當(dāng)今世界正在進(jìn)行著綠色農(nóng)業(yè)、有機(jī)農(nóng)業(yè)、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的技術(shù)革命, 還將實(shí)施更先進(jìn)的數(shù)字農(nóng)業(yè)。農(nóng)業(yè)病蟲害的防治依然是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重點(diǎn)內(nèi)容, 是保證農(nóng)業(yè)高產(chǎn)、高質(zhì), 實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)。

我國(guó)丘陵山區(qū)占土地總面積的61%, 但丘陵山區(qū)是我國(guó)水稻、油菜等主要農(nóng)作物的主產(chǎn)區(qū) , 在丘陵山區(qū)采用普通的地面裝備難度較大。水稻生產(chǎn)在我國(guó)處于戰(zhàn)略地位, 據(jù)資料顯示, 我國(guó)歷年水稻病蟲草害的防治面積約占35% 。

由于稻田不同于旱地的特殊條件, 使得地面裝備行走困難。此外, 濕地、灘涂、林地等特殊地形也不適合地面裝備作業(yè)。因此, 我國(guó)要想在這些丘陵山區(qū)僅靠地面噴灑裝備實(shí)現(xiàn)植保機(jī)械化很困難, 必須結(jié)合現(xiàn)代化的無(wú)人駕駛空中作業(yè)技術(shù), 才能構(gòu)成完整的機(jī)械化植保體系。

由于固定翼飛機(jī)的起飛和著陸必須使用跑道, 作業(yè)飛行速度快, 因此不適應(yīng)于地形復(fù)雜、作業(yè)區(qū)障礙物多的作業(yè)環(huán)境, 尤其不適用于中、小田塊的病蟲害防治, 農(nóng)藥極易飄移到相鄰地塊的農(nóng)作物上。因此,近年來(lái)無(wú)人機(jī)(UAV)噴霧設(shè)備的研究在日本、美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家得到了快速的發(fā)展。

在我國(guó), 由于缺乏先進(jìn)的無(wú)人機(jī)( UAV )噴灑技術(shù)和控制裝置, 使我國(guó)無(wú)人機(jī)(UAV)噴灑的應(yīng)用水平與我國(guó)地區(qū)農(nóng)業(yè)的發(fā)展需要不適應(yīng), 與國(guó)外相比差距較大, 從而導(dǎo)致我國(guó)利用無(wú)人機(jī)( UAV )進(jìn)行農(nóng)林作物噴霧一直是個(gè)空白。

研究現(xiàn)狀

無(wú)人機(jī)(UAV)起飛時(shí)不需要跑道, 其獨(dú)特的飛行能力是其它一些飛行器不具備的 。目前, 美國(guó)已開展了無(wú)人機(jī)(UAV)的航空噴灑方面的研究, 日本從20世紀(jì)90年代起將遙控直升機(jī)用于大田作物、果樹和蔬菜的病蟲害防治， 從而實(shí)現(xiàn)合理施肥和農(nóng)作物品質(zhì)管理, 還可判斷作物(主要是水稻) 的生長(zhǎng)狀。

1990年, 日本山葉公司率先推出世界第一架無(wú)人機(jī), 主要用于撒布農(nóng)藥 。據(jù)2006 年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)資料顯示, 日本水稻種植面積近1692khm2, 且經(jīng)營(yíng)規(guī)模相對(duì)較小, 常規(guī)的地面裝備難以適應(yīng), 而無(wú)人機(jī)因其尺寸小、操控靈活、噴灑效果好等優(yōu)點(diǎn), 在日本進(jìn)行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)已成為發(fā)展趨勢(shì)之一。

目前, 國(guó)內(nèi)通用輕型無(wú)人機(jī)主要有蜜蜂16 共軸式無(wú)人駕駛直升機(jī), Z- 3 無(wú)人直升機(jī), WD100 型無(wú)人直升機(jī)和天鷹- 3等 。但是, 目前應(yīng)用無(wú)人機(jī)(UAV )開展施藥技術(shù)的研究仍處于初級(jí)階段, 實(shí)際應(yīng)用仍是空白。

