无人机在大豆植保作业中的适用性评价体系研究

牛媛媛，徐铭辰

（河南工业职业技术学院汽车与航空工程学院，河南 南阳 473000）

0 引言

大豆作为我国比较重要的经济作物在生长过程中容易遭遇虫害，因此，为了保证大豆的产量需要在大豆不同生长阶段通过对大豆叶杆部分进行植保，目前大豆的植保方式主要是喷洒农药。使用较多的大豆植保喷雾机械有背负式、自驾式喷杆、自走式遥控喷杆、多旋翼无人机等类型的大豆植保喷雾机[1]。虽然植保机械形式多样化，但目前我国大豆植保机械不能完全适用多区域植保作业的问题还相对比较突出。以黄淮海区域为例，该区域作为我国夏大豆的主产区之一，人均耕地较少且耕地分散，该区域目前约70%以上的农民还是采用人工背负式喷雾或机动喷雾的方式完成该项作业，这种植保方式在大豆生长初期尚能勉强满足植保要求，有一定的植保效果，但当大豆生长到中后期，大豆的株冠层开始逐渐变得浓密起来，如果还采用这种传统式的植保机械进行喷雾，不但达不到很好的植保效果，反而还会在作业过程中伤及大豆植表，植保效果不理想。而植保无人机作为农业新装备，集遥控+施药于一体，具备全自助规划航线飞行作业、精准定位、避绕障碍、仿地飞行、夜间飞行等自动化智能技术，相比其他传统植保机械在施药效果、节水节药能力、作业效率、调度转场和环境条件适用性等方面具有显著优势，小型航空喷雾机的这些优良性能决定了其在地形适应性、种植面积局限性和低空喷雾适应能力等方面的植保表现会更突出[1]。因此，无人机在大豆植保作业中很快成为了田间地头的“植保新宠”。短短几年时间内市场上便涌现出了大量无人机的制造和服务企业，但由于质量参差不齐，植保无人机的安全性和可靠性无法得到保证。针对大豆植保无人机缺乏可依据的、科学的、可量化的适用性评价体系这一现状，本文拟针对大豆植保无人机构建适用性评价体系，为该类型农机的适用性评价研究提供一定的参考。

1 构建大豆植保无人机评价体系的技术路线

评价农业机械的适用性，实际上是评价农业机械在一定的作业条件下其性能否满足农艺要求，即在一定的作业条件下，农业机械作业性能相对的协调融合程度[2]。在《农业技术推广法》和《农业机械推广鉴定大纲编写规则》中也都提出机具在进行推广鉴定时需要进行适用性评价。农业机械适用性评价体系主要包括分析影响农业机械适用性的因素、研究受适用性影响比较显著的性能指标及其测定方法、适用性评价指标计算以及适用性评价的指标判定值、确定判定规则等内容[2]。本文依据农机适用性评价指标确定的原则，结合生产实际，并通过专家咨询等方式，制订了构建大豆植保无人机适用性评价体系研究的技术路线，具体如图1 所示。

图1 大豆植保无人机适用性研究的技术路线

2 分析构建大豆植保无人机评价体系

2.1 确定性能指标

通常农业机械在评价其适用性时不考虑内部因素，只考虑外部因素[3]。根据农业农村部农业鉴定总站实验选型的大量数据和专家调研结果，影响大豆植保无人机适用性的外在因素主要包含地域气候气流、地貌特征、种植模式、种植密度等。遵循应减少各个外部因素之间的相关性的原则。本研究最终确定将地域气候、种植模式、种植密度作为大豆植保无人机适用性的影响因素。在此基础上，根据我国农业部农机试验鉴定总站制定的农机质量检测指标，依据适用性评价指标评定原则以及本行业专家的意见，结合农业行业标准NY/T3213-2018《植保无人机质量评价技术规范》、民用航空行业标准MT/T1031-2018《农用飞机喷洒设备性能检测规范》和河南省地方标准DB41/T 1521-2018《农用旋翼植保无人机技术条件》等的技术要求，确定了本研究中大豆植保无人机的性能评价指标主要有匀速飞行速度波动、喷雾沉降率、喷雾均匀性[4]。

