重庆交通大学 土木工程学院 重庆 400041
摘要：随着我国农业生产结构调整，小型植保无人机发展得尤为迅速，利用其进行施药、施肥、监测作物等已比较常见。近几年，国外又掀起利用农用无人机辅助授粉的浪潮，我国也在展开研究，目前该技术在杂交水稻制种过程中较为常用，并取得了一定效果。本文主要简述农用无人机类型及其特点、农用无人机辅助授粉原理及应用情况，并以农用无人机辅助水稻授粉为应用实例，简述该辅助授粉技术的影响因素、作业流程及效果。
关键词：农用无人机；辅助授粉；水稻授粉
无人机具有作业效率高、节省劳动力、保障作业人员安全等优点，可广泛应用于农业、林业、测绘等各大领域。特别是近年来，随着无人机技术的发展和我国农业结构的转变与调整[1]，农用无人机相关的研究和企业越来越多，其价格也逐渐平民化。农用无人机广泛应用于施药、施肥、作物生长监测、播种、授粉等，可促进我国农业生产向全面机械化生产发展。
国外将无人机应用于农业生产相对较早，近年来，为更好的实现机械化作业、减少蜜蜂数量锐减和天气等因素对授粉效果的影响，农用无人机辅助授粉技术开始逐渐应用于大型果园和其它农作物授粉。目前较为常见的是辅助杂交水稻制种，并取得了一定成效，相对于传统人工授粉，无人机辅助授粉不仅提高了作业效率，还增加了结实率。对于我国杂交水稻的制种未来的机械化发展来说，无人机辅助授粉必将是其未来的发展主流之一[2]。
1 农用无人机分类及特点
农用无人机是施药、授粉等操作的平台，与普通无人机分类一样，可按动力系统和机翼两种方式分类。按动力系统可分为油动、电动和混合。油动续航时间相对较长，一般1~2h，载重也较大，但耗油和噪音大；电动续航时间短，一般半小时左右，载重较小，电池寿命短；混合的则介于两者之间。按机翼分为固定翼和旋翼，旋翼又分为单旋翼和多旋翼。固定翼一般飞行速度更快，作业效率更高，抗风性能相对较好，但起降对地形条件要求高，易受地形条件限制；旋翼的抗风能力差一些，但可以垂直起降，适用于山地等不平坦地区；多旋翼一般比单旋翼价格更实惠，操作起来更简单、灵活；还有固定翼与旋翼组合的无人机，则结合了两者的优点。
在实际应用中根据实际需要选择相应性能的农用无人机，考虑到经济实用和操作简单，目前多旋翼电动无人机在农业上应用得较为普遍。随着无人机生产厂家的突增，目前我国的无人机市场还不够规范，还需谨慎选择无人机。
2 农用无人机辅助授粉原理及应用
2.1 基本原理
对于异化传粉或花粉量不足的植物来说，无人机辅助授粉是借助无人机这个飞行平台安装喷洒系统，再通过飞控系统控制其喷洒授粉精华液或花粉，如对果园中的梨花、桃花等进行辅助授粉。而对于一些自花传粉且花粉足够的作物，则不用喷洒系统，只需借助无人机产生的风模拟自然风吹散花粉进而完成辅助授粉，如杂交水稻制种。
因此，农用无人机辅助授粉有两种形式，一是与施药类似，喷洒授粉精华液或花粉；另外一种是借助其旋翼产生的风力进行辅助授粉。两种辅助授粉方式对农用无人机的性能要求有所差异，前者更加注重飞行的稳定性，后者则更注重其风力大小和范围。
2.2 应用场景
目前，农用无人机辅助授粉主要应用于杂交水稻、果园果树、玉米等作物。
水稻花期和花时较短，传统的杂交水稻制种人工辅助授粉不仅依赖天气，作业效率也不高，容易错过花期，导致授粉效果不好。无人机辅助水稻授粉可有效改善以上问题，并使制种过程更加自动化。与此类似的有辅助玉米授粉，有学者研究试验得出，无人机辅助授粉可提高玉米产量，减少秃顶率[3]。
由于近年来蜜蜂数量锐减，使得果园的授粉率不高，而且蜜蜂授粉本就易受天气影响，且容易产生病虫影响果实。为了提高结果率，增加收益，逐渐将无人机辅助授粉应用于果园，但其真实价值还需进一步研究。
近段时间，出现了微型昆虫无人机，如图1所示。目的是模拟蜜蜂，用于精准传粉，其理想授粉效果确实可观，但其经济和实用性还有待考验。