研究對(duì)策

在國(guó)外, 無(wú)人機(jī)(UAV)噴灑技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)比較成熟, 如中、小田塊的病蟲害防治或大田內(nèi)局部的精準(zhǔn)施藥以及丘陵山區(qū)的病蟲害防治等?；瘜W(xué)農(nóng)藥不僅是病蟲害防治的流體方式, 還可以是除草劑、殺菌劑和施肥等 。我國(guó)近幾年才開始研究無(wú)人機(jī)(UAV)噴灑技術(shù), 雖有人曾進(jìn)行過(guò)一些相關(guān)的研究和試驗(yàn), 但是要使噴灑的農(nóng)藥效果發(fā)揮到最高, 使大部分以至全部都能落到靶標(biāo)上, 并且均勻地吸附在靶標(biāo)表面上, 還需要做進(jìn)一步的研究工作。

1.從理論上開展無(wú)人機(jī)(UAV )噴灑技術(shù)研究

無(wú)人機(jī)(UAV)在噴灑的過(guò)程中, 影響噴灑效果的因素很多, 如目標(biāo)植株、液滴霧化程度、霧滴流場(chǎng)的輸運(yùn)特性以及霧滴的穿透性等等。為避免或減輕農(nóng)藥對(duì)非靶標(biāo)區(qū)域的影響和環(huán)境污染, 無(wú)人機(jī)作業(yè)前應(yīng)考慮以下兩個(gè)方面因素:

A .作業(yè)條件, 如氣象條件, 特別是風(fēng)向、風(fēng)速;

B. 飛行參數(shù), 如飛行高度和飛行速度, 應(yīng)根據(jù)田塊大小、作業(yè)條件、噴液量要求來(lái)調(diào)整。

2.無(wú)人機(jī)施藥主要應(yīng)解決下面3個(gè)方面的問(wèn)題

防止飄移;

提高效率;

提高作業(yè)的可靠性。

2004年, Brad ley K Fritz曾經(jīng)在這方面進(jìn)行了初步的研究和探討。目前, 發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)無(wú)人機(jī)噴灑技術(shù)的研究熱點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面:

A. 建立霧滴的分布數(shù)學(xué)模型及其仿真, 通過(guò)模型分析霧滴的沉降規(guī)律;

B. GPS 導(dǎo)航系統(tǒng)及精準(zhǔn)施藥技術(shù)在無(wú)人機(jī)農(nóng)林噴灑作業(yè)中的使用, 最終實(shí)現(xiàn)精確施藥以及噴幅精確對(duì)接, 防止漏噴、重噴。

3. 液滴霧化

噴頭霧滴霧化的產(chǎn)生的方式主要有兩種: 離心式霧化和液力霧化。

為了減輕整個(gè)系統(tǒng)的質(zhì)量, 無(wú)人機(jī)(UAV)噴霧大多采用離心式霧化噴頭, 依靠飛機(jī)上發(fā)電機(jī)帶動(dòng)噴頭電機(jī), 將藥液甩出去, 形成霧滴。霧滴的大小可以通過(guò)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速以及噴頭轉(zhuǎn)盤結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)。霧滴被甩出去后, 還要受到飛機(jī)飛行時(shí)的氣流速度、狀態(tài)、外界大氣影響, 為獲得無(wú)人機(jī)噴灑時(shí)的最佳粒徑和運(yùn)動(dòng)狀態(tài), 需要對(duì)液滴霧化進(jìn)行進(jìn)一步的研究探討。

