無人機(jī)撒播技術(shù)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用綜述

高志政 彭孝東 林耿純

摘要：我國(guó)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化高速發(fā)展對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械化、信息化及自動(dòng)化的要求越來越高，為了響應(yīng)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展，提高農(nóng)業(yè)作業(yè)效率和作業(yè)效果，精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)航空概念隨之而出。無人機(jī)撒播技術(shù)是精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)航空的應(yīng)用之一，探討無人機(jī)撒播技術(shù)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用，概述撒播技術(shù)特點(diǎn)，研究無人機(jī)撒播技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用方向，分析現(xiàn)有無人機(jī)撒播技術(shù)的不足之處，探討無人機(jī)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)撒播的關(guān)鍵技術(shù)，展望無人機(jī)精準(zhǔn)撒播的未來。無人機(jī)撒播技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理中具有可行性和優(yōu)越性，是加速實(shí)現(xiàn)我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理現(xiàn)代化進(jìn)程的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。

關(guān)鍵詞：撒播技術(shù);農(nóng)業(yè)航空;無人機(jī)撒播;精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)

2013年農(nóng)業(yè)部發(fā)布《關(guān)于加快推進(jìn)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)植物保護(hù)體系建設(shè)的意見》，提出鼓勵(lì)有條件的地區(qū)發(fā)展無人機(jī)、直升機(jī)和固定翼飛機(jī)防治病蟲害，2014年中央一號(hào)文件明確提出加強(qiáng)農(nóng)業(yè)航空建設(shè)[1]，我國(guó)農(nóng)用無人機(jī)得到了空前的發(fā)展。2018年政府工作報(bào)告中提出推進(jìn)機(jī)械化全程全面發(fā)展，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部新聞發(fā)布會(huì)不止1次提出要組織實(shí)施好《農(nóng)機(jī)裝備發(fā)展推進(jìn)行動(dòng)方案》和農(nóng)機(jī)購(gòu)置補(bǔ)貼政策，擴(kuò)大無人機(jī)等農(nóng)機(jī)新產(chǎn)品補(bǔ)貼試點(diǎn)，進(jìn)一步建設(shè)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)，實(shí)現(xiàn)鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略。

隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快，農(nóng)村的年輕人大量外出務(wù)工，農(nóng)村勞動(dòng)力短缺日趨嚴(yán)重。我國(guó)作為農(nóng)業(yè)大國(guó)，有 1.2億hm2 農(nóng)田，農(nóng)業(yè)發(fā)展由傳統(tǒng)的人工作業(yè)轉(zhuǎn)向機(jī)械化和自動(dòng)化是大勢(shì)所趨[2]。我國(guó)無人機(jī)行業(yè)快速發(fā)展及精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)航空概念的提出[3]，使農(nóng)用無人機(jī)應(yīng)運(yùn)而生。農(nóng)用無人機(jī)具有適用性好、效率高、操控人員安全系數(shù)高及作物損傷小等優(yōu)點(diǎn);婁尚易等研究表明，農(nóng)用無人機(jī)的工作效率是人工的30～60倍[4]。為鼓勵(lì)無人機(jī)的規(guī)?；l(fā)展，部分?。ㄊ校┑貐^(qū)試點(diǎn)相繼出臺(tái)了相應(yīng)的補(bǔ)貼政策。農(nóng)用無人機(jī)優(yōu)勢(shì)明顯，能有效解決勞動(dòng)力短缺問題，是未來農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理全程自動(dòng)化、機(jī)械化的有益補(bǔ)充。

目前，我國(guó)農(nóng)用無人機(jī)多用于植物保護(hù)方面，無人機(jī)撒播作業(yè)還處于初步研究及試應(yīng)用階段。一些丘陵、山地、沼澤以及灘涂地帶，特別是一些網(wǎng)格化、小型化作業(yè)區(qū)域，不太適宜傳統(tǒng)的地面中大型撒播機(jī)械，即使在平原地區(qū)，中大型機(jī)械對(duì)地表的壓實(shí)作用也會(huì)對(duì)種子的出苗率造成一定的影響[5-6]。農(nóng)用無人機(jī)具有特有的空中優(yōu)勢(shì)，不受作業(yè)地形的影響，除了適用于農(nóng)藥噴灑、遙感監(jiān)測(cè)、輔助授粉等，在種子、顆粒肥撒播等方面也有著良好的應(yīng)用前景。

