无人机喷洒技术的研究

无人机喷洒技术的研究吴小伟,茹�煜,周宏平(南京林业大学机械电子工程学院,南京�210037)摘要:针对我国各地区土地资源、农业经营规模和农业栽培模式的特点,综述了无人机喷洒技术在病虫害防治方面的综合应用,提出了研究高效、高性能的无人机喷洒设备的迫切需求,以减少防治成本,提高农药使用效率,保护生态环境;同时,介绍了国内外无人机喷洒技术的研究现况,重点分析了无人机喷洒技术的关键技术研究,从理论、试验、应用等方面给出了无人机喷洒技术的研究对策和发展前景,为今后进一步研究无人机喷洒技术、实现数字农业以及经济的可持续发展奠定基础。关键词:无人机;喷洒技术;病虫害防治;数字农业中图分类号:S252+.3�������文献标识码:A文章编号:1003-188X(2010)07-0224-050�引言当今世界正在进行着绿色农业、有机农业、精准农业的技术革命,还将实施更先进的数字农业[1]。农业病虫害的防治依然是农业生产的重点内容,是保证农业高产、高质,实现农业经济可持续发展的基础。我国丘陵山区占土地总面积的61%,但丘陵山区是我国水稻、油菜等主要农作物的主产区[2],在丘陵山区采用普通的地面装备难度较大。水稻生产在我国处于战略地位,据资料显示,我国历年水稻病虫草害的防治面积约占35%[3]。由于稻田不同于旱地的特殊条件,使得地面装备行走困难。此外,湿地、滩涂、林地等特殊地形也不适合地面装备作业。因此,我国要想在这些丘陵山区仅靠地面喷洒装备实现植保机械化很困难,必须结合现代化的无人驾驶空中作业技术,才能构成完整的机械化植保体系。由于固定翼飞机的起飞和着陆必须使用跑道,作业飞行速度快,因此不适应于地形复杂、作业区障碍物多的作业环境,尤其不适用于中、小田块的病虫害防治,农药极易飘移到相邻地块的农作物上。因此,近年来无人机(UAV)喷雾设备的研究在日本、美国等发达国家得到了快速的发展。在我国,由于缺乏先进的无人机(UAV)喷洒技术和控制装置,使我国无人机(UAV)喷洒的应用水平与我国地区农业的发展需要不适应,与国外相比差距较大,从而导致我国利用无人机(UAV)进行农林作物喷雾一直是个空白。1�研究现状无人机(UAV)起飞时不需要跑道,其独特的飞行能力是其它一些飞行器不具备的[5]。目前,美国已开展了无人机(UAV)的航空喷洒方面的研究,日本从20世纪90年代起将遥控直升机用于大田作物、果树和蔬菜的病虫害防治[6],从而实现合理施肥和农作物品质管理,还可判断作物(主要是水稻)的生长状态[7-9]。1990年,日本山叶公司率先推出世界第一架无人机,主要用于撒布农药[10]。据2006年统计数据资料显示,日本水稻种植面积近1692khm2,且经营规模相对较小,常规的地面装备难以适应,而无人机因其尺寸小、操控灵活、喷洒效果好等优点,在日本进行农业生产已成为发展趋势之一。目前,国内通用轻型无人机主要有蜜蜂16共轴式无人驾驶直升机,Z-3无人直升机,WD100型无人直升机和天鹰-3等[11]。但是,目前应用无人机(UAV)开展施药技术的研究仍处于初级阶段,实际应用仍是空白。2�研究对策在国外,无人机(UAV)喷洒技术的发展已经比较成熟,如中、小田块的病虫害防治或大田内局部的精准施药以及丘陵山区的病虫害防治等。化学农药不仅是病虫害防治的流体方式,还可以是除草剂、杀菌剂和施肥等[12]。我国近几年才开始研究无人机(UAV)喷洒技术,虽有人曾进行过一些相关的研究和试验,但是要使喷洒的农药效果发挥到最高,使大部分以至全部都能落到靶标上,并且均匀地吸附在靶标表面上,还需要做进一步的研究工作。2.1�从理论上开展无人机(UAV)喷洒技术研究无人机(UAV)在喷洒的过程中,影响喷洒效果的因素很多,如目标植株、液滴雾化程度、雾滴流场的输运特性以及雾滴的穿透性等等。为避免或减轻农药对非靶标区域的影响和环境污染,无人机作业前应考虑以下两个方面因素:∀作业条件,如气象条件,特别是风向、风速;#飞行参数,如飞行高度和飞行速度,应根据田块大小、作业条件、喷液量要求来调整。