農(nóng)用無人機(jī)撒施肥作業(yè)穩(wěn)定性試驗(yàn)

陳建林，唐宏偉，王健平，李 航，張雨辰，王 麗

（1.天津市農(nóng)業(yè)發(fā)展服務(wù)中心，天津 300061；2.天津市薊州區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展服務(wù)中心，天津 301900）

農(nóng)用無人機(jī)是指用于植物保護(hù)作業(yè)的具有載重功能的無人駕駛飛機(jī)，由飛行平臺(tái)（固定翼、單旋翼、多旋翼）、導(dǎo)航飛控、噴灑（撒施）機(jī)構(gòu)組成，通過地面遙控或衛(wèi)星導(dǎo)航飛控，實(shí)現(xiàn)噴灑藥劑、種子、粉劑或者顆粒肥等生產(chǎn)作業(yè)。隨著近幾年的技術(shù)升級(jí)，農(nóng)用無人機(jī)操作智能化、適應(yīng)性不斷提高，應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，不僅能噴灑農(nóng)藥、播種，還可以撒施葉面肥和顆粒肥，逐漸成為與拖拉機(jī)、收割機(jī)一樣普遍使用的農(nóng)業(yè)領(lǐng)域作業(yè)機(jī)械。由于適度規(guī)模化經(jīng)營的發(fā)展，農(nóng)村勞動(dòng)力轉(zhuǎn)移，人口老齡化以及從事農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營的年輕人的減少，農(nóng)業(yè)用工難、用工貴等矛盾進(jìn)一步凸顯，未來農(nóng)業(yè)生產(chǎn)必須依靠機(jī)械化和機(jī)械智能化來實(shí)現(xiàn)，而農(nóng)用無人機(jī)作業(yè)具有高效、精準(zhǔn)的特點(diǎn)，是農(nóng)業(yè)領(lǐng)域植保作業(yè)應(yīng)用的趨勢[1]。有研究表明，農(nóng)用無人機(jī)在水稻、小麥返青分蘗期撒肥可縮短作業(yè)時(shí)間，提高工作效率，避免對(duì)秧苗的踩踏損傷，同時(shí)通過遙控或者衛(wèi)星導(dǎo)航定位操控可實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)（變量）施肥作業(yè)，避免重噴漏噴、無效噴撒，既能節(jié)省肥料和保護(hù)環(huán)境，又能實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物增產(chǎn)增收[2]?；诖耍狙芯客ㄟ^大疆T40 農(nóng)用無人機(jī)田間飛行作業(yè)試驗(yàn)，測試農(nóng)用無人機(jī)飛行作業(yè)的機(jī)具性能和作業(yè)穩(wěn)定性，為農(nóng)用無人機(jī)撒施顆粒肥在生產(chǎn)上應(yīng)用提供依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 供試機(jī)具

試驗(yàn)機(jī)具為大疆T40 農(nóng)用無人機(jī)，供試機(jī)具規(guī)格和技術(shù)參數(shù)見表1。

1.2 試驗(yàn)方法

根據(jù)作業(yè)地塊地理情況，預(yù)先設(shè)置大疆T40農(nóng)用無人機(jī)飛行高度、速度、作業(yè)幅寬、單位面積撒施肥料數(shù)量等參數(shù)。試驗(yàn)共設(shè)置五個(gè)作業(yè)區(qū)域，每個(gè)作業(yè)區(qū)域面積不小于0.2 hm2，寬度大于理論作業(yè)幅寬7 m 以上，長度300 m 以上，每個(gè)作業(yè)區(qū)域間隔3 m 以上。作業(yè)預(yù)設(shè)農(nóng)用無人機(jī)飛行高度為5 m，飛行速度8 m·s-1，撒施幅寬7 m，施肥量為10 kg·667 m-2[3]，一個(gè)作業(yè)區(qū)域完成作業(yè)并采集數(shù)據(jù)后再進(jìn)行下一個(gè)作業(yè)區(qū)域作業(yè)，單個(gè)作業(yè)區(qū)試驗(yàn)中一次性添加肥料，中途不添加肥料。圖1 為大疆T40 農(nóng)用無人機(jī)作業(yè)前添加肥料，確保作業(yè)中間不停歇；圖2 為大疆T40農(nóng)用無人機(jī)一次性完成一個(gè)作業(yè)區(qū)域的飛行撒施肥料作業(yè)。

圖1 作業(yè)前添加肥料

圖2 飛行撒施肥料作業(yè)

