農用無人機現狀與發展趨勢

何勇 張艷超

作者信息：1教授、博士生導師；2：浙江大學生物系統工程與食品科學學院，310058，杭州

0 引言

無人機是一種有動力、可控制、能攜帶多種任務設備、執行多種任務，并能重復使用的無人駕駛航空器。它們沒有駕駛艙，但安裝有自駕儀、飛行姿態控制等設備，以助推、垂直起降、噴射起飛等方式起飛，以降落傘、攔阻索、接收網等方式回收，可多次使用。無人機曾經作為一種作戰武器在戰場中顯示出強大的戰斗能力。無人機在民用領域應用主要表現在航空攝影、地面災害評估、航空測繪、交通監視、消防、人工增雨等方面。無人機在農田中的應用逐漸開始出現，主要集中在農田信息遙感、災害預警、施肥噴藥等領域。

1 無人機發展概況

世界上第一架無人機是由英國人于1917年研制的。這是一架無線電操縱的小型單翼機，由于受到當時許多技術問題的制約，所以試驗失敗。而后終于在20世紀30年代初研制成功無線電操縱的無人靶機，直到80年代，美國將無人機應用于越戰和海灣戰爭。一般來說，無人機主要由如圖1所示部分構成。

世界上第一臺農用無人機出現在1987年日本，Yamaha公司受日本農業部委托，生產出20 kg級噴藥無人機“R-50”，經過將近20多年的發展，目前日本擁有2346架已注冊農用無人直升機，操作人員14163人，成為世界上農用無人機噴藥第一大國。我國系統研究微小型無人機航空施藥噴霧技術開始于2008年，由國家資助，開始單旋翼無人機低空低量施藥技術的研究。截至2012年末，生產航空施藥無人機整機與配套設備的企業達80余家。

1.1 無人機結構種類

農用無人機有多種分類方法：如按照動力來源，分為電動和油動；按機型結構，分為固定翼、單旋翼、多旋翼和熱動力飛行器；按起飛方式可分為助跑起飛、垂直起飛垂直降落；等等。以下按照其主要結構進行分類。

1.1.1 固定翼無人機

固定翼無人機是由動力裝置(如燃油發動機、電機等)產生推力或者拉力，由機翼產生升力，機翼位置和掠角等參數在飛行過程中保持不變的飛行器，圖2為浙江大學研制的小型農田信息遙感無人機。固定翼無人機具有滑翔性能好，續航長，航程遠，飛行高度高，飛行速度快等優點，適合應用于農田營養信息獲取、災害預警、成熟度估測等。然而固定翼受天氣影響大，氣流變化劇烈的時候不宜飛行。

1.1.2 單旋翼直升機

單旋翼直升機(如圖3所示)通過主槳切割空氣產生推力，尾槳保證平衡，無需跑道助跑，可垂直起降和穩定懸停，飛行靈活性和可靠性相對于固定翼要高很多。在農業中有很多應用：如劉小龍采用嵌入式主板設計無人機圖像采集系統[1]；李冰等采用京商260和ADC多光譜相機通過測定冬小麥覆蓋度變化，對冬小麥生長過程中的5個主要生育期進行監測，分析了空間尺度變化對結果的影響[2]；Tian Lei等人通過收集機載導航系統對飛行高度和位置的估測數據，采用一定的變形模型對遙感所得圖片進行幾何校正，而無需控制點[3]。日本“RMAX”系列無人機、中國總參謀部六十所的“Z”系列無人機都屬于這種結構。

1.1.3 多旋翼飛行器

多旋翼飛行器原型出現于1922年，然而直到1999年才出現多旋翼無人機。多旋翼無人機以三個或者偶數個對稱非共軸螺旋槳產生推力上升，以各個螺旋槳轉速改變帶來的飛行平面傾斜實現前進、后退、左右運動，以螺旋槳轉速次序變化實現自轉，垂直起飛降落，場地限制小，可空中穩定懸停。多旋翼飛行器出現后，以優越的飛行穩定性、簡單的動力學結構和低廉的價格迅速獲得廣泛的關注和使用。多旋翼無人機采用鋰聚合物電池供電，自動化程度高，飛行平穩，操作技術要求低。同時由于結構所限，載質量一般不高(10 kg左右)，續航時間較短(15～20 min)。圖4為浙江大學與浙江得偉有限公司聯合開發的中型八軸多旋翼農田信息遙感平臺。

