无人旋翼植保机的应用研究

吕宏靖　李哲　于丽杰

摘要：无人旋翼植保机具有作业效率高、施药效果好、作业适应性强、作业过程精准等优势，能快速高效地完成大范围的植保作业，但其在实际推广过程中还有诸多问题亟待解决，需要进行相关研究。

关键词：农用航空；无人机；旋翼；植保

中图分类号：S224.3 文献标识码：A 文章编号：1674-1161（2015）05-0068-02

农业部植保植检网提供的数据显示，目前中国使用的植保机械以手动和小型电动喷雾机为主，其中手动施药药械、背负式机动药械分别占国内植保机械保有量的93.07%和5.53%，拖拉机悬挂式植保机械约占0.57%。据统计，我国每年因防治病虫害不及时而导致的粮食作物产量损失达10%以上。

目前在我国的粮食作物生产中，植保作业依然以人工为主，投入人力多，劳动强度大，常常发生施药人员药物中毒事件。农用航空植保技术是基于航空技术，结合机械化、自动化的植保技术。植保无人机能快速高效地完成大范围的植保作业，优势十分突出，但其在实际推广过程中还有诸多问题亟待解决。

1 无人旋翼植保机的优势及特点

1.1 作业效率高

无人机的作业效率取决于飞行速度。2014年7月，在鞍山市召开的机械化植保作业现场会上，参会厂家提供的宣传资料显示，无人机在田间作业时采用低空飞行，速度可达到8 m/s，作业幅宽（喷幅）4.5 m。工作时，扣除续航更换电池和加药的时间，每小时的作业面积在15 hm2（0.15 hm2/min，10 min飞行时间）以上，效率是任何植保机具所不能比拟的。

1.2 施药效果好

无人旋翼植保机飞行中，产生的下降气流吹动被施药作物的叶片，让叶片正反面均可以附着药物，施药效果比人工和机械提高15%～35%。在应对突发或者爆发性病虫害时，无人旋翼植保机的防控效果更加突出。

1.3 作业适应性强

无人旋翼植保机能够在地面机具不能进入的区域工作，尤其是在严重内涝的情况下，地面机械无法进地工作时，无人机作业不受影响。地面机具作业会留下车辙，压倒作物，破坏土壤物理结构，影响作物后续生长。而无人机载液量较小，多采用浓缩药液配合低量喷洒技术，不受作物长势影响。

1.4 作业过程精准

2012年辽宁爆发大面积玉米粘虫灾害时，亟需快速高效的控制虫害的植保机具。无人植保机作为快速反应手段，可有效地防止虫害扩散。

无人旋翼植保机作业高度低，喷药漂移少，可以在空中悬停；利用卫星定位系统进行定位，配合电脑自动规划施药路径，起降不需要跑道，适用于分散田块和民居稠密的农业区域；采用远距离遥控驾驶方式，不会发生作业人员中毒情况。

虽然无人旋翼植保机的作业效率远远低于有人驾驶的固定翼飞机，但固定翼飞机很难为小面积农田提供植保作业服务，也不能实现精准施药。

2 无人旋翼植保机存在的技术问题

2.1 定位导航精准度不够

现场会上，参展厂家进行无人机作业演示。工程师首先利用手机的GPS定位工作起始点，然后设定工作路线。无人机配备的GPS的精度范围为2 m左右。实际操作时，无人机需要GPS的卫星信号达到6颗以上才能进行作业。演示时，无人机起飞后悬停点偏离之前预设的工作起始点，随后调整失败，飞出演示田块。GPS的精度直接影响无人机的作业质量，只有飞行轨迹配合喷施区域，不漏喷、不复喷，才能实现无人机高效施药。

2.2 售价较高

现场会上，无人机的裸机报价为15万元左右，包括飞行器、药箱、喷雾机构、遥控装置和一组电池。整机报价为20万元左右，除裸机外还提供1个药箱、5组电池、汽油发电机及充电设备。单独购买裸机无法作业，而整机报价不包括操作人员一个半月的2万元培训费用。无人机采用合金骨架，机翼是碳纤维材料，很大一部分线路是裸露的。由于飞机销量太少，没有形成量产，所以价格很难让人接受。

2.3 智能程度低

20多万元的价格只能购买一个遥控航模飞机加上电动喷雾机构，使得机具不具备广阔的推广价值。因此，植保无人机的销售“门槛”必须降低，操作应该趋于简单便捷；自动完成路径规划，且能适应作业时的各种气象条件，出现状况时能采取必要的自我保护措施。

2.4 作业参数有待优化

无人机的航空喷施作业质量受诸多因素影响，如飞行高度、飞行速度、气象条件、航线规划、导航自动控制等。华南农业大学研制的风场无线传感器网络测量系统能为无人机作业提供参数优化，但目前还处于试验阶段。只有系统的试验研究，才能为无人机优化控制系统，让无人机操作智能化，提高无人机作业质量。只有高精度的坐标才能保证作业质量，因此，应采用DGPS增加导航精度，或是利用软件分析修正坐标信息。

2.5 喷洒技术亟需改进

目前，植保无人机是利用离心式雾化喷头来产生雾滴雾化的，而美国和日本普遍采用静电喷嘴，以提高药液附着力。离心喷嘴依靠电驱动喷头将药液甩出，形成雾滴；雾滴甩出后，受飞机飞行时的气流速度、状态、外界大气等因素影响。如何获得最佳粒径和运动状态，是下一步技术研究重点和难点。雾滴在运输及沉降运动的整个过程中，在极为复杂的空间流场影响下，相互碰撞、聚合，使得运动具有极大的随机性。除旋翼飞行产生的涡流外，作业时的温度、风速、气流与作物摩擦产生的涡流等，也会影响雾滴在作物上的分布。为获得最佳喷洒效果，需要对喷施作业参数进行选择与优化。航空喷施的药物品种有别于机械喷药，但无人机的航空药剂及辅助剂的用量配比尚无标准，仍需攻关。

3 结论与建议

无人机具有作业效率高、施药效果好、适应能力强、适合突发事件等优势，是目前植保领域的研究热点。航空植保飞行器智能控制技术以及航空施药喷洒技术是植保无人机的关键技术。从国内现有的航空植保技术及无人机性能来看，大范围推广还有很长的路要走。

参考文献

[1] 罗锡文.对加快发展我国农业航空技术的思考[J].农业技术与装备，2014（3）：7-15.

[2] 林蔚红.我国农用航空植保发展现状和趋势[J].农业装备技术，2014（2）：6-11.

[3] 吴小伟，茹煜，周宏平.无人机喷洒技术的研究[J].农机化研究，2010（7）：224-228.

[4] 张颖达.无人植保机行业发展任重道远[J].农机市场，2014（4）：17-20.

[5] 周志艳，臧英，罗锡文，等.中国农业航空植保产业技术创新发展战略[J].农业工程学报，2013，12（29）：1-10.