植保无人机在作物生产中的应用研究

邢植 王冀川 林熬 万亚楠 李文君

摘要：植保无人机作业具有安全高效、节水节药、适应范围广、喷施效果好等特点，已广泛应用到农业生产中。从植保无人机的应用现状、种类与工作原理、作业范围、应用效果、存在问题及发展方向等方面进行阐述，对植保无人机在作物上应用的研究进展进行归纳，提出我国植保无人机发展趋势、优缺点及应用前景。

关键词：植保无人机;作物;生产;研究

中图分类号：S252;S494    文献标识码：A    文章编号：1674-1161（2022）03-0039-04

近年来，随着我国现代农业的快速发展，高效、智能、省力化生产已成为人们关注的重点，植保无人机作为一种先进的田间管理机械，逐渐凸显优势。2018年国务院出台《国务院关于加快推进农业机械化和农机装备产业转型升级的指導意见》中明确指出，对农用航空设备进行大力发展并促进植保无人机的推广和应用，同时也要对相关法规和标准做出规范。

当前，人们对农田病虫草害的防治仍然以喷洒化学农药为主，施药效果受植保设备影响较大。在我国，广大地区主要使用传统农药施喷设备施药，农药利用效率低下，且乱用和滥用农药现象较为突出。据统计，我国单位面积农药使用量为世界平均水平的2.5倍，农药污染耕地高达0.1亿 hm2。可见，只有提高施喷设备的安全性、可靠性和方便性，实现农药的低喷量、精喷洒、少污染、高功效、高防效，才能达到病虫害防治作业的高效率、高质量、少污染和低成本的目的。植保无人机作为精准施喷的农用设备，不仅提升了植保工作效率，减少因地形造成的作业限制，提高病虫害防治效果，还较好地解决了我国目前植保机械落后、施药困难的现状。

1 植保无人机的应用现状

1.1 国外植保无人机的应用现状

农业航空植保技术最早出现在国外，1911年德国人开始应用飞机进行森林害虫的防控工作，美国人在1949年研制出专门的农用飞机并改进了航空喷雾技术，喷洒量由30 L/hm2以上减少到5～30 L/hm2，进而发展到小于5 L/hm2的超低量喷洒。日本的农用航空器经过20多年的发展，逐渐成为世界上农用无人机喷药的第一大国，广泛应用于水稻、森林等病虫害防治。目前，美国是农业航空应用技术最成熟的国家之一，据统计，美国农用航空器对农业的直接贡献率为15%以上，并且已形成较完善的农业航空产业体系，技术装备也较为成熟，在行业技术标准和管理方面也较为完善。当前，在农用航空器技术上较为先进的国家主要有美国、俄罗斯、澳大利亚、加拿大、巴西、日本、韩国等，这些国家对植保无人机有严格的田间作业要求，在喷头规格、喷施压力等方面也有严格的规定，其施喷技术主要在以下方面领先：1） 低污染、低量喷雾技术;2） 自动对靶施药技术;3） 防飘移技术;4） 精密施药技术;5） 自动混药技术。

1.2 国内植保无人机应用现状

我国目前常用的植保机械主要以手动喷雾器、背负式喷雾器和电动喷雾器为主，由于价格低廉和结构简单，适合广大农民的购买力，使其占据了我国市场的主要份额。但随着近年来无人机技术的快速发展，我国植保无人机的应用和推广也得到进一步提升，但与国外相比还存在一些问题，首先我国在农用航空器使用的法规标准和推广服务体系建设等方面工作滞后，例如相关部门尚不能明确统筹管理、行业管控效率低下、没有明确的农用航空器的法规政策等（只能沿用民用航空器的相关法规政策）;第二，核心及关键技术研究滞后，例如电池续航较短、飞控稳定性及可靠性有待提升，关键的喷洒装置在处理雾滴谱宽和雾化喷施效果不佳，遥感监测技术相对滞后等;第三，专业化分工协作程度不高;第四，产业结构待优化及配套规划欠周全;第五，相关推广服务未能有效开展。