1 無人機(jī)撒播技術(shù)發(fā)展

1.1 撒播技術(shù)

傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)播種方式有撒播、點(diǎn)播、條播、精播等[7]。無論何種播種方式，都是由人類撒播種植發(fā)展延伸而來，最早的撒播作業(yè)是人用手將顆粒物拋撒出去。撒播的優(yōu)點(diǎn)是可將種子或顆粒物料快速拋撒出去以達(dá)到完成作業(yè)的目的，相比點(diǎn)播、條播及精播，直接撒播能有效降低人力成本和節(jié)省時(shí)間。

現(xiàn)代撒播機(jī)械設(shè)備中，可對(duì)直徑在設(shè)備規(guī)定范圍的顆粒物進(jìn)行撒播作業(yè)，如種子、顆粒肥及顆粒飼料等。根據(jù)撒播方式的不同，可分為離心式、氣力式、均分桿式、擺管式等。撒播播量調(diào)控方式又可分為機(jī)械式、氣力式等[6]。機(jī)械式播量調(diào)控技術(shù)有窩眼式、槽輪式、圓盤式、振動(dòng)式、指夾式、帶式、滾筒式、攪龍式、推桿式和環(huán)帶孔式等[8]?，F(xiàn)代地面撒播設(shè)備應(yīng)用較為成熟，撒播方式多為離心式和氣力式2種，顆粒在物料箱通過自身重力下落在撒播盤上，離心式是利用撒播盤高速轉(zhuǎn)動(dòng)將物料撒播出去，而氣力式是利用風(fēng)機(jī)將下落的物料吹撒出去[9]。

1.2 農(nóng)業(yè)航空撒播技術(shù)的發(fā)展

1.2.1 有人駕駛飛機(jī)撒播技術(shù)的發(fā)展 最早使用有人駕駛飛機(jī)運(yùn)用在農(nóng)業(yè)方面的國(guó)家是美國(guó)，1918年美國(guó)首次嘗試使用有人駕駛飛機(jī)用于農(nóng)業(yè)作業(yè)[10]。

在20世紀(jì)50年代，我國(guó)開始使用飛機(jī)進(jìn)行播種造林。據(jù)相關(guān)記載，1956年時(shí)任廣東省委書記的陶鑄為解決山林荒化，首次提出用飛機(jī)播種造林，并在廣東省湛江市吳川縣進(jìn)行了試驗(yàn)，但由于經(jīng)驗(yàn)不足和缺乏相關(guān)技術(shù)支撐，試驗(yàn)最終以失敗告終，但卻為我國(guó)造林指明了新的方向，全國(guó)大面積進(jìn)行飛播造林由此開始，但都陸續(xù)宣告失敗[11]。直到1959年，四川省涼山彝族自治州成功通過飛機(jī)播種造林建成了我國(guó)首片飛播林。隨后，四川省涼山彝族自治州的成功經(jīng)驗(yàn)開始在全國(guó)范圍內(nèi)推廣。1982年，鄧小平對(duì)飛機(jī)播種造林做出重要指示，此項(xiàng)目被納入國(guó)家計(jì)劃。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，1995年底，我國(guó)飛機(jī)播種造林2 000萬hm2，有效面積達(dá)到868萬hm2[12]。

早期運(yùn)用在農(nóng)業(yè)航空方面的飛機(jī)以運(yùn)-5飛機(jī)為主，機(jī)艙通過簡(jiǎn)易改裝，裝置由種子箱、傳動(dòng)裝置、攪拌器、攪拌器軸、風(fēng)輪機(jī)及噴嘴等組成。物料裝置通過攪拌器軸里的上、下缺口圓盤錯(cuò)位調(diào)整開度以達(dá)到控制流量的目的，種子由高速氣流吹散開。這類裝置無尺寸刻度標(biāo)注，須技術(shù)熟練的機(jī)手操控，若操控不當(dāng)，撒播均勻度不高，無法控制精度[13]?？梢娪腥笋{駛飛機(jī)飛播造林種樹難以滿足均勻性要求，適用于撒播對(duì)精度和均勻度要求不高的草本類植物[14]。