2 無人機生產單位

無人機植保作業相對于傳統的人工噴藥作業和機械裝備噴藥有很多優點：作業高度低，飄移少，可空中懸停，無需專用起降機場，旋翼產生的向下氣流有助于增加霧流對作物的穿透性，防治效果好，遠距離遙控操作，噴灑作業人員避免了暴露于農藥的危險，提高了噴灑作業安全性等。無人直升機噴灑技術采用噴霧噴灑方式至少可以節約50%的農藥使用量，節約90%的用水量，這很大程度上降低了資源成本。

在我國，作為農業用途的無人駕駛輕型直升機目前處于初級研究階段。國內通用輕型農用無人直升機主要有中國人民解放軍總參第六十研究所開發的“Z-3”無人直升機，南京農業機械化研究所開發的噴藥無人機，浙江大學和浙江得偉工貿公司開發的“DWH-1”等無人機。相對于軍事及其他行業，農業作業對無人機性能要求更高，上述機型應用于農業還有許多技術難點需要攻克，農業航空發展還任重道遠；但相對于需求，其發展空間很大。

目前我國生產航模的企業有近200家 (包括旋冀和固定冀無人機)，具有自主研發能力，并已進入農業市場的單位和企業10余家；相關無人機農業裝備技術研究院所20余家。按技術水平、生產能力和單位類型可分為：

2.1 無人直升機農業航空技術研究單位

自2008年起，以“浙江大學”“農業部南京農業機械化研究所”“華南農業大學”等單位為代表開展了航空施藥技術、GPS自動導航技術、農用無人機平臺技術、航空施藥污染評價技術、低空遙感平臺等技術的研究，并取得了多項技術成果。包括無人駕駛自動導航低空施藥技術、低量低飄移施藥技術研究，在高精度GPS的無人駕駛自動導航低空施藥技術研究方面取得突破性進展，精確的航路規劃解決了航空噴霧作業噴幅的精確對接，提高作業質量。

2.2 無人機生產企業

以“解放軍總參六十所”“沈陽自動化所”等單位為代表的無人機生產企業，研究開發了一批具有較高自主水平,能夠在空中自主飛行 (或進行遠程引導)并執行任務的旋翼無人飛行器。其系統一般包括無人機平臺、測控、任務載荷、綜合保障及情報處理等五大部分，配備地面控制終端，工程涉及航空理論、計算機、控制、電子、機械、材料和系統工程等多個學科，可以在地面站的監控下自主完成多種飛行任務，此類無人機使用燃油發動機提供動力，載質量可達15～80 kg，具體機型有：Z-3、Z-5(總參六十所)，ServoHeli-120(沈陽自動化所)，AR-100/AF811(中航工業自控所)。由于受到技術、市場等因素限制，此類無人機沒有形成大批量生產，很多還處于樣機階段。其優點是載質量大、飛行精度高，適合精準農業作業；然而價格高，系統復雜，不易維護，低空作業安全性也有待提高。

以“無錫漢和”等企業為代表在引進國外微小型無人機型的基礎上，開發了電動航拍系列和農業植保系列無人機型，目前已基本定型，任務載荷在10、15、20 kg，產品已經進入小批量生產。此類無人機，由于受機體和載質量限制，田間作業時無法完全實現自動駕駛而采用了半自駕的方式，經濟性較好；然而缺乏對噴藥裝備的開發，不便于更快更好地在農業噴藥上應用。

目前我國生產航模的企業已有200多家，航模無人機沒有地面終端，需要操作人員使用手持遙控器控制飛行，遙控距離一般在目視距離以內，此類無人機多以電池提供動力，載質量在10 kg以內，在國內已具備大批量生產能力。其優點是輕便、靈活、能效高、起降方便、價格低；缺點是載質量低，續航時間短，飛行高度、速度與航線易受操控手目測判斷差異的影響而產生一定的偏差，對施藥效果造成一定的影響。

