水田绿肥无人机装备技术研究与应用

游兆延，吴惠昌，高学梅，彭宝良，张冲，王申莹

(农业农村部南京农业机械化研究所，江苏 南京 210014)

我国幅员辽阔，不同地区地形地貌、种植习惯差异较大，对作业机具的设计要求也需因地制宜。据统计，我国泥脚深、排水不畅的冷浸田占全国稻田面积的15.07%，沿海滩涂总面积达220万hm2，沼泽面积约1 100万hm2。这些区域都是潜在的水田绿肥耕作资源[1-3]。另外，在丘陵地区，由于地块面积小、高差大，大型地面机械也难以作业[4]。无人机是指无人驾驶的小型航空机具，其操纵灵活，无需专用机场，可在地头灵活起降，也可以实现航迹规划和自动导航飞行，能在地面机械和有人驾驶飞机无法企及的场所作业[5]。将无人机引入到农业生产中可以大幅提升生产效率与农业现代化水平[6-7]。目前，无人机装备作业的对象覆盖了很多农作物，包括水稻、小麦等主要粮食作物，葡萄、柑橘、茄子等瓜果蔬菜，以及棉花、花生、油葵、巴旦木、茶园等各种经济作物，并且取得了理想的防治效果和防治经验[8-9]；但无人机技术应用到绿肥作物，尤其是运用到水田绿肥生产仍鲜有报道。

1 无人机技术的农业应用

1917年，世界上第一台无人机问世，这是一架由无线电操纵的小型单翼型无人机，之后，无人机经历了从普通到高端的阶跃变化，但其用途仍主要集中在军事方面[10]，直到1987年，世界上第一台农用无人机出现在日本，Yamaha公司生产出20 kg级喷药无人机R-15。此后，无人机在农业上的作业优势逐渐得到认可，近年来，农用无人机的发展迎来黄金期。2014年，美国《科技评论》杂志将农用无人机排在了“2014年十大最具突破性创新科技”之首。当前，农用无人机技术的应用领域主要包括病虫害防治、飞播(水稻等农作物种子，以及树木和草种等)、施肥(颗粒肥、叶面肥、植物生长调节剂等)、授粉、农情监测(农田地貌、作物长势、产量评估)和灾情探查(植被、野生动植物资源调查)等[11-16]。

1.1 病虫害防治

在病虫害防治方面，以美国为例，美国现有农业航空公司2 000多家，年处理耕地面积近3 400万hm2，占美国年处理耕地面积的40%，其中，水稻种植施药作业100%采用航空作业方式[17-18]。日本经过20多年的发展，目前拥有2 400多架已注册农用无人机，操作人员14 000多人，成为世界农用无人机喷药第一大国[19]。我国的农用无人机技术虽然起步较晚，但随着科技投入不断增强，农用植保无人机机型越来越多，应用范围也越来越广，农用植保无人机的研究也步入了新的发展阶段[20]，代表机型为目前国内民用无人机体量最大的DGI MG-1S无人机，该机最大飞行作业速度为8 m·s-1，最大有效起飞质量24.5 kg，每次作业前拿着遥控器绕着农田走一圈，就能规划好航线，设置好喷洒参数和作业模式，上传到植保无人机就可以开始作业，一天能完成26.7～33.3 hm2作业。

1.2 飞播

无人机播种与人工播种相比，不仅效率高，而且播种更均匀。DroneSeed公司为美国农用播种无人机品牌，该公司的核心竞争力在于其选址技术，无人机上的传感器可以将扫描地区的地形制成三维(3D)模型，并选取其中适合种树的区域，其无人机能够以厘米为单位规划出种植区域，通过精确选址来提高种子的成活率，之后可通过压缩空气将种子发射到土壤中，从而实现无人机播种。在国内，新疆天山羽人农业航空公司生产的谷上飞3WDM8-20农用无人机飞播水稻时，在飞手操控下，每分钟可完成0.2 hm2稻田的播种，大大缩短了农时，提高了效率。

1.3 施肥

无人机施肥喷洒均匀，施肥效果明显。法国葡萄庄园常采用无人机施肥，作业过程中果树叶片正反面均能有效施肥，并且能节省50%的农资使用量。无人机施肥实现了传统粗放施肥向精准施肥的转变，在减少化肥用量的同时提高了化肥利用率，符合当下化肥零增长和绿色发展的理念。

