无人机喷洒技术的研究

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1、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

2、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

3、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

4、,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

5、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

6、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

7、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

8、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