农业植保工作中无人机技术的应用

陆英姿

（上海市松江区农机管理所，上海市 201613）

0 引言

农用无人机是一种可携带多种任务设备、可控、有动力、能执行多种农业作业任务且可重复使用的无人驾驶飞行器[1]。自2015年起，无人飞机开始在松江区植保、施肥等方面发展应用。7年来，无人飞机的拥有量和服务面积在稳步提升。近日，据不完全统计，至2021年底全区拥有及在用的无人飞机已达33架，其中本区家庭农场、集体单位、企业服务队配置的共27架、外来飞机在本区开展社会化服务的6架，全区已累计开展飞防作业约2万hm2次，依据飞防面积排序，主要集中在新浜、叶榭、石湖荡、小昆山、泖港、新桥等镇，在植保作业领域中得到了广泛应用。

1 植保无人机的机型配置概况及飞防作业应用情况

1.1 机型配置

松江区使用的无人飞机都是电动多旋翼机型，前期所用的药箱容量分10 L、16 L、20 L三种，近两年药箱容量逐步向30 L、40 L发展，品牌主要有深圳大疆、广州极飞。性能上基本都能实现手动遥控、自动飞行、断点续航、避障绕行、厘米级定位、高精度喷头等，部分新机型配置有摄像头，可以在夜间进行全天候作业等，卫星定位系统多数采用北斗导航技术。无人飞机单价在6～10万元，价格中一般含4～6组电池、1名飞手免费培训等。

1.2 应用情况

1.2.1 作业用途。本区主要的应用是病虫害防治、除草剂湿封及干封喷洒、叶面肥喷施3种，其中以病虫害防治为主。

1.2.2 具体操作。新田块需要在田的四角（不规则田块则多角）采集定位信息，保存后可以一直沿用，规划飞行作业路径。药剂兑水调配，如是粉剂需要过滤，且需随用随配，防止沉淀堵塞喷头。作业时飞行高度2～3 m，喷幅4～6 m，一组电池使用15～20 min，飞防用药量约1 L/667m2。作业中药剂或电池用完，返回添加或更换后，可自动飞到之前暂停喷药的地方，继续作业。

1.2.3 作业效率。熟练飞手平均作业效率能达到3.33～4 hm2/h，作业时间为避开中午高温时间同时减少药剂蒸发，一般安排在清晨天亮至上午10：00，以及下午3：00至天黑，单机手平均工作效率为20 hm2/天。

1.2.4 使用药剂情况。使用药剂以家庭农场提供为主，即由区农技中心配方、浦江农资配送的药剂，且多数为绿色防控药剂，也有部分是飞防植保队提供的。在使用粉剂进行作业时仍需随用随配，过滤装载，防止药粉澄清沉淀造成堵塞。

1.2.5 获得成效。本区水稻生长期内病虫害飞防4～6次，部分家庭农场还有除草剂湿封及干封喷洒、叶面肥喷施等飞防作业3～5次。近两年的飞防效果总体良好，其中本区水稻病虫害防控体系完善、病虫害发生不严重等因素，也提高了飞防的整体应用效果。

2 植保无人机在飞防作业中的应用优势分析

2.1 节药节水环保

无人机喷洒技术采用喷雾方式，可以节约50%的农药使用量、90%的用水量，很大程度上降低了资源成本。同时，植保作业快速，对大气、土壤和农作物危害较少，且利用北斗导航技术精准作业、均匀施药，更符合环保要求[2]。

2.2 作业高效安全

无人机植保的作业效率相比担架式植保机提高近10倍，相比自走式植保机提高超2倍。且植保飞防实现了人和药的分离，通过地面遥控操作，喷洒作业人员远距离操作，避免了暴露于农药下的身体伤害。

2.3 科学防治方式

无人机采用超低量喷雾喷洒方式，飞机旋翼产生的向下气流有助于增加药剂对农作物的穿透性，使用飞防助剂可以减少药剂挥发、增加药剂附着等作用，显著提升防治效果。对于人工难以进入的植保场景，如果树等高秆作物，飞防作业更能发挥高空作业的优势。

