作業(yè)寬度受靜電場(chǎng)分布及其他因素共同作用影響。比如，在相同飛行參數(shù)下，采用離心式噴頭的植保無(wú)人機(jī)作業(yè)寬度可比壓力式噴頭寬1-2m 。

② 噴頭流量

噴頭流量決定了單位時(shí)間內(nèi)噴出的藥液量。在其他條件保持不變的情況下，若噴頭流量增加，為了確保單位面積上的農(nóng)藥施用量達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，必須相應(yīng)地?cái)U(kuò)大作業(yè)寬度。然而，噴頭流量過(guò)大還可能導(dǎo)致霧滴粒徑變大，霧滴在空氣中的漂移能力減弱，且在作物冠層的穿透性變差，影響深層葉片的病蟲(chóng)害防治效果。例如，當(dāng)噴頭流量從 0.5L/min 增加到 1L/min 時(shí)，若要維持相同的農(nóng)藥劑量，作業(yè)寬度需擴(kuò)大約 30% ，但此時(shí)大粒徑霧滴在玉米中下部葉片的沉積量明顯減少。

③ 噴頭間距

噴頭間距是指相鄰兩噴頭間的水平距離。噴頭間距直接影響相鄰噴頭噴霧區(qū)域的重疊程度，影響作業(yè)寬度與霧滴分布均勻性。噴頭合理間距會(huì)使相鄰噴頭的噴霧區(qū)域相互銜接且有適當(dāng)重疊，確保作業(yè)寬度內(nèi)霧滴分布均勻。如過(guò)大的噴頭間距，就會(huì)使得噴霧區(qū)域之間會(huì)出現(xiàn)空白地帶，則會(huì)造成作業(yè)寬度內(nèi)部分區(qū)域農(nóng)藥沉積不足；如過(guò)小的噴頭間距，會(huì)使噴霧區(qū)域過(guò)度重疊，部分區(qū)域農(nóng)藥沉積過(guò)量，導(dǎo)致農(nóng)藥浪費(fèi)并對(duì)作物產(chǎn)生藥害。對(duì)于常見(jiàn)的多噴頭植保無(wú)人機(jī)，適當(dāng)?shù)膰婎^間距應(yīng)保持在0.3-0.5m 之間，以確保作業(yè)寬度內(nèi)霧滴的均勻分布。

3、氣象條件① 風(fēng)速與風(fēng)向

影響植保無(wú)人機(jī)作業(yè)寬度的重要?dú)庀笠蛩貫轱L(fēng)速與風(fēng)向。過(guò)大風(fēng)速可使農(nóng)藥?kù)F滴在空氣中漂移距離顯著增大，導(dǎo)致霧滴偏離目標(biāo)區(qū)域，難以精確控制作業(yè)寬度。順風(fēng)時(shí)，霧滴會(huì)被風(fēng)吹向下風(fēng)方向，使實(shí)際作業(yè)寬度在順風(fēng)方向上擴(kuò)大，且霧滴分布更加分散；逆風(fēng)時(shí)，霧滴前進(jìn)受阻，可能在噴頭前方堆積，造成局部霧滴沉積過(guò)量，同時(shí)實(shí)際作業(yè)寬度減小。通常，當(dāng)風(fēng)速超過(guò) 3m/s 時(shí)，植保無(wú)人機(jī)的作業(yè)寬度穩(wěn)定性以及霧滴沉積的均勻性，會(huì)受到顯著影響。當(dāng)風(fēng)速超過(guò) 5m/s 時(shí)，作業(yè)應(yīng)立即停止，以防止農(nóng)藥漂移導(dǎo)致環(huán)境污染和降低防治效果。

② 溫度與濕度

溫度和濕度主要通過(guò)影響霧滴的蒸發(fā)速率和粒徑變化，間接地作用于作業(yè)寬度。在高溫低濕環(huán)境下，霧滴蒸發(fā)速度加快，粒徑變小，霧滴在空氣中的漂移能力就會(huì)增強(qiáng)，可能導(dǎo)致作業(yè)寬度擴(kuò)大，但同時(shí)霧滴在作物表面的附著性也會(huì)變差，容易流失。相反，在低溫高濕環(huán)境下，霧滴蒸發(fā)緩慢，粒徑相對(duì)較大，霧滴漂移距離就會(huì)減小，但大粒徑霧滴在作物冠層的穿透性可能不足，將會(huì)影響深層病蟲(chóng)害的防治效果。例如，在夏季高溫干旱的氣候條件下，植保無(wú)人機(jī)在作業(yè)時(shí)霧滴的蒸發(fā)速度會(huì)加快，這可能導(dǎo)致作業(yè)寬度相較于正常條件增加 10%-20% ，然而，農(nóng)藥的利用率卻會(huì)相應(yīng)降低。