无人机施药主要应解决下面3个方面的问题:∀防止飘移;#提高效率;∃提高作业的可靠性。2004年,BradleyKFritz曾经在这方面进行了初步的研究和探讨[13-14]。目前,发达国家对无人机喷洒技术的研究热点主要体现在以下两个方面:∀建立雾滴的分布数学模型及其仿真,通过模型分析雾滴的沉降规律;#GPS导航系统及精准施药技术在无人机农林喷洒作业中的使用,最终实现精确施药以及喷幅精确对接,防止漏喷、重喷。2.1.1�液滴雾化喷头雾滴雾化的产生的方式主要有两种:离心式雾化和液力雾化。为了减轻整个系统的质量,无人机(UAV)喷雾大多采用离心式雾化喷头,依靠飞机上发电机带动喷头电机,将药液甩出去,形成雾滴。雾滴的大小可以通过调节转速以及喷头转盘结构来实现。雾滴被甩出去后,还要受到飞机飞行时的气流速度、状态、外界大气影响,为获得无人机喷洒时的最佳粒径和运动状态,需要对液滴雾化进行进一步的研究探讨。2.1.2�运输及沉降过程在雾滴运输及沉降运动的整个过程中,由于空间流场极为复杂,复杂的流场使雾滴之间相互碰撞、聚合,导致雾滴的运动具有极大的随机性。因此,需要通过试验来建立雾滴流场的数学模型,从而获得流场中雾滴的综合流动状态。在实验室中,人们常用一些软件来模拟喷雾的整个过程。例如,AGDISP是一种计算机模型,它能模拟航空喷雾的整个过程,可以模拟风速、蒸发速度、雾滴尺寸分布和气流状况对沉降效果的影响(Teskeeta.l,1998)[15]。加拿大用此产品以进行植物保护方面的研究(Kuchnickieta.l,2004)[16]。在美国,通过输入飞机(制造和模拟)和飞机装置(喷嘴、喷嘴间距、雾滴体积和操作压力),飞机的操作参数(作业速度和喷雾高度),大气的状况(风速、温度、RH和大气的稳定性)与喷洒对象(表面粗糙度)的特性,运用AGDISP可以计算顺风的雾滴沉降量(Teskeeta.l,2002)[17]。2.1.3�气候条件对喷洒的影响合适的喷雾时间是提高雾滴中靶率的重要因素之一,特别是在不同的地域、地形条件下,除了旋翼飞机本身产生的涡流外,作业时的温度和风速,气流与作物摩擦产生的涡流等也会影响雾滴在作物上的分布[18]。为了减少药液的漂移及挥发流失,在大气温度超过28%(百叶箱温度)、空气相对湿度在60%以下、上午9时到下午3时上升的气流较大时,须要停止作业[19]。2003年,美国学者B.Richardson和M.O.Kim�berley在报告中也指出,当气温高于20&C时航空喷雾的雾滴沉降量显著下降[20]。2008年,黄丽娟[19]指出气象条件对飞机作业的影响:∀作业时大气温度为20%,平均雾滴直径200�m,空气相对湿度为60%,雾滴沉降7.7m时,雾滴全部挥发流失;#风对雾滴漂移的影响很明显,在同等雾滴直径情况下,有风时的漂移距离大约是无风时的5倍。2005年,Thistle等人研究表明风速与雾滴漂移量线性相关,风速和风向是影响雾滴水平运动最大的因素[21]。1974年,Yates等人[22]在研究中发现雾滴漂移随风速的增加而增多。美国TomDodge指出[23-24]:控制农药飘移必然会驱动新的喷雾技术的研究和发展,雾滴越小,顺风飘移就越远,飘移的危险性越大。刘秀娟等人[25]提出在中国要有效控制雾滴飘移,除了采取合适的施药方法,还应进一步加强对气候的研究。由于试验条件存在一些不确定性,今后还需进一步研究气象条件的改变对喷洒效果产生的影响。2.1.4�雾滴大小及数量对喷洒效果的影响雾滴的覆盖率与许多因素有关,特别是无人机(UAV)旋翼涡流和雾滴的飞行速度。雾滴的大小取决于所要喷雾的靶标情况[26]。一般情况下认为,雾滴数量为10滴/cm2就具有杀虫效果了,但这并不适用于所有的航空喷雾情况。在不同的喷洒方式下,究竟什么样的雾滴尺寸能够有效地提高靶标覆盖率,又能有效利用农药还需要深入研究。