由于對(duì)精度和效率要求的提高，我國(guó)有人駕駛飛播造林趨勢(shì)停滯不前。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，有人駕駛農(nóng)業(yè)航空作業(yè)方面，共有56家通用航空公司開展農(nóng)業(yè)航空作業(yè)。2014年涉及農(nóng)業(yè)航空作業(yè)的飛行時(shí)間為38 220 h，但只有3%的時(shí)間用于飛機(jī)撒播播種[15]。而目前美國(guó)使用有人駕駛飛機(jī)撒播種植水稻已成規(guī)?；?，美國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化程度極高且農(nóng)田多為大規(guī)模農(nóng)場(chǎng)，適用于飛機(jī)撒播播種。美國(guó)有相當(dāng)完善的法律法規(guī)支持，市場(chǎng)化運(yùn)作，農(nóng)業(yè)航空服務(wù)擁有完善的體系。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，美國(guó)水稻種植面積為133.33萬hm2，全國(guó)從事水稻生產(chǎn)的約有1.5萬人，平均每人約種植86.67 hm2，美國(guó)水稻單產(chǎn)率比中國(guó)高23.6%[16]。我國(guó)耕地情況多為獨(dú)立塊狀，人均耕地少，除了東北、新疆及我國(guó)三大平原地區(qū)外，其他地區(qū)少有大規(guī)模農(nóng)場(chǎng)，尤其是南方田塊網(wǎng)格化、丘陵化的地貌并不適用于有人駕駛飛機(jī)播種，農(nóng)用無人機(jī)具備體積小、攜帶方便、操作靈活、自動(dòng)化程度高等特點(diǎn)，非常適用于在此類地形上進(jìn)行撒播作業(yè)。

1.2.2 無人機(jī)撒播技術(shù)的發(fā)展 隨著工業(yè)化的發(fā)展，無人駕駛飛機(jī)開始出現(xiàn)在人們的視野中并逐漸從軍事用途向民用發(fā)展，人們也開始利用無人駕駛飛機(jī)從事農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理[17]。20世紀(jì)90年代，日本北海道地區(qū)開始嘗試使用遙控?zé)o人直升飛機(jī)對(duì)小塊農(nóng)田進(jìn)行播種。實(shí)際生產(chǎn)作業(yè)證明，利用遙控?zé)o人直升機(jī)播種不僅節(jié)約時(shí)間，且產(chǎn)量和人工播種無太大差距[18]。2000年，日本農(nóng)業(yè)實(shí)驗(yàn)研究中心利用雅馬哈公司研制生產(chǎn)的R50無人直升機(jī)對(duì)農(nóng)田進(jìn)行撒播顆粒肥，噴撒量可達(dá)300 kg/hm2，實(shí)際作業(yè)時(shí)間效率為27.7%[19]。2004年開始，日本在水稻生產(chǎn)中，使用農(nóng)用無人機(jī)的數(shù)量已超越有人駕駛飛機(jī)，采用農(nóng)用無人機(jī)進(jìn)行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)已成為日本農(nóng)業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)[20]。

目前，我國(guó)已有高?？蒲袡C(jī)構(gòu)和高新科技公司對(duì)無人機(jī)撒播相關(guān)技術(shù)進(jìn)行了研究。在國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局官網(wǎng)查詢近10年我國(guó)關(guān)于無人機(jī)撒播技術(shù)的專利申請(qǐng)情況，如圖1所示，可以看出2014年后的4年專利申請(qǐng)數(shù)量呈爆發(fā)性增長(zhǎng)，我國(guó)對(duì)無人機(jī)撒播技術(shù)的研究已進(jìn)入快速發(fā)展階段，該技術(shù)也為精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)航空撒播提供了全新的途徑。

我國(guó)已有不少公司生產(chǎn)撒播無人機(jī)，目前市場(chǎng)上在售的撒播無人機(jī)有深圳高科新農(nóng)技術(shù)有限公司的M23-G固態(tài)顆粒撒播無人機(jī)、深圳大疆創(chuàng)新科技有限公司的MG播撒系統(tǒng)、深圳飛客無人機(jī)科技有限公司的播種顆粒機(jī)、北京北方天途航空技術(shù)發(fā)展有限公司的天智M8A施肥撒播多功能無人機(jī)等，如圖2所示，參數(shù)詳見表1。