4、作物冠層結(jié)構(gòu)

① 作物高度與密度

作物的高度和密度會(huì)顯著影響作業(yè)寬度。高大茂密的作物冠層會(huì)對(duì)農(nóng)藥?kù)F滴產(chǎn)生攔截和阻擋作用，使霧滴難以穿透到作物下部。對(duì)于高稈作物，如玉米，隨著作物生長(zhǎng)，高度增加，為保證下部葉片也能得到足夠的農(nóng)藥沉積，需要適當(dāng)減小作業(yè)寬度，以增加單位面積上的霧滴數(shù)量。同時(shí)，隨著作物密度的增加，霧滴在冠層中的擴(kuò)散和穿透變得更加困難，因此作業(yè)寬度也應(yīng)相應(yīng)減小。研究表明，在玉米生長(zhǎng)后期，當(dāng)株高超過(guò) 2m 且種植密度較大時(shí)，作業(yè)寬度相比生長(zhǎng)初期需減小 20%-30% ，才能保證整株作物的病蟲(chóng)害防治效果。

② 作物葉片形態(tài)

作物葉片的形態(tài)，如葉片大小、形狀、著生角度等，都會(huì)影響霧滴在葉片表面的沉積和分布，進(jìn)而影響作業(yè)寬度。例如，葉片寬大且平展的作物，如棉花，其葉片就有利于霧滴的附著和沉積，在相同作業(yè)條件下，作業(yè)寬度可比葉片狹長(zhǎng)且直立的作物（如小麥）適當(dāng)增大。葉片的著生角度也很關(guān)鍵，若葉片呈水平狀，霧滴則會(huì)更容易在葉片表面停留；若葉片下垂或上舉，霧滴就可能會(huì)滑落或滾落，導(dǎo)致作業(yè)寬度內(nèi)霧滴沉積不均勻，此時(shí)需要調(diào)整作業(yè)寬度或采取其他措施來(lái)保證防治效果。

二、植保無(wú)人機(jī)作業(yè)寬度的優(yōu)化策略

1、基于無(wú)人機(jī)性能的優(yōu)化① 提升飛行穩(wěn)定性

可選用具有先進(jìn)飛行控制系統(tǒng)和穩(wěn)定性能的植保無(wú)人機(jī)，如采用高精度的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、GPS定位技術(shù)以及智能避障功能等，確保無(wú)人機(jī)在飛行過(guò)程中能夠保持穩(wěn)定姿態(tài)，減少因外界干擾導(dǎo)致的飛行偏差。同時(shí)，定期對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行維護(hù)和校準(zhǔn)，檢查飛行控制系統(tǒng)、電機(jī)、螺旋槳等關(guān)鍵部件的性能，及時(shí)更換老化或損壞部件，保證無(wú)人機(jī)飛行的穩(wěn)定性。此外，可通過(guò)飛行前的模擬飛行測(cè)試，對(duì)無(wú)人機(jī)的飛行穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)估和調(diào)整，確保其滿足作業(yè)要求。

② 合理設(shè)置飛行高度與速度

可根據(jù)作物類(lèi)型、生長(zhǎng)階段以及病蟲(chóng)害發(fā)生情況，結(jié)合無(wú)人機(jī)和噴頭的性能參數(shù)，通過(guò)試驗(yàn)或參考相關(guān)技術(shù)手冊(cè)，確定最佳的飛行高度和速度組合。通常來(lái)說(shuō)，在確保霧滴能夠有效沉積在作物冠層且分布均勻的前提下，適當(dāng)提高飛行高度可增加作業(yè)寬度，但要避免飛行高度過(guò)高導(dǎo)致霧滴漂移嚴(yán)重。同時(shí)，合理控制飛行速度，使其與噴液量、作業(yè)寬度相匹配，以保證單位面積上的農(nóng)藥施用量符合防治要求。例如，對(duì)于水稻前期病蟲(chóng)害的防治，飛行高度可設(shè)置在 2-3m ，飛行速度為 5-6m/s ；而在水稻后期，由于植株較高，飛行高度可適當(dāng)提高至 3-4m ，飛行速度調(diào)整為 4-5m/s 。