3 无人机辅助水稻授粉
水稻每天只有约2h的花时，花期也短，因此对辅助授粉的效率要求很高。农用无人机辅助水稻授粉，可大大提高作业效率，使授粉不再完全依靠天气，提高结实率，增加了花粉传播距离，进而扩大父母本相间种植的行比，有利于机械化种植。
3.1 系统组成及影响因素
农用无人机辅助水稻授粉系统，由无人机和飞控系统组成，通过旋翼产生的风将父本花粉吹向母本完成辅助授粉。旋翼产生的风速、风向和风场宽度等参数影响对花粉的运送效果，从而直接影响母本结实率、作业效率及经济效益[4]，而以上三个参数主要由无人机的飞行高度、飞行速度与飞机负载质量决定。在辅助水稻授粉的应用中，无人机沿着父本行飞行，使其花粉吹向两边的母本，平行于飞行方向（X向）、垂直于飞行方向（Y向即风场宽度）的风越大越好，有 利于授粉；垂直地面（Z向）的风越小越好，以免吹倒水稻。而且无人机的旋翼结构不同，形成的风场也不同。
因此在选择无人机用于辅助水稻授粉时，除了考虑无人机起降方式、动力系统等本身的特性以外，还需着重考虑其风速、风向和风场宽度等参数。
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图1
3.2 作业流程
以下是一个设计的无人机自动辅助水稻授粉的主要作业流程，一般小型的制种基地可采用手动控制飞行，作业流程可能有所差异，但差别不大。
（1）根据授粉作业区域，规划所需无人机的数量、每架无人机的作业区域及预设航线。一般将父本箱的中心线设为预设航线，平行于预设航线左移、右移的航线作为备用预设航线。
（2）查看授粉作业区域内父本的开花信息，根据其开花密度来判断是否满足授粉作业条件。
（3）达到授粉条件后，根据作业时的自然风速及风向，选择预设航线中能让无人机的风场尽可能落在父本厢上的对应航线作为每架无人机的实时作业航线。并设置好飞行高度、飞行速度等参数。
（4）按照作业规划的实时作业航线飞行，完成授粉作业。
3.3 授粉效果
无人机辅助水稻授粉的优势和效果还是比较明显的，主要总结为以下几点：
（1）传统的杂交水稻制种人工牵绳授粉、人工辅助授粉，人均每天授粉约0.2公顷，电动无人机每天授粉半小时，授粉2~3次，可授粉4公顷左右。因此无人机辅助授粉可大大提高作业效率、节约劳动力，水稻花期又短，高效率则非常有利于提高授粉效果和质量，并且对植株伤害更小。
（2）扩大了花粉传播距离，可使父母本相间种植的行比增加，分别相对集中种植，方便机械化生产。
（3）有研究结果显示无人机授粉的杂交水稻结实率可达47.2%，远超传统人工拉绳授粉不足20%的结实率。
4 结 语
农用无人机技术的发展可推进我国农业化生产向全面机械化方向发展，但在其发展过程中还有很多问题需要解决。比如无人机市场不够规范，没有统一的规范要求，对于农户来说，很难从众多无人机中挑出相对靠谱的机型。随着研究的深入，农用无人机辅助授粉也许将会广泛应用于农业生产，成为新的主流技术，随着科技的进步，也许像蜜蜂一样的微型无人机代替蜜蜂精准授粉也是可能的。无人机辅助水稻授粉提供了一种新的无人机应用思路，可以利用其本身产生的风力应用到其他领域。
参考文献：
[1] 杨陆强，果霖，李朱加繁，高志超，周体全，喻自荣，彭继文，张汝坤.我国农用无人机发展概况与展望[J].农机化研究2017年8期.
[2] 陈水法.浅谈杂交水稻制种机械化发展[J].南方农机.2018年9期.
[3] 孔德生，赵艳丽，惠祥海，许玲，王祥会.植保无人机辅助授粉提高玉米产量的方法与探索[J].中国农技推广.2019年3期.
[4] 翁晓星，周益君，吉洪湖，李革，戴津婧.杂交水稻繁种全程机械化关键技术集成与应用[J].农业开发与装备.2016年第1期.