2 無人機(jī)撒播作業(yè)體系

2.1 物料撒播機(jī)制

物料撒播機(jī)制主要涉及到機(jī)體、撒播裝置以及物料種類等3個(gè)方面。

2.1.1 機(jī)體 機(jī)體是物料撒播作業(yè)裝置的載體，支撐著無人機(jī)撒播作業(yè)體系。目前，農(nóng)用無人機(jī)的主要機(jī)型分為單旋翼無人機(jī)和多旋翼（四旋翼、六旋翼、八旋翼等）無人機(jī)。單旋翼無人機(jī)的動(dòng)力系統(tǒng)主要通過燃油機(jī)提供動(dòng)力，續(xù)航及載重能力強(qiáng)，代表機(jī)型有日本雅馬哈公司的Fazer系列無人機(jī)。徐雪松等設(shè)計(jì)了一種用于拋灑顆粒劑的單旋翼無人直升機(jī)，機(jī)身兩側(cè)設(shè)置物料桶，通過送料管將顆粒劑傳輸?shù)睫D(zhuǎn)盤并均勻輸出，配合單旋翼無人機(jī)的直線運(yùn)動(dòng)對(duì)無人機(jī)穩(wěn)定性影響小，可使撒播更為均勻[21]。李才圣等設(shè)計(jì)了一種易拆裝式單旋翼植物保護(hù)無人機(jī)，該機(jī)型通過無人機(jī)細(xì)小的零件設(shè)計(jì)拆分為多個(gè)模塊，在拆裝時(shí)只需將不同模塊裝卸即可，保證了無人機(jī)的安全性和維修便利性[22]。多旋翼無人機(jī)多以鋰電池提供動(dòng)力，續(xù)航能力較弱但更為穩(wěn)定，代表機(jī)型有深圳大疆創(chuàng)新科技有限公司的MG系列無人機(jī)。由于單旋翼無人機(jī)技術(shù)門檻較高，我國(guó)目前農(nóng)用無人機(jī)以多旋翼為主。雷乾勇等設(shè)計(jì)了一種多旋翼無人機(jī)機(jī)臂折疊裝置，可使旋翼機(jī)臂穩(wěn)定切換折疊和展開，節(jié)省空間，利于作業(yè)搬運(yùn)[23]。單旋翼無人機(jī)與多旋翼無人機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)見表2。

2.1.2 撒播裝置 撒播裝置是無人機(jī)撒播作業(yè)體系的心臟，關(guān)乎撒播作業(yè)效果的好壞。目前應(yīng)用于農(nóng)用無人機(jī)的撒播裝置主要分為離心式和氣力式2種。包勝軍設(shè)計(jì)了一種飛機(jī)播撒裝置，該裝置使用的是離心圓盤式播撒裝置，單片機(jī)控制第1電機(jī)帶動(dòng)甩盤旋轉(zhuǎn)，控制第2電機(jī)用于開關(guān)出料口的閘門大小，通過雙重控制，使出料口的流量達(dá)到按需分配的效果[24]。李晟華等設(shè)計(jì)了一種撒播無人機(jī)及其撒播器，該裝置使用離心圓盤式撒播裝置，撒播盤設(shè)有與落料口連通的滑道，通過單電機(jī)控制調(diào)節(jié)滑道開度及撒播盤轉(zhuǎn)速進(jìn)行物料流量控制[25]。以上2種裝置均能較好地對(duì)物料流量進(jìn)行控制，但離心撒播方式落種區(qū)為環(huán)形，若航線規(guī)劃出現(xiàn)偏差，會(huì)出現(xiàn)重播和漏播現(xiàn)象。周志艷等設(shè)計(jì)了一種農(nóng)用無人機(jī)掛載的物料撒播裝置，該裝置物料箱下使用了一個(gè)排料輪，通過調(diào)控排料電機(jī)控制器調(diào)整排料量;并在滾輪旁加裝風(fēng)機(jī)，采用風(fēng)力將物料排出，撒播均勻度有所提高，易于操作[26]。該裝置氣力式的設(shè)計(jì)不易傷種，能較均勻地對(duì)物料進(jìn)行撒播，但橫截面為漸變長(zhǎng)方形的物料拋撒出口設(shè)計(jì)，落種區(qū)為扇形，撒播效率不如離心圓盤式撒播裝置。

