李江濤，李國亮，楊曉煉，陸奇?zhèn)?/p>

（1 湖州市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院，313000，浙江湖州；2 湖州信博植保服務(wù)有限公司，313001，浙江湖州）

在農(nóng)業(yè)全程機(jī)械化的大背景下，農(nóng)業(yè)機(jī)械會(huì)逐步代替人工勞動(dòng)。水稻作為我國的主要糧食作物，其種植方式也隨著機(jī)械的加入逐漸變得省時(shí)省力。水稻的傳統(tǒng)種植方式勞動(dòng)力投入大，人工成本高，隨著農(nóng)業(yè)機(jī)械化的普及，以利用水稻直播機(jī)為主的水稻直播方式也得到了推廣應(yīng)用。水稻直播方式省去了育秧、移秧、插秧等工序，但是人工駕駛直播機(jī)成本高、效率低、農(nóng)藝性差，對地形要求高。因此，由飛機(jī)直播方式演變而來的無人機(jī)直播，既減少了人工成本，又能避免傳統(tǒng)機(jī)械直播的各種難題。農(nóng)用無人機(jī)與傳統(tǒng)農(nóng)機(jī)相比，能集合施藥、播種、撒肥等多種功能于一體，不僅省時(shí)省力省成本，而且操作也簡單。

目前我國水稻種植方式還是以機(jī)械化育插秧為主，移栽稻在抗倒伏、防蟲害、產(chǎn)量上具有更大的優(yōu)勢，但是無人機(jī)直播所帶來的節(jié)省時(shí)間、節(jié)約人工成本等優(yōu)勢是機(jī)械化育插秧無法相比的。隨著人們對無人機(jī)直播技術(shù)的改進(jìn)，在產(chǎn)量上無人機(jī)直播幾乎與人工插秧沒有明顯差異。利用無人機(jī)直播可以精準(zhǔn)、均勻地播種，保障水稻種植的產(chǎn)量，這是目前研究者們追求的目標(biāo)。無人機(jī)在添加了人工智能系統(tǒng)以后，從播種、施肥、撒藥、田間病害檢測到信息搜集、日常監(jiān)測管理都可由一機(jī)完成，大大節(jié)約了人工和時(shí)間成本，同時(shí)提高了人員的安全性。本文就目前無人機(jī)直播的類型及無人機(jī)的發(fā)展進(jìn)行探討總結(jié)，為無人機(jī)的改進(jìn)提供思路，供讀者了解無人機(jī)直播的發(fā)展進(jìn)程。

1 水稻無人機(jī)播種技術(shù)的發(fā)展

美國和日本首先將無人機(jī)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。美國以大型農(nóng)場專業(yè)化生產(chǎn)方式為主，建立了以大型地面植保機(jī)械和有人駕駛航空器為主體的防治體系。目前美國農(nóng)用無人機(jī)主要應(yīng)用在種子撒播、施藥和施肥等生產(chǎn)中。在無人機(jī)技術(shù)方面，目前美國的研究熱點(diǎn)主要集中在圖像實(shí)時(shí)處理系統(tǒng)、變量噴灑系統(tǒng)和多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)上。日本20 世紀(jì)初將無人機(jī)技術(shù)主要應(yīng)用在水稻、蔬菜、果樹的病蟲害防治上，目前日本無人機(jī)防治的使用率超過45%。日本主要是山地與丘陵地形，耕地呈零星分布，因此日本的水稻種植主要使用輕便型機(jī)械。

2014 年以后，我國政府大力推進(jìn)農(nóng)業(yè)機(jī)械化，加強(qiáng)農(nóng)業(yè)航空建設(shè)，國內(nèi)無人機(jī)行業(yè)便蓬勃發(fā)展。目前我國農(nóng)用無人機(jī)播種主要應(yīng)用在飛播造林和飛播牧草作業(yè)上。珠海羽人推出了3WDM8-20 型多功能無人機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)固體肥料、種子播撒和粉劑噴撒，且推出了全球第一臺(tái)5～10 行精量播種無人機(jī)。2019 年以后我國無人機(jī)直播技術(shù)的研究與應(yīng)用有了明顯提升。

2 水稻無人機(jī)播種技術(shù)分類

水稻直播無人機(jī)按播種方式可以分為撒播型、條播型兩類。撒播型水稻直播無人機(jī)利用圓盤高速轉(zhuǎn)動(dòng)將稻種撒播出去，種子在田間呈現(xiàn)無序、均勻分布。飛播前需要將種子催芽至“露白”才可播種，目前大部分無人機(jī)使用的是離心甩盤設(shè)計(jì)，喂入角的大小決定了喂入料的多少，開角越大，喂入顆粒量越多，缺點(diǎn)是無法精準(zhǔn)控制單位面積播種量、撒播均勻度不夠以及容易對胚芽造成損傷。實(shí)際撒播作業(yè)中，有芒作物的種子經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)鉤掛、粘連現(xiàn)象，或者顆粒肥板結(jié)成塊等。條播型水稻直播無人機(jī)采用一個(gè)或多個(gè)播種器利用風(fēng)機(jī)將下落稻種排入定位管道并吹出，種子在田間有序成行、均勻分布。

