摘 要: 病虫害是制约作物良好生长、粮食安全生产的重要因素之一.然而,在当前尚缺乏有效预警手段和物理防治方法的情况下,化学药剂防治仍然是防治病虫害的主要手段.为此,介绍了植保无人机相比传统地面施药的优势和特点,对国内外植保无人机的发展研究概况进行了梳理和总结,通过与发达国家精准施药技术的比较,分析了我国在施药关键技术和施药配套装备与技术方面的不足,并简要介绍了无人机振动源的研究现状,阐述了植保无人机未来的研究发展趋势,为后续的研究工作提供铺垫.同时,指出了无人机低空施药技术将会大幅提高病虫害防治效率,促进我国现代农业的发展.

　　关键词: 植保无人机; 施药技术; 振动; 智能化; 喷杆

　　0引言

　　对中国而言,粮食安全是保障经济安全、国家安全的基础.在作物生长过程中,防治病虫害是保证作物良好生长、促进粮食增产增收的关键手段,直接影响粮食食品安全[1].目前,我国受农药污染的耕地面积高达1300万~1600万hm2[2].在植保领域加快推进施药装备的机械化水平与提高施药技术,加强对病虫害的防治能力,是保障粮食安全、促进农业稳定增产的必然要求.精准施药技术是降低农药残留的有效手段[3].地面喷雾机具可以精准地控制农药喷施量,但对于水稻、油菜、甘蔗、玉米等作物,地面喷雾机具进地作业困难,所以针对以上作物的病虫草害防治依然是影响我国农作物生产的不可忽视的难题.

　　农用植保无人机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,从而对作物进行定量精准喷药,克服了人工作业效率低、地面喷雾机具进地作业的难题.随着无人机技术的不断发展,植保无人机已成为防治病虫害的主要手段,其发展前景受到农业植保领域的高度重视.

　　1农用植保无人机的特点

　　1)喷洒效果好.植保无人机施药方式为低空、超低空作业,机具利用精确的导航系统调节与农作物的距离,通过雾化器改善雾滴的雾化均匀性,使喷出的药液均匀地附着在作物的表面,有效减少重喷和漏喷的现象[4].
　　2)无人驾驶.无人机的作业过程直接由飞控人员通过远距离遥控实现,不需要专业飞行员操作,既降低了作业成本,又避免了人员与农药的直接接触,有效减少了农药带给施药人员的化学成分的伤害[4].
　　3)喷雾效率高.以我国天鹰-3小型农用无人直升机为例,作业效率7~10hm2/h,是普通喷洒机械的3~4倍[4],是传统人工喷药的60倍以上.无人机施药能够在大规模病虫草害突发情况下迅速并有效开展防治工作,最大程度降低病虫害造成的损失.
　　4)适用性好.植保无人机可垂直起降,不受地形的限制,可解决地面机具难以进入山地、水田、沼泽等地作业的难题.同时,不受作物长势的限制,对于山地、水田、沼泽都可以利用无人机来进行病虫害防治,均具有良好的适应性.
　　5)省药、省水、减少污染.无人机施药提高药物利用率,有效降低农药残留、土壤污染和水源短缺等问题.
　　6)操控人员安全系数高.操控飞机飞行的人员通过无线远距离控制系统,实时发出指令对无人机的动作进行控制,同时通过安装在植保无人机的自主导航装置实现无人机的自动施药过程[5].
　　7)作物损伤小.不会像大型地面施药器械碾压作物致其损伤,不破坏土壤物理结构,不影响作物后期生长.

　　2农用植保无人机应用现状

　　2.1国外植保无人机发展概况

　　从世界范围来看,美国、日本的植保无人机技术较发达,处于世界领先水平.除此之外,还有澳大利亚、加拿大、俄罗斯、巴西、韩国等国家.这些国家无论是在机械设备,药剂及智能化设备的研发上,还是在先进的植保技术方面,都给我国提供了大量的可借鉴经验.

　　日本是无人机飞防最成熟的国家,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,且小型地面喷雾机具和单旋翼植保无人机的使用度较高.近年来,农用植保无人驾驶低空作业直升飞机因其单位面积施药液量小、作业效率高和农药飘移少等优点在日本发展迅猛.据统计,日本应用无人直升机进行病虫害防治的水稻种植总面积占有45%,无人机的应用度较高.与此同时,飞行人才的培养在日本得到高度重视,目前在日本已经拿到飞行执照的操控人员的人数将近15000人.因此,应用无人机对大田作物进行病虫害防治与农业生产已经成为日本农业发展的重中之重与必然需要.目前,日本应用于农林业病虫害防治的植保无人机以YAMAHARMAX系列为主,雅马哈植保无人机经过近30年的技术发展,已经成为全球行业的领军企业.