2.1.3 物料種類 撒播物料種類是無人機(jī)撒播作業(yè)體系可行性的重要保障。撒播無人機(jī)搭載的物料箱容量有限，而撒播裝置對(duì)于撒播物料的直徑大小都有著嚴(yán)格的規(guī)定。若撒播顆粒物直徑過大，考慮無人機(jī)載重與物料箱容量，不適宜采用無人機(jī)撒播。如飛播造林中常用的松樹種子，若采用無人機(jī)撒播，由于種子較大，無法大量搭載，大范圍飛播造林效率不高，沒有使用無人機(jī)撒播的必要。若撒播顆粒物直徑較小，近于粉末狀，在旋翼無人機(jī)下壓風(fēng)場(chǎng)的作用下，粉末會(huì)出現(xiàn)漂移現(xiàn)象，作業(yè)效果無法保障。根據(jù)目前商用的撒播無人機(jī)相關(guān)參數(shù)要求，無人機(jī)撒播作業(yè)中顆粒直徑一般在0.5～20.0 mm之間。

2.2 物料撒播方向

隨著農(nóng)用無人機(jī)的快速發(fā)展和應(yīng)用，利用無人機(jī)進(jìn)行撒播生產(chǎn)作業(yè)主要體現(xiàn)在4個(gè)方面。

2.2.1 水稻種撒播 水稻田飛機(jī)播種是農(nóng)業(yè)航空技術(shù)應(yīng)用的一個(gè)方向。2014年，華南農(nóng)業(yè)大學(xué)科研人員在廣州市白云區(qū)鐘落潭農(nóng)業(yè)科學(xué)院實(shí)驗(yàn)基地率先開展無人機(jī)撒播試驗(yàn)，運(yùn)用自主設(shè)計(jì)的機(jī)載撒播裝置進(jìn)行稻種撒播，選定3個(gè)采樣點(diǎn)進(jìn)行測(cè)產(chǎn)，測(cè)量水稻株數(shù)和有效穗數(shù)。結(jié)果顯示，0.09 hm2農(nóng)田只需305 s就可完成稻種撒播，水稻撒播田平均產(chǎn)量為7 705.5 kg/hm2，平均有效穗數(shù)為321個(gè)/m2，平均穴數(shù)為 38穴/m2，有效證明了無人機(jī)進(jìn)行水稻種撒播的可行性[27]。

日本JA廣島中央農(nóng)業(yè)為解決勞動(dòng)力下降問題，采用無人機(jī)公司enRoute設(shè)計(jì)的六軸無人機(jī)進(jìn)行種子撒播試驗(yàn)，只需10 min便可完成12 kg種子的撒播工作，而使用地面機(jī)械進(jìn)行播種則需要60 min，若采用人工播種則時(shí)間會(huì)更長(zhǎng)，試驗(yàn)表明無人機(jī)撒播能有效節(jié)省時(shí)間和勞動(dòng)力[28]。葡萄牙科英布拉理工大學(xué)科研人員將播種裝置和攝像裝置與無人機(jī)結(jié)合使用，利用流體力學(xué)計(jì)算分析排除干擾，使播種效果更為精準(zhǔn)，提高了播種的可操作性[29]。

2.2.2 顆粒肥撒播 施肥特別是追肥是農(nóng)業(yè)作物種植中必不可少的一個(gè)環(huán)節(jié)，對(duì)顆粒肥（尿素、復(fù)合肥等）而言，地面撒肥機(jī)械會(huì)對(duì)作物造成侵入式損傷，人工撒肥效率低且勞動(dòng)強(qiáng)度大，使用無人機(jī)能較好地解決此類問題。岑海燕等設(shè)計(jì)了一種變量施肥的無人機(jī)系統(tǒng)和方法，使用離心圓盤式撒播裝置，轉(zhuǎn)盤的周壁設(shè)有料槽，料槽承接來自料箱的物料，通過改變轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速和側(cè)壁槽數(shù)來實(shí)現(xiàn)不同的施肥效率[30]。秦大鵬設(shè)計(jì)了一種無人機(jī)施肥裝置設(shè)備，該設(shè)備以單旋翼無人機(jī)為載體，高清攝像機(jī)和全球定位系統(tǒng)（GPS）設(shè)置在無人機(jī)的前端，控制器根據(jù)反饋信息進(jìn)行變量施肥，儲(chǔ)料倉(cāng)可通過隔板分隔為二，施肥組件通過調(diào)節(jié)施肥輪的轉(zhuǎn)速及調(diào)節(jié)施肥輪上與粗料倉(cāng)內(nèi)的肥料直接接觸料槽的個(gè)數(shù)來實(shí)現(xiàn)施肥量的調(diào)節(jié)，自動(dòng)調(diào)節(jié)施肥量的下料速率，可一次性對(duì)2種肥料同時(shí)進(jìn)行施肥[31]。張勇等設(shè)計(jì)了一種農(nóng)用施肥無人機(jī)，該無人機(jī)裝置的物料倉(cāng)在出肥管上設(shè)置有電磁閥，工作時(shí)開啟電磁閥，肥料經(jīng)進(jìn)料螺旋的作用從出料管落下，解決了現(xiàn)有技術(shù)中不利于肥料散開的問題[32]。