2 植保无人机种类及工作原理

2.1 植保无人机种类

植保无人机品牌型号多，技术特点各异，但从总体结构来看，其分为多旋翼、单旋翼和共轴直升机。按动力混合机型方式划分有：电动多旋翼植保无人机、油动多旋翼植保无人机、油电混动多旋翼植保无人机、油动变距植保无人机。共轴植保直升机一般只有油动机型，目前还没有在实际植保作业中应用;单旋翼植保无人机又包括电动单旋翼、油动单旋翼等机型;多旋翼植保无人机又分为四旋翼、六旋翼、八旋翼等机型。单旋翼植保无人机有双桨、三桨两种型号且机型主要以燃油为主，也有少量电动机型，多旋翼植保无人机均为电动机型。根据市场和专业角度来看，多旋翼植保无人机多选用航空铝材或更轻的碳纤维材料为机身主体，具有携运便捷、操作容易、动力充足等特点，是未来发展的主流机型。

2.2 植保无人机的工作原理

植保无人机主要由五部分构成，包括机身机构、喷洒结构、控制结构、电源及机身辅助结构等。飞行机构包括无刷电机、桨叶两大主要元件，喷洒机构包括喷杆、喷头、输药管路、喷药泵、药箱等，控制机构包括GPS接收机、陀螺仪、速度及加速度传感器、红外测距、遥控接收装置等。通过各个功能部件的配合，完成规定地域内精准、高效的施喷工作。

单旋翼植保无人机的行进和转向主要通过调整主桨的角度和尾部的尾桨来实现，两者风场干扰率极低，特点是风场统一，风场下压力强。多旋翼植保无人机主要通过调整桨叶的转速去实施各种动作，由于相邻桨叶间旋转方向的不同，从而导致风场的相互干扰并形成不稳定风场。

植保无人机的定位技术主要有两种形式，分为传统定位技术和GPS差分技术。传统定位技术只能进行无人机与卫星的相互通信来实现定位，精准度只能达到米级精度，不能在技术上充分支持无人机的飞行及精准施喷。GPS差分技术则是在传统的技术上进行改进，利用地面基站的位置信息通过卫星修正从而实现更精准的定位，达到厘米级精度。运用GPS差分技术可以更好地实现无人机按轨飞行、定点施喷、精准施喷、自动避障和自动返航等要求。

3 植保无人机的作业范围

植保无人机具有作业地域范围广、施喷液量低、工作效率高等优点，是其快速发展的主要原因。由于植保无人机在空中作业时自身速度、飞行高度与气流相互作用，更容易产生有效喷幅的不稳定、液滴漂移等情况，因此如何稳定植保无人机的有效喷幅范围和保证雾滴沉积的有效分布一直是近年来的研究重点。于丽娟等10人研究表明，植保无人机有效喷幅和雾滴均匀沉降度主要受飞机旋翼下风场与外界风场的共同作用。现阶段植保无人机有油动与电动、单旋翼与多旋翼之分，不同的动力和不同的旋翼数所产生的风场效果、有效喷幅范围及雾滴的均匀沉积度都不尽相同。

高度对无人机的有效喷幅及沉积均匀性的影响较大，以单旋翼无人机为例，其下方无侧风时，随飞行高度增加有效喷幅在出现峰值后逐渐下降，中间分布状态呈较平缓的趋势，雾滴分布情况会出现两个峰值呈M形分布状态。在高度不变但有来自不同方向的侧风时，随侧风角度由正向风逐步变为90°风时，无人机的有效喷幅趋势整体呈现出逐步变小的状态;在高度不变、出现同一方向的侧风时，侧风方向为正向风30 °侧风及60 °侧风时，有效喷幅宽度范围更稳定。当出现侧风但角度一定时，有效喷幅随无人机高度的升高呈先增加再减少的趋势;当无人机在一定高度时，有效喷幅随侧风角度的增大而减小。

4 植保无人机的应用效果

随着现代农业科技的快速发展，农业产业化发展规模逐渐扩大，实现高产、安全、高效的农业生产则显得更加重要。2015年农业部提出，到2020年农药使用量实现零增长，而提高农药利用率是农药减量增效的重要措施之一。目前，随着土地流转速度的不断加快，作物生产也逐步呈规模化、集群化发展，植保无人机作为一种高效的施喷设备，在及时抓住病虫害防治的窗口期实现高效防控、应对农村劳动力减退及劳动力成本过高等方面都显现出良好的应用前景。植保无人机喷施具有精准高效、节水节药、安全环保、复杂地形作业、不损伤作物等特点，在小麦、棉花、水稻、玉米等主要农作物病虫草害防治及果树飞喷授粉等方面的应用越来越广泛。