2.1.1 匀速飞行速度波动情况

一般在空载条件下启动植保无人机后保持离地高度3～5 m，飞行状态稳定后将速度保持在3～10 m/s匀速通过100 m 的水平直线距离。通过无人机配备的定位系统记录匀速飞行速度波动情况，无人机可以将记录数据绘制成速度曲线，从而通过分析计算得到无人机匀速飞行速度波动的最大值。参考标准值范围为V风速≤3 m/s 时，水平匀速运动速度波动最大值≤5%设定值。

2.1.2 喷雾沉降率

该指主要标用来表征药物在植物冠层喷洒效果。应在每个采集区的末端，于作物冠层的上面放置总收集面积至少为0.1 m2的水平片儿状收集器，以测量喷雾机的喷雾量和进入冠层的总喷雾流量。测得的喷雾沉积量可表示为占收集器面积喷出液体体积的百分比。根据荧光剂的读数、校准曲线、收集器的收集面面积、喷雾液体中的失踪剂浓度、背景荧光以及稀释液的体积，计算每单位面积的喷雾沉积量βdep，具体计算方法见公式（1）。通过将喷雾漂移沉积量与在相同单位面积上的使用量相关联，可以根据公式（2）计算收集器上喷雾沉降率。用喷雾沉降率来表征喷雾沉降量。

式中：

βdep——喷雾沉降量，μL/m2；

ρsmpl——样品的荧光剂读数；

ρblk——空白的（收集器+稀释水）荧光剂读数；

Fcal——荧光计读数与示踪剂浓度之间的关系；

Vdil——用于溶解收集器上示踪剂的稀释液体的体积，L；

ρspray——喷头处采样的喷雾液体中示踪剂浓度，g/L；

Acol——收集器捕捉雾流的投影面积，m2；

βdep%——喷雾沉降率，%；

βv——喷液量，L/hm2。

2.1.3 喷雾均匀性

喷洒现场的风速、湿度和温度会导致不同程度的药物漂移，从而影响植物冠层表面的喷雾均匀性，用变异系数V来表示。根据无人机质量评价技术标准规定V≤50%。无人机喷雾分布的均匀性变异系数计算公式为

式中：

S——试验采集样本标准差；

X——采样点沉积浓度平均值，μg/m2；

Xi——样点沉积浓度，μg/m2；

n——试验采样点的个数。

2.2 计算权重

在确定完评价指标后还需要确定各指标之间的相对重要程度，即计算权重[5],。目前在农机适用性研究方面常用的权重确定方法主要有专家咨询法、特征向量法、层次分析（AHP）法等。利用专家咨询法，专家们会运用1-9 标度法（详见表1）对匀速飞行速度波动、喷雾沉降率、喷雾均匀性3 个性能指标相互之间的影响程度打分，并以此来构建判断矩阵A。然后利用yaAHP 层次分析法软件构建无人机的适用性评价模型，输入矩阵进行权重值计算。

表1 重要性表示规则约定表

根据判断矩阵标度构建判断矩阵A，用Matlab软件求解。输入：A ＝[1，0.33，2；3，1，5；0.5，0.2，1]。先计算构建的判断矩阵的一致性CR 来判断各个性能指标的权重值分配是否合理。由yaAHP 软件法计算结果可知，权重分配合理。最终通过计算分析得到无人机在大豆植保作业中的适用性评价指标匀速飞行速度波动、喷雾沉降率、喷雾均匀性的权重分别为：0.12、0.64、0.24。

2.3 确定评价指标评分标准及计算方法

功效系数法是定量评价的常用方法，根据多目标规划原理，对要进行评价的指标参照相应的标准，表示这项指标达到国家或者行业要求的优劣程度。本研究采用功效系数法计算适用性单项评价指标得分值，以此来作为该项性能指标的适用度。在实际计算时，由于在多指标综合评价中指标有正反之分[6]，将匀速飞行速度波动、喷雾沉降率、喷雾均匀性3 个评价指标分别用匀速飞行速度波动率、喷雾沉降率、喷雾均匀变异系数来表征3 个指标。通过研究，大豆植保无人机的适用性评价指标中的匀速飞行速度波动率、喷雾均匀变异系数均为反向指标，喷雾沉降率为正向指标。单项指标评价分值Di的计算公式可以利用第i项指标的实际值Xi、不允许值Xis、满意值Xih以及极限值Xij得到[9-10]。