2.2.3 飛播造林 飛播造林歷史由來已久，使用無人機(jī)飛播造林可以有效進(jìn)行流量控制，提高精度和均勻性，進(jìn)一步降低造林成本。英國(guó)創(chuàng)業(yè)公司Biocarbon Engineering研制了一款種樹無人機(jī)系統(tǒng)，該無人機(jī)將遙感技術(shù)、無人機(jī)技術(shù)和機(jī)器智能技術(shù)相結(jié)合，該系統(tǒng)由6架無人機(jī)組成，只需1個(gè)工作人員操控，采用定位系統(tǒng)和視覺技術(shù)創(chuàng)建3D地圖，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)整理分析，劃定種植范圍，確定范圍后利用空氣壓縮的方法將種子射入土里，從而達(dá)到精準(zhǔn)種植[33]。

付博設(shè)計(jì)了一種小型無人機(jī)精準(zhǔn)飛播結(jié)構(gòu)，該播種裝置呈三角形狀，設(shè)置有多根豎管貫通橫管，豎管底部有播種口，橫管內(nèi)設(shè)有播種輪軸，利用重力分撿和彈性播種[34]。

2017年，我國(guó)國(guó)家級(jí)濕地公園湖南蓮湖灣濕地公園為了加快建設(shè)，做好保護(hù)工作，采用無人機(jī)撒播技術(shù)對(duì)生態(tài)植被進(jìn)行恢復(fù)[35]。同年，河南省計(jì)劃飛播造林1.33萬hm2，首次開展無人機(jī)飛播造林試驗(yàn)[36]。

2.2.4 顆粒食物撒播 撒播顆粒食物是無人機(jī)撒播的另一個(gè)應(yīng)用，目前魚塘和山地養(yǎng)殖（雞、鴨等）場(chǎng)，投食幾乎都是通過人工作業(yè)來完成的，勞動(dòng)強(qiáng)度大。通過無人機(jī)進(jìn)行投食，可以解決勞動(dòng)力少的問題。尤其是在農(nóng)田、魚塘以及養(yǎng)殖場(chǎng)為一體的大型農(nóng)場(chǎng)，一臺(tái)撒播無人機(jī)可集播種、施肥以及投食為一體，實(shí)現(xiàn)資源的高效利用。

雖然我國(guó)目前有關(guān)無人機(jī)撒播技術(shù)的應(yīng)用已有一些新聞報(bào)道和實(shí)際產(chǎn)品，但大都缺乏相關(guān)應(yīng)用成效的報(bào)道。相比有人駕駛飛機(jī)撒播，無人機(jī)撒播在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上大范圍應(yīng)用仍有許多技術(shù)問題須要解決。