2.1 撒播型水稻無人機(jī)主要問題及研究進(jìn)展

為提高無人機(jī)播撒效率，彭冬星[1]設(shè)計(jì)了一款基于六旋翼的水平圓盤撒播機(jī)，在種箱出口處設(shè)置了L 型攪種棒用于均勻流速，并研究了水稻種子落種點(diǎn)位置、落種口大小及撒播圓盤的轉(zhuǎn)速對撒播效果的影響，在確定的落種點(diǎn)位置、落種開口大小為759.88 mm2、撒播圓盤轉(zhuǎn)速為1 077 r/min、攪種棒轉(zhuǎn)速為50 r/min、飛行高度為2 m、飛行速度為3 m/s、兩相鄰軌跡距離為3.6 m 的條件下，能夠滿足大田內(nèi)早稻直播的生產(chǎn)需求，工作效率達(dá)到0.065 hm2/min，較人工撒播效率有顯著增加。但此撒播機(jī)載質(zhì)量有限，后續(xù)研究可考慮增加無人機(jī)載質(zhì)量，以提高工作效率，并且可以增加路徑規(guī)劃分析功能。

針對種子在下落過程中，容易受旋翼風(fēng)場的干擾，導(dǎo)致落種位置不可控、播種均勻性不佳等問題，鄧浩等[2]設(shè)計(jì)了一款以大疆T16 六旋翼無人機(jī)為基礎(chǔ)的甩盤水稻撒播裝置，對野香優(yōu)稻種進(jìn)行了物理特性參數(shù)的測定，并且采用了EDEM-FLUENT 耦合仿真對水稻種子在無人機(jī)運(yùn)動(dòng)風(fēng)場中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行分析，采用單因素試驗(yàn)和響應(yīng)面試驗(yàn)探究了擋環(huán)角度、甩盤葉片弧長和甩盤葉片數(shù)量對撒播均勻性的影響。在野香優(yōu)稻種的最大容量為12 kg 的條件下對樣機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，無人機(jī)直播的水稻成熟后產(chǎn)量測定為8 615.81 kg/hm2，與該品種平均產(chǎn)量8 706.45 kg/hm2基本持平。此試驗(yàn)研究了播種時(shí)無人機(jī)運(yùn)動(dòng)風(fēng)場對種子撒播的影響，但并未對側(cè)風(fēng)場的影響進(jìn)行分析。

針對種子直播到稻田表面，容易被鳥類蟲鼠取食，并且水稻扎根淺容易倒伏等問題，周龍[3]以雙螺旋式水稻直播機(jī)為模型，以秈稻F 優(yōu)498 為研究試材，研究無人機(jī)撒播的水稻植株的抗倒伏特性，試驗(yàn)設(shè)置了育秧手插、機(jī)插、無人機(jī)撒播3 種方式，結(jié)果表明無人機(jī)撒播的水稻在莖稈主要物理特性上的顯著差異表現(xiàn)為基部第2、3 節(jié)間莖稈細(xì)，且植株較高，抗折力較小，倒伏指數(shù)較高，這是抗倒伏能力較差的主要原因。水稻倒伏的原因有很多，無人機(jī)撒播應(yīng)在播種深度、撒播密度的控制上作進(jìn)一步研究，從而為無人機(jī)撒播在丘陵地區(qū)的推廣打下理論基礎(chǔ)。

極飛農(nóng)業(yè)無人機(jī)在不斷更新后，智能化程度、作業(yè)效率更高，其更新了極飛RTK 厘米級(jí)精準(zhǔn)定位、滾軸定量和高速氣流噴射技術(shù)。在設(shè)定好相關(guān)參數(shù)后，通過手機(jī)就能控制無人機(jī)進(jìn)行全自主撒播作業(yè)，一架無人機(jī)作業(yè)效率可達(dá)5.3 hm2/h，一天作業(yè)8 h 可完成42.4 hm2田地的播種，是人工撒播效率的50～60 倍。極飛農(nóng)業(yè)無人機(jī)可以將種子精準(zhǔn)、均勻地噴射進(jìn)泥土淺表層，與人工和傳統(tǒng)直播機(jī)械相比，極飛農(nóng)業(yè)無人機(jī)撒播的種子扎根更深，出芽率更高(高達(dá)98%以上)，根系更發(fā)達(dá)，抗倒伏能力更強(qiáng)，水稻生長更均勻，利于透風(fēng)采光，減少病蟲害的發(fā)生，水稻產(chǎn)量與質(zhì)量比傳統(tǒng)人工和機(jī)械播撒高。

2.2 條播型水稻無人機(jī)主要問題及研究進(jìn)展

針對撒播落種雜亂無章，難以達(dá)到成行成穴的播種效果，作物在后期生長時(shí)通風(fēng)透氣性較差，易滋生病蟲害，且不便于田間管理的問題，陳博[4]設(shè)計(jì)了一種用于無人機(jī)條播的機(jī)載吹射式種子精量直播裝置，作業(yè)時(shí)利用風(fēng)機(jī)氣流將種子吹出，實(shí)現(xiàn)成行落種，播種作業(yè)均勻。這種方式對種子的加速能力有限，為減少旋翼風(fēng)場的干擾以保證條播效果，作業(yè)時(shí)播種裝置的出種口需靠近地面(通常為0.5 m 以內(nèi))，存在較大的安全風(fēng)險(xiǎn)。

