提高农用植保无人机作业效率的探索

河北省科技工程学校 张颖 李帅伦 孙石磊

1 植保无人机技术领域发展现状

农用植保无人机是用于农林植物保护作业的无人驾驶飞机，通过地面遥控或GPS飞控实现喷洒作业，可喷洒药剂、种子、粉剂等。我国拥有18亿亩基本农田，每年农药中毒人数约有10万之众。因此，应用植保无人机对农作物进行施药，不仅具有较高的经济价值，还具有很大的社会价值。

农用植保无人机按机型结构分为固定翼、单旋翼和多旋翼无人机。

固定翼植保无人机，机体模块化处理，具备简易、安全的起降系统，航时长、速度快，飞行效率高，在失去动力的情况下还可以依靠滑翔降低下降速度，从而减少坠机损失。但对飞行员的要求比较高，需要开阔的专用场地用于起飞和降落，且无法实现悬停。

单旋翼植保无人机植保雾化效果比较好、抗风性比较强，但是由于价格高、回报周期过长、飞手培训周期长，正常需要2~3个月，飞行风险高，售后及维护成本也相对较高，目前已逐步被多旋翼植保无人机所取代。

多旋翼植保无人机，采用模块化设计，使用与维护极其方便，飞行动力为锂电池，平均每组电池可连续工作15分钟，两个架次、喷幅宽度和飞行高度可自由调整。因为整体尺寸小、重量轻、效率高、性价比高等优点，受到越来越多使用者的欢迎，是目前应用最为广泛的植保无人机。

2 植保无人机的应用优势

近年来，植保领域无人机应用发展迅速，采用无人机喷洒农药作业的农田面积越来越大，应用的农作物品种也越来越多，尤其是在地面喷杆喷雾机不易进地作业的区域，尤其是在玉米、水稻、油葵、果树等农田上具有较强优势。对于生长季中后期的玉米、水稻和种植在丘陵的经济作物等，使用植保无人机能够实现生长期全程植保机械化喷雾作业，解决地面机械不易进地，喷雾农药作业困难的问题。

农用植保无人机具有高效环保、操作简单、智能化、精准作业等特点，在农作物的洒药、施肥、播种(授粉)，以及农作物长势和病虫害的监测等方面与人工和传统机械相比优势明显，一方面为农户节省大型机械和大量人力的成本，另一方面也可以保护环境，提高食品安全。主要优势如下：

2.1 安全高效

首先植保无人机是通过地面遥控或GPS飞控进行操作的，飞手与机具的距离较远，只要满足安全距离，就降低了暴露于农药下的隐患，提高了喷洒作业的安全性。其次是植保无人机飞行速度快，规模地块的作业效率非常高，能达到每小时120~150亩，比常规喷洒的效率至少高出百倍。

2.2 节水节药，降低成本

植保无人机的喷洒系统是采用喷雾喷洒的方式，可节约农药的使用量至少达30%，节约的用水量可达90%，很大程度上降低了施药成本。

2.3 覆盖密度高且防治效果好

农药液滴从喷雾器喷出时，作业高度低，飘移少，在无人机螺旋桨向下气流的作用下加速形成雾流，可空中悬停，喷洒农药时旋翼产生的向下气流有助于增加物流对农作物的穿透性，农药覆盖率和农药沉积量均优于常规，防治效果较传统作业优秀很多，同时还有效防止了农药对土壤的污染。

2.4 成本低，易操作

植保无人机整体尺寸小，重量轻，折旧率低，易保养，单位作业人工成本低，容易操作，操作人员一般经过30天左右的训练即可掌握要领并执行任务。

3 植保无人机的发展前景与趋势

智慧农业是一种全新农业生产方式，是借助物联网、人工智能、大数据等信息化技术实现农业生产全过程的信息感知精准管理和智能控制，从而达到与农业的深度融合。无人机植保作为智慧农业的垂直化应用领域，与农业自动驾驶、精细化养殖和农业物联网是智慧农业生产环境的四大应用。历经近10余年的探索，我国植保无人机的保有量大幅增加，植保作业面积也逐年增大。尤其2019年以来，我国相关植保无人机的利好政策不断出台，如购机补贴明显增加等，使植保无人机的发展日趋成熟，产业链发展趋于完善，发展热度也被完全带起来。2021年，行业更多的机遇也在加速凸显出来。综合来看，考虑到我国国土面积辽阔，耕地、林地等自然资源丰富，机械化、现代化、智能化转型是必行之路，因此农用植保无人机应用前景广阔。

