无人机喷药技术发展现状与趋势

2016-05-14王斌袁洪印

农业与技术 2016年7期

王斌袁洪印

摘要：农业可持续发展已经成为当今世界农业发展的主流，而影响农业可持续发展的因素之一就是病虫害。然而，防治病虫害的主要手段仍然是化学药剂防治。相比于传统人工地面进行喷洒作业，无人机喷洒方式正在为人们所接受。本文介绍了无人机喷药技术的特点及优势，分析了国内外无人机喷药技术发展研究概况，着重阐述了无人机喷药技术相关内容以及未来的发展趋势，分析了我国进行无人机喷药技术面临问题并指出应用无人机进行喷药将大大提高防治病虫害的效率和作业效率，推动我国农业可持续发展。

关键词：无人机；喷药技术；农业可持续发展

中图分类号：S22 文献标识码：A DOI：10.11974/nyyjs.20160431025

引言

农业可持续发展在世界范围内的影响越来越显著，人们对农业机械的要求越来越高，促进了农业机械化水平的提高。在作物生长过程中，防治病虫害是保证作物良好生长，促进粮食增产丰收的关键手段，直接影响粮食食品安全[1]。然而，在农作物植保方面，尤其是喷洒化学药剂防治病虫害，农药喷洒仍然以手工、半机械操作为主，这种生产方式已经不能满足现代农业生产的规模化种植的需要，而且喷药人员中毒事件时有发生。为了促进农业稳定增产，保证农产品质量和作业人员安全，在喷洒化学药剂防治作物病虫草害方面，必须加快推进喷药技术机械化，满足作业要求，提高作业效率，达到作业目的。

无人机是最先应用于军事战争的武器装备。无人机喷药技术，就是利用无人机搭载喷药装置，并通过控制系统和传感器进行操控，达到对作物进行定量的精准喷药。无人机喷药技术为提高我国农业生产信息化，农业生产过程机械化提供良好的技术支撑和平台[2]。无人机喷药适用范围广，喷药效果好，还能够完成人工作业所达不到的地域，真正做到了农业机械化。

1 无人机喷药的特点及优势

1.1 无人机喷药特点

农用无人机高效、安全、便利且不受地形限制的特点，让其在农业植保领域备受关注。无人机喷洒农药效率很高，几乎是传统人工作业的30倍[3]。喷药大多为低量超低量喷洒，且操控人员远离施药区域，减少农药中毒风险。远距离操控飞机大大提高了作业安全性。无人机旋翼产生的向下气流还有助于增加雾流对作物的穿透性，作业效果远强于传统作业方式。如果搭载视频器件，还可以对喷药作业过程进行实时监控。

1.2 无人机喷药的优点

小型无人机喷药，具有地形适应性好、劳动强度低、喷洒效果好、施药效率高、安全环保等优点。其主要优点有：

高效安全，易操作，喷洒速度快。操作简单方便，操作人员只需在田间地头对无人机进行起飞降落，操作灵活方便。据统计，每架飞机每天可作业20～33.3hm2。

喷洒均匀，雾化效果好；覆盖密度高，防治效果好。在旋翼的作用下，雾流向下穿透力强，雾滴更均匀，可以提高药物利用率30%以上。

成本低，省水、省药、省力。无人机喷药设备易于维护，折旧率低，同时零部件更换方便。

全能实用。农用无人机遥控低空飞行喷药，广泛应用于大豆、小麦、玉米、甘蔗等作物的病虫草害的防治。

2 国内外无人机喷药发展概况

在无人机飞行植保这个新兴领域中，美国和日本等发达国家走在前列。这些国家无论是在机械设备，药剂及智能化设备的研发上，还是先进的植保技术方面都给我国提供大量的可借鉴经验。

2.1 国外无人机喷药技术发展概况

1918年，美国首次打开了农用航空的大门是利用飞机在棉花上喷洒农药。美国航空植保经历了有人驾驶直升机向无人机技术的发展过程[4]。目前，美国拥有农用飞机的品种有20多个，9000多架次，其中农用直升机占13%，占世界拥有量的28%。每2万hm2耕地就用一架农用飞机。农业化学处理作业的65%由飞机完成的。60%以上的农药喷施作业由无人机智能机械完成的。

美国还进行了其他方面的科学研究工作。如通过输入飞机的操作参数，大气的状况与喷洒对象的特性，运用AGDISP可以计算顺风的雾滴沉降量；2003年，美国学者B. Richardson和M. O.Kim-berley指出，当气温高于20℃时航空喷雾的雾滴沉降量显著下降；2005年，Thistle等人通过研究表明风速和风向是影响雾滴水平运动最大的因素，风速与雾滴漂移量线性相关。

从20世纪90年代起，日本在大田作物、果树和蔬菜的病虫害防治上开始应用无人直升机。1990年，日本山叶公司最先推出世界第一架主要用于喷洒农药无人直升机[5]。日本一直处于领先地位在无人直升机植保技术上。在无人机的管理上，已经从1995年的307架增加到现在的2400多架。日本农用无人机因其独特优势已经得到快速发展，包括播种、耕作、施肥、喷洒农药等。据统计，日本国用无人直升机进行病虫害防治的水稻种植总面积有45%，日本常年应用将3000架无人直升机作业在其533.33万hm2农田中。不仅如此，日本重视培养飞行人才，已经取得执照的操控人员达6000多人。因此，日本采用无人机进行农业生产成为现代农业发展的趋势之一。