2.3 物料撒播運(yùn)動(dòng)研究

2.3.1 旋翼氣流 農(nóng)用無人機(jī)通過旋翼旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生向上的力，但旋翼旋轉(zhuǎn)也產(chǎn)生了下洗旋翼氣流。旋翼氣流可影響物料撒播運(yùn)動(dòng)過程，深入探討應(yīng)用農(nóng)用無人機(jī)進(jìn)行撒播作業(yè)具有重要意義。Tan等為研究農(nóng)用無人機(jī)旋翼下洗氣流的速度，提出了一種下洗旋翼氣流速度分布的測(cè)試方法，通過設(shè)計(jì)模擬六旋翼無人機(jī)旋轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)臺(tái)并利用風(fēng)速儀對(duì)不同位置產(chǎn)生的下洗旋翼氣流進(jìn)行測(cè)速，可知旋翼產(chǎn)生的下洗氣流縱向變化不大，在接近地面處受影響導(dǎo)致氣流整體變小[37]。楊知倫等通過單旋翼農(nóng)用無人機(jī)下洗氣流實(shí)地試驗(yàn)可知，旋翼所形成的下洗氣流由旋轉(zhuǎn)中心向外，氣流呈逐漸增大狀分布[38]。張文星設(shè)計(jì)了槳葉弧面分布多旋翼（四旋翼、六旋翼）的農(nóng)用無人機(jī)，采用1對(duì)大槳構(gòu)建“共軸僅漿”與1對(duì)小漿構(gòu)建“共稈反漿”的結(jié)構(gòu)，通過連接碳纖維管和固定件形成左右鏡像對(duì)稱、前后不對(duì)稱的旋翼無人機(jī)，可有效降低下洗氣流的流速，增大下洗氣流的面積[39-40]。李繼宇等設(shè)計(jì)了一種檢測(cè)由無人機(jī)旋翼氣流引起的冠層倒伏錐體的方法，通過無人機(jī)收集的圖像資料進(jìn)行分析，可直觀判斷農(nóng)用無人機(jī)旋翼氣流的形態(tài)參數(shù)[41]。

2.3.2 物料撒播均勻度 物料撒播均勻度是農(nóng)用無人機(jī)撒播作業(yè)體系的核心所在，直接決定著無人機(jī)撒播作業(yè)的成效。宋燦燦等通過對(duì)氣力式無人機(jī)撒播裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)與參數(shù)優(yōu)化，在作業(yè)田地上設(shè)置不同采集點(diǎn)，經(jīng)數(shù)據(jù)收集分析得到導(dǎo)流通道錐角為130°時(shí)為最佳錐角，撒播均勻性標(biāo)準(zhǔn)差為 0.90[42]。呂金慶等通過建立圓盤及空氣中的運(yùn)動(dòng)模型，結(jié)合顆粒肥自旋性的影響，得到影響撒播均勻性和撒播幅寬的主要因素是撒播裝置的葉片長(zhǎng)度、傾角以及撒播圓盤轉(zhuǎn)速[43]。孫妮娜等通過對(duì)撒播裝置噴嘴結(jié)構(gòu)的對(duì)比研究，經(jīng)仿真與試驗(yàn)驗(yàn)證，平嘴相對(duì)于圓弧嘴和扁喇叭嘴更適合應(yīng)用于撒播裝置[44]。齊興源等通過對(duì)氣力式變量施肥機(jī)關(guān)鍵部件的研究，排料管道的長(zhǎng)度會(huì)對(duì)排料出口風(fēng)速產(chǎn)生影響，出口安裝的高度也會(huì)對(duì)排料滯后性產(chǎn)生影響，為盡可能減小排料滯后對(duì)均勻性的影響，排料管道應(yīng)避免過長(zhǎng)且出口高度不高于入口[45]。

2.3.3 物料顆粒運(yùn)動(dòng)特性 與植保無人機(jī)噴施霧化施藥液滴運(yùn)動(dòng)受旋翼氣流影響不同，物料顆粒運(yùn)動(dòng)特性受旋翼氣流影響較小。顆粒肥在錐盤式撒播機(jī)構(gòu)中拋撒運(yùn)動(dòng)特性的研究分析為撒播顆粒肥進(jìn)一步在無人機(jī)的研究和應(yīng)用上提供了參考。董向前等通過建立肥料顆粒受力方程，深入研究喂入角、施肥轉(zhuǎn)速以及施肥高度對(duì)施肥分布的影響，提供了最優(yōu)的參考數(shù)據(jù)[46]。張睿等通過分析顆粒肥料在離心圓盤撒播運(yùn)動(dòng)過程中的受力情況，得出顆粒肥撒播脫離圓盤時(shí)的速度函數(shù)關(guān)系與顆粒肥撒播幅寬的函數(shù)關(guān)系[47]。邵志威等為探究冰草種子丸包衣運(yùn)動(dòng)特性，通過Hertz接觸理論的振動(dòng)模型和轉(zhuǎn)動(dòng)模型對(duì)物料流動(dòng)特征的分析，可知引入振動(dòng)可增加慣性力，增大雷諾數(shù)，提高顆粒間的運(yùn)動(dòng)不規(guī)則程度，從而提高種子丸?；潞细衤蔥48]。

