无人机农药喷洒与人工作业的比较试验

朱祖武

(江西工业贸易职业技术学院，南昌 330000)

0 引言

近年来，随着科技的进步，农作物病虫害的防治方式有了新的突破：之前广泛应用于军事侦探、空中航拍、交通监测及地形勘察[1]等领域的无人机技术，被引入到农业发展中。目前，在加快农业发展的进程中，农药喷洒这一环节显得尤为重要。中国现阶段主要防止病虫害的方式为地面喷洒农药，而这一举措促使植保无人机农药喷洒技术的诞生。针对我国农药喷洒方式正在由传统的人工喷洒作业逐步向无人机喷洒技术转变，及落后的喷洒机具与先进的探测、控制技术应用于农药喷洒技术的对比，本文主要阐述了无人机农药喷洒关键技术，并与传统的人工农药喷洒作业方式进行对比试验。

1 人工作业农药喷洒技术

农作物病虫害的存在是制约玉米、水稻、蔬菜等农作物产量高低的关键因素。长期以来，对于病虫害的防治措施之一主要采用人工地面喷洒农药：一方面，小面积人工喷洒农药，引起作业人员中毒的概率为85%左右；据不完全统计，全国农业农药施肥作业过程中引起中毒事件的人数高达10万余人，死亡人数占10%以上，同时劳动强度大，不利于作业效率的提高。另一方面传统的农药喷洒机具主要结构包括存储农药箱体、喷洒机构、各种动力驱动装置(图1为机械化喷洒农药作业实拍)，作业效率较人工施药有所提高；但是农药的利用效率不高，作业场地也存在一定的局限性。

2 无人机农药喷洒技术

无人机农药喷洒技术在国内外的发展较为迅速，一些发达国家的无人机控制技术更为成熟。图2为多旋翼型无人机外观示意图。

图2 多旋翼无人机外观示意图Fig.2 Appearance figure of the rotary wings unmanned aerial vehicle (UAV)

其工作原理可简要描述为：无人机通过在空中定向定点喷洒农药，旋翼产生的强大气流将药液直接作用于农作物的各个层面，农药随气流可深入到农作物的根部、叶子的正反面等。无人机实现精准农药喷洒，关键是实现无人机作业时与地面监控中心的实时通讯与控制。无人机平台与地面监控中心之间的简易框图，如图3所示。

图3 无人机平台与地面监控中心框图Fig.3 Block figure between the UAV platform and the ground monitoring center

2.1 无人机喷洒系统控制

无人机农药喷洒系统主要包括液位测量系统和无线电波遥控系统[2]。液位测量与控制通过在药箱中设置一个电容式液位传感器来实现，无线电波遥控系统主要是对农药的液位高度数据进行数据发射端与接收端之间的传输，进而处理器进行相关控制操作。

无人机成功完成一次农药喷洒作业，关键在于获取实时的监测数据及喷洒装置的实时作业动态。在满足无人机平稳飞行前提下，对农作物进行均匀、精准的施药，离不开精密的姿态控制，将无人机的平移速度与机翼的旋转角度、喷嘴喷洒角度实现高效的耦合，并通过传感器实现数据的精准传递、实时定位及动态调整，从而实施精确喷药。相关控制模块如图4所示。

图4 喷洒系统控制框图Fig.4 Spraying system control block diagram

2.2 喷洒系统硬件与软件构成

1)硬件配置上，主控芯片可采用ARM。其中，姿态测量部分的传感器主要包含高精度的角速度计、加速度计和陀螺仪、气压传感器、电子罗盘，以及超声波测距模块等，如图5所示。