　　美国是世界上农业航空技术最先进、应用最广泛的国家,其航空植保经历了从有人驾驶直升机向无人机发展的过程.目前,美国在农业航空技术方面的研究热点主要是图像实时处理系统、变量喷洒系统及多传感器数据融合技术.图像实时处理的最终目标是通过建立图像处理软件系统,快速分析在空中采集的图像数据并立即进行变量喷洒[6].变量喷洒系统使得农药的利用更加合理有效,达到节能环保的目的.

　　多传感器数据融合技术的最终目的是降低传感器间存在的不确定性,使得对系统的描述更加完整、统一,从而提高遥感系统远距离规划、控制、反应的准确性与快速性,降低决策风险[6].美国GT-MAX型农用植保无人机,其飞行控制结构采用内外回路结构,飞行控制系统采用三轴惯性加速度计、航向磁力计、声纳和雷达高度计及DGPS多传感器数据融合技术[7].

　　美国科研机构在农用无人机航空雾滴飘移方面的研究展开得较早并取得了先进的成果,近几年用于官方监管农业航空喷雾施药相关事宜的AGDISP航空飘移预测模型正在不断地被完善.Teske和Thistle等针对AGDISP模型运用静态高斯模型法、高斯云团模型和物理角度分析飞机尾流、大气湍流相互作用、N-S方程求解3种方法,对AGDISP模型预测范围小的问题展开了研究,将该模型有效准确预测范围扩至20km.还有其他国家的科研人员基于AGDISP做出的相关研究:新西兰Praat等综合考虑了喷雾机自身因素与作物冠层特性的因素,展开了一系列关于雾滴飘移问题的研究;澳大利亚Hewitt等通过实时风速的测定,在航空飘移模型中应用了地理信息系统的相关内容,从而达到喷施策略优化的目的,以降低农药飘移的程度,减少农药的损失率[8];德国Kaul等也针对一些具体作物展开田间试验,进行了雾滴沉积、飘移的研究,取得了成果并得出了一定的结论[9].

　　俄罗斯同美国的作业机型相似,以有人驾驶固定翼飞机为主,其作业队伍庞大,拥有数量高达1.1万架的农用飞机作业队伍.在澳大利亚、加拿大、巴西等国家,则是以有人驾驶的固定翼飞机和旋翼直升机为主.韩国因户均耕地面积较小,越来越多的农户选用微小型无人机.

　　2.2国内植保无人机发展概况

　　早在20世纪50年代后期,我国就开始对无人机进行了研究;从60年代中后期开始,逐渐展开了对无人机的研制工作.前期在国家投入研制经费的情况下,首先在军事领域进行了无人机的研究,在取得了一定技术成果的基础上,无人机的研究开始涉足农业领域[4,10].虽然我国的农用无人机技术起步较晚,但随着科技力量的不断投入,近年来我国农用植保无人机的研究也步入了新的发展阶段,机型越来越多,应用范围越来越广,技术研究越来越深入,推广速度也越来越快.

　　目前国内无人机企业已近400家,从事植保无人机研发与生产的企业也越来越多并呈快速增长趋势,主要以单旋翼无人机和多旋翼无人机为主.

　　1)单旋翼无人机.无锡汉和航空技术有限公司研发生产的汉和CD-15植保无人机.
　　该机载药量可达15kg,喷洒速度为3.6m/s,喷洒时间为12~15min,喷洒效率0.13hm2/min,每天可连续作业26.7~40hm2.其采用极简无副翼设计和翘尾设计,集成各种传感器及喷洒轨迹显示与信息化管理系统,可实现自动悬停.另外,还有苏州绿农航空植保科技有限公司生产的带有全地形降落支架以防撞防摔的绿农农鹰4DE1000植保无人机,深圳高科新农技术有限公司的高科新农德美特-H360单旋翼电动农用无人机,深圳天鹰兄弟无人机科技创新有限公司推广的天鹰TY-777植保无人机,安阳全丰航空植保科技有限公司研发、生产与推广的全丰3WQF125-16智能悬浮植保机等.