1）正向指标评价分值Di的计算公式

a.若Xi＞Xis，则Di的推导公式为

b.若Xij＜Xi＜Xis，则Di的推导公式为

2）反向指标评价分值Di的计算公式

a.若Xi＜Xis，则Di的推导公式为

b.若Xi＞Xis，则Di的推导公式为

式中Xi、Xis、Xih、Xij表示含义同上。

根据目前的通行做法，某种农业机械的某一性能指标，其性能优于合格判定指标时，判定该项性能指标合格，劣于合格判定指标时，判定该项性能指标不合格。大豆植保无人机的适用性评价的综合评价分值，用P表示，运用加权算术求和法计算总功效系数，其公式为

式中：

P——农业机械的适用度；

n——指标数；

Di——第i项评价指标的单项评价分值；

Wi——第i项指标的权重。

即总功效系数为

为了保证设计的适用性评价体系的可量化性，还需要确定各评价指标的标准值，包括满意值、极限值、合格值。满意值一般是性能指标的理论最好值，不允许值一般指指标的合格值，极限值指理论最差值。根据河南省地方标准DB41/T 1521-2018《农用旋翼植保无人机技术条件》中机械喷雾装置机喷雾性能要求的规定，匀速飞行速度波动率、喷雾沉降率、喷雾均匀变异系数3 个性能指标的标准值详见表2。

表2 各指标的标准值

3 试验验证

试验在大豆试验基地进行，选取植物叶层最浓密的大豆开花期进行试验（如图4 所示），大豆使用的免耕播种机为2BMFJ-6 型麦茬地大豆免耕覆秸施肥播种机，该机型在试验所在区域的适用性较好[3]，试验时大豆长势良好。试验区域面积50 m×60 m，为减小风速等引起的雾滴漂移导致试验误差，每组试验区周边均留约15 m 的缓冲隔离带。试验机型采用连续作业时间≤15 min 的八旋翼无人飞行喷雾机（如图5 所示），喷幅可达3 m，药箱容量为5 L，可实现定速、定高等不同试验作业要求。根据实际爆喷洒要求，无人机作业高度控制在10 m 以内时，喷雾效率较高。同时还要准备罗米特纸卡、雾滴收集器、Rhodamine-B 一次性手套、自封袋、数字温湿度表、荧光分光光度计等试验材料。

图2 试验田大豆生长情况

图3 小型八旋翼无人飞行喷雾机

根据相关标准中的试验方法进行匀速飞行速度波动、喷雾沉降量、喷雾均匀性的试验数据采集[7-9]。获得的该试验飞行喷雾机的匀速飞行速度波动、喷雾沉降率、喷雾均匀性试验数据分别为3.6、91.5、31.2，利用所构建的大豆植保无人机适用性评价体系进行适用度评分计算，具体结果如下。

根据公式（5）、（6）和用yaAHP 软件法计算求得的大豆植保无人机适用性评价指标匀速飞行速度波动、喷雾沉降率、喷雾均匀性的权重分别为：0.12、0.64、0.24，对所得的数据结果代入公式（10）进行综合评价。

在标准状况下，免耕播种机适用性得分的标准值为

4 结语

1）通过调查研究和分析，依据评价指标确定的原则，确定了将匀速飞行速度波动、喷雾沉积量、喷雾均匀性3 个指标作为无人机在大豆植保作业中适用性的评价指标。

2）综合运用层次分析法、专家调查法及yaAHP层次分析法计算软件，对大豆植保无人机适用性评价的3 个性能指标进行了权重分析，然后利用功效系数函数对3 个指标进行了评分标准的设定和不同指标评分计算公式的确定。

3）利用八旋翼试验样机进行相关试验验证，最终计算得到适用性得分为79.74，与其在实际中的适用性表现基本一致。这说明了本文构建的无人机在大豆植保作业时的适用性评价体系具有一定的科学性和可靠性，对进一步提高无人机在大豆植保作业时适用性有一定的理论指导意义，对指导农户选用高性价比大豆植保无人机也有重要的现实指导意义。