图5 喷洒系统内部硬件结构Fig.5 Internal hardware structure of spraying system

另外，对于喷洒系统的喷头进行专业选型，主要考虑喷嘴材质及喷雾效果和液滴沉降等因素，同时硬件回路设计多种信号隔离、抗干扰电路等，以达到喷洒系统运行精准的目标。

2)软件设计上，充分利用编程语言对多个功能传感器进行融合，获取无人机农药喷洒作业实时姿态，并使用PID控制算法[3]，如图6所示。

图6 PID控制简图Fig.6 A brief diagram of PID control

针对无人机喷洒系统存在的扰动和相关参数变化，李永伟[12]等在六旋翼植保无人机模糊PID控制中得出，模糊自适应PID算法优于传统PID算法，性能参数比较如表1所示。

表1 传统PID与模糊自适应PID主要性能参数[12]的比较

结合农药喷洒系统的硬件配置，实现对姿态的识别和目标控制，设计高效、合理的喷洒控制作业方式。一般无人机喷洒系统软件设计流程图[4]，如图7所示。

图7 喷洒系统软件设计大体流程图Fig.7 The general flow chart of spraying system software design

2.3 喷洒系统关键技术参数

无人机在进行农药喷洒的过程中，应重点关注喷洒系统的关键技术参数，如目标植株、雾滴流场的输运特性、农药液滴的雾化程度及穿透性[5]等，实现无人机农药喷洒作业的效率最大化。影响技术参数大致可分为以下3类：

1)进行农药喷洒时的气象条件，如风向、风速等；

2)无人机位于植株上空的相关飞行参数，如飞行速度、飞行高度[6]等；

3)无人机喷雾流量、喷雾粒径与雾滴的沉积分布[7]之间的相互影响。

对于关键技术参数的选取及优化通常采用高速摄影技术、计算机模拟检测技术相结合经过准确计算而设定：针对农药喷洒中涉及到的关键技术参数确定，在环境参数：风速v=0～0.1m/s，温度t=27～28℃的条件下，构建以飞行高度X1、飞行速度X2和喷嘴流量X3等参数为设计变量，以喷洒的农药雾滴沉积水平M为优化目标的参数优化模型。首先进行单因素试验，利用响应面回归分析方法确定二次回归模型，进而进行模型交互项解析，并通过利用Design Expert软件获取最优无人机农药喷洒关键参数条件(即3个关键参数X1、X2、X3分别取某个确定值得到最佳的雾滴沉积水平。根据秦维彩等[6]试验结果，对于无人机喷洒作业过程中的最佳关键技术参数进行选择：无人机飞行高度在2m左右、飞行速度约在4m/s左右、喷头流量约在450mL/min时，可达到雾滴最大沉积水平在69%左右。

旋翼型无人机构件可选取超低容量旋流喷嘴[8],该旋流喷嘴的结构组成及雾化机理决定了其能够在无人机进行农药喷洒过程中，在表面张力和离心力的共同作用下形成均匀雾滴，直接附着于农作物表面、背面或根部。根据旋流喷嘴的湍流流场特性选取气液两相流控制方程,选用Fluent软件中的流体体积函数VOF方法进行数值模拟与分析，控制方程为

(1)

(2)

(3)

(4)

式中ρ—流体的密度(kg/m3)；

ui—流体速度在i方向上的分量(m/s)；

t—时间(s)；

xi、xj—i、j方向上的空间坐标(m)；

γ—体积分数；

μ—流体的粘度(Pa·s)；

FV—作用在体单元上的力(N)；

σ—流体的表面张力系数(N/m)；

κ—界面曲率(m-1)；

δ—狄拉克函数；

n—交界面上的法线向量。

根据文晟等[8]所做试验结果，喷嘴出口直径直接影响喷洒雾化性能，出口直径增大，喷雾流量、喷雾角随之增大且幅度较大；且农药流体的相对压强对喷嘴流量和雾滴粒径影响也较明显，喷洒系统的相对压强从70kPa 升至160kPa，旋流喷嘴平均直径约下降30%左右。

3 对比分析

通过对人工喷洒农药的了解调查及无人机农药喷洒工作方式的阐述，明确植保无人机农药喷洒效率远远高于传统的人工农药喷洒。无人机应用了国内外较为先进的控制监测装置，提高了工作效率，减轻了作业人员的劳动强度，保证了作业人员的人身安全。