　　2)多旋翼无人机.广州极飞电子科技有限公司研发生产的极飞农业P20植保无人机.
　　该机载药容积达5~8L,最高作业速度6m/s,作业效率为单次起降1.3hm2,载药可持续飞行25min.该机搭载有极飞科技自主研发的农业无人机飞行控制系统,采用A2智能手持终端,能根据实际载药量和电量规划航线,利用RTK定位系统,使无人机实现厘米级高精度航线飞行,其智能气象站为飞行规划提供实时、准确的气象信息,实现了智能、精准、高效、节能的植保作业方式.另外,还有北方天途航空技术发展有限公司制造的植保六旋翼无人机、植保八旋翼无人机,安阳全丰航空植保科技有限公司研发、生产与推广的全丰3WQFDX-10植保无人机、全丰S1100-6KG多旋翼植保无人机,苏州绿农航空植保科技有限公司生产的绿农农鹰8DE2000植保无人机,珠海羽人飞行器有限公司自主研发的谷上飞?3WDM8-20大载荷植保无人机等.

　　3农用植保无人机施药技术研究现状

　　3.1我国植保无人机施药关键技术

　　近年来,我国在无人机的施药关键技术上,尤其是在无人机航空喷洒系统、低空低量喷洒、远程控制施药及低空变量喷药系统等技术上展开了相关研究.范庆妮等设计了离心雾化、液力雾化系统这两套应用于小型无人直升机的农药雾化系统,实现了小型无人机的低空、低量喷洒[11].茹煜等基于德国VARIO公司生产的多用途无人机,设计了远程控制低量喷雾系统,并对影响离心雾化喷雾效果的主要因素进行理论研究和性能试验[12].王玲等设计了由地面测控单元和机载喷施系统两部分组成的变量喷洒系统,机载喷施系统以ARMCortex-M3系列的STM32F103VC微处理器为核心,接收地面控制信号实时调节电动隔膜泵电动机转速,以改变系统喷雾压力和喷药量,实现变量喷雾调节[13].

　　在农业病虫害防治中,无人机的飞行高度、喷雾方式、施药浓度等作业参数对雾滴飘移、雾滴沉积和雾滴分布均匀性的影响程度较大.董玉轩等研究了雾滴密度、喷雾方式对48%毒死蜱乳油防治褐飞虱效果的影响,试验表明:相同有效剂量条件下,侧向喷雾的防效高于压顶喷雾,采用侧向喷雾方式时,水稻基部较易获得高密度雾滴,药剂在低有效剂量条件下即可取得预期防治效果[14].薛新宇等为了说明喷洒药械N-3型无人直升机(N-3UAV)在玉米生长后期雾沉积效果及应用前景,研究了喷洒参数对玉米冠层雾滴沉积分布的影响.研究表明:作业高度为7m时,雾滴在目标上的总沉积量比作业高度为5m和9m时的沉积量大,雾滴沉积量的离散程度最小,雾滴在玉米上部和穗部的沉积量高于顶部和下部的沉积量;在同一作业高度下(7m),横向宽幅为7m时,多喷幅雾滴沉积百分比的极差为26.3%,变异系数为25%,雾滴分布均匀性最好[15].杨帅等使用八旋翼无人机施用6%戊唑醇ULV防治小麦成熟期白粉病,研究了飞行高度对小麦冠层不同高度叶片雾滴沉积密度和防治的影响.研究表明:飞行高度为0.5m时,叶片上的雾滴沉积密度最大,且该高度处理防治效果最佳;但随着飞行高度的增加,叶片相应部位的雾滴沉积密度与防治效果均呈下降趋势[16].

　　3.2我国植保无人机施药配套装备与技术

　　在无人机施药配套装备与技术的研究上,我国的专家学者也取得了一系列显着成果.目前,针对无人机的低空、低量、均匀喷施及高功效的喷洒要求,我国的许多学者对无人机的喷嘴进行了设计、试验与改进.周立新等利用专用试验台对电动离心喷头进行了性能试验,结果表明:雾化盘的转速、喷嘴流量和喷雾高度对雾滴体积中径和喷幅影响较大,而对雾滴分布均匀影响不大[17].茹煜等对旋转液力雾化喷头进行了性能试验研究,结果表明:随着电机电压增加,雾滴粒径变小,雾化效果好,随着电极电压增加,喷雾角度变大,幅宽明显增加,雾滴沉积量在喷幅范围内呈现正态分布[18].周宏平等对应用于轻型飞机上的单喷嘴航空静电喷头进行了改进设计,并就其雾化荷电机理及性能进行了理论分析和试验研究,结果表明:改进后的航空静电喷头雾流速度较高并且均匀,与常规扇形航空喷雾相比雾滴沉积平均提高18个/cm2,而且作业时间短,使用农药量减少5.22L/hm2,有效防治率提高了33.8%,可以达到满意的病虫害防治效果[19].