2.2�试验研究2.2.1�喷头雾化性能测试可以建立测试旋翼飞机性能的试验台,模拟飞机作业状态,测试喷头是否适合喷雾的雾化要求。1994!225!2010年7月�������������农机化研究����������������第7期年,密西西比河农林实验站(MAFES)的DavidB.Smith教授和M.HerbertWillcutt农业工程师以及密西西比河州立大学的TrentT.Spencer助理工程师对喷头的雾化性能、沉积量等进行了大量研究[27]。2.2.2�雾滴沉降性能测试在实验室中可以依赖于高速摄影技术(PIV)、现代光学测量技术(LDV)和计算机检测控制技术进行雾滴的沉降性能测量。此外,可以在室内建立飞机风场模拟台架,对风场规律有一定掌握之后,模拟飞机进行喷雾试验,在此还可以加一些干扰条件,如侧风、温度、湿度以及喷头的高度等,来综合分析雾滴的运动规律。同时,还可以去一些农林机场进行喷雾的雾滴直径、雾滴飘移、有效喷幅、雾滴分布的户外测试实验,分析无人机(UAV)喷雾技术的优势,随着研究的深入,这些方面还需要进一步完善。2.3�从应用上开展无人机(UAV)喷洒技术研究尽管无人机(UAV)喷洒技术还存在理论上、试验上和应用上的研究空间,但是任何一项技术不可能在所有理论问题和试验问题都解决才考虑应用问题,无人机(UAV)喷雾技术也不例外。因此,本文就应用提出以下建议。2.3.1�制定无人机(UAV)喷洒技术操作规程尽管无人机喷药在国外得到了快速的发展,但到目前为止,还没有形成规范化的制度。为了保证飞行的安全性,减少植保作业中对环境、临近作物以及人畜的负面影响,应参照联合国粮农2.3.1�制定无人机(UAV)喷洒技术操作规程尽管无人机喷药在国外得到了快速的发展,但到目前为止,还没有形成规范化的制度。为了保证飞行的安全性,减少植保作业中对环境、临近作物以及人畜的负面影响,应参照联合国粮农组织(FAO)制定的∋飞机施用农药的正确操作准则([28]制定操作规程。若使无人机(UAV)喷洒技术在我国农业保护工程中实用化,相关研究人员应制定�无人机(UAV)施药操作准则,保证喷雾装置稳定、操作人员安全、操作部件操作准确可靠。2.3.2�加强对无人机(UAV)喷洒装置部件的研究选择飞机是进行喷雾作业的首要任务,目前我国用于无人机(UAV)农药喷洒的飞机主要是蜜蜂16,Z-3,WD100,天鹰-3等机型,飞机和飞行员的数量都与国外相差很远。此外,还应该研制各种与无人机配套的农药喷洒设备,如可以自动调节其喷雾量、雾滴直径等,可进行低量喷雾、超低量喷雾以及静电喷洒的研究,美国和日本在这方面的研究和应用开展的比较早[29]。喷嘴应设计成专用的无人机(UAV)喷嘴,此时要明确几个基本的技术指标:喷雾模式、每分钟流量、制造材料等等。喷嘴结构应有利于旋翼高速气流流过喷头时对雾滴实现二次雾化,具体的应用还需进一步研究。2.3.3�其他方面的研究由于无人机(UAV)喷洒在国内尚处于初级阶段研究,应吸收和消化国外先进和实用的技术,并应用于农林业的病虫害防治当中。3S技术和实时差分导航系统(DGPS技术)应在农业导航中得到广泛的应用[30]。1992年,北京市植保站与中科院、北京航空航天大学、北京工业大学等8家科研院校协作,开展卫星导航飞机防治小麦蚜虫技术的研究,实践证明卫星导航飞机防治小麦蚜虫无漏喷、重喷现象,农药雾滴均匀,灭蚜效果高达90%以上,符合生产中农艺方面的要求。2003年,Simpson等人[31]在无人机(UAV)上安装了一种高像素的商业相机来快速获得农田信息,以指导无人机(UAV)的精确作业。2005年,Hunt等人[32],使用高智能的微软系统在无人机(UAV)上安装了5个规则的向下数码相机和向上的量子传感器,他通过改变镜头来获得近距离的红外图像和一些可见光图像,试验证明这个系统可以监视作物的每一个生长时期的动态特征,为农药精确喷洒提供了依据。积极开展将智能技术和计算机技术应用于航空植保装置的研究,让航空植保装置具有�识别能力[3