無人機在大豆植保作業中的適用性評價體系研究

牛媛媛，徐銘辰

（河南工業職業技術學院汽車與航空工程學院，河南 南陽 473000）

0 引言

大豆作為我國比較重要的經濟作物在生長過程中容易遭遇蟲害，因此，為了保證大豆的產量需要在大豆不同生長階段通過對大豆葉桿部分進行植保，目前大豆的植保方式主要是噴灑農藥。使用較多的大豆植保噴霧機械有背負式、自駕式噴桿、自走式遙控噴桿、多旋翼無人機等類型的大豆植保噴霧機[1]。雖然植保機械形式多樣化，但目前我國大豆植保機械不能完全適用多區域植保作業的問題還相對比較突出。以黃淮海區域為例，該區域作為我國夏大豆的主產區之一，人均耕地較少且耕地分散，該區域目前約70%以上的農民還是采用人工背負式噴霧或機動噴霧的方式完成該項作業，這種植保方式在大豆生長初期尚能勉強滿足植保要求，有一定的植保效果，但當大豆生長到中后期，大豆的株冠層開始逐漸變得濃密起來，如果還采用這種傳統式的植保機械進行噴霧，不但達不到很好的植保效果，反而還會在作業過程中傷及大豆植表，植保效果不理想。而植保無人機作為農業新裝備，集遙控+施藥于一體，具備全自助規劃航線飛行作業、精準定位、避繞障礙、仿地飛行、夜間飛行等自動化智能技術，相比其他傳統植保機械在施藥效果、節水節藥能力、作業效率、調度轉場和環境條件適用性等方面具有顯著優勢，小型航空噴霧機的這些優良性能決定了其在地形適應性、種植面積局限性和低空噴霧適應能力等方面的植保表現會更突出[1]。因此，無人機在大豆植保作業中很快成為了田間地頭的“植保新寵”。短短幾年時間內市場上便涌現出了大量無人機的制造和服務企業，但由于質量參差不齊，植保無人機的安全性和可靠性無法得到保證。針對大豆植保無人機缺乏可依據的、科學的、可量化的適用性評價體系這一現狀，本文擬針對大豆植保無人機構建適用性評價體系，為該類型農機的適用性評價研究提供一定的參考。

1 構建大豆植保無人機評價體系的技術路線

評價農業機械的適用性，實際上是評價農業機械在一定的作業條件下其性能否滿足農藝要求，即在一定的作業條件下，農業機械作業性能相對的協調融合程度[2]。在《農業技術推廣法》和《農業機械推廣鑒定大綱編寫規則》中也都提出機具在進行推廣鑒定時需要進行適用性評價。農業機械適用性評價體系主要包括分析影響農業機械適用性的因素、研究受適用性影響比較顯著的性能指標及其測定方法、適用性評價指標計算以及適用性評價的指標判定值、確定判定規則等內容[2]。本文依據農機適用性評價指標確定的原則，結合生產實際，并通過專家咨詢等方式，制訂了構建大豆植保無人機適用性評價體系研究的技術路線，具體如圖1 所示。

圖1 大豆植保無人機適用性研究的技術路線

2 分析構建大豆植保無人機評價體系

2.1 確定性能指標

通常農業機械在評價其適用性時不考慮內部因素，只考慮外部因素[3]。根據農業農村部農業鑒定總站實驗選型的大量數據和專家調研結果，影響大豆植保無人機適用性的外在因素主要包含地域氣候氣流、地貌特征、種植模式、種植密度等。遵循應減少各個外部因素之間的相關性的原則。本研究最終確定將地域氣候、種植模式、種植密度作為大豆植保無人機適用性的影響因素。在此基礎上，根據我國農業部農機試驗鑒定總站制定的農機質量檢測指標，依據適用性評價指標評定原則以及本行業專家的意見，結合農業行業標準NY/T3213-2018《植保無人機質量評價技術規范》、民用航空行業標準MT/T1031-2018《農用飛機噴灑設備性能檢測規范》和河南省地方標準DB41/T 1521-2018《農用旋翼植保無人機技術條件》等的技術要求，確定了本研究中大豆植保無人機的性能評價指標主要有勻速飛行速度波動、噴霧沉降率、噴霧均勻性[4]。