2.4 物料撒播方法研究

2.4.1 機(jī)體控制 飛控是農(nóng)用旋翼無人機(jī)機(jī)體控制的核心，是無人機(jī)撒播作業(yè)的大腦。根據(jù)旋翼無人機(jī)的飛行原理可知，飛控通過電調(diào)傳輸控制信號(hào)調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，從而帶動(dòng)旋翼旋轉(zhuǎn)，旋翼間的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)導(dǎo)致力矩的差異形成旋翼無人機(jī)作業(yè)的各種飛行姿態(tài)。劉浩蓬等通過研究四旋翼植保無人機(jī)的姿態(tài)解算與飛行原理，設(shè)計(jì)出以STM32微處理器為核心的飛控系統(tǒng)，利用AHRS模塊航姿參考系統(tǒng)解算無人機(jī)飛行姿態(tài)參數(shù)，結(jié)合模糊比例-積分-微分控制器（PID）控制算法調(diào)節(jié)電機(jī)的輸出量進(jìn)而控制飛行姿態(tài)以達(dá)到穩(wěn)定作業(yè)的目的[49]。劉超等建立縱向線性化模型，通過經(jīng)典PID控制理論設(shè)計(jì)了滿足農(nóng)用無人機(jī)縱向運(yùn)動(dòng)的姿態(tài)控制系統(tǒng)[50]。漆海霞等針對(duì)農(nóng)用無人機(jī)作業(yè)對(duì)速度恒定的要求，通過模糊比例-積分控制器（PI）雙閉環(huán)控制仿真，證明模糊PI控制可有效提高農(nóng)用無人機(jī)作業(yè)的抗干擾能力[51]。王寬田等通過搭載四旋翼無人機(jī)控制系統(tǒng)平臺(tái)，采集姿態(tài)信息并進(jìn)行解算，驗(yàn)證卡爾曼濾波器適用于四旋翼無人機(jī)控制系統(tǒng)[52]。李永偉等針對(duì)農(nóng)用無人機(jī)作業(yè)時(shí)載荷發(fā)生變化導(dǎo)致控制性能和抗干擾能力下降等問題，通過對(duì)農(nóng)用無人機(jī)作業(yè)分析與建模，提出一種模糊自適應(yīng)PID控制算法以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性[53]。

2.4.2 播量控制 播量控制是撒播均勻性的重要前提，影響無人機(jī)撒播作業(yè)的成效。彭孝東等設(shè)計(jì)了一種用于物料流量控制的無人機(jī)撒播裝置及其控制方法，該裝置可通過控制模塊接收流量監(jiān)測(cè)單元的數(shù)據(jù)，進(jìn)而通過出料調(diào)節(jié)單元?jiǎng)恿C(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)出料口的開關(guān)擋板來控制物料撒播，以達(dá)到多旋翼無人機(jī)均勻撒播物料的目的[54]。李才圣等設(shè)計(jì)了一種固體顆粒均勻撒播的裝置，該裝置物料箱下的入料口與撒播裝置的出料口間通過一個(gè)播撒輪連接，控制旋轉(zhuǎn)動(dòng)力源帶動(dòng)播撒輪轉(zhuǎn)速來達(dá)到控制播撒物料的撒播量[55]。易青設(shè)計(jì)了一種用于農(nóng)業(yè)播種的具有調(diào)節(jié)功能的節(jié)能型無人機(jī)，該裝置控料組件控制進(jìn)入噴料管內(nèi)的物料量，噴料管頂端設(shè)有導(dǎo)風(fēng)裝置，通過改變進(jìn)入噴料管的空氣量，控制物料噴灑出去[56]。馬榮朝等設(shè)計(jì)了一種小型無人機(jī)便攜式螺旋精量播種機(jī)，通過無線遙感技術(shù)遠(yuǎn)程控制物料流量調(diào)節(jié)裝置從而控制物料流速[57]。