4. 運(yùn)輸及沉降過(guò)程

在霧滴運(yùn)輸及沉降運(yùn)動(dòng)的整個(gè)過(guò)程中, 由于空間流場(chǎng)極為復(fù)雜, 復(fù)雜的流場(chǎng)使霧滴之間相互碰撞、聚合, 導(dǎo)致霧滴的運(yùn)動(dòng)具有極大的隨機(jī)性。因此, 需要通過(guò)試驗(yàn)來(lái)建立霧滴流場(chǎng)的數(shù)學(xué)模型, 從而獲得流場(chǎng)中霧滴的綜合流動(dòng)狀態(tài)。

在實(shí)驗(yàn)室中, 人們常用一些軟件來(lái)模擬噴霧的整個(gè)過(guò)程。例如, AGD ISP是一種計(jì)算機(jī)模型, 它能模擬航空噴霧的整個(gè)過(guò)程, 可以模擬風(fēng)速、蒸發(fā)速度、霧滴尺寸分布和氣流狀況對(duì)沉降效果的影響 。加拿大用此產(chǎn)品以進(jìn)行植物保護(hù)方面的研究。

在美國(guó), 通過(guò)輸入飛機(jī)(制造和模擬) 和飛機(jī)裝置(噴嘴、噴嘴間距、霧滴體積和操作壓力) ,飛機(jī)的操作參數(shù)(作業(yè)速度和噴霧高度), 大氣的狀況(風(fēng)速、溫度、RH 和大氣的穩(wěn)定性)與噴灑對(duì)象(表面粗糙度) 的特性, 運(yùn)用AGDISP可以計(jì)算順風(fēng)的霧滴沉降量 。

5. 氣候條件對(duì)噴灑的影響

合適的噴霧時(shí)間是提高霧滴中靶率的重要因素之一, 特別是在不同的地域、地形條件下, 除了旋翼飛機(jī)本身產(chǎn)生的渦流外, 作業(yè)時(shí)的溫度和風(fēng)速, 氣流與作物摩擦產(chǎn)生的渦流等也會(huì)影響霧滴在作物上的分布。

為了減少藥液的漂移及揮發(fā)流失, 在大氣溫度超過(guò)28 % (百葉箱溫度)、空氣相對(duì)濕度在60 % 以下、上午9 時(shí)到下午3 時(shí)上升的氣流較大時(shí), 須要停止作業(yè) 。

2003 年, 美國(guó)學(xué)者B. R ichardson 和M. O. K imberley在報(bào)告中也指出, 當(dāng)氣溫高于20&C 時(shí)航空噴霧的霧滴沉降量顯著下降。

2008年, 黃麗娟指出氣象條件對(duì)飛機(jī)作業(yè)的影響：

作業(yè)時(shí)大氣溫度20% , 平均霧滴直徑0.2mm, 空氣相對(duì)濕度為60% , 霧滴沉降7. 7m，霧滴全部揮發(fā)流失;

風(fēng)對(duì)霧滴漂移的影響很明顯, 在同等霧滴直徑情況下, 有風(fēng)時(shí)的漂移距離大約是無(wú)風(fēng)時(shí)的5倍。

2005年, Th istle 等人研究表明風(fēng)速與霧滴漂移量線性相關(guān), 風(fēng)速和風(fēng)向是影響霧滴水平運(yùn)動(dòng)最大的因素。

1974年, Yates等人在研究中發(fā)現(xiàn)霧滴漂移隨風(fēng)速的增加而增多。

美國(guó)Tom Dodge 指出: 控制農(nóng)藥飄移必然會(huì)驅(qū)動(dòng)新的噴霧技術(shù)的研究和發(fā)展, 霧滴越小, 順風(fēng)飄移就越遠(yuǎn),飄移的危險(xiǎn)性越大。

劉秀娟等人提出在中國(guó)要有效控制霧滴飄移, 除了采取合適的施藥方法, 還應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)氣候的研究。由于試驗(yàn)條件存在一些不確定性, 今后還需進(jìn)一步研究氣象條件的改變對(duì)噴灑效果產(chǎn)生的影響。

