當今世界正在進行著綠色農業、有機農業、精準農業的技術革命, 還將實施更先進的數字農業。農業病蟲害的防治依然是農業生產的重點內容, 是保證農業高產、高質, 實現農業經濟可持續發展的基礎。
我國丘陵山區佔土地總面積的61%, 但丘陵山區是我國水稻、油菜等主要農作物的主產區 , 在丘陵山區採用普通的地面裝備難度較大。水稻生產在我國處於戰略地位, 據資料顯示, 我國曆年水稻病蟲草害的防治面積約佔35% 。 由於稻田不同於旱地的特殊條件, 使得地面裝備行走困難。此外, 溼地、灘塗、林地等特殊地形也不適合地面裝備作業。
因此, 我國要想在這些丘陵山區僅靠地面噴灑裝備實現植保機械化很困難, 必須結合現代化的無人駕駛空中作業技術, 才能構成完整的機械化植保體系。
由於固定翼飛機的起飛和著陸必須使用跑道, 作業飛行速度快, 因此不適應於地形複雜、作業區障礙物多的作業環境, 尤其不適用於中、小田塊的病蟲害防治, 農藥極易飄移到相鄰地塊的農作物上。因此,近年來無人機(UAV）噴霧設備的研究在日本、美國等發達國家得到了快速的發展。
在我國, 由於缺乏先進的無人機( UAV )噴灑技術和控制裝置, 使我國無人機(UAV)噴灑的應用水平與我國地區農業的發展需要不適應, 與國外相比差距較大, 從而導致我國利用無人機( UAV )進行農林作物噴霧一直是個空白。
研究現狀
無人機(UAV)起飛時不需要跑道, 其獨特的飛行能力是其它一些飛行器不具備的 。目前, 美國已開展了無人機(UAV)的航空噴灑方面的研究, 日本從20世紀90年代起將遙控直升機用於大田作物、果樹和蔬菜的病蟲害防治， 從而實現合理施肥和農作物品質管理, 還可判斷作物(主要是水稻) 的生長狀。
1990年, 日本山葉公司率先推出世界第一架無人機, 主要用於撒佈農藥 。據2006 年統計數據資料顯示, 日本水稻種植面積近1692khm2, 且經營規模相對較小, 常規的地面裝備難以適應, 而無人機因其尺寸小、操控靈活、噴灑效果好等優點, 在日本進行農業生產已成為發展趨勢之一。 目前, 國內通用輕型無人機主要有蜜蜂16 共軸式無人駕駛直升機, Z- 3 無人直升機, WD100 型無人直升機和天鷹- 3等 。但是, 目前應用無人機(UAV )開展施藥技術的研究仍處於初級階段, 實際應用仍是空白。
研究對策
在國外, 無人機(UAV)噴灑技術的發展已經比較成熟, 如中、小田塊的病蟲害防治或大田內局部的精準施藥以及丘陵山區的病蟲害防治等。化學農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 。
我國近幾年才開始研究無人機(UAV)噴灑技術, 雖有人曾進行過一些相關的研究和試驗, 但是要使噴灑的農藥效果發揮到最高, 使大部分以至全部都能落到靶標上, 並且均勻地吸附在靶標表面上, 還需要做進一步的研究工作。
1.從理論上開展無人機(UAV )噴灑技術研究
無人機(UAV)在噴灑的過程中, 影響噴灑效果的因素很多, 如目標植株、液滴霧化程度、霧滴流場的輸運特性以及霧滴的穿透性等等。為避免或減輕農藥對非靶標區域的影響和環境汙染, 無人機作業前應考慮以下兩個方面因素:
A .作業條件, 如氣象條件, 特別是風向、風速;
B. 飛行參數, 如飛行高度和飛行速度, 應根據田塊大小、作業條件、噴液量要求來調整。
2.無人機施藥主要應解決下面3個方面的問題
防止飄移;提高效率;提高作業的可靠性。 2004年, Brad ley K Fritz曾經在這方面進行了初步的研究和探討。目前, 發達國家對無人機噴灑技術的研究熱點主要體現在以下兩個方面:
A. 建立霧滴的分佈數學模型及其仿真, 通過模型分析霧滴的沉降規律;