2、噴頭參數(shù)優(yōu)化① 選擇合適的噴頭類(lèi)型

依據(jù)作業(yè)需求及作物特點(diǎn)的不同，可選擇適當(dāng)?shù)膰婎^類(lèi)型。對(duì)于大面積、低矮作物的病蟲(chóng)害防治，可優(yōu)先選用離心式噴頭，以獲得較大的作業(yè)寬度和較好的霧滴分布均勻性；對(duì)于高稈作物或?qū)F滴粒徑有特殊要求的農(nóng)藥，可選擇壓力式噴頭，并通過(guò)調(diào)整噴頭壓力和噴霧角度來(lái)優(yōu)化作業(yè)寬度。在一些對(duì)農(nóng)藥?kù)F滴沉積精度要求較高的場(chǎng)合，如果園病蟲(chóng)害防治，可考慮采用靜電噴頭，提高霧滴在目標(biāo)作物上的沉積效率。同時(shí)，可結(jié)合多種噴頭類(lèi)型的特點(diǎn)，采用組合式噴頭設(shè)計(jì)，進(jìn)一步優(yōu)化作業(yè)效果。

② 優(yōu)化噴頭流量與間距

可根據(jù)農(nóng)藥的使用劑量、作物的需藥量以及作業(yè)寬度要求，精確調(diào)整噴頭流量。可通過(guò)更換不同規(guī)格的噴頭、噴嘴或調(diào)節(jié)噴頭的壓力來(lái)實(shí)現(xiàn)流量控制。同時(shí)，合理設(shè)置噴頭間距，確保相鄰噴頭的噴霧區(qū)域有適當(dāng)重疊，以保證作業(yè)寬度內(nèi)霧滴分布均勻。在實(shí)際作業(yè)前，可進(jìn)行小范圍的噴霧試驗(yàn)，觀察霧滴分布情況，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)噴頭流量和間距進(jìn)行微調(diào)。例如，在進(jìn)行小麥病蟲(chóng)害防治時(shí)，若使用壓力式噴頭，可將噴頭流量設(shè)置為0.6-0.8L/min ，噴頭間距調(diào)整為 0.4m 左右，以達(dá)到較好的作業(yè)效果。

3、應(yīng)對(duì)氣象條件的策略 ① 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與規(guī)避不利氣象條件

在作業(yè)開(kāi)始前，可通過(guò)氣象監(jiān)測(cè)設(shè)備或氣象預(yù)報(bào)軟件，以實(shí)時(shí)獲取作業(yè)區(qū)域的風(fēng)速、風(fēng)向、溫度以及濕度等相關(guān)氣象信息。當(dāng)風(fēng)速超過(guò)適宜的作業(yè)范圍（通常建議風(fēng)速不超過(guò) 3m/s 或存在強(qiáng)風(fēng)、降雨等惡劣天氣時(shí)，作業(yè)應(yīng)暫停，以避免由于氣象條件不佳，而造成作業(yè)質(zhì)量下降，以及農(nóng)藥漂移污染。在作業(yè)過(guò)程中，如果氣象條件發(fā)生驟變，例如，風(fēng)速突然增大，就要馬上調(diào)整無(wú)人機(jī)飛行參數(shù)，或是停止作業(yè)，以確保安全。可在作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，設(shè)置小型氣象站，對(duì)風(fēng)速、風(fēng)向等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，當(dāng)風(fēng)速接近3m/s 時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)發(fā)出預(yù)警顯示，并會(huì)提醒操作人員采取相應(yīng)措施。

② 利用氣象條件優(yōu)化作業(yè)

在氣象適宜的條件下，可充分利用氣象因素，對(duì)作業(yè)寬度進(jìn)行優(yōu)化。如在微風(fēng)條件下（風(fēng)速 1-2m/s ，可根據(jù)風(fēng)向適當(dāng)?shù)卣{(diào)整無(wú)人機(jī)的飛行方向，使霧滴在順風(fēng)方向上有一定的漂移，在保證防治效果的前提下，適當(dāng)擴(kuò)大作業(yè)寬度，提高作業(yè)效率。同時(shí)，在溫度和濕度適宜的時(shí)段進(jìn)行作業(yè)，可減少霧滴的蒸發(fā)和粒徑變化，有利于保證霧滴的沉積效果和作業(yè)寬度的穩(wěn)定性。通常來(lái)講，早晨或傍晚時(shí)分，溫度較低，以及濕度較大，對(duì)植保無(wú)人機(jī)作業(yè)是比較適合的。