4.1 植保无人机在小麦上的应用

赤霉病是小麦生产中最主要的病害之一，其病原物即禾谷镰刀菌侵染麦穗时产生粉红色胶质霉层，严重影响小麦产量及品质，禾谷镰刀菌产生的真菌毒素严重危害人畜健康。针对赤霉病的防治，严格把握有效防控期并及时喷防是关键，采用植保无人机是防治赤霉病较为有效的措施，并适合大面积连续作业。师立娟等研究发现，植保无人机防治小麦赤霉病时，其病穗率以及病指防效为76.8%以及83.3%，有效降低了小麦赤霉病的发病概率并极大提高了作业效率和农药利用率，但是不同类型的植保无人机对农药的利用率不尽相同，单旋翼植保无人机喷雾的农药利用率为33.1%，多旋翼植保无人机喷雾时为36.4%。运用植保无人机施药进行机械化全程防控，对麦田早期重要杂草的防效为91.2%，对灌浆期麦蚜防效为99.58%，白粉病防效为71.79%，在施药安全的同时防治效果明显高于电动喷雾器作业。另外，植保无人机采用超低量喷雾，其用量较常规喷雾降低20%，每公顷药液量仅15 kg，较电动喷雾器节水90%以上，对于缺水地区来说具有一定的生态效益。在雾滴沉积方面，植保无人机在喷雾时植株中上部雾滴沉积分布较多，对小麦穗部病虫害防治非常有利。

4.2 植保无人机在棉花上应用

棉花是應用植保机械作业次数较多的作物，除了病虫草害的防控，还包括化调、封顶、脱叶等作业，这些工作采用常规植保机械作业势必造成工作效率低下、成本提升，棉花中后期植被茂密也会造成田间作业困难，影响植保质量。近年来，植保无人机逐渐应用到棉田中，其工作效率得到充分发挥，植棉全程机械化进一步得到完善，大大提升了棉花种植的现代化管理水平。

4.2.1 植保无人机飞喷对棉花生长的调控效应 机采棉进行化学催熟脱叶是高质量采收的重要环节，其脱叶、吐絮率大小直接影响机械采收进度和质量，由于常用脱叶剂-噻苯隆无内吸传导作用，且对温度敏感，因此及时施药，保证叶片着药量及雾滴穿透力是判定喷施效果的主要指标。张强等研究表明，植保无人机脱叶剂喷施作业效果与带顶喷+吊喷+高压螺旋风包的大型自走式喷杆喷雾机作业效果相当，优于只带顶喷的大型自走式喷杆喷雾机;胡红岩等对无人机喷施下不同冠层雾滴沉积率的调查结果表明，植保无人机喷施棉花脱叶剂雾滴沉积率远小于大型自走式施药机械，但植保无人机的雾化效果更好，雾滴粒径较小（42 ～464 μm）且均匀，附着性好，而地面大型施药机械的雾滴粒径较大（240～3 026 μm），在叶片表面较难附着，易造成药液流失。在新疆，棉花种植的密度较大，植保无人机施喷不利于药液在作物群体内部沉降，需要二次施药，但相较于大型自走式药械产生的损伤、损失及人工的成本，植保无人机成本仍相对较低。

棉田喷施缩节胺是控制株型、抑制营养生长、促进蕾铃生长、增强抗性的一种有效措施，是新疆棉田“矮密早”种植策略下防止棉株旺长、平衡群个体生长矛盾的关键技术。缩节胺化调一般进行3～8次，人工或地面机械喷施效率低、成本高，且易造成棉株机械损伤和蕾铃碰落现象，采用无人机作业能显著提高工作效率，作业质量也能得到较好保证。赵静等人研究证明，植保无人机喷施缩节胺5天、10天、14天后能够有效抑制棉花的株高，抑制率分别为7.26%、15.81%和21.17%，且使用高浓度缩节胺未发现棉花生长异常、叶片黄化、叶片穿孔、落花落铃等药害现象，在成铃率和产量上相较常规喷雾均有显著提高。但也有人研究发现，打顶前后用无人机喷施缩节胺化调对棉花生殖生长的促进能力较机车稍弱，吐絮期推迟，籽棉下降2.9%，部分品质指标有所降低，但其差异均未达显著水平。使用无人机化调可以提高工作效率，植棉效益较机车化调减少9.8%。