為驗(yàn)證大疆T40 農(nóng)用無人機(jī)施肥作業(yè)的穩(wěn)定性，每次作業(yè)飛行高度、理論作業(yè)幅寬、設(shè)定施肥量、理論飛行作業(yè)長度均保持一致。

1.3 試驗(yàn)概況

試驗(yàn)在天津市薊州區(qū)東施古鎮(zhèn)柳子口村稻麥連作地塊進(jìn)行，上茬作物為春小麥。試驗(yàn)地于2022年6月28 日進(jìn)行機(jī)插秧，行距30 cm、株距12 cm，隨插秧側(cè)深施緩控釋復(fù)合肥35 kg·667 m-2。2022年7月18 日上午（水稻分蘗期）進(jìn)行大疆T40 農(nóng)用無人機(jī)撒施氮肥尿素作業(yè)。試驗(yàn)前，農(nóng)用無人機(jī)操控人員首先做好機(jī)具的各項(xiàng)檢查工作，包括電池電量或燃料量及飛行信號(hào)燈狀態(tài)是否正常的檢查，調(diào)試對(duì)講機(jī)，確保操控人員在作業(yè)期間溝通順暢；其次進(jìn)行不噴肥模擬飛行，再進(jìn)行正式作業(yè)試驗(yàn)[4]；最后查詢作業(yè)地塊的相關(guān)信息，包括溫度、濕度、風(fēng)向、風(fēng)速等氣象信息，排除雷雨天氣影響。

1.4 調(diào)查項(xiàng)目

1.4.1 施肥量調(diào)查 每個(gè)作業(yè)區(qū)域每次作業(yè)前清空農(nóng)用無人機(jī)肥料箱，稱取添加的肥料數(shù)量，完成作業(yè)后清空肥料箱再次稱取剩余肥料數(shù)量，2次肥料數(shù)量之差為每個(gè)作業(yè)區(qū)域的農(nóng)用無人機(jī)實(shí)際施肥數(shù)量。農(nóng)用無人機(jī)完成施肥作業(yè)后測量肥料落地的長度，為農(nóng)用無人機(jī)實(shí)際施肥的作業(yè)長度，以此計(jì)算單位面積實(shí)際施肥量。

1.4.2 作業(yè)面積調(diào)查 每個(gè)作業(yè)區(qū)域農(nóng)用無人機(jī)完成施肥作業(yè)后，沿飛行方向均勻取10 個(gè)測試點(diǎn)，測量肥料實(shí)際落地的幅寬，計(jì)算實(shí)際落地幅寬與理論幅寬7 m 的偏差，根據(jù)飛行作業(yè)長度與撒施幅寬，計(jì)算每個(gè)作業(yè)區(qū)域的實(shí)際撒施肥料作業(yè)面積。

2 結(jié)果與分析

2.1 農(nóng)用無人機(jī)施肥量穩(wěn)定性測試

通過測定實(shí)際施肥量，計(jì)算實(shí)際施肥量與設(shè)定施肥量的偏差均值。表2 顯示大疆T40 農(nóng)用無人機(jī)五個(gè)作業(yè)區(qū)域最大施肥量為10.27 kg·667 m-2，最小施肥量為9.53 kg·667 m-2，與設(shè)定施肥量10 kg·667 m-2的偏差最大值為0.47 kg·667 m-2，偏差均值為0.3 kg·667 m-2，偏差均值小于0.5 kg·667 m-2的理論期望值，說明大疆T40 農(nóng)用無人機(jī)撒施顆粒肥的偏差可控制在3%之內(nèi)。由此可見，大疆T40 農(nóng)用無人機(jī)可以滿足水稻追肥作業(yè)要求。

表2 大疆T40 農(nóng)用無人機(jī)作業(yè)實(shí)際施肥情況

大疆T40 農(nóng)用無人機(jī)每個(gè)作業(yè)區(qū)域?qū)嶋H測得的平均施肥量趨勢如圖3 所示，每個(gè)作業(yè)區(qū)域的平均施肥量在9.53 ～10.27 kg·667 m-2之間，與設(shè)定值的施肥量偏差為0.20 ～0.47 kg·667 m-2，偏差區(qū)間在理論期望值0.50 kg·667 m-2區(qū)間內(nèi)，由此得出大疆T40 農(nóng)用無人機(jī)撒施顆粒肥平均施肥量與理論設(shè)定值偏差穩(wěn)定[5]。

