我國植保無人機發展現狀與展望

蔡銀杰，孫 娟，丁曉輝，張 爽，馮成玉，肖 穎，沈丹波，焦陽陽，郭儀萱

(1.南通科技職業學院，江蘇南通226007；2.南通市農業新技術推廣協會，江蘇南通226007；3.海安市植保植檢站，江蘇海安 226600；4.南通市農機化技術推廣中心，江蘇南通 226006；5.海安焦氏谷物種植專業合作社，江蘇海安 226600)

中國作為擁有1.2億hm2(18億畝)基本農田的農業大國，每年的農業植保作業量很大，由此帶來的問題也很多。據統計，中國每年因防治病蟲害不及時，造成的糧食作物產量損失達10%以上。我國每年農藥中毒人數有10萬之眾，致死率約20%，農藥殘留和污染造成的健康傷害、生態危害更是難以統計。近20年來發達國家一直都在使用無人機進行農藥噴灑，主要因為小型無人駕駛直升機用于植保病蟲防治具有很多優點，如作業高度低，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，防治效果高，遠距離遙控操作，避免了噴灑作業人員暴露于農藥的危險等。另外，植保無人機采用噴霧噴灑方式可減少農藥使用量，節約90%的用水量，很大程度地降低了資源成本，可廣泛應用于小麥、水稻、果樹、棉花等農作物的病蟲害防治。

農業部專家對中國航空植保技術需求情況的預測表明，中國農業航空產業是一個尚未真正啟動的大產業，未來中國農業航空市場的需求將會有爆發性增長，新增機型投入將達到465億元以上。隨著相關制度及配套核心技術的不斷完善，中國農業航空產業必將得到健康、有序和高速發展，有利于實現農業病蟲害統防統治，實現精準作業，極大地提速中國現代農業的進程。

1 植保無人機簡介

植保無人機是用于農林植物保護作業的無人駕駛飛機，主要是通過地面遙控或GPS飛控，來實現噴灑作業，可以噴灑藥劑、種子等。與傳統植保作業相比，無人機植保作業具有精準、高效、環保、智能化、操作簡單等特點，此外，由于植保無人機體積小，重量輕，運輸方便，飛行操控靈活，對于不同的地塊、作物均具有良好的適用性，因此其應用前景非常廣闊，近年來受到大眾的廣泛關注。

1.1 植保無人機種類

植保無人機大致有2種分類方式：⑴ 按動力可分為油動無人機(發動機作為動力裝置)、電動無人機(電機作為動力裝置)；⑵ 按機型結構可分為固定翼無人機、單旋翼無人機、多旋翼無人機。固定翼飛機主要應用于農田信息采集和農田遙感，具有載量大，飛行速度快，作業效率高等特點。作業時一般采用超低空飛行，距離作物冠層 5～7 m，對于作業區域的地形要求高，一般在開闊的農場里應用較廣。單旋翼植保無人機有雙槳、三槳2種型號。其優點是旋翼大，抗風能力強，飛行穩定，霧化效果好，下旋氣流大，穿透力強，農藥可以打到農作物的根莖部位，缺點是造價較高，操控難度比較大，對飛手素質要求較高。多旋翼植保無人機有四旋翼、六旋翼、八旋翼、六軸十二旋翼、八軸十六旋翼等機型。其優點是造價相對較低、簡單易學、短時間即可上手作業。缺點是抗風性能較低，連續作業能力較差，效率不高。單旋翼和多旋翼無人機的體積、載重均相對較小，操縱靈活，適宜于在較為分散的農田區塊內進行作業，在我國廣大農村植保作業中有較強的實用性。

表1 植保無人機按機型結構劃分及作業特點

1.2 植保無人機構造

無人機有三大核心技術，分別是總體設計、動力系統和飛控系統。相比軍用無人機，植保無人機是一種相對低端的無人機，其結構較為簡單，技術的難點在于動力、電池、飛控系統以及噴嘴等幾個方面。

植保無人機的機體重量通常為10 kg左右，負載為10～15 kg，因而對于動力系統總體要求不高，一般使用燃油動力發動機(油動)或者電機(電動)就可以滿足動力需求。不過，無論是選用油動還是電動裝置，續航問題仍然是困擾植保無人機廠商的一大難題。目前行業內較為常見的續航時間僅為10～15 min(少部分在20 min以上)，這在很大程度上影響了其使用效率。