2.3 農機農藥生產廠家與農機服務組織

以浙江得偉等農機農藥生產廠家為代表的無人機研發、生產和銷售為一體的高新技術企業，目前與浙江大學合作研制農用型無人直升機、多旋翼等農田變量精準噴藥等系列產品，所生產產品在義烏博覽會上展出，得到廣大農民朋友一致好評，并設計研發出太陽能全自動農田信息遙感無人機，全身硅片太陽能板貼合，質量輕動力足，只要太陽充足，就可以全天飛行，節能環保，續航充足。“河南田秀才”等其他生化農藥企業各自在無人機研發和應用上進行探索并取得成效，他們開發的類型各異的植保無人機，特別是多旋翼機，已在多個省市的實地應用中展現出優勢。由農機農藥生產企業衍生出來的無人機生產企業在超高濃度藥劑生產、植保服務方面融合更充分，并在銷售渠道拓展、駕駛員培訓、售后服務等方面初步探索出較為成功的經驗。

3 農用航空產業技術創新聯盟的成立

無論大型的還是小型的農場都有望受益于無人機。在無人機的幫助下，小型農場能夠提高農業精度，節省資金和資源；大型農場能夠輕松繪制和確定大面積作物的健康狀況和收成，此前這類土地監測完全依靠人力，農民需要親自查看哪塊田地需要更多的水和肥料。伴隨精確農業的出現，遙感對很多大型農場的運作來說變得必不可少。衛星和飛機能夠拍攝紅外照片以確定水資源的分布運動及雜草的覆蓋情況；熱紅外傳感器可以測量熱量，從遠處確定作物健康狀況。

2013年1月，農用航空產業技術創新聯盟在海南三亞成立，羅錫文院士擔任理事長，聯盟由積極投身于農業航空產業技術進步，從事相關技術與產品的研究、開發、生產、制造、服務的企業、科研單位和大專院校，以及農業航空市場管理、產品檢測鑒定及技術推廣等相關機構自愿組成，以“推動技術創新、引導產業發展”為宗旨，為推動無人機長足發展提供了組織保證和技術交流平臺，對農用無人機最終成為廣大農民使用的農機具有著深遠的影響。

4 國內外無人機應用情況

日本雅馬哈無人機公司有30年的歷史，是農用無人機領域公認做得很好的公司[4]，他們的產品可以實現短時間內更換油箱，補充藥劑，定高飛行，完全傻瓜式操作，用戶只需撥下開關鍵，飛機將自主起飛，飛到定高后懸停，用戶可以方便地操縱飛機的前進后退，大大降低了對農民的技術要求，飛機的穩定性、作業效率和安全性大大提高。

歐美一直在無人機技術上處于領先地位，然而由于政策與法律原因，無人機發展受到一定限制。在歐洲所有無人機飛行需要向歐洲航空管理局進行飛行申請，執飛飛行器與操作人員需要資質認證，且質量不得超過20 kg。而美國由于農業組織方式采用大農場為主，大面積噴藥采用載質量更大的有人航空噴藥[5]，無人機噴藥較少，同時美國聯邦航空管理局在2015年前禁止美國上空出現直接獲取經濟利益的無人機飛行，個人航模質量不得高于20 kg，飛行高度低于140 m(＜500英尺)，導致美國無人機產業發展落后于日本。

我國耕地面積小，平原面積只占國土面積的12%左右，而耕地面積僅為10%，在南方丘陵居多，大量存在小地塊、梯田等不適合大型航空機械作業的耕地地形，無人機無疑成為一個很好的解決方向。采用無人機進行噴藥、施肥的農用無人噴藥機械遠達不到這個水平，作業機械與飛行器結合很差，無法體現無人機高效的作業能力。還有，目前飛行器操控人員都需要航模操作經驗或者至少四個月的培訓，限制了農用無人機的普及。而且我國航空管理法律條例并不完善，對農用無人機使用沒有對口管理部門實施管理，這也導致了目前無人機技術市場良莠不齊。

5 未來發展方向

認清差距才能更好地改進產品。向日韓農用航空設備學習經驗，彌補不足，可以迅速提升自己的水平。

(1)提升農用無人機自動化水平，降低飛行中人為因素。開發離地高度鎖定技術，降低對操作人員的操作要求。去除與作業無關的功能，做好作業機械一體化設計，使得飛行器與作業機械成為一個有機組合農業機具。