B. GPS 導航系統及精準施藥技術在無人機農林噴灑作業中的使用, 最終實現精確施藥以及噴幅精確對接, 防止漏噴、重噴。
3. 液滴霧化
噴頭霧滴霧化的產生的方式主要有兩種: 離心式霧化和液力霧化。
為了減輕整個系統的質量, 無人機(UAV)噴霧大多采用離心式霧化噴頭, 依靠飛機上發電機帶動噴頭電機, 將藥液甩出去, 形成霧滴。霧滴的大小可以通過調節轉速以及噴頭轉盤結構來實現。霧滴被甩出去後, 還要受到飛機飛行時的氣流速度、狀態、外界大氣影響, 為獲得無人機噴灑時的最佳粒徑和運動狀態, 需要對液滴霧化進行進一步的研究探討。
4. 運輸及沉降過程
在霧滴運輸及沉降運動的整個過程中, 由於空間流場極為複雜, 複雜的流場使霧滴之間相互碰撞、聚合, 導致霧滴的運動具有極大的隨機性。因此, 需要通過試驗來建立霧滴流場的數學模型, 從而獲得流場中霧滴的綜合流動狀態。
在實驗室中, 人們常用一些軟件來模擬噴霧的整個過程。例如, AGD ISP是一種計算機模型, 它能模擬航空噴霧的整個過程, 可以模擬風速、蒸發速度、霧滴尺寸分佈和氣流狀況對沉降效果的影響 。加拿大用此產品以進行植物保護方面的研究。
在美國, 通過輸入飛機(製造和模擬) 和飛機裝置(噴嘴、噴嘴間距、霧滴體積和操作壓力) ,飛機的操作參數(作業速度和噴霧高度), 大氣的狀況(風速、溫度、RH 和大氣的穩定性)與噴灑對象(表面粗糙度) 的特性, 運用AGDISP可以計算順風的霧滴沉降量 。
5. 氣候條件對噴灑的影響
合適的噴霧時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, 除了旋翼飛機本身產生的渦流外, 作業時的溫度和風速, 氣流與作物摩擦產生的渦流等也會影響霧滴在作物上的分佈。 為了減少藥液的漂移及揮發流失, 在大氣溫度超過28 % (百葉箱溫度)、空氣相對溼度在60 % 以下、上午9 時到下午3 時上升的氣流較大時, 須要停止作業 。
2003 年, 美國學者B. R ichardson 和M. O. K imberley在報告中也指出, 當氣溫高於20&C 時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飛機作業的影響：
作業時大氣溫度20% , 平均霧滴直徑0.2mm, 空氣相對溼度為60% , 霧滴沉降7. 7m，霧滴全部揮發流失;
風對霧滴漂移的影響很明顯, 在同等霧滴直徑情況下, 有風時的漂移距離大約是無風時的5倍。
2005年, Th istle 等人研究表明風速與霧滴漂移量線性相關, 風速和風向是影響霧滴水平運動最大的因素。
1974年, Yates等人在研究中發現霧滴漂移隨風速的增加而增多。 美國Tom Dodge 指出: 控制農藥飄移必然會驅動新的噴霧技術的研究和發展, 霧滴越小, 順風飄移就越遠,飄移的危險性越大。
劉秀娟等人提出在中國要有效控制霧滴飄移, 除了採取合適的施藥方法, 還應進一步加強對氣候的研究。由於試驗條件存在一些不確定性, 今後還需進一步研究氣象條件的改變對噴灑效果產生的影響。
6. 霧滴大小及數量對噴灑效果的影響
霧滴的覆蓋率與許多因素有關, 特別是無人機(UAV）旋翼渦流和霧滴的飛行速度。霧滴的大小取決於所要噴霧的靶標情況 。一般情況下認為, 霧滴數量10滴/cm2 就具有殺蟲效果了,但這並不適用於所有的航空噴霧情況。在不同的噴灑方式下, 究竟什麼樣的霧滴尺寸能夠有效地提高靶標覆蓋率, 又能有效利用農藥還需要深入研究。
試驗研究
1. 噴頭霧化性能測試