2.2 国内的发展概况

航空喷洒技术在我国正式开展起来是在20世纪50年代。经过几十年发展，中国农业航空作业量不断增加，主要以有人驾驶固定翼飞机和直升机为主，到2012年，中国农业航空作业量约为31900h[6]。

2008年，我国才真正系统研究小型农业无人机喷洒技术。近年来，全国各地都积极开展了农用无人机喷药技术的研发和应用，机型越来越多，应用范围越来越广，推广速度越来越快，技术研究也越来越深入。

我国已有多家生产喷药无人机的公司企业。比如，北方天途航空技术发展（北京）有限公司，主营国际领先的无人直升机、多旋翼无人机、固定翼无人机等植保专用无人机；深圳天鹰兄弟航空科技有限公司，公司推广销售电池动力植保无人飞机，田鹰-111、田鹰-555、田鹰-777等机型，该公司主营无人直升机和多旋翼无人机；山东卫士植保机械有限公司，主要生产“卫士”牌系列多旋翼植保无人机，产品远销非洲、美洲和东南亚等几十个国家；珠海羽人飞行器有限公司，主营“谷上飞”系列多旋翼无人喷药机。

在无人机喷药技术的研究上，我国的专家学者更是取得一系列显著成果。范庆妮在理论分析的基础上，设计了2套小型无人直升机的农药雾化系统-离心雾化系统和液力雾化系统[7]；茹煜为了提高无人机施药的雾滴沉积效果，针对XY8D无人机设计了静电喷雾系统[8]；茹煜还根据离心雾化和液力雾化的优点设计出了旋转液力雾化喷头，通过试验研究给出了适合无人机喷药工作的旋转液力雾化喷头的最佳工作参数[9]；史万萍在GPS和GIS等技术的支持下，对精准变量喷药技术进行研究，阐述了3种变量控制系统的工作原理及优缺点[10]。周立新和薛欣宇等对无人直升机农药喷洒系统进行了详细的设计与概括；茹煜教授在基于德国VARIO公司的多用途无人机远程控制变量系统的基础上，设计了专用于无人机喷雾的远程控制系统[11]；徐兴等基于脉宽调制（PWM）技术，设计了小型无人机机载农药变量喷洒系统[12]。

3 无人机喷药装置设计

无人机喷药就是将无人机机体与机载农药喷洒装置有效的结合，通过对无人机和喷药系统的远程控制，进而实现对作物的喷洒。

3.1 无人机

无人机一般由动力系统、无人机机体和控制系统组成。动力系统由叶璇、电机、蓄电池和燃料组成。其中动力有电动力、油动力或油电混合；无人机机体由机身、机架和起落架组成；控制系统则包括遥控装置、接收机（一般装在无人机机身上）和飞行控制器组成。

3.2 机载农药喷洒系统关键部件

机载农药喷洒系统由药箱、喷头、喷杆（悬臂）、液泵、喷控系统（喷洒控制系统）、控制线和软水管等部件构成，如图1所示。

3.2.1 药箱

药箱就是用于盛放药液或药粉的箱型部件，一般安装在无人机底部。药箱对无人机在进行喷药作业时的稳定性起重要作用。因此在设计药箱时，要注意以下几个问题：药箱的安装位置不能影响飞行作业的稳定性；药箱的材料在满足强度的基础上尽量减轻重量以增加载药量，同时具有抗腐蚀性；药箱载药容量不能超过无人机负荷能力。

提高药箱稳定性，可以采用如下措施：可以采用防震或者软体药箱。药箱设计时根据无人机类型结构进而确定药箱外形形状；在药箱内加入防颠装置。一般由压波浮板、滑杆和滑套组成。主要目的是起减震作用。

药箱内还要有液位传感器，当药液不足时，能自动控制液泵停止工作。

3.2.2 喷头

喷头是完成喷雾工作的关键部件，喷头直接影响着雾化效果。喷头类型按雾化方式分为液力雾化喷头和离心雾化喷头。其中液力式雾化喷头是使液体在一定压力下，使弹簧压力改变，进而通过一定形状的小孔而雾化喷出；离心式雾化喷头也称转盘式离心雾化喷头，是液体在一个由电动机旋转带动雾化盘上延径向流动，最后从圆盘边缘喷雾飞出形成液滴。

根据以上2种喷头还研究设计了几种新型雾化喷头。旋转式液力雾化喷头，其与普通喷头结构不同之处在于喷头结构中安装一个小型电动机。工作原理是喷头工作时，将来自药箱内的液体经雾化后随着喷嘴做圆周运动喷出，在离心力的作用下，进一步雾化了液滴直径。静电液力雾化喷头，也称静电喷头。静电喷头是静电雾化系统的关键部件，其工作原理是给雾化喷出的液滴带电荷，让其减少漂移影响，使喷药均匀效果更好。