4.2.2 植保无人机飞喷对棉花病虫害的防治效果 红蜘蛛、蚜虫、棉铃虫和棉盲蝽及枯萎病、黄萎病等是棉田常发病虫害，采取田间药剂喷雾是较有效的防治方法。开展植保无人机飞防作业，只要保证雾滴沉积的均匀性和控制有效喷幅范围内的雾滴飘移，即可达到较好的喷雾效果。赵冰梅等试验表明，采用多旋翼无人机低空喷洒50%的氟啶虫胺腈水分散粒剂对棉蚜具有较好的防治效果，无人机在飞行过程中，螺旋桨产生的下压气流有助于喷施的药液穿透棉花中部、下部且翻转棉花叶片，使棉花不同冠层的大部分叶片都能着药。王果等、焦雨轩等对比喷杆喷雾机、喷枪、植保无人机喷雾防治蚜虫的效果发现，植保无人飞机在水敏纸上的雾滴沉积分布整体好于其它两种植保机械，各植保机械施药后第10天对棉蚜的防效没有显著性差异，而植保无人飞机比其它两种植保机械节省60倍的水量和药液 。

4.3 植保无人机在水稻上的应用

水稻病虫害种类较多，防治不利将严重影响产量与品质，由于稻田多数时间处于淹灌状态，不利于地面人工和机械喷药作业，因此采用植保无人机施药成为当前着力推广的先进植保技术。关于植保无人机稻田飞喷的防治效果人们做了较多研究，唐中兴等发现，植保无人机在防治水稻二化螟、稻飞虱等虫害时比人工喷雾处理具有更好的防治效果。蒲颇等试验发现，植保无人机飞防处理对水稻二化螟和水稻纹枯病的防治效果分别为85.8%～93.1%、89.7%～94.7%，与传统地面施药防效差别不大，但其用药量减少、作业效率提高，是较可靠的防治方式。植保无人机不仅对水稻病虫害防治有较为明显的效果，在田间杂草防除效果也较为突出。张顾旭等研究表明，用40%氰氟草酯OD防治稻田禾本科杂草，植保无人机施药1.8 L/hm2的防效与使用担架式喷雾机用药2.25～3.0 L/hm2的防效相当，且植保无人机较常规施药机械减少用水量96.7%，可见，植保无人机施药具有明显的减药、节水、高效的特点。

4.4 植保无人机在玉米上的应用

玉米螟、黏虫、蚜虫、大小叶斑病、锈病等是玉米常见的病虫害。研究发现，植保无人机用于玉米苗期和灌浆期的病虫害防治均能达到理想的效果，苗期害虫防效可达85%，灌浆期害虫防效达65%，均与常规机械施药效果相当，并可提高玉米产量9.04%。玉米中后期个体高大，地面机械作业不便，若遇雨后田间泥泞，大型植保机械也无法作业，而植保无人机可弥补这一情况，发挥其优势，及时进行作业。玉米螟是玉米主要害虫，在喇叭口期危害较重，此时玉米群体长势强、覆盖度大，不适合地面行走施药，运用植保无人机喷雾可成为较好选择，药后虫口减退率为77.8%～89.5%，防治效果达85.8%～93.3%，并且无人机飞行高度在距离冠层顶部1.0 m时，虫口减退率、喷雾穿透性、防治效果均显著高于人工喷雾。植保无人机在操作便捷的同时可以精准施药，在飞行过程中产生的向下气流，可以将药物均匀喷洒在叶片的正反面，促进药物穿透性的增强，达到理想的防治效果。植保无人机对玉米田间化学除草也有较好的效果，刘光芳等研究发现无人机羽翼旋转形成的气流能够使药物增加穿透力，提高附着力并且加大附着面积，利于药剂吸收，其防治效果较传统方法提高了15%～25%。马唐、牛筋草和马齿苋为玉米田间常见杂草，植保无人机在施药3天后，杂草出现显著的药害现象，28天后田间杂草防治效果达到最大。

