国内植保无人机农业喷洒技术

2022-09-21 16:45:08 来源:写作指导

摘要:随着气候和农田生态条件的变化,农业景观中病虫害的爆发越来越频繁,这无形之间增加改进农作物生产管理工具和方法的需求。植保无人机农业喷洒技术有望成为实现农作物高质、高效保护应用的重要支撑。文章综述植保无人机应用技术的研究现状和进展,重点讨论大数据分析和变速喷洒技术等在精准农业喷洒技术领域的应用。在综述文献的基础上,对现阶段国内植保无人机技术的未来发展和影响进行展望。文章对植保无人机农业喷洒技术的创新具有一定的启示意义。

关键词:无人机;植保;大数据分析;变速喷洒技术

随着气候和农田生态条件的变化,农业景观中病虫害的爆发越来越频繁,增加了对作物生产的威胁。农药的使用是现代农业的一个组成部分,有助于提高大多数农产品的生产率和质量。传统农业中主要使用的喷雾器是手动气压和电池驱动的背包喷雾器。这些传统的喷雾器会造成严重的农药损失和环境危害。为了减少对人类和环境的危害,以及解决劳动力短缺问题,喷洒机械化势在必行。有人驾驶和无人驾驶的农业空中喷洒,往往作为最经济和最迅速的手段来进行农作物病虫害防治[1]。现阶段中国国内的种植系统规模普遍较小,地理上更复杂,而且地区间差异很大。基于无人机的喷洒平台拥有更灵活的适用场景和更低的喷洒成本,同时,无人机还可以高精度地执行特定场地的农场管理[2]。然而,基于无人机的喷洒技术还存在一些需要克服的问题,如雾滴漂移、农药效能等。现代农业建设的新形势是使农业实现高产、优质、高效、生态、安全的目标,实现绿色消费和可持续发展,建设资源节约型、环境友好型农业[3]。本文对基于无人机的植保喷洒技术的研究现状和进展进行了综述,重点讨论了大数据分析在精准农业喷洒技术领域的应用。以期为国内无人机植保研究提供参考,促进国内植保无人机产业蓬勃发展。

1无人机喷洒系统的发展历程及特点

1.1无人机喷洒系统的发展历程

1985年,雅马哈首先推出农药喷洒领域的农业无人机ModelRmax,其多款无人直升机被世界上许多国家作为研究平台。然而伴随着其技术封锁,多旋翼无人机逐步崭露头角,现已取代直升机,成为农业应用中最广泛使用的无人机平台。近年来,我国研发并实施了用于作物保护的无人机。伴随农业智能化和精准化的进行,无人机喷洒系统的尺寸和复杂性都在增加,许多先进的技术,如全球定位系统(GPS)导航、自动路径规划、自动喷洒系统、大数据分析,高精度定位和避障技术等已被用于多旋翼无人机,运行稳定性、效率、准确性和操作方便性得到大大提升[4-5]。

1.2植保无人机的类型及特点

现阶段无人机形状和大小根据其提升能力和具体配置发展出多种门类,包括固定翼和单、多旋翼无人机。其动力系统可以是电力或燃料动力的。电动无人机的飞行持续时间为10~45min,而燃料动力系统可以运行1~4h。目前使用的大多数多旋翼无人机都是电动的,该型无人机结构简单,维护方便,飞行稳定性和喷雾效率优异。因此,它已成为基于无人机的植保应用的热门选择。

1.3植保无人机喷洒农药时的雾化特性

当使用无人机在低空喷洒低量农药时,旋翼的旋转和空气的相互作用为机体提供了必要的升力,并产生向下的气流,有助于帮助喷雾水滴进入作物冠层,增强药物沉积,减少漂移,改善农药分布。相比与传统喷淋,无人机喷洒的上层和下层均有较高的药物沉降,且雾滴在农作物冠层上的覆盖率和分布均匀性最好[6]。

2基于植保无人机的喷洒技术研究进展

2.1基于植保无人机的遥感监测

随着大数据、图像处理和深度学习技术的进步,通过数码相机或高光谱传感器获取的无人机图像,可以促进基于无人机的遥感技术在处方变速作业中害虫检测和识别的应用。首先,植保无人机可以利用各种各样的相机和传感器从空中获取作物状况的图像,其可执行具有高时间和高空间分辨率的遥感和农药喷洒任务。其次,无人机通常比有人驾驶的农业飞机更高效、更灵活,其可在低空和低速情况下捕捉高质量的图像。随着各种小型、轻型、高精度遥感传感器设备的发展,基于无人机的遥感技术已大大扩大了监测作物的应用范围,为精准农业收集更多有价值的数据信息[7]。

2.2植保无人机变速喷洒技术

为了减少农药的浪费,应根据病虫害和杂草的严重程度精准施用农药,因此变速喷洒技术近年来发展迅速。变速喷洒技术是精确空中喷雾的关键技术之一,其由GPS和变速流量控制系统组成。采用可变喷雾系统的无人机具有控制精度高、响应速度快的特点。现阶段国内多位学者开发了地面测控单元,通过无线数据传输模块对喷洒系统的压力和流量进行远程控制,实现了植保无人机的变速喷洒调节。同时其不断通过算法优化和系统创新,结合神经网络预测模型,不断完善着无人机植保变速喷洒技术[8]。