3.2.3 药液泵

药液泵是用来将药液从药箱里泵出来进而进入水管和喷头。控制系统可以通过控制药液泵的开闭控制喷头喷雾流量大小。

3.2.4 喷杆

喷杆一般安装在无人机机架上，同时将喷头用紧固螺钉固定其上。喷杆材料的选择在满足刚度要求下，尽可能重量轻。必要时，可设计成折叠喷杆。

3.2.5 变量喷洒控制装置

变量喷洒控制装置是无人机进行喷药时，控制药液量变化的核心部件。

目前，有3种变量喷药控制方式系统。压力变化喷药变量控制方式，这种方式应用比较广泛。其原理为控制器根据无人机速度控制伺服阀开度的大小，使系统达到一定压力，从而使喷药量达到能够满足作业地块儿的要求喷出；注入式变量喷药控制方式，即将农药与溶剂分开。其工作原理为：喷药前，计算机通过相关信息计算出该地块所需药量配比（农药与溶剂之比），然后将信息传递药液泵，进而根据无人机速度泵出确定量的农药与溶剂混合进入喷头喷出。除了控制药剂泵入速度外，还可以实时控制溶剂注入速度。其优点是可以避免清洗药箱而造成的环境污染；不足就是农药注入泵到达喷头时间过长，可能导致传输延迟；脉冲电控变量喷药控制方式，该方式采用脉冲电控喷头。工作原理为：通过控制调节喷药系统的脉冲宽度来实现变量喷药。这种方式在保持喷药压力恒定的条件下可实现较大范围的变量控制，而且雾滴指标变化小，流速响应也比较快。

3.2.6 控制线、水管等其他部件

为了提高载药量，控制线、水管等部件除了满足要求外，应该满足重量轻，耐腐蚀等特点。

3.3 其他

无人机喷药效果的好坏直接与其稳定性相关。为了使作业效果最优，飞行高度大约在3m（根据作物高矮不同，选择合适的作业高度）。为了使无人机保持飞行高度一致，在无人机上装高度传感器或者利用超声波测距，使无人机保持一定高度平稳飞行。

4 结语

无人机喷洒农药方式不仅是农业现代化的重要进程之一，更是实现未来农业可持续发展的关键因素。

未来无人机喷药的发展趋势主要有：无人机技术高度发达。动力系统改进，采用清洁能源。更多动力系统的无人机机型将问世；采用高分子材料制造无人机机身。无人机喷药技术将大幅度促进相关喷洒技术的研发。如无人机精准喷药方式的提高；先进传感器的开发应用；改进更好的变量喷药控制方式；还可以研究无人机雾滴沉降规律，实现药物漂移预测。进一步研发智能技术和计算机技术应用于无人机喷洒农药，让喷药装置具有“识别”能力从而自动决定是否喷雾，做到真正意义上的“对靶喷雾”，提高作业精度。操控人员不断涌现。无人机喷药技术的推广，让越来越多农民意识到其极大的优点，激发农民学习操控的积极性。

无人机喷药技术在我国虽然取得很大进步，推广的速度也越来越快，但仍然面临一些问题：载重太小；续航能力不足，频繁换加药液，一定程度上影响作业效率；作业精准度相对较差；操作无人机的技术人员少，我国应该大力发展高素质技术操作人员；无人机售后服务力度和购机补贴政策欠缺；现在只有河南、湖南和福建3省购买无人机实行补贴政策。随着无人机喷药技术推广，相关部门应该制定对农民购买无人机享有补贴的相关政策。同时还要完善售后服务和相关配套服务，维修，保险也应该更加完善。

作为一种新型的农药喷洒技术，无人机喷药正在成为农机行业的亮点和热点。无人机喷药技术的快速发展和应用普及，真正实现了高效、环保安全的植保要求。综上所述，无人机喷药技术必将加速病虫害防治的进程，促进我国农业现代化实现，为我国农业的可持续发展做出贡献。

参考文献

[1]吴小伟，茹煜，周宏平.无人机喷洒技术的研究[J].农机化研究，2015.

[2]贾志成，吴小伟，茹煜。直升机植保技术研究综述[C].中国林业机械协会论文集.北京：国家林业总局，2011.

[3]马兴.喷洒农药的无人驾驶小飞机[J].2015.

[4]王虹，美国通用航空发展现状[J].中国民用航空.2003.

[5]吴志洋.单旋翼植保无人机技术浅析[J].中国植保导刊，2014.

[6]张东彦，兰玉彬，陈立平，等.中国农业航空施药技术研究进展与展望[J].农业机械学报，2014.

[7]范庆妮.小型无人直升机农药雾化系统研究[D].南京：南京林业大学，2011.

[8]茹煜，农药航空静电喷雾系统及其应用研究[D]. 南京：南京林业大学，2009.

[9]茹煜，金兰，周宏平，等.航空施药旋转液力雾化喷头性能试验[J].农业工程学报，2014.

[10]史万萍，王熙，王新忠.基于GPS 和GIS的变量喷药技术研究[J].农机化研究，2001.