未来我国植保无人机的发展趋势主要表现在以下五个方面：一是操作更加便捷，目前的植保无人机操作复杂，对飞手的能力要求较高，随着植保无人机技术的不断发展，植保无人机操作将更加便捷，使用者更容易上手；二是载重能力增强，目前植保无人机载荷大多维持在5kg~20kg，载荷药量少会增加换药或加药的频次，且费时费力，因此未来植保无人机载荷会越来越大；三是价格降低，目前我国植保无人机的价格参差不齐，大多在3万~20万元不等，随着技术的不断更新，植保无人机成本下降，加上无人机企业越来越多，竞争增强，植保无人机的价格也会随之下降；四是服务完善，国内目前关于植保无人机的配套服务不够完善，随着植保无人机行业的不断发展，相关配套售后服务、保险等也会更加完善和成熟；五是补贴增加，目前我国开始引入农用植保无人机的省份越来越多，逐步实现农业现代化，但是对购买农用植保无人机实行补贴政策的省份较少，相信随着现代农业的发展，植保无人机飞入农田已成不可阻挡之势，有关部门会加快制定相关政策，让农民早日实现科学种田，获得实惠。

4 一种提高植保无人机工作效率的方法

植保无人机主要包括动力系统、飞控系统和喷洒系统。药箱是植保无人机装在药液的容器，是喷洒系统的重要组成部分。目前的植保无人机上的药箱大多是固定的，无法快速拆卸，在作业时，每次喷洒完，都需要将药箱的盖子打开，然后加入药液，加满后，再继续喷洒工作，费时费力，效率低。

为了解决上述技术问题，探索一种用于植保无人机的快速插拔药箱结构，药箱本体呈┏型，竖直的药液容器以及与药液容器垂直连通的水平出液端，给出液端上端设置有加液盖，圆柱一的内径大于圆柱二的内径，水嘴导向套的圆柱一的上端出液端的下端固定设置有外螺纹套，外螺纹套内设置有水嘴导向套，水嘴导向套包括一体成型的圆柱一和圆柱二，圆柱一和圆柱二均为中空结构，且位于出液端内且固定连接水管固定盖一端，水嘴导向套的圆柱二的下端延伸至外螺纹套下端外侧，水嘴导向套内设置有包括横向部分和竖直部分的T型水嘴开关内芯，其中水嘴开关内芯上部分的水平部分卡于圆柱一内，下部分的竖直部分间隙配合于圆柱二内，水嘴开关内芯的上端设置有卡槽，卡槽与水管固定盖的下端之间设置有压缩弹簧，水嘴开关内芯的竖直部分的上端设置有内芯密封圈，内芯密封圈下方的水嘴开关内芯的竖直部分的周壁上设置有进液孔，竖直部分为下端开口的中空结构，水嘴导向套外周侧套有固定螺纹套，固定螺纹套固定连接外螺纹套。

药箱配有与水嘴导向套匹配插拔式配合的水嘴导向套连接座，水嘴导向套连接座固定安装于植保无人机上；水嘴导向套的外周壁与水嘴导向套连接座的配合处还设置有至少一个导向套密封圈。

药箱本体内设置有水管，水管一端固定连接固定盖上端，另一端固定于药箱本体内下端；药箱本体上端还固定有提手；当水嘴导向套与水嘴导向套连接座匹配插接时，水嘴开关内芯会被水嘴导向套连接座内下端顶起，而使进液孔由内径小的圆柱二进入内径大的圆柱一，使药液能够从水嘴导向套连接座下端的泵管连接口排出。

水嘴导向套上端螺纹固定连接水管固定盖。药箱本体的药液容器的下端螺纹固定连接有铝合金底盖。水管的另一端固定于铝合金底盖位于药液容器内一端。药箱本体周侧对称的两端设置有凸起，用于与无人机机身预设的卡槽匹配快速卡接。药箱结构如图1所示：

图1 药箱结构示意图

当水嘴导向套与水嘴导向套连接座匹配插接时，水嘴开关内芯会被水嘴导向套连接座内下端顶起而使进液孔由内径小的圆柱二进入内径大的圆柱一，使药液能够从水嘴导向套连接座下端的泵管连接口排出；当水嘴导向套与水嘴导向套连接座脱离，在压缩弹簧的作用下水嘴开关内芯被下压，使内芯密封圈重新进入圆柱二内密封配合；实现了药箱的快速更换，大大提高作业效率。