圖3 大疆T40 農(nóng)用無人機(jī)各作業(yè)區(qū)施肥量變化趨勢

2.2 農(nóng)用無人機(jī)撒施作業(yè)幅寬穩(wěn)定性測試

大疆T40 農(nóng)用無人機(jī)五個(gè)作業(yè)區(qū)域作業(yè)幅寬保持在6.977 ～7.127 m 之間，與已設(shè)定理論幅寬7 m 的均值最大偏差為0.127 m、最小偏差為0.023 m、平均偏差為0.082 2 m，作業(yè)幅寬誤差控制為1.74%（表3）。由此看出，大疆T40 農(nóng)用無人機(jī)撒施顆粒肥能保證作業(yè)幅寬穩(wěn)定性，滿足不漏肥、不重肥的作業(yè)要求。

表3 大疆T40 農(nóng)用無人機(jī)撒施肥料作業(yè)幅寬 m

試驗(yàn)表明，大疆T40 農(nóng)用無人機(jī)五個(gè)作業(yè)區(qū)域測定的50 個(gè)測定點(diǎn)實(shí)際作業(yè)幅寬與理論值的偏差均值為0.082 2 m，實(shí)測幅寬主要集中在理論值周圍（圖4）。說明大疆T40 農(nóng)用無人機(jī)撒施顆粒肥實(shí)際作業(yè)幅寬穩(wěn)定，符合作業(yè)要求。

圖4 大疆T40 農(nóng)用無人機(jī)實(shí)際撒肥作業(yè)幅寬偏差趨勢

3 結(jié)論與討論

試驗(yàn)結(jié)果表明，大疆T40 農(nóng)用無人機(jī)平均施肥量與設(shè)定值的偏差為0.3 kg·667 m-2，小于0.5 kg·667 m-2的理論偏差期望值；實(shí)際作業(yè)幅寬與設(shè)定值的偏差為0.082 2 m，且實(shí)測幅寬主要集中在設(shè)定值周圍，這說明大疆T40 農(nóng)用無人機(jī)撒施顆粒肥作業(yè)穩(wěn)定、施肥精準(zhǔn)，可以滿足水稻追肥作業(yè)要求。

隨著科技的發(fā)展，越來越多的機(jī)械化、信息化、智能化技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域應(yīng)用，農(nóng)用無人機(jī)植保及播種作業(yè)得以快速發(fā)展和應(yīng)用[6]，很大程度上減輕了農(nóng)民種植的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了工作效率，降低了生產(chǎn)成本，逐步被廣大農(nóng)民認(rèn)可。本次試驗(yàn)的大疆T40 農(nóng)用無人機(jī)屬目前市場上普遍使用的機(jī)型，采用共軸雙旋翼設(shè)計(jì)，可達(dá)到50 kg（70 L）的播撒載重[7]，設(shè)計(jì)采用了碳纖維復(fù)合材料桁架式機(jī)身，配合一鍵鎖緊的折疊機(jī)臂設(shè)計(jì)，折疊后體積縮小80%，方便轉(zhuǎn)運(yùn)存貯。該機(jī)型搭載球形雷達(dá)系統(tǒng)，可全方位、全天候探測障礙物，自主繞障或避障；有源相控陣?yán)走_(dá)融合雙目視覺避障系統(tǒng)，360 °全向感知，探測距離高達(dá)50 m，支持智能仿地，順滑翻越和繞行多重障礙物，適應(yīng)復(fù)雜地形，實(shí)現(xiàn)暢飛無阻。從試驗(yàn)結(jié)果來看，相比傳統(tǒng)施肥，大疆T40 農(nóng)用無人機(jī)可實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)、精量、高效的施肥效果，實(shí)現(xiàn)在較短時(shí)間內(nèi)完成較大面積的施肥作業(yè)，節(jié)約時(shí)間和用工成本。農(nóng)用無人機(jī)作業(yè)還可降低對(duì)田間作物秧苗的碰撞和踩踏，避免由于踩踏造成秧苗損傷，同時(shí)可以解決重施、漏施、無效噴施的問題，與人工及地面機(jī)械比較，農(nóng)用無人機(jī)播撒能實(shí)現(xiàn)更高的均勻度，施肥量和撒施幅寬穩(wěn)定均衡，具有良好的應(yīng)用前景。

今后農(nóng)用無人機(jī)應(yīng)進(jìn)一步提升載質(zhì)量，延長續(xù)航時(shí)間，研究開發(fā)配套的噴施肥料，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)遙感診斷與施肥技術(shù)的優(yōu)化融合[8]，提高施肥精準(zhǔn)度和穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)農(nóng)用無人機(jī)在更廣泛的領(lǐng)域應(yīng)用發(fā)展。