6. 霧滴大小及數(shù)量對(duì)噴灑效果的影響

霧滴的覆蓋率與許多因素有關(guān), 特別是無(wú)人機(jī)(UAV)旋翼渦流和霧滴的飛行速度。霧滴的大小取決于所要噴霧的靶標(biāo)情況 。一般情況下認(rèn)為, 霧滴數(shù)量10滴/cm2 就具有殺蟲效果了,但這并不適用于所有的航空噴霧情況。在不同的噴灑方式下, 究竟什么樣的霧滴尺寸能夠有效地提高靶標(biāo)覆蓋率, 又能有效利用農(nóng)藥還需要深入研究。

試驗(yàn)研究

1. 噴頭霧化性能測(cè)試

可以建立測(cè)試旋翼飛機(jī)性能的試驗(yàn)臺(tái), 模擬飛機(jī)作業(yè)狀態(tài), 測(cè)試噴頭是否適合噴霧的霧化要求。1994年, 密西西比河農(nóng)林實(shí)驗(yàn)站( MAFES ) 的Dav id B.Sm ith教授和M. HerbertW illcutt農(nóng)業(yè)工程師以及密西西比河州立大學(xué)的Trent T. pencer助理工程師對(duì)噴頭的霧化性能、沉積量等進(jìn)行了大量研究。

2. 霧滴沉降性能測(cè)試

在實(shí)驗(yàn)室中可以依賴于高速攝影技術(shù)( PIV )、現(xiàn)代光學(xué)測(cè)量技術(shù)( LDV ) 和計(jì)算機(jī)檢測(cè)控制技術(shù)進(jìn)行霧滴的沉降性能測(cè)量。此外, 可以在室內(nèi)建立飛機(jī)風(fēng)場(chǎng)模擬臺(tái)架, 對(duì)風(fēng)場(chǎng)規(guī)律有一定掌握之后, 模擬飛機(jī)進(jìn)行噴霧試驗(yàn), 在此還可以加一些干擾條件, 如側(cè)風(fēng)、溫度、濕度以及噴頭的高度等, 來(lái)綜合分析霧滴的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。同時(shí), 還可以去一些農(nóng)林機(jī)場(chǎng)進(jìn)行噴霧的霧滴直徑、霧滴飄移、有效噴幅、霧滴分布的戶外測(cè)試實(shí)驗(yàn), 分析無(wú)人機(jī)( UAV ) 噴霧技術(shù)的優(yōu)勢(shì), 隨著研究的深入, 這些方面還需要進(jìn)一步完善。

3. 從應(yīng)用上開展無(wú)人機(jī)(UAV )噴灑技術(shù)研究

盡管無(wú)人機(jī)(UAV)噴灑技術(shù)還存在理論上、試驗(yàn)上和應(yīng)用上的研究空間, 但是任何一項(xiàng)技術(shù)不可能在所有理論問(wèn)題和試驗(yàn)問(wèn)題都解決才考慮應(yīng)用問(wèn)題, 無(wú)人機(jī)(UAV)噴霧技術(shù)也不例外。因此, 本文就應(yīng)用提出以下建議。

3. 1 制定無(wú)人機(jī)( UAV )噴灑技術(shù)操作規(guī)程

盡管無(wú)人機(jī)噴藥在國(guó)外得到了快速的發(fā)展, 但到目前為止, 還沒(méi)有形成規(guī)范化的制度。為了保證飛行的安全性, 減少植保作業(yè)中對(duì)環(huán)境、臨近作物以及人畜的負(fù)面影響, 應(yīng)參照聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織( FAO )制定的飛機(jī)施用農(nóng)藥的正確操作準(zhǔn)則。