　　4植保油动无人机振动发生源研究现状

　　植保油动无人机在作业过程中的振动直接影响了无人机的喷雾均匀性,所以分析理清无人机的振动发生源并获得航空喷施装备关键部件的振动特性具有重要的意义.

　　4.1发动机振动的研究

　　杨蛟以典型的无人机用航空发动机转子系统为研究对象,对机动飞行条件下的航空发动机转子系统的动力学特性进行了分析,利用Runge-Kutta法对建立的动力学方程进行数值求解,结果表明:在不同的转速下转子的振动幅值也发生了不同程度的变化[20].陈熠等基于发动机的振动载荷谱,分析了发动机振动通过机翼向机身结构传递的载荷特性,并仿真辨识了发动机振动传递的主路径[21].祝长生等利用Lagrange方程建立了飞机在任意机动飞行条件下柔性转子系统运动方程的一般形式,为深入研究飞机机动飞行对转子系统动力特性的影响奠定了基础[22].

　　4.2旋翼振动特性的研究

　　胡国才等建立了前飞状态的旋翼与机体耦合动稳定性分析模型,应用此分析模型对无铰旋翼直升机地面共振、前飞时孤立旋翼动稳定性进行了计算验证,分析结果与试验值吻合[23].武珅等建立直升机旋翼摆振阻尼器的动力学模型并将其应用于直升机旋翼与机体耦合系统稳定性分析和旋翼系统的气弹振动载荷计算中,研究液弹阻尼器非线性特性对直升机旋翼动力学系统的影响[24].陈全龙等提出了一种高精度的直升机旋翼与机身耦合系统振动响应分析方法,利用CSD软件建立精细的机身三维有限元模型,然后通过带配平的松耦合迭代方法求解系统响应[25].

　　4.3传动系统振动特性的研究

　　郭家舜等采用集中质量法,建立了新型直升机传动系统的弯-扭耦合动力学模型和动态响应方程,针对其旋翼激励对传动系统动态响应进行了数值求解,研究了传动系统中齿轮啮合的动载系数的变化特点[26].徐敏提出了一种新的直升机传动系统机械扭振分析方法,根据旋翼、主减速器与其他传动轴系3个分枝系统的扭振模态参数,采用分枝模态综合惯性耦合法对直升机整个传动系统进行机械扭振计算分析[27].王小三以直升机传动系统的基本结构为研究基础,运用模块划分的方式对直升机传动系统的扭转振动进行分析,以叠加原理为基础,得出相应扭转振动方程的解[28].

　　5农用植保无人机研究趋势

　　5.1成熟稳定安全的移动端操作平台

　　随着植保无人机技术的不断开拓和发展,已经走入了智能化的时代,植保无人机企业将产品与移动端结合的智能化操控模式显得尤为重要.通过手机APP操作平台来操控植保无人机,可实现上升悬停、航线规划、自主飞行、GPS跟随及虚拟摇杆操作等功能,同时解决无人机无法感知和避开障碍物的智能问题正是手机APP操作平台发展的方向.研发高稳定性、高可靠性农用植保无人机自主飞行控制系统,搭建更加成熟稳定安全的移动端操作平台,是植保无人机发展的重中之重.

　　5.2精准施药技术

　　近年来,为提高农药有效利用率、减少作物农药残留危害和保护施药地区周边的环境,精准施药技术成为研究热点.改进更好变量喷药控制方式,将地理信息系统与航空遥感技术相结合.目前,开发高效的航空遥感系统成为一种新趋势,无人机搭载遥感系统可以通过核心技术产生的精确空间图像对大田作物的营养状况、长势状况及病虫害的状况进行分析.针对雾滴沉积、飘移、分布均匀性监测及雾滴图像处理系统等先进传感器的开发与使用,国外在此类研究上已有较为先进的成果,我国科研人员对此类传感器和技术也展开了研究.农业部南京农业机械化研究所开展了一系列测试,主要针对航空飘移预测模型及无人机旋翼风场测试等内容[29];赵春江等开发了航空施药中药雾分布与飘移趋势遥测系统[30],为推动我国植保无人机精准施药技术的发展,传感器的开发与应用显得尤为重要.