(2)科學規劃農用無人機作業流程，切實提升作業效率。改變人機協作方式，減少中間無謂的等待，能夠明顯提升作業效率。

(3)優化飛行算法，提升飛行穩定性和抗風險能力。由于農用無人機載質量較大，慣性大，存在控制響應滯后的問題，如何優化算法，實現飛行器平穩控制，如何提升飛行器的安全性，降低農民所承擔的風險，都是農業工程師要解決的問題。

(4)開發變量作業農機具，降低損耗和污染。依據精細農業的要求，按照農田需求處方圖進行變量耕作，是農業自動化與生態農業發展的新要求。

(5)提升產品服務質量。賣一臺飛機并不等于滿足了農民對農田噴藥的需求，產品銷售方要建立完善的售后服務網絡，為農民提供技術咨詢服務，提供及時的技術保障與故障維修服務。

(6)開發低碳環保、環境友好的新能源無人機。現在無人機多選用石油燃料或者電池作為動力來源。石油燃料碳排放很大，而且燃油危險性高；電池的生產過程和廢棄回收都會浪費資源，造成環境污染。太陽能無人機已經在美國出現，它以太陽能作為能量來源，在太陽稍微充足情況下，即可做到全天候飛行[6]。

6 無人駕駛飛行器產品市場分析及預測

我國地域遼闊，地理及氣象條件多樣，農業人口眾多。截至2007年底我國農村人口7.3億，占總人口的55%。耕地面積約1.2178×108hm2，農作物病蟲害發生面積每年約4.49×108hm2次。據農業部門統計數據顯示，我國手動植保機具約35個品種，社會保有量約5807.99萬臺，擔負著全國農作物病、蟲、草害防治面積的70%以上；機動植保機械有背負式機動噴霧機及背負式機動噴霧噴粉機約8個品種，社會保有量約261.73萬臺；擔架式機動噴霧機社會保有量約16.82萬臺；小型機動及電動噴霧機社會保有量25.35萬臺；拖拉機懸掛式或牽引的噴桿式噴霧機及風送式噴霧機的社會保有量4.16萬臺；航空植保作業裝備保有量僅400架[7]。地面植保機具防治效率低，對于遷飛性害蟲暴發和大區域流行性病害發生不能實現大面積的統防統治。根據新疆地區的使用記錄顯示，飛機的作業效率是目前地面植保機具中防治效率最高的高架噴霧器作業效率的8.38倍。飛機作業不僅作業效率高，能節省大量人力和農藥，且完成同樣作業面積的耗油量也比拖拉機等農業機械少。目前，我國城市化進程快速發展，越來越多的勞動力走向城市，大量農業勞動力向第二、三產業轉移，集約化農業將是我國農業發展的必由之路，航空技術優勢在農業中將會得到更加充分的發揮，日益滿足我國農業生產發展和環境保護的需要。農用無人機發展前景廣闊，市場潛力巨大。

[1]劉小龍.基于無人機遙感平臺圖像采集處理系統的研究[D].杭州：浙江大學,2013

[2]李冰，劉镕源，劉素紅，等.基于低空無人機遙感的冬小麥覆蓋度變化監測[J].農業工程學報.2012,28(13):160-165

[3]Xiang H,Tian L.Method for automatic georeferencing aerial remotesensing(RS)imagesfrom an unmanned aerial vehicle(UAV)platform[J].Biosystems Engineering.2011,108(2):104-113

[4]Sato A.The RMAX Helicopter UAV[R].DTIC Document,2003

[5]薛新宇，蘭玉彬.美國農業航空技術現狀和發展趨勢分析[J].農業機械學報.2013,44(5):194-201

[6]Herwitz S R,Johnson L F,Dunagan S E,et al.Imaging from an unmanned aerial vehicle:agricultural surveillance and decision support[J].Computers and Electronics in Agriculture.2004,44(1):49-61

[7]國家統計局農村社會經濟調查司.中國農村統計年鑒：2012[Z].北京:中國統計出版社,2013