周志艷等[5]設(shè)計(jì)了一種農(nóng)用無人機(jī)條播裝置，該裝置工作時(shí)利用電磁鐵、彈簧和永磁體來構(gòu)成彈性勢能積累和釋放的循環(huán)系統(tǒng)，從而通過彈力將種子彈出，達(dá)到種子加速的效果。該裝置雖然能提高種子的下落初速度，但加速能力仍然有限，種子下落時(shí)仍易受旋翼風(fēng)場等外部風(fēng)力的干擾，且裝置的運(yùn)作方式復(fù)雜，播種速度易受限制。

為了解決上述問題，一種點(diǎn)射式水稻播種裝置出現(xiàn)了，何偉灼[6]等發(fā)明了一款結(jié)合點(diǎn)射式水稻播種裝置和飛行控制器的播種控制系統(tǒng)，開發(fā)了配套的地面站航線規(guī)劃和斷點(diǎn)續(xù)航等功能。經(jīng)過播種量準(zhǔn)確性、播種成行性和均勻性試驗(yàn)，結(jié)果顯示：樣機(jī)在模擬飛行時(shí)，在1.5 m 的高度下作業(yè)，種子分布在12 cm 行寬度內(nèi)的平均概率超過80%，成行性較好，考慮安全因素，優(yōu)選樣機(jī)適宜的作業(yè)高度為1.5 m；在3 倍丸?；痉N的播種量設(shè)置為90～150 kg/hm2(裸種的播種量為22.5～37.5 kg/hm2)，作業(yè)速度設(shè)置為0.5～2.0 m/s 時(shí)，平均播種均勻性變異系數(shù)為20.51%～35.52%。播種控制系統(tǒng)具有較好的控制精度。試驗(yàn)中摩擦輪電機(jī)轉(zhuǎn)速為經(jīng)驗(yàn)值，未考慮影響種子入泥深度的因素，種子入泥深度與土壤軟硬度、摩擦輪電機(jī)轉(zhuǎn)速、風(fēng)場干擾等因素相關(guān)，后續(xù)需結(jié)合農(nóng)藝和播種作業(yè)參數(shù)進(jìn)一步開展試驗(yàn)研究。

3 展望

無人機(jī)播種方法的崛起，為傳統(tǒng)種植業(yè)提供了新的思路，但無人機(jī)撒播模式下產(chǎn)量顯著低于機(jī)械穴直播。機(jī)械穴直播模式下水稻間距合適，促進(jìn)了田間有效穗的形成，提高了產(chǎn)量。這種產(chǎn)量的差異也可能與種子選擇以及后期的水肥、蟲害、雜草管理相關(guān)。水稻無人機(jī)播種的方法還需要因地制宜進(jìn)一步改進(jìn)。對于無人機(jī)的改進(jìn)方向筆者提出一些思路。

首先是加強(qiáng)無人機(jī)續(xù)航能力研發(fā)及管理系統(tǒng)優(yōu)化，提高單架次作業(yè)覆蓋面積。目前無人機(jī)主要使用油動(dòng)系統(tǒng)和電動(dòng)系統(tǒng)，油動(dòng)系統(tǒng)巡航速度高、航時(shí)長，電動(dòng)系統(tǒng)姿態(tài)控制精準(zhǔn)、噪聲低。無論是油動(dòng)還是電動(dòng)無人機(jī)系統(tǒng)，提升續(xù)航能力的本質(zhì)在于材料設(shè)計(jì)、重量等方面的優(yōu)化改進(jìn)。電動(dòng)系統(tǒng)的無人機(jī)還可從電池本身優(yōu)化及電池管理系統(tǒng)優(yōu)化方面入手。

其次是增加無人機(jī)荷載能力。無人機(jī)的容量箱容積一般在5～30 L，需要提高單次作業(yè)時(shí)間和效率，當(dāng)需要大面積作業(yè)時(shí)，還需實(shí)現(xiàn)中途加料和斷點(diǎn)續(xù)飛精準(zhǔn)對接，避免重復(fù)播種或者漏播。

最后是提升無人機(jī)智能化。隨著科技的發(fā)展，人們對無人機(jī)智能化的要求越來越高，不僅要實(shí)現(xiàn)自主充電續(xù)航、自主添料，還需要實(shí)現(xiàn)自主規(guī)劃路徑，特別是在一些丘陵山區(qū)作業(yè)時(shí)，自主避障能力必不可少。

近年來，無人機(jī)播種技術(shù)在不斷地提升，發(fā)展農(nóng)用無人機(jī)需要社會(huì)各方面力量一起努力，尤其是需要政府大力支持，出臺(tái)相關(guān)政策，更加規(guī)范指導(dǎo)無人機(jī)的使用，加快農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的步伐。