4.5 植保无人机在果树授粉上的应用

香梨是南疆重要的果树，其开花一般集中在4月上旬至中旬，此期若授粉不及时或授粉不佳，将严重影响香梨的产量和品质，传统生产中常以合理配置授粉树、花期通过自然授粉来实现有效坐果，但香梨花期常遭遇沙尘暴、蜜蜂授粉加重病虫害的传播、自然授粉效果不理想，在花期人工抖动授粉会面临劳动力短缺、作业效率低等问题，采用无人机授粉不仅能够节约劳动力，提高授粉效率，还能有效减少病虫害的发生，是香梨产业现代化发展中必不可少的技术之一。羊坚等研究表明，植保无人机从树冠上方喷洒的花粉液可以均匀沉降到整棵树的花序上，既解决人力授粉不均匀的问题，还显著提高花序的坐果率，花序坐果率达到80%左右，远高于人工蘸粉、人工抖粉的40%左右。另外，无人机授粉工作几乎不受地形和树体高度的限制，能够实现对指定地块不同部位（树叶、树枝、树干等）的精准作业，适合大面积推广应用。

5 植保无人机在应用中存在的问题及今后发展方向

随着农村人口不断老龄化，农业劳动力逐渐短缺，规模化、智能化、机械化势必成为未来农业发展的趋势，植保无人机作为高效自动化、低人工劳动力、安全性能高、节省资源、集约且智能化等优点集于一身的现代化农业设施，在实际生产中逐步得到应用。另外，植保无人机在农情监测、信息采集等方面具有较突出的优势，在农业信息诊断、智能决策与智慧管理等方面具有重要的应用价值，但植保无人机毕竟发展时间短，在实际应用中仍存在较多问题。第一，植保无人机品牌种类繁多，价格相对昂贵，并且缺少相应的行业标准进行监督;第二，植保无人机在使用过程中，对使用人的操作水平有较高的要求，以便完成对农田精准施喷、信息监测等工作;第三，植保无人机的长时间连续作业受到电池续航能力的制约;第四，现阶段我国仍有很多地区GPS基站建设密度不够，进而导致GPS差分技术的实施出现较大的误差，从而直接影响农田作业质量;第五，目前我国植保无人机在喷头雾化技术上仍与欧美国家有较大差距，需进一步改进。

当前，我国正处在经济转型和产业转型的关键阶段，现代农业必将取代传统农业而逐渐进入到现代化、精准化和智能化的发展时代，对无人机的性能要求会越来越高，因此在充分利用和发展无人机应用技术的同时，应该重点解决以下问题：第一，进一步优化喷施装置设计;第二，解决植保无人机在航路规划、续航能力、无人机简化操作方式等问题;第三，完善与农用航空器相关的法律法规、农业补贴政策等;第四，进一步研发适于植保无人机喷施的农药、助剂及信息采集设备，扩大无人机应用范围。植保无人机在农业作业中具有巨大的经济效益和潜在应用价值，我们应借助国外成功的经验，并且经过我国科研人员不断创新和改良，才能促进植保无人机广泛应用，实现高效、精准、环保、智能化的现代农业。

参考文献

[1] 蘭玉彬，王国宾.中国植保无人机的行业发展概况和发展前景[J].农业工程技术，2018，38（9）：17-27.

[2] 刘丰乐，张晓辉，马伟伟，等.国外大型植保机械及施药技术发展现状[J].农机化研究，2010，32（3）：246-248+252.

[3] CHEN S D， LAN Y ， ZHOU Z Y， et al. Effect of droplet size parameters on droplet deposition and drift of aerial spraying by using plant protection UAV[J]. Journal of Agronomy， 2020， （10）：195-211.

[4] 郭永旺，袁會珠，何雄奎，等.我国农业航空植保发展概况与前景分析[J].中国植保导刊，2014，34（10）：78-82.

[5] 王术波，陈建，彭兵忠.我国无人机产业链分析[J]. 中国农业大学学报，2018，23（3）：131-139.

Research Progress of Plant Protection UAV in Crop Production

XING Zhi， WANG Jichuan*， LIN Ao， WAN Ya'nan， LI Wenjun

（College of agriculture， Tarim University， Alar Xinjiang， 843300，China）

Abstract： Plant protection UAV operation has the characteristics of safety and efficiency， water and medicine saving， wide adaptability and good spraying effect. It has been widely used in agricultural production. This paper expounds the application status， types and working principle， operation scope， application effect， existing problems and development direction of plant protection UAV， summarizes the research progress of plant protection UAV in crop application， and puts forward the development trend， advantages and disadvantages and application prospect of plant protection UAV in China， so as to provide help for further research and development of plant protection UAV related products and expanding its application scope.

Key words： plant protection UAV; crop; production; research progress