1

施肥植保一体化中无人机技术的应用策略

2.1   基于施肥要求选择无人机设备

在进行施肥植保一体化工作时，要进行土壤检测以了解土壤的养分含量和pH值。这将帮助确定适合作物生长的肥料类型和施用量。根据土壤检测结果，制定适当的施肥计划，选择不同的施肥方法，如基肥、追肥、叶面喷施等。基肥是在播种或移栽前施加于整个田地的肥料。而追肥则是在作物生长期间分次追加的肥料。叶面喷施可通过喷雾器将液态肥料均匀喷洒在玉米叶片上[3]。除了施肥，还要关注植物保护。使用合适的农药来防治病虫害，并注意遵循正确的施药剂量和时间。

以玉米为例，玉米属于高氮作物，在玉米生长期间，需要保证氮肥的充足供应以促进其正常生长和发育。例如选择含有高氮比例的肥料来保证玉米生长阶段获取足够的营养，而基于这些施肥要求，对于无人机的选择，要考虑荷载能力、飞行时间、精确性等指标，考虑到玉米田地的面积较大，需要选择能够携带足够的肥料和农药量的无人机。通常建议选择具有至少5 kg以上的有效载荷能力，同时，无人机的飞行时间应在40～60分钟以上。且在玉米生长期，需要分次追加高氮比例的肥料，因此需要多次任务操作，所以必须选择易于操作且安全性能较高的无人机，以此满足玉米生长期多次追肥的要求。

2.2   基于植保要求应用无人机技术

玉米、小麦等高氮作物对氮需求较大，但过量的氮肥施用可能导致土壤中的氮含量超过作物需要的水平，从而引发土壤污染。这可能导致氮淋溶和氮挥发，对水体和空气质量造成负面影响。通过冲刷或渗漏，过量的氮肥可能进入河流、湖泊和水库等水体，导致水体富营养化。这会刺激藻类和其他水生植物的生长，形成藻华，破坏水体生态平衡，引起水体缺氧问题。为了减轻高氮施肥对环境的潜在影响，需要使用无人机收集土壤样本，整理和清洗土壤养分分析数据，确保数据的准确性和一致性[4]。选择与氮肥需求相关的特征变量，如土壤氮含量、pH值、有机质含量等，并使用回归分析、机器学习算法（如多元线性回归、支持向量机等）或其他数学建模方法，根据特征选择的变量，建立预测作物氮肥需求的模型。使用已有的土壤养分数据和相应的作物氮肥施用量，将数据分为训练集和验证集。通过对训练集进行模型训练，然后对验证集进行模型验证，评估模型的准确性和可靠性。使用已建立的模型，输入新的土壤养分数据和环境信息，预测作物在不同区域和生长阶段所需的氮肥施用量，基于模型的输出，生成精确的施肥计划。该计划将明确无人机在每个区域和阶段需要施加的适量氮肥，以满足作物的需求并减少养分流失风险，同时防止过度施肥，对作物种植区的附近环境带来负面影响。

2.3   机型和硬件的合理选择

根据施肥植保任务的需求，无人机尽量选择多旋翼（如四旋翼或六旋翼）无人机或固定翼无人机。多旋翼无人机具有垂直起降和悬停能力，在小范围内灵活操作，而固定翼无人机则适用于大范围、长距离的植保作业[5]。

在喷洒系统选择上，要尽可能选择与无人机配套的喷洒系统，确保其能够均匀、可调节地喷洒农药或肥料。这包括选择适当的液体容器、泵浦、管道和喷洒喷头等，液体容器的容量根据农田面积和作物需要施用的农药或肥料量而确定，一般可以选择100升到1000升等不同容量。泵浦的流量一般选择10～50 L/min等不同流量范围，压力一般在2～4。管道直径需根据所选泵浦的流量和作物需求来选择，一般选用直径为1/2英寸到3/4英寸的管道，材质优先选择耐腐蚀材质，如PVC管道。喷洒方式根据作物类型和施药目标，选择合适的喷洒方式，如雾化喷头、扇形喷头等。

此外，还要选择高性能的飞行控制系统，确保无人机能够稳定、精准地执行任务。这包括选择合适的飞控主板、惯性测量单元（IMU）和GPS等。在需要避免障碍物的环境中操作时，要考虑配备避障系统，如激光雷达或超声波传感器。这有助于提高安全性和飞行稳定性。无人机的电池系统需选择高容量、高性能的电池，以支持长时间的植保作业。考虑到电池寿命和充电时间，优选可更换电池或快速充电技术，以减少中断时间。