2.4 能够夜间作业

在夏季高温时节，中午温度高，药剂易蒸发，人员易中暑，植保作业的最佳时间主要靠早晨或傍晚。而无人机则可以依托规划好的作业路线，在夜间也可以自动飞行作业，大大降低药剂蒸发和人员中暑等情况发生，实现全天候飞防[3]。

3 植保无人机存在不足

植保无人机技术作为一把“双刃剑”，随着相应配套设备的发展，虽然在农作物的病虫害防治中获得了很大成效，也起到了节水、节约劳动力的作用，但依然存在一些不足之处。

3.1 无人机产品质量参差

一方面是指部分植保无人机并无产品标牌、标识，制作上并不精良，飞行技术参数标准有一定随意性，和实际的使用上有较大出入。另一方面是飞行作业时姿态不稳、作业精度不足，喷洒装置的不合理也会导致液泵不能吸上药、喷雾断断续续，发生严重的漏喷和重喷现象。

3.2 重喷或漏喷仍会发生

虽然现在植保无人机都能使用自动模式规划飞行，但实际上对于一些不规则的地块，或田内田边有障碍物的，如电线杆、树木等，还是需要手工作业，这时重复喷洒和漏喷现象比较严重，就算是自动喷洒，也不能完全避免。不过随着定位的准确性提高，这个问题慢慢会解决。

3.3 药剂选择问题

一方面，是目前在植保无人机相应药剂的选择上并无确切标准规定，有较大的安全风险；植保无人机的低空、低容量喷雾施药方法，导致药物施用浓度较高，相较于地面常规喷雾有更高的安全风险。所以，植保无人机的作业使用药剂一定要选择低毒、微毒的农药，并兼具考量环境毒性，选择对环境生物安全的药剂。

另一方面，农药剂型上的选择不当，也会造成堵塞喷头、药剂结块或者是其他问题，影响到防治效果。如粉剂有时会在药箱内产生沉淀，最终导致喷头堵塞，从而影响植保效果，降低作业效率。如植保无人机作业时，农户有将几种农药制剂混合使用的习惯，认为这样可以达到“一喷多防”的作用就目前实际而言，用于农业生产上的农药制剂大多是针对地面植保机械采取的常规喷雾方式而研制的，其稀释倍数大都在几百倍甚至几千倍，这样的浓度稀释体系下，几种农药制剂的混合使用可保证药液效果的稳定性。但是用药植保无人机在作业时，却会导致几种药液的混合使用发生分层、结块等问题[4]。

3.4 严重的农药雾滴漂移问题

植保无人机喷雾施药属于一种低容量喷雾技术，和常规的地面喷雾技术相比，雾滴要更细，加之植保无人机开展喷雾作业时其喷头距离作物的冠层较远，不免有更大的雾滴漂移风险。

4 植保无人机技术的发展研究

植保无人机以其智能、高效且仿效好等优势获得了更多的关注，在未来的发展上，应进一步加大财政资金支持、加强技术研发，旨在解决当前植保无人机尚存的不足问题，并为其发展提供科技支持，促进智慧农业的发展。

4.1 择优选择机型品牌

比较极飞P30 2019便准版（16L）4翼和XP2020标准版（20L）4翼两个型号，前者优点：喷头喷洒质量比较高；雾化比较均匀，不会漏喷；可通过手机APP操作，轻便简单。缺点：维修成本高；田块间需要人工搬运；续航能力低（只有10 min）。