2.3植保无人机喷洒系统运行参数

植保无人机的运行参数对喷雾漂移和沉积效果有很大影响。许多研究者致力于探索影响喷雾沉积和下风运动的因素,以优化不同无人机和作物类型组合的操作参数。

2.4植保无人机喷洒农药漂移模型

农药的安全、高效的使用要求对农药的漂移和沉积进行管理。漂移因其对许多因素的敏感性,包括大气条件和应用设备,使其难以现场测试所有可能的气象应用场景。建模为评估喷洒作业的潜在风险和可能的缓解方案的潜在有效性提供了一个一致的框架[9]。许多研究人员试图通过模拟喷雾漂流来预测释放的喷雾的顺风行为,并评估其潜在的环境影响。空气喷雾模型有两种研究方法:经验模型和机理模型。经验模型不解释任何物理基础,一般只适用于与它们所针对的情况非常相似的情况。

3国内植保无人机农业喷洒技术的未来发展

3.1植保无人机运行时的下洗气流场研究

使用无人机在低空飞行时喷洒低量农药不同于传统的有人操纵空中喷洒。无人机产生的下洗气流直接决定了喷雾液滴在空间中的运动。它是影响液滴在农作物上沉积的主要因素,也是液滴偏离农作物的主要原因。目前该领域的研究大多集中在气流分布特性及其对喷雾性能的影响方面,但在现场试验条件下对气流模型、系统机理、喷雾参数相关性、准确的测量方法等方面研究不够深入透彻[10]。目前的气流模型是针对特定类型的无人机开发的,因此需要针对无人机建立通用的、可靠的气流模型,完成检验和验证后,还需要对不同的作物在不同的条件下进行具体的实践测试和分析。

3.2大数据分析与植保无人机技术的结合运用

近年来,基于无人机的遥感技术发展迅速,已成为植物保护场地管理的有效工具。其有利于扩大监测作物的应用范围,以便在大气、环境和太阳光照良好的情况下提供高分辨率数据。如何实现对数百至数千幅小范围图像的自动化分析,是基于无人机的植物保护遥感技术应用面临的一个挑战。人工智能(AI)和无人机的集成被认为是智能农业发展最有前途的解决方案之一,二者的结合可以提高技术的便捷性,方便处理复杂的海量大数据,并快速地提供高精度和高质量的解决方案。现阶段,深度学习算法在基于无人机的遥感系统中已得到广泛的应用,此外,物联网的出现可以带来有价值的、有经济效益的精准农业应用。为了助力乡村振兴和实现共同富裕,信息通信技术、机器人、人工智能、大数据、物联网等高新技术与无人机的结合需要投入更多的系统研究[11]。

3.3植保无人机的变速喷洒技术研究

变速喷药技术可按需喷药,在提高农药利用率、减少农药残留、降低环境风险方面具有较大潜力。可变流量技术包括压力控制、可变流量喷嘴和脉宽控制技术(PWM)。现阶段,设计出能够产生最佳雾滴尺寸谱的喷嘴,以减缓偏离目标漂移,并提供最大的应用效能,是开发智能喷洒器重要的一环。同时,变速喷洒技术还应利用控制技术来降低设备成本和提高设备性能,不断开发算法,建立影响因素与喷雾量的关系模型,使变速喷洒技术更加稳定和低成本化。

3.4植保无人机的喷洒减漂技术研究

一些研究已经证明了各种作物的喷洒沉积模式,但现阶段取得的相关技术仍不具备普适性,其仍缺乏详细的信息来帮助应用程序配置特定的无人机。随着越来越多的农田使用无人机进行管理,农药漂移影响邻近作物和其他敏感地区的机会也会增加。植保无人机喷洒沉积和漂移的相互作用仍待进一步研究。同时,无人机喷洒农药漂移模型为评估喷洒作业的潜在风险和可能的缓解办法的潜在有效性提供了一个连贯的框架[12]。随着测试中使用的设备和其他喷洒技术的更新,需要投入更多的研究来不断创新技术,并精准化创新和应用技术。

3.5群无人机协同技术在植保无人机领域的推广

单架植保无人机的特点是飞行续航能力有限,单位时间内作业面积较小,不能在大面积作物中完成所有任务。此时,群无人机协同技术就显现出提高植保无人机利用率和效率的潜力。国内多场高质量的无人机灯光秀展示了群无人机协同技术的良好协调性和控制性。这项技术可很好地应用于农业管理。使用多架植保无人机对农田进行喷洒农药处理将增加每天的地面喷洒量,其所需的自动化控制系统以及飞行操作规范都已较为成熟,但由于国内监管规定,其在农业领域的推广受到了一些阻碍。群无人机协同技术可以使农业管理更加智能化和便捷化,减少人为因素的干扰,提高作业的稳定性和安全性。

4结束语

虽然植保无人机是世界各地农民和施药者用于农业管理新增加的使用工具,但其已在农作物保护优化和农药喷洒领域取得不菲成绩。农药冠层渗透、雾滴沉积与覆盖、喷雾漂移控制是评价植保无人机产品效果的重点。我们需要对影响植保无人机喷洒质量和农药功效的多个变量进行全面了解,并大力促进大数据分析与植保无人机技术的结合运用,才能保证植保无人机飞行和喷洒的顺利进行。助力精准农业和智慧农业,实现乡村振兴。

作者:李雪颖 王波 张博源 张兆宽 单位:黄河交通学院 河南省智能制造技术与装备工程技术研究中心