　　5.3农业航空植保静电超低容量施药技术

　　由于传统喷雾技术只有25%~50%的药液附着在作物上,并且雾滴飘移严重,使用静电喷雾能有效增加药液的附着率,减少飘移,将药液的有效利用率大幅度提高.同时,由于控制了飘移量,可降低对周围环境和土地的污染.在航空静电施药技术的研究中,国外较我国起步早,已有了较为先进的技术成果.

　　例如,美国静电喷雾器公司制造的航空静电喷雾系统适用于各种中小型螺旋桨飞机和直升机挂载,是自20世纪90年代以来最先进的航空静电喷雾器械.近年来,美国的专家学者针对航空静电喷雾系统的抗飘移性能进行了测试研究.2001年,Kirk、Hoffmann、Carl-ton将航空静电喷雾系统应用于棉花,测试了系统在田间的作业效果[31];2003年,Kirk对航空静电喷雾系统的抗飘移性能进行了研究[32].目前,国内在无人直升机静电喷雾技术方面的应用研究还较少,随着技术的不断发展和环境压力的不断增大,静电喷雾势必在农用植保机上应用更加广泛.

　　5.4植保无人机喷杆振动特性研究

　　影响植保无人机作业质量的3个重要评价指标是雾滴的飘移性、沉降量及分布均匀性,国内外学者对植保无人机进行研究的首要目标是提高其作业质量.参考大量文献可知,目前从事植保无人机研究的相关学者大多侧重对航空施药技术、作业参数、喷雾系统、航空喷药关键部件,特别是喷嘴的研究.喷杆作为植保无人机的施药关键部件,至今很少有人对其在喷雾作业过程中因振动问题产生的影响进行研究.

　　目前,国内外对喷杆技术的研究主要在以下4个方面:①喷杆与喷雾均匀性关系的研究.RobertE.对悬挂式、牵引式、自走式及罩盖式喷杆喷雾机的飘移和雾量分布均匀性进行了研究,结果表明喷杆的稳定性是保证雾量分布均匀性的重要因素.②喷杆结构动力学研究.邱白晶等进行了喷雾机喷杆有限元模态分析与结构优化;陈晨等针对喷雾机喷杆结构动力学特性原始设计缺陷,对喷杆桁架结构形状及杆件截面尺寸进行优化.③喷杆运动学与控制理论研究.陈达设计了在喷杆桁架之间能充分吸收振动冲击能量的柔性联结结构;王强等设计了一种高度可自动调节的喷杆控制理论,根据地面高度快速调节喷杆高度[33].④喷雾机田间路面谱研究.郑联珠等测量了几种田间软地面的路面谱,根据试验数据统计出考虑了土壤和轮胎特性影响的有效软路面谱计算表达式;徐竹凤等将农田地面不平度应用于喷杆的动态模拟分析,提出了路面谱复现的方法.根据已有的针对发动机、旋翼、传动系统的振动分析方法,解析三者的振动方程,结合地面喷杆的相关研究,获得航空喷杆的振动特性,在满足喷杆强度作业要求、空气动力学性能的前提下,优化设计质量轻、强度高、耐腐蚀、空气阻力小的喷杆是目前航空喷施装备关键部件的研究趋势.

　　5.5高载质量、高效率、长航时

　　目前,植保无人机普遍存在的不足就是承载质量小,一般为30~40kg,航时较短,一般为15~30min.随着单位面积喷洒收入的提升及土地流转的增加,高载药量、高效率、长航时无人机的需求度会逐步显现出来.载药量越多,飞行时间越长,可大大提高无人机的作业效率,因此高载质量、高效率、长航时的中小型无人机将是今后的发展趋势.

　　6结论

　　通过分析国内外植保无人机施药技术与施药装备的研究现状,总体上可以看出国内外无人机施药领域的研究均取得了进步并在持续发展.随着无人机低空施药技术的不断发展,植保无人机已经成为防治病虫草害的主要手段.为了实现植保领域高效、环保、快捷、安全的作业要求,无人机施药技术必将得到快速发展.虽然我国的植保无人机施药技术仍处于起步阶段,但随着资金的不断投入与科技的不断发展,植保无人机将会得到广泛应用,从而大幅提高病虫害的防治效率,促进现代农业的可持续发展.

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