后者的优点：蠕动泵低压喷头，靠离心雾化喷头雾化药剂，适用更多类型药剂；定位精度高，航线规划APP生成，无漏喷、重喷现象；手机APP操作，界面化滑动设定飞行参数等，全自主飞行，操作易学简便；IP67级全机身防水以及紧凑坚固的机身结构，在同样故障条件下非正常降落造成的配件损失会更少。缺点：配件的价格与两三年前有明显的下降，同比其它品牌的价格，桨叶喷头等易损部件配件价格不高；新款的手持单握，已经可以控制飞机升降、上下、左右、转向等任何动作。另外，可以设定指定降落点，免去搬运操作；续航能力和撒肥系统的载重能力有待提升。综上，选择XP2020 标准版（20L）4翼为宜。

4.2 变量施药

实现变量施药是未来植保无人机技术发展的主要趋势，可以弥补传统施药技术的不足之处，实现变量施药能够根据病虫害发生程度、农作物疏密信息等按需给药，既解决了农药过度使用的问题，还能减少成本投入，提高应用效率。变量施药系统可以借由脉宽调制技术来更改占空比，通过对隔膜泵转速的控制相应调节喷施量。基于脉宽调制技术设计变量喷施测控系统，经软件的远程功能可完成无人机的施药、施药参数调整等作业。基于图像处理技术的变量喷施技术，能够有效识别非作物区，并得到作物处方图，之后控制喷头进行精准施药[5]。

4.3 避障技术

无人机工作时由于农田四周环境复杂，或有建筑物、电网和通信等设施，不仅会造成重喷或漏喷的现象，而且也威胁到安全植保作业，关于避障技术是目前研究的焦点话题。由于障碍物在形状、特征上有着较大差异，分布上也存在着随机化特点，因此关于植保无人机避障技术的研究难点在于对障碍物的自主识别。出于对植保无人机避障技术适用性与主要避障传感器的考量和分析，认为：实时性主动避障技术、构建辅助避障系统、订制避障规程标准和各种避障技术的组合应用等是该领域未来主要的研究方向[6]。

基于激光位移传感器的避障技术，其关键技术包括：飞前的自检、数据自动采集、有效数据块地提取、障碍物基本参数的计算和障碍物模式识别等[7]。通过室外飞行测试正式该技术能够检测到未知环境下的障碍物角度与距离，较准确地判断植保作业环境中存在的典型障碍物，能够在飞行过程当中实现动态避障，基本可以确定该技术应用的有效性与可行性。

4.4 专用药剂的研发

植保无人机作为一种农药喷洒工具，必须要配备专用的药剂才能实现高效的植保作业，有效防控农作物病虫草害。目前我国植保无人机低容量喷雾所用农药皆是地面常规喷雾研制生产的，并不完全适用于植保无人机的喷施技术要求。日本、韩国等已经针对植保无人机低容量喷雾的这一特点进行了适合专用药剂的研制，我国也应积极借鉴国外已经成熟的经验，逐步建立并完善植保无人机施药专用药剂与制剂的选择标准、评价方法，以低毒、微毒用药作为基本原则，并兼之考量环境毒性，例如水稻田或是近水源农田要注意药剂对水生生物可能会带来的毒性作用，综而研制分散程度高、耐蒸发以及配伍性好的农药制剂或喷雾助剂，针对粉剂因沉淀会造成喷头堵塞的问题进行研发，提高农药应用效率[8]。

4.5 多机协同技术

多机协同的无人机作业是指以单架无人机作为基础，构成包含着多机的智能网络，在网络中的每架飞机都要以植保任务为中心、进行整体的协调，从而覆盖住一个大的区域，并在协作进程中完成信息的交互。基于互联网技术与大数据技术的支持和进步，多机协同作业势必会在很大程度上减少劳动力的投入，进一步提高精准农业的航空作业效率。

5 结语

植保无人机在农业工作中由于喷洒效果好、效率高、操作安全以及实用性强等优点已经得到了迅速发展，植保无人机的灵活性也符合我国农作物种植面积碎块化的基本国情。所以，为了进一步促进无人机技术的应用，应通过总结应用不足，持续研究其关键技术与配套设备，助力现代化农业与智慧农业的发展。