4、針對(duì)作物冠層結(jié)構(gòu)的調(diào)整

① 根據(jù)作物生長(zhǎng)階段調(diào)整作業(yè)寬度

在作物生長(zhǎng)的不同階段，其冠層結(jié)構(gòu)和病蟲(chóng)害發(fā)生情況不同，應(yīng)相應(yīng)調(diào)整作業(yè)寬度。在作物生長(zhǎng)初期，植株矮小、密度較小，可適當(dāng)增大作業(yè)寬度，提高作業(yè)效率；隨著作物生長(zhǎng)，冠層逐漸茂密，高度增加，應(yīng)減小作業(yè)寬度，確保農(nóng)藥能夠均勻覆蓋整個(gè)作物冠層，特別是下部葉片。例如，在蔬菜種植中，苗期作業(yè)寬度可比生長(zhǎng)后期寬 1-2m 通過(guò)定期監(jiān)測(cè)作物生長(zhǎng)情況，建立作物生長(zhǎng)模型，結(jié)合病蟲(chóng)害防治指標(biāo)，精準(zhǔn)確定不同生長(zhǎng)階段的最佳作業(yè)寬度。

② 采用輔助措施改善霧滴沉積

針對(duì)作物冠層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，影響霧滴沉積的問(wèn)題，可采用一些輔助措施來(lái)改善。例如，在高稈作物（如玉米田）作業(yè)時(shí)，可在無(wú)人機(jī)上安裝導(dǎo)流裝置，引導(dǎo)霧滴向作物下部穿透，以提高下部葉片的霧滴沉積量，從而在不減小作業(yè)寬度的前提下，保證整株作物的防治效果。此外，還可通過(guò)添加助劑來(lái)改善農(nóng)藥?kù)F滴的物理性質(zhì)，如增加霧滴的附著力和展布性，使其在復(fù)雜的作物冠層表面能夠更好地沉積和分布。

總而言之，無(wú)人機(jī)自身性能、噴頭特性以及氣象條件、作物冠層結(jié)構(gòu)等諸多因素都會(huì)對(duì)植保無(wú)人機(jī)作業(yè)寬度產(chǎn)生影響，這些影響因素，共同決定了作業(yè)寬度的大小與作業(yè)效果是否優(yōu)良。通過(guò)提升無(wú)人機(jī)的飛行穩(wěn)定性，以及合理設(shè)置飛行的高度和速度，選擇較合適的噴頭且優(yōu)化其流量和間距，并實(shí)時(shí)對(duì)氣象條件進(jìn)行監(jiān)測(cè)，采取恰當(dāng)相應(yīng)的規(guī)避或利用策略，同時(shí)根據(jù)作物生長(zhǎng)階段，來(lái)調(diào)整作業(yè)寬度以及采用相關(guān)輔助措施進(jìn)行改善霧滴沉積等優(yōu)化策略，在不同的作業(yè)場(chǎng)景下，能夠?qū)崿F(xiàn)植保無(wú)人機(jī)作業(yè)寬度的合理調(diào)控，進(jìn)一步提升農(nóng)藥?kù)F滴在作物表面沉積的均勻性與防治效果，以降低農(nóng)藥的使用量，保護(hù)環(huán)境，減少污染。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)工作中，推動(dòng)植保無(wú)人機(jī)的高效與精準(zhǔn)應(yīng)用，可為農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供有力保障。但由于不同地區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件各異，今后仍需不斷對(duì)植保無(wú)人機(jī)作業(yè)參數(shù)優(yōu)化體系進(jìn)行完善，進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)無(wú)人機(jī)植保技術(shù)的研究開(kāi)發(fā)，分析應(yīng)用過(guò)程中存在的不足，以便找到更加行之有效的策略進(jìn)行優(yōu)化與調(diào)整，只有這樣才能更有效地促進(jìn)無(wú)人機(jī)植保技術(shù)的不斷前進(jìn)。

（作者單位：112700遼寧省鐵嶺市調(diào)兵山市現(xiàn)代農(nóng)業(yè)服務(wù)中心）