可以建立測試旋翼飛機性能的試驗檯, 模擬飛機作業狀態, 測試噴頭是否適合噴霧的霧化要求。1994年, 密西西比河農林實驗站( MAFES ) 的Dav id B.Sm ith教授和M. HerbertW illcutt農業工程師以及密西西比河州立大學的Trent T. pencer助理工程師對噴頭的霧化性能、沉積量等進行了大量研究。
2. 霧滴沉降性能測試
在實驗室中可以依賴於高速攝影技術( PIV )、現代光學測量技術( LDV ) 和計算機檢測控制技術進行霧滴的沉降性能測量。此外, 可以在室內建立飛機風場模擬臺架, 對風場規律有一定掌握之後, 模擬飛機進行噴霧試驗, 在此還可以加一些干擾條件, 如側風、溫度、溼度以及噴頭的高度等, 來綜合分析霧滴的運動規律。
同時, 還可以去一些農林機場進行噴霧的霧滴直徑、霧滴飄移、有效噴幅、霧滴分佈的戶外測試實驗, 分析無人機( UAV ) 噴霧技術的優勢, 隨著研究的深入, 這些方面還需要進一步完善。
3. 從應用上開展無人機(UAV )噴灑技術研究
儘管無人機(UAV)噴灑技術還存在理論上、試驗上和應用上的研究空間, 但是任何一項技術不可能在所有理論問題和試驗問題都解決才考慮應用問題, 無人機(UAV)噴霧技術也不例外。因此, 本文就應用提出以下建議。
3. 1 制定無人機( UAV )噴灑技術操作規程
儘管無人機噴藥在國外得到了快速的發展, 但到目前為止, 還沒有形成規範化的制度。為了保證飛行的安全性, 減少植保作業中對環境、臨近作物以及人畜的負面影響, 應參照聯合國糧農組織( FAO )制定的飛機施用農藥的正確操作準則。 若使無人機( UAV )噴灑技術在我國農業保護工程中實用化, 相關研究人員應制定無人機(UAV) 施藥操作準則 , 保證噴霧裝置穩定、操作人員安全、操作部件操作準確可靠。
3. 2 加強對無人機(UAV )噴灑裝置部件的研究
選擇飛機是進行噴霧作業的首要任務, 目前我國用於無人機(UAV)農藥噴灑的飛機飛機和飛行員的數量都與國外相差很遠。此外, 還應該研製各種與無人機配套的農藥噴灑設備, 如可以自動調節其噴霧量、霧滴直徑等, 可進行低量噴霧、超低量噴霧以及靜電噴灑的研究, 美國和日本在這方面的研究和應用開展的比較早。 噴嘴應設計成專用的無人機(UAV)噴嘴, 此時要明確幾個基本的技術指標: 噴霧模式、每分鐘流量、製造材料等等。噴嘴結構應有利於旋翼高速氣流流過噴頭時對霧滴實現二次霧化, 具體的應用還需進一步研究。
3.3 其他方面的研究
由於無人機(UAV)噴灑在國內尚處於初級階段研究, 應吸收和消化國外先進和實用的技術, 並應用於農林業的病蟲害防治當中。3S 技術和實時差分導航系統(DGPS 技術)應在農業導航中得到廣泛的應用 。 1992年, 北京市植保站與中科院、北京航空航天大學、北京工業大學等8 家科研院校協作,開展衛星導航飛機防治小麥蚜蟲技術的研究, 實踐證明衛星導航飛機防治小麥蚜蟲無漏噴、重噴現象, 農藥霧滴均勻, 滅蚜效果高達90% 以上, 符合生產中農藝方面的要求。
2003年, S impson等人在無人機(UAV) 上安裝了一種高像素的商業相機來快速獲得農田信息,以指導無人機( UAV ) 的精確作業。
2005年, Hunt等人 , 使用高智能的微軟系統在無人機(UAV)上安裝了5個規則的向下數碼相機和向上的量子傳感器,他通過改變鏡頭來獲得近距離的紅外圖像和一些可見光圖像, 試驗證明這個系統可以監視作物的每一個生長時期的動態特徵, 為農藥精確噴灑提供了依據。
積極開展將智能技術和計算機技術應用於航空植保裝置的研究, 讓航空植保裝置具有識別 能力, 從而自動決定是否噴霧, 做到真正意義上的對靶噴霧 , 以提高作業精度。
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