农用植保无人机施药技术研究进展

叶新平

（泰兴市济川街道经济发展局，江苏 泰兴 225400）

0 引言

随着科学技术的不断发展和进步，无人机从一开始的应用于测绘摄像、侦查监视及定位识别等领域逐步扩展至农业领域。在农业生产过程中，对农作物影响最大的因素之一就是病虫害，其会严重影响农作物的产量和质量。植保无人机在喷药过程中具有对农作物无损伤、作业强度低及作业效率高等特点，现已逐步取代传统的人工喷药作业方式，并广泛应用于绿色农业植保领域。基于此，笔者对农用植保无人机的施药技术和发展趋势进行分析，旨在促进植保无人机各方面性能的提升。

1 农用植保无人机的应用优势

1.1 定位精准

无人机定位系统主要由用户端、地面基站、驱动控制器、速度传感器、飞行控制器、通用无线分组业务（General Packet Radio Services，GPRS）网络及定位终端导航卫星等组成。飞行主控制器先对不同模块信息进行精准采集，用户端再对全球定位系统（Global Positioning System，GPS）等模块定位数据进行收集、处理后完成传输。此系统主要是通过控制不同模块间的串口完成精准定位，即控制相应模块读取GPRS及GPS位置信息后，系统再按照位置信息执行控制算法，同时输出相应的控制信号控制电机，以此保证植保无人机在作业方面的精准性。

1.2 工作效率高

传统农药喷施机械在作业形式、施药量等方面都存在一定限制，这在一定程度上导致农作物病虫害防治工作效率较低。农用植保无人机属于防止农作物受灾的高科技、高效率设备。在实际作业环节，技术人员只需要在设备上设定相关参数，就能够实现对病虫害有效防治，并且通常情况下不需要耗费过多的劳动力，可在一定程度上帮助农户节省人力成本。此外，技术人员还可对无人机进行远程控制，只需要对其发送相关指令即可有效调节和控制无人机实际飞行状态，精准控制无人机的具体工作模式［1］。

1.3 适应性好

无人机应用范围较广，适应性好，如在山地、沼泽等传统农机具无法进入作业的地区，均可通过无人机开展作业。植保无人机正式投入使用前，技术人员先根据农田的实际情况对工作参数进行设置，无人机接收到相关指令后就能够对农作物展开自主防治作业。

2 农用植保无人机精准施药技术研究进展

2.1 航空静电喷雾技术

航空静电喷雾技术主要是指通过感应式、电晕式及接触式等充电形式促使雾滴携电，基于高压静电影响下，带电药液可主动附着在农作物的正反面靶标，实现吸附目的。静电喷雾可充分发挥施药量降低、飘移减少等优势，能够高质量解决植保无人机在施药方面的技术问题，确保施药的精准性。

现阶段，我国尚缺乏详细的无人机静电喷雾技术的规范使用说明，并且不同技术人员选择的参数、旋翼数量及机型都有所不同，这在一定程度上导致研究成果缺乏可借鉴的意义。当前，研究人员应重点关注无人机的延续性和基础性试验研究，重点解决飞控协调性弱、播撒、静电系统及载重等基础性问题，将雾滴带电的单一技术向系统整体研究方向转变。

2.2 农药变量喷雾技术

变量喷雾技术主要是先对农作物具体情况进行分析，然后有针对性地调整施药方式和施药量，以最少的喷施量获得最佳的防治效果。该技术在实际应用中通常涉及执行指令感知、数据控制与处理、信息获取等技术。目前，变量喷雾技术的应用有两种类型，一种是基于处方图，另一种是基于实时感知。基于处方图的变量喷雾技术是按照农田信息的分析结果调整作业模式，而基于实时感知的变量喷雾技术则是在作业期间实时获取农田信息，然后对信息进行快速判断并实施变量喷雾。相关研究显示，变量喷雾与以往传统的喷药方式相比可节约60%的药量［2］。

我国部分学者对航空变量喷雾技术进行了探索性的深入研究。2014年，我国研究人员就利用PWM技术对无人机的农药载量进行控制，然而此次变量喷雾技术研究缺乏与作业参数的有效结合；2017年后，技术人员开始研究自动匹配施药流量和飞行速度的动态施药变量系统，然而缺乏对控制效果和算法的深入研究；2019年以来，有学者植保无人机对施药的均匀性与飞行速度之间的关系进行研究，设计了PID自适应变量喷雾技术系统；在最新研究中，技术人员还对基于处方图的变量喷雾技术进行了实时解译，进一步丰富了变量喷雾技术的理论依据［3］。现阶段，我国在变量喷雾的精准施药领域还处于起步探索期，而提高植保无人机在农业领域的变量喷雾技术应用效果，进一步改善当前植保作业的困境，是广大农业学者所面临的挑战。

2.3 雾滴飘移控制技术

雾滴飘移包括蒸发飘移和飞行飘移两种，是施药作业过程中农药随着空气向非目标运动的一种现象。农药飘移会导致严重的环境污染问题，甚至还会对蜜蜂养殖、人体健康带来不同程度的影响。因此，研究人员需要对雾滴沉积和飘移的影响因素进行深入研究。现阶段，研究人员深入分析了助剂类型和喷雾参数对农药沉积分布的影响。此外，研究人员还通过风洞环境模拟无人机的喷雾作业，分析喷雾助剂、雾化喷头对喷雾飘移的最终影响。对各种因素下产生的农药飘移、雾滴飘移的规律进行深入研究，有助于加大环境保护力度和提高农药的整体利用率。一般情况下，农药雾滴的沉降和滴落都会受到不同因素的制约和影响，所以其实际运动状态有不稳定、不确定的特点。因此，要想实现对农药雾滴实际运动状态的深入了解，还需要利用数学模型完成相关计算。对于沉降和运输的研究，主要是利用实验室的相关软件对喷雾过程进行有效模拟，然后利用计算机模拟无人机的航行路径。在此过程中，研究人员能够清晰识别气流速度、雾滴的实际蒸发速度及沉降速度等。