无人机农药喷洒将远距离遥控操作与飞行控制导航自主作业相结合,达到高效施药效果，在一定程度上解决了喷药难、利用率低等问题。无人机采用超低量农药喷洒，在大多数情况下明显优于传统人工喷洒作业方式，无人机农药喷洒平均喷洒667m2只需要2min，每天可喷洒20hm2；而人工每人每天喷洒作业[9]仅能完成0.67 hm2。无人机与手动喷雾器、机械喷雾器相比效率可提高30～80倍以上，具体对比项目如表2所示。

表2 无人机农药喷洒与人工喷洒[10]的比较

续表2

无人机农药喷洒技术相对于传统人工农药喷洒，不但实现了自动化，更对无人机技术领域提出更高的技术要求：

1)在了解农田地理地形的前提下，量身设计并规划好喷洒任务的作业路线和飞行轨迹，以实现最优喷洒；

2)确保满足喷洒的精度要求，选择合适的导航控制算法；

3)对于接收、发射信号的传感器关键部件要求极高，需保证实时定位、了解无人机的飞行及喷洒姿态；

4)针对图像无线传输，要选取功耗低、运行处理速度快的集成芯片[11](DSP、FPGA等)，融入可有效解决复杂作业环境之下的纠错编码技术、无人机目标图像稳像技术和实时传输技术等。

另一方面，针对无人机农药喷洒技术本身而言，存在自身关键掌控点：

1)高精度遥感监测。无人机进行遥感监测的技术精度应达到90%以上，从分析掌握相关农田地形、当地气候和历史有效数据入手，以提供准确作业数据，包括了解农情遥感机理和定量研究，建立符合实际地况、农作物状况的数据模型，减少或最大限度降低遥感监测。

2)最佳作业效率。只有在确保合适的飞行高度、飞行速度条件下实现作业效率最大化。此时，无人机的喷药系统通过无人机旋翼产生的向下气流，扰动各种农作物的叶片，使药液更容易渗入，可减少20%以上的农药量，达到最佳喷药效果。相关资料及试验数据显示，在h≥3m、v<10m/s时，作业效率最佳。

4 结论

与传统人工作业相比，无人机农药喷洒技术具有明显的优势，该技术在精准农业发展中具有非常重要的应用推广价值，应成为我国农业发展创新的一股重要推动力量。为了使农药喷洒效果发挥最佳、喷洒目标性更强，应从理论、试验及应用上不断开展无人机农药喷洒技术新研究。

参考文献：

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[3] 黄水长,栗盼,赵伟雄.农药喷洒多旋翼无人机控制系统研究[J].自动化与仪表，2015,30(5):9-12.

[4] 陈爱国.无人机喷洒农药控制系统设计[J].机电信息,2015，(33)：113，115.

[5] 吴小伟,茹煜,周宏平.无人机喷洒技术的研究[J].农机化研究,2010,32(7):224-228.

[6] 秦维彩,薛新宇,张宋超，等.基于响应面法的P20型多旋翼无人机施药参数优化与试验[J].江苏大学学报：自然科学版，2016,37(5):548-555.

[7] HUANG Y. HOFFMANN W C, LAN Y B, et al. Development of a spray system for an unmanned aerial vehicle platform [J].Applied Engineering in Agriculture, 2009,25(6):803-809.

[8] 文晟,兰玉彬,张建桃，等.农用无人机超低容量旋流喷嘴的雾化特性分析与试验[J].农业工程学报,2016,32(20)：85-93.

[9] 阮晓东.农用无人机现代农业的助航者[J].新经济导刊,2015(4):66-70.

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[11] 李继宇,张铁民,彭孝东，等.小型无人机在农田信息监测系统中的应用[J].农机化研究,2010,32(5):183-186.

[12] 李永伟,王红飞.六旋翼植保无人机模糊自适应PID控制[J].河北科技大学学报,2017,38(1):59-65.