2.1.1 勻速飛行速度波動情況

一般在空載條件下啟動植保無人機后保持離地高度3～5 m，飛行狀態穩定后將速度保持在3～10 m/s勻速通過100 m 的水平直線距離。通過無人機配備的定位系統記錄勻速飛行速度波動情況，無人機可以將記錄數據繪制成速度曲線，從而通過分析計算得到無人機勻速飛行速度波動的最大值。參考標準值范圍為V風速≤3 m/s 時，水平勻速運動速度波動最大值≤5%設定值。

2.1.2 噴霧沉降率

該指主要標用來表征藥物在植物冠層噴灑效果。應在每個采集區的末端，于作物冠層的上面放置總收集面積至少為0.1 m2的水平片兒狀收集器，以測量噴霧機的噴霧量和進入冠層的總噴霧流量。測得的噴霧沉積量可表示為占收集器面積噴出液體體積的百分比。根據熒光劑的讀數、校準曲線、收集器的收集面面積、噴霧液體中的失蹤劑濃度、背景熒光以及稀釋液的體積，計算每單位面積的噴霧沉積量βdep，具體計算方法見公式（1）。通過將噴霧漂移沉積量與在相同單位面積上的使用量相關聯，可以根據公式（2）計算收集器上噴霧沉降率。用噴霧沉降率來表征噴霧沉降量。

式中：

βdep——噴霧沉降量，μL/m2；

ρsmpl——樣品的熒光劑讀數；

ρblk——空白的（收集器+稀釋水）熒光劑讀數；

Fcal——熒光計讀數與示蹤劑濃度之間的關系；

Vdil——用于溶解收集器上示蹤劑的稀釋液體的體積，L；

ρspray——噴頭處采樣的噴霧液體中示蹤劑濃度，g/L；

Acol——收集器捕捉霧流的投影面積，m2；

βdep%——噴霧沉降率，%；

βv——噴液量，L/hm2。

2.1.3 噴霧均勻性

噴灑現場的風速、濕度和溫度會導致不同程度的藥物漂移，從而影響植物冠層表面的噴霧均勻性，用變異系數V來表示。根據無人機質量評價技術標準規定V≤50%。無人機噴霧分布的均勻性變異系數計算公式為

式中：

S——試驗采集樣本標準差；

X——采樣點沉積濃度平均值，μg/m2；

Xi——樣點沉積濃度，μg/m2；

n——試驗采樣點的個數。

2.2 計算權重

在確定完評價指標后還需要確定各指標之間的相對重要程度，即計算權重[5],。目前在農機適用性研究方面常用的權重確定方法主要有專家咨詢法、特征向量法、層次分析（AHP）法等。利用專家咨詢法，專家們會運用1-9 標度法（詳見表1）對勻速飛行速度波動、噴霧沉降率、噴霧均勻性3 個性能指標相互之間的影響程度打分，并以此來構建判斷矩陣A。然后利用yaAHP 層次分析法軟件構建無人機的適用性評價模型，輸入矩陣進行權重值計算。

表1 重要性表示規則約定表

根據判斷矩陣標度構建判斷矩陣A，用Matlab軟件求解。輸入：A ＝[1，0.33，2；3，1，5；0.5，0.2，1]。先計算構建的判斷矩陣的一致性CR 來判斷各個性能指標的權重值分配是否合理。由yaAHP 軟件法計算結果可知，權重分配合理。最終通過計算分析得到無人機在大豆植保作業中的適用性評價指標勻速飛行速度波動、噴霧沉降率、噴霧均勻性的權重分別為：0.12、0.64、0.24。

2.3 確定評價指標評分標準及計算方法

功效系數法是定量評價的常用方法，根據多目標規劃原理，對要進行評價的指標參照相應的標準，表示這項指標達到國家或者行業要求的優劣程度。本研究采用功效系數法計算適用性單項評價指標得分值，以此來作為該項性能指標的適用度。在實際計算時，由于在多指標綜合評價中指標有正反之分[6]，將勻速飛行速度波動、噴霧沉降率、噴霧均勻性3 個評價指標分別用勻速飛行速度波動率、噴霧沉降率、噴霧均勻變異系數來表征3 個指標。通過研究，大豆植保無人機的適用性評價指標中的勻速飛行速度波動率、噴霧均勻變異系數均為反向指標，噴霧沉降率為正向指標。單項指標評價分值Di的計算公式可以利用第i項指標的實際值Xi、不允許值Xis、滿意值Xih以及極限值Xij得到[9-10]。