控制器是無人機的核心部件，是制約產業發展的核心因素。飛機控制器的算法開發需要很長時間的積累。國內的無人機從消費級興起，工業級別的控制器開發相對較弱。植保無人機需要在各種地形環境、風力級別等復雜環境下進行工作，因此在開發前期需要積累大量的基礎數據。不過，由于近年來飛控系統逐步走向開源，導致行業的技術壁壘降低，使得更多廠商進入成為可能。目前，國內植保無人機的飛控系統開發基本采用國外開發成型的飛控平臺或者國內自主開發的飛控平臺加載噴藥系統。國內也僅有大疆、傲翼飛控、零度智控等少數企業具備飛控系統供應能力。

噴嘴是保證農藥噴灑效果的重要零部件，因無人機飛行噴灑作業會產生飄移，故需要開發霧滴譜窄，飄移低的航空專用可控霧化系列噴嘴。此外，由于植保無人機作業環境差異性大，需要根據噴嘴、藥液類型、天氣狀況等因素預測可能產生的飄移、霧滴的運動和地面沉積模式等因素，因而需要建立強大的數據庫以支撐作業的高效進行。目前，國內企業在此環節均處于經驗積累階段，僅有少部分公司經過多年的試飛和作業試驗后積累了較為豐富的經驗。

2 我國植保無人機發展概況

盡管迄今中國植保無人機發展迅速，但是其作業面積仍不足耕地面積的3%，與世界上農業航空較發達國家如美國、俄羅斯、澳大利亞、加拿大、巴西、日本、韓國等仍存在較大的差距[1]。國內農業航空業自1951年開始探索，從起步、發展直至成熟歷經67年。具體情況見表2。

進入2017年，新疆、河北、河南和湖北等農業大省區，植保無人機已經能大規模作業了，比如，極飛公司在新疆組織的“百團大戰”完成了 13.3萬 hm2(200萬畝)的棉花落葉劑噴灑作業，安陽全豐在河南完成了6.7萬hm2(100萬畝)的集中連片統防統治作業。整體看，在內地20 hm2(300畝)以上的大戶，以及新疆和東北66.7 hm2(1 000畝)以上的大戶對植保無人機接受度最高。至2017年底，據不完全統計，全國植保無人機保有量超過10 000架，作業面積超過670萬hm2。目前，在主流的電動多旋翼植保無人機市場，已經形成以大疆、極飛占據多數市場，漢和、全豐位居第二陣營，其他企業分食剩余市場的格局。2017年整個飛防市場是跑馬圈地階段，2018年正式步入降價競爭階段，價格已經成為各企業爭奪的焦點。比較顯著的是在2018年4月北京舉辦的“世界精準農業航空大會”上湖北龍翼機器人有限公司推出了6 kg機型，采用鋁合金機身，簡化操控系統，成功將價格壓縮在1萬元之內，而價格的降低，則意味著普通農戶市場將會進一步被打開[3]。

表2 國內無人機植保發展階段

3 我國植保無人機應用情況

3.1 農田藥物噴灑

植保無人機施藥技術的目標是精準施藥，實現高效的農作物病蟲草害防治。近年來，農作物病蟲害逐漸呈現爆發的趨勢，有時人工防治效率不夠，大面積病蟲害發生時無法及時防治，從而錯過最佳防治時期。一般的植保無人機每次裝藥可以噴灑8～10 min，每次起降可噴灑 0.667～1.333 hm2(10～20畝)農田，是目前傳統的人工噴灑速度的20～60倍，可以在病蟲害的最佳防治時期快速完成飛防作業，從而保證了防治的最佳效果，降低了因防治不及時給農民帶來的損失。

此外，植保無人機飛行產生的下降氣流吹動葉片，能使葉片正反面均能著藥，防治效果相比人工與機械提高15%～35%，應對突發、爆發性病蟲害的防控效果好；不受作物長勢的限制，可解決作物生長中后期地面機械難以下田作業的問題。例如：作物生長至封行后行壟不清晰，特別是對于玉米等高稈作物，玉米大喇叭口期高度一般都在1.2 m以上，與拖拉機配套的普通懸掛式、牽引式噴桿噴霧機難以進入進行殺蟲劑、殺菌劑、除草劑以及催熟脫葉劑、增糖劑、葉面肥料等噴灑作業，尤其在丘陵山區交通不便、人煙稀少或內澇嚴重的地區，地面機械難以進入作業，航空作業可很好地解決這一難題。

植保無人機具有精準作業、高效環保、智能化、操作簡單等特點，為農戶節省大型機械和大量人力的成本。全國各地不少地區都已使用植保無人機進行藥物作業，受到了人們的肯定。據相關人士稱，未來農業植保領域將會有千億市場空間[2]。