2.4 液滴雾化技术

学者对植保无人机喷洒技术领域的研究主要集中于防止复喷和漏喷、雾滴沉降两个方面。当前应用的液滴雾化形式主要有两种，即离心型雾化和液化型雾化。其中，离心型雾化能够在一定程度上减轻设备的实际重量，通过发电机对喷头电机进行供电，使农药液滴在离心力的作用形成雾滴。这是最常用的植保无人机雾化喷头，能够通过调节喷头转速改变雾滴大小。无人机在飞行期间会影响周围的气流，这对农药雾滴下降、喷洒范围也会造成间接影响，甚至还会在一定程度上影响农作物病虫害的整体防治效果。基于此，为保障无人机的农药喷洒效果，研究人员需要深入研究雾滴的实际喷洒路径。

3 农用植保无人机的发展趋势分析

3.1 研发稳定安全的移动操作平台

进入智能化时代，植保无人机的智能化操控成为主要的研究方向。工作人员可利用移动端App对无人机进行操控，能够对其进行虚拟摇杆、导航定位、航线规划及上升悬停等操作，还能够有效解决无人机障碍物感知和躲避等问题。基于此，积极研发更成熟、安全并且稳定的移动端操作平台，能够进一步提高植保无人机的使用效率。

3.2 精准施药技术

减少环境污染、降低农药残留并提高农药利用效率是当前植保无人机的发展趋势，通过精准施药技术研究，可将无人机的优势进行放大。而当前研究人员需要面临的难题就是如何通过变量喷雾方式提高喷药技术的精准性，并开发出高效、智能的遥感系统进行实时监测。将无人机与遥感技术相结合，能够以空间图像的形式分析病虫害状况、农作物营养和生长状况。我国在遥感器领域的研究已经取得较大进展，未来在农用植保无人机施药技术方面会有更大的应用和发展空间。

3.3 提高航行时间和加大载药量

植保无人机在使用过程中普遍存在承载量小、航行时间短等问题。随着土地流转增加，市场对高航行时间、高运载量的无人机需求量会越来越多。因此，对无人机飞行时长和载药量进行有效改善，可全面提高无人机在农作物灾害防治方面的作业效率。

4 农用植保无人机发展建议

4.1 加大科研经费的投入力度

要想促进农用植保无人机的推广应用，政府相关部门及有关企业事业单位就需要加大科研经费的投入力度，对植保无人机载荷、续航、雾化沉降、喷施设备和原理、精准施药、飞控可靠性与稳定性、自主避障等关键技术进行研究。政府相关部门应加大对科研院校创新平台的扶持力度，提高植保无人机的研究及推广应用效率［4］。

4.2 加强推广、示范与应用

鉴定机构和生产企业需要严格按照有关标准强化植保无人机在鉴定和研究方面的试验。第一，推广部门可积极组织种粮大户、农机合作社等对无人机的操控性、经济性、适应性及稳定可靠性进行试验，明确植保无人机的优势和劣势所在，并将试验情况反馈给研发制造部门，使其以此为依据对无人机进行针对性改进［5］。第二，研究人员应对无人机作业参数、作业环境及药剂助剂等开展试验，探索出最优作业状态，将最优作业参数筛选出来，并以此为依据制订相应的作业规范。第三，生产企业、推广部门和农业主管部门可联合组织开展植保无人机作业示范和演示，开展无人机维保、操控等相关技术培训，使农民能够对新机具和新技术有更清晰的认知。各地可通过上述方式，实现对植保无人机的优化、推广和应用。

4.3 调整、优化产业结构

第一，各大高校、科研院所要按照市场实际需求，同企业共同研发具有更智能化、更大载荷、更低成本及更好适应性等特点的无人机，联合攻关无人机失控保护、精准定位和自主避障等核心技术。第二，生产企业需要关注用户的使用反馈信息和需求，协同各大高校及科研院所对技术进行创新，旨在生产出性能更优的无人机，并将科研成果向实际生产力进行转化。第三，租赁商和销售商需要详细分析无人机在市场中的威胁、机会、劣势和优势所在，进一步提升植保无人机在市场上的占有率，同时以市场和政策引导无人机的特性逐步转变为个性化和差异化，不断优化市场结构，最大限度防止市场出现无序恶性竞争。第四，推广部门需要与用户、企业联合做好植保无人机的应用培训、推广、示范和试验工作，进一步提高作业效率。在此过程中，技术人员还需要将推广和试验中所遇到的问题及时向生产企业反馈。第五，用户需要及时掌握新机具的使用和维保技术，并将使用过程中出现的问题和不足向生产企业反馈。强化产业链上中下游之间的技术合作与信息交流，能够在一定程度上提升各方的协同和创新能力，促进产业结构优势互补，并充分聚集产业优势资源，最大限度发挥出各方协同功效，最终实现从研发制造到推广销售、再到应用售后的良性闭环产业体系的形成。

5 结语

农用植保无人机是一种高科技农业设备。在其推广应用过程中，一方面农户会遇到较多的操作问题，另一方面由于无人机市场售价相对较高，大部分农户基本没有能力购置。因此，农用植保无人机的推广应用会存在很多阻碍。但是，植保无人机应用于农业领域是发展的必然趋势，不可忽视其使用价值。基于此，研究人员需要借助政府的力量进行大力推广，进一步加快我国农业的现代化生产进程。