1.4 授粉

2017年，日本研究人员设计出了一款蜜蜂形状的微型无人机，协助蜜蜂进行授粉作业，该无人机只有约5 cm大小。研究人员在无人机底部粘贴了一块动物毛皮，上面涂了一层名叫离子液体凝胶的特殊胶水，当无人机飞到花上时，花粉颗粒就会轻轻地粘到凝胶上，然后当无人机再次飞到另外的花上时，颗粒就会落下，利用胶水的黏性恰到好处地实现了取粉、撒粉。

1.5 农情监测

利用无人机遥感测绘，建模，配合互联网技术，可以构造农田3D空间模型平台，为植保人员提供农田空间模型、作物信息、病虫害信息、位置关系，甚至是温度、湿度、光照等环境数据，从而实现农情的准确监测。

2 水田绿肥无人机装备研究

绿肥生产作业环节因绿肥品种、种植区域、利用方式的不同而有所区别，总体来说主要包括播种、开沟、田间管理(农情监测、施肥、病虫害防治等)、翻压、种子收获、种子加工、种子仓储等环节。当前，绿肥产业亟须突破一批轻简化生产共性关键技术，以保证绿肥种植利用的轻简、高效。无人机在水田绿肥的应用符合这一发展需求。目前，无人机主要应用于水田绿肥生产的播种和田间管理环节。

2.1 无人机播种装备研究

无人机撒播可以有效解决部分地区的机械化问题。目前，无人机播种装备主要有离心式、拨杆式和气力式这3种结构形式，水田绿肥无人机播种装置可以借鉴上述几种结构进行绿肥种子的撒播作业。

2.1.1 离心式无人机紫云英电动撒播装置

离心式无人机电动撒播装置主要分为离心圆管式和离心圆盘式。图1所示为离心圆管式无人机紫云英电动撒播装置，该装置作业方便，效率高，采用碳纤维机身设计，撒播装置重1.2 kg，输入电压3.0～4.2 V，撒播速度4 L·min-1，容量8 L，撒播幅宽12～23 m，旋转速度625 r·min-1，可以便捷匹配多种形式的无人机，深入地面机械难以到达的地方，适应多种水田绿肥品种的撒播作业。

图1 离心圆管式无人机撒播装置

图2为离心圆盘式无人机紫云英电动撒播装置，主要由种箱、双搅龙异向排种机构、圆盘等组成，搅龙和甩盘均由电机驱动同步控制。该机适合搭载于多种无人机上，适用于紫云英等多种颗粒状绿肥种子的播撒作业，操作简便，生产效率较高。但在实际作业时，甩盘转速对作业幅宽和播种均匀性的影响，以及无人机飞行速度与搅龙排种机构转速的协作控制关系等仍有待进一步研究。

1，种箱；2，双搅龙异向排种机构；3，圆盘图2 离心圆盘式无人机撒播装置

离心式无人机电动撒播装置适用于均匀度要求不高的水田绿肥作物粗播，缺点是离心甩盘式、离心圆管式落种区均为圆弧区，相邻的两个落种区之间很容易产生重播和漏播，均匀性不好，且作业幅宽方向调控比较困难。

2.1.2 拨杆式无人机撒播装置

拨杆式无人机撒播装置如图3所示。其原理为利用电磁感应定律将电能转换成机械能，由高速电机带动拨杆进行播种作业。作业飞行速度5～8 m·s-1，载重量10～15 kg，单次飞行时间18 min，定位水平误差0.5 m，垂直误差1 m。拨杆式无人机撒播装置结构简单，但缺少定量播种结构，对不同绿肥种子排种适应性程度也不高。

图3 拨杆式无人机撒播装置

2.1.3 气力式无人机撒播装置

气力式无人机撒播装置如图4所示，主要由风机、分流箱、排种槽轮和导流通道组成[21]。工作时利用排种槽轮调控种子颗粒的排量，风机产生的高速气流经由入风口将落种口的种子颗粒吹入导流通道排出，种子颗粒的撒播量和运动轨迹有较强的可控性。气力式无人机撒播装置可实现排量随无人机前进速度的变化而调节，提高了无人机撒播作业的均匀性，但气力式无人机撒播装置飞行高度、导流通道锥角、分流箱气流出口尺寸等对撒播幅宽和撒播均匀性的影响还有待进一步优化研究。

1，风机；2，分流箱；3，导流通道；4，排种槽轮图4 气力式无人机撒播装置

2.2 无人机田间管理装备

在绿肥生产过程中，加强绿肥作物田间管理，对提高鲜草产量和根系固氮效果有着直接的促进作用。当前，绿肥无人机在田间管理环节主要可以实现农情监测、施肥、田间病虫害防治等应用。