若使無(wú)人機(jī)( UAV )噴灑技術(shù)在我國(guó)農(nóng)業(yè)保護(hù)工程中實(shí)用化, 相關(guān)研究人員應(yīng)制定無(wú)人機(jī)(UAV) 施藥操作準(zhǔn)則 , 保證噴霧裝置穩(wěn)定、操作人員安全、操作部件操作準(zhǔn)確可靠。

3. 2 加強(qiáng)對(duì)無(wú)人機(jī)(UAV )噴灑裝置部件的研究

選擇飛機(jī)是進(jìn)行噴霧作業(yè)的首要任務(wù), 目前我國(guó)用于無(wú)人機(jī)(UAV)農(nóng)藥噴灑的飛機(jī)飛機(jī)和飛行員的數(shù)量都與國(guó)外相差很遠(yuǎn)。此外, 還應(yīng)該研制各種與無(wú)人機(jī)配套的農(nóng)藥噴灑設(shè)備, 如可以自動(dòng)調(diào)節(jié)其噴霧量、霧滴直徑等, 可進(jìn)行低量噴霧、超低量噴霧以及靜電噴灑的研究, 美國(guó)和日本在這方面的研究和應(yīng)用開展的比較早。

噴嘴應(yīng)設(shè)計(jì)成專用的無(wú)人機(jī)(UAV)噴嘴, 此時(shí)要明確幾個(gè)基本的技術(shù)指標(biāo): 噴霧模式、每分鐘流量、制造材料等等。噴嘴結(jié)構(gòu)應(yīng)有利于旋翼高速氣流流過(guò)噴頭時(shí)對(duì)霧滴實(shí)現(xiàn)二次霧化, 具體的應(yīng)用還需進(jìn)一步研究。

3.3 其他方面的研究

由于無(wú)人機(jī)(UAV)噴灑在國(guó)內(nèi)尚處于初級(jí)階段研究, 應(yīng)吸收和消化國(guó)外先進(jìn)和實(shí)用的技術(shù), 并應(yīng)用于農(nóng)林業(yè)的病蟲害防治當(dāng)中。3S 技術(shù)和實(shí)時(shí)差分導(dǎo)航系統(tǒng)(DGPS 技術(shù))應(yīng)在農(nóng)業(yè)導(dǎo)航中得到廣泛的應(yīng)用 。

1992年, 北京市植保站與中科院、北京航空航天大學(xué)、北京工業(yè)大學(xué)等8 家科研院校協(xié)作,開展衛(wèi)星導(dǎo)航飛機(jī)防治小麥蚜蟲技術(shù)的研究, 實(shí)踐證明衛(wèi)星導(dǎo)航飛機(jī)防治小麥蚜蟲無(wú)漏噴、重噴現(xiàn)象, 農(nóng)藥?kù)F滴均勻, 滅蚜效果高達(dá)90% 以上, 符合生產(chǎn)中農(nóng)藝方面的要求。

2003年, S impson等人在無(wú)人機(jī)(UAV) 上安裝了一種高像素的商業(yè)相機(jī)來(lái)快速獲得農(nóng)田信息,以指導(dǎo)無(wú)人機(jī)( UAV ) 的精確作業(yè)。2005年, Hunt等人 , 使用高智能的微軟系統(tǒng)在無(wú)人機(jī)(UAV)上安裝了5個(gè)規(guī)則的向下數(shù)碼相機(jī)和向上的量子傳感器,他通過(guò)改變鏡頭來(lái)獲得近距離的紅外圖像和一些可見(jiàn)光圖像, 試驗(yàn)證明這個(gè)系統(tǒng)可以監(jiān)視作物的每一個(gè)生長(zhǎng)時(shí)期的動(dòng)態(tài)特征, 為農(nóng)藥精確噴灑提供了依據(jù)。

積極開展將智能技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用于航空植保裝置的研究, 讓航空植保裝置具有識(shí)別 能力, 從而自動(dòng)決定是否噴霧, 做到真正意義上的對(duì)靶噴霧 , 以提高作業(yè)精度。