1）正向指標評價分值Di的計算公式

a.若Xi＞Xis，則Di的推導公式為

b.若Xij＜Xi＜Xis，則Di的推導公式為

2）反向指標評價分值Di的計算公式

a.若Xi＜Xis，則Di的推導公式為

b.若Xi＞Xis，則Di的推導公式為

式中Xi、Xis、Xih、Xij表示含義同上。

根據目前的通行做法，某種農業機械的某一性能指標，其性能優于合格判定指標時，判定該項性能指標合格，劣于合格判定指標時，判定該項性能指標不合格。大豆植保無人機的適用性評價的綜合評價分值，用P表示，運用加權算術求和法計算總功效系數，其公式為

式中：

P——農業機械的適用度；

n——指標數；

Di——第i項評價指標的單項評價分值；

Wi——第i項指標的權重。

即總功效系數為

為了保證設計的適用性評價體系的可量化性，還需要確定各評價指標的標準值，包括滿意值、極限值、合格值。滿意值一般是性能指標的理論最好值，不允許值一般指指標的合格值，極限值指理論最差值。根據河南省地方標準DB41/T 1521-2018《農用旋翼植保無人機技術條件》中機械噴霧裝置機噴霧性能要求的規定，勻速飛行速度波動率、噴霧沉降率、噴霧均勻變異系數3 個性能指標的標準值詳見表2。

表2 各指標的標準值

3 試驗驗證

試驗在大豆試驗基地進行，選取植物葉層最濃密的大豆開花期進行試驗（如圖4 所示），大豆使用的免耕播種機為2BMFJ-6 型麥茬地大豆免耕覆秸施肥播種機，該機型在試驗所在區域的適用性較好[3]，試驗時大豆長勢良好。試驗區域面積50 m×60 m，為減小風速等引起的霧滴漂移導致試驗誤差，每組試驗區周邊均留約15 m 的緩沖隔離帶。試驗機型采用連續作業時間≤15 min 的八旋翼無人飛行噴霧機（如圖5 所示），噴幅可達3 m，藥箱容量為5 L，可實現定速、定高等不同試驗作業要求。根據實際爆噴灑要求，無人機作業高度控制在10 m 以內時，噴霧效率較高。同時還要準備羅米特紙卡、霧滴收集器、Rhodamine-B 一次性手套、自封袋、數字溫濕度表、熒光分光光度計等試驗材料。

圖2 試驗田大豆生長情況

圖3 小型八旋翼無人飛行噴霧機

根據相關標準中的試驗方法進行勻速飛行速度波動、噴霧沉降量、噴霧均勻性的試驗數據采集[7-9]。獲得的該試驗飛行噴霧機的勻速飛行速度波動、噴霧沉降率、噴霧均勻性試驗數據分別為3.6、91.5、31.2，利用所構建的大豆植保無人機適用性評價體系進行適用度評分計算，具體結果如下。

根據公式（5）、（6）和用yaAHP 軟件法計算求得的大豆植保無人機適用性評價指標勻速飛行速度波動、噴霧沉降率、噴霧均勻性的權重分別為：0.12、0.64、0.24，對所得的數據結果代入公式（10）進行綜合評價。

在標準狀況下，免耕播種機適用性得分的標準值為

4 結語

1）通過調查研究和分析，依據評價指標確定的原則，確定了將勻速飛行速度波動、噴霧沉積量、噴霧均勻性3 個指標作為無人機在大豆植保作業中適用性的評價指標。

2）綜合運用層次分析法、專家調查法及yaAHP層次分析法計算軟件，對大豆植保無人機適用性評價的3 個性能指標進行了權重分析，然后利用功效系數函數對3 個指標進行了評分標準的設定和不同指標評分計算公式的確定。

3）利用八旋翼試驗樣機進行相關試驗驗證，最終計算得到適用性得分為79.74，與其在實際中的適用性表現基本一致。這說明了本文構建的無人機在大豆植保作業時的適用性評價體系具有一定的科學性和可靠性，對進一步提高無人機在大豆植保作業時適用性有一定的理論指導意義，對指導農戶選用高性價比大豆植保無人機也有重要的現實指導意義。