2.2.1 田间农情监测

利用无人机装备同步搭载高清数码相机、多光谱仪、热像仪、传感器等专业遥感器，获取低空分辨率遥感数据，通过数据分析系统处理软件可实现数据处理与解析，获取作物叶面积指数、产量及冠层温度等农情信息。该应用还可为探索绿肥作物育种基因型与表型关联规律提供辅助支持。

2.2.2 田间施肥

绿肥既种又管，才能肥田增产。紫云英等豆科作物生长缺少氮肥时会降低根系固氮效应；油菜对磷素、硼素等反应敏感，缺磷减产严重[22]。使用无人机，可以方便地对作物进行叶面肥喷施。在使用无人机给叶面喷施肥液时，要注意调配好肥料浓度、酸度，选择合适的喷洒时间，另外可适当添加助剂以提高肥液在植物叶片上的黏附力，促进肥料的吸收。相比传统人工操作，采用带导航的无人机施肥，每小时作业量可达4 hm2，作业效率是人工喷洒的40倍以上，且无人机喷洒雾滴沉积分布的均匀性也优于人工，有利于提高肥料利用率，减少资源浪费。

2.2.3 田间病虫害防治

无人机作业方便，施药效率高，用水、用药量少，且对作物损伤小，能够满足施药均匀性要求。现有植保无人机经适应性改进后可应用于紫云英、红萍、水浮莲等水田绿肥的病虫害防治，但在提高绿肥作物田间植保防治效果方面还须开展进一步研究。同时，为深入了解带导航单旋翼无人机、无自主导航单旋翼无人机、带导航多旋翼无人机等多款田间管理无人机作业时绿肥作物表层雾滴沉积分布的情况，建议将无人机运用到油菜、蚕豆等绿肥作物田间病虫害防治作业中，比较各机型在作物表层雾滴沉积分布的作业效果。

田间试验结果表明：有自主导航的无人机作业时，雾滴的分布均匀性要优于无自主导航的；单旋翼无人机喷洒雾滴沉积的穿透性、均匀性要优于多旋翼。小叶片、低秆的水田绿肥作物更适合无人机植保。这与无人机飞行时形成的风场有关：低秆作物无人机旋翼产生的下压风能轻松使叶子翻面，正反面均能着药。另外，合适的助剂和适当加大用水量也可以增加雾滴穿透性，提高病害防治效果。

3 建议

过去的一段时期，我国耕地质量较差、面源污染较重、产品质量较低等问题日益突显。当下，农业生产方式正在发生深刻变革，在国家推进生态文明建设的大背景下，发展绿肥符合农业调结构、转方式要求。过去几年，农用无人机在我国得到了快速发展，但其在绿肥生产领域的应用与其他主粮作物相比仍有较大差距，但也展现了农用无人机在水田绿肥生长应用上的发展潜力。今后，在发展水田绿肥无人机装备时，应注意以下几个问题。

3.1 重点突破典型区域、典型水田绿肥作物的无人机作业问题

我国绿肥品种繁多，种植模式多样，规模化种植少，区域分布不均衡，绿肥种植的带动性不强。无人机技术运用到水田绿肥生产领域还是个新产业，需更多的支持和宣传，可从典型的水田绿肥作物入手，选取若干典型的水田区域示范县，扩大绿肥种植面积，联合地方政府、无人机企业、农技人员、合作社等开展无人机的推广演示，形成规模并扩大影响，以早日解决冷浸田、沼泽、沿海滩涂、丘陵等地的绿肥生产机械化问题。

3.2 加强水田绿肥生产关键环节无人机装备研究

重点突破水田绿肥播种和田间管理环节无人机装备技术的研究。水田绿肥播种环节，可从精量播种、提高播种均匀性两方面考虑，研发适应多品种水田绿肥的播种无人机。水田绿肥田间管理环节，可针对不同作物生育期、不同病虫害，选择合适的助剂、药剂、无人机类型及合理的喷洒作业参数组合。

3.3 加强农用无人机研发和相关政策、标准研究

加强农用无人机装备技术研发投入，提升无人机性能。无人机的飞行系统及平台已有一定的技术基础，但其在操纵领域和实际作业效果上还有很多提升空间。在政策方面，由于农用无人机主要在中、低空空域作业，建议积极吸取国内外经验，加快建立农用无人机飞行的指导性法规，制订无人机操作人员培训制度，健全无人机飞行从业人员的职业能力评价体系和监管体制机制。建议政府协调无人机公司及合作社等多方力量，明确行业标准，促进我国农用无人机产业链和无人机行业的健康、快速发展。