3.2 植保無人機的配置單

植保無人機：用于執行農藥噴灑。

智能氣象站：獲取當地的空氣濕度、溫度、氣候條件以及風速風向等。

智能手持終端(地面端)：用于實施監視無人機飛行中的參數(高度、速度等)，農藥噴灑情況(剩余藥液以及噴灑密度等)，航線規劃(航線完成的進度)等。

RTK定位系統：RTK定位系統包含GNSS手持測繪器、RTK模塊和移動基站。RTK技術使作業前所規劃航線的精度達到厘米級，同時讓植保無人機實現厘米級高精度航線飛行[5]。

智能電池：智能電池由高密度鋰聚合物制成，具有自動平衡功能，可以防止電池的過度充放電，極大的提高了電池的使用壽命。智能電池在低溫環境下還可以自動加熱，使得無人機在嚴酷的氣溫條件下也能正常作業。藥箱：要采用防止浪涌結構的藥箱，提升空間利用率；藥箱內部經過特殊設計，防止藥物殘余；雜質過濾系統能有效地防止管道堵塞；創新的藥箱插口設計，使其即插即用，即拔即關，方便易用，提高作業效率。

3.3 常用植保無人機品牌

多旋翼：大疆MG-1S(MG-1P)、極飛P20(P30)、零度Z10、守護者、天鷹兄弟等。

單旋翼：無錫漢和、高科新農等。

表3 國內主流植保無人機型號參數對比

3.4 植保無人機的環境因素選擇

⑴ 天氣因素：雨天嚴禁飛行，風力大于4級的天氣暫緩作業，風力大于6級的天氣嚴禁作業。⑵地理因素：作業田塊周界10 m范圍內無人員居住的房舍。作業田塊周界10 m范圍內無防護林、高壓線塔、電桿等障礙物。作業田塊中間無影響飛行安全的障礙物或影響飛行視線的障礙物。作業田塊周界或田塊中間有合適飛機的起落點。作物高度應低于操作人員的視線，操作人員能夠觀察到飛機飛行姿態。作業田塊應有適合操控人員行走的道路[3]。

4 展 望

隨著我國農業生產現代化的發展，農業對植保無人機的需求量逐年增加。需積極采取有效措施應對發展難題，從政策扶持、體制建設、技術保障、人員保障及安全監管等多方面共同入手，提高無人機植保作業效率，實現農作物病蟲害的統防統治，加快我國農業航空植保無人機的發展步伐。

4.1 產學研合作模式有待推廣

企業和科研院校發揮各自優勢進行產學研合作，研發適用的先進植保無人機及其配套技術，推動科研院校的成果轉化，加快推進植保無人機的可持續發展。發揮國內高校、科研單位、企業以及相關農業航空聯盟與學會的作用，普及農業航空知識，培養航空植保人才。將目前企業進行的植保無人機操控手的培訓納入農機培訓的范疇，對無人機操控手進行無人機管理法規以及植保知識培訓，提高行業整體水平。近年來，華南農業大學國家精準農業航空施藥技術國際聯合研究中心與安陽全豐、廣州極飛、北大荒通用、山東瑞達、深圳高科新農、新疆天山羽人航空植保科技有限公司等多家企業簽訂了產學研合作協議，開展了包括技術開發、聯合施藥試驗等實質性合作，并聯合國內十幾個省(自治區)進行了有人機、無人機航空遙感與施藥、北斗衛星導航等合作試驗與技術研發，目前已初見成效，是產學研合作的成功范例。

4.2 精準噴施作業未來可期

精準噴施作業是確保植保無人機有效防治病蟲的前提。通過多傳感器、多光譜輔助、多時甚至多分辨率遙感數據融合，利用GIS技術創建精確的植保作業處方圖，依據處方圖預設作業路線，通過植保無人機的智能飛行控制，進行無人機的遠程控制或自主飛行。植保無人機自主飛行時，通過傳感器、GPS導航、遙感和超聲波測距等技術，在線感知環境形勢，根據實時采集到的環境信息進行建模分析和輔助決策，及時調整飛行路線和施藥設備參數，進行避障飛行和精準施藥，減少霧滴飄移，提高無人機作業效率。目前，大部分植保無人機智能飛行控制的研究是在相對確定的環境下進行，更長遠的目標是要實現在快速變化的不確定環境下，增強植保無人機對地形的適應能力，提高植保施藥和飛行控制精度，實現真正意義上的植保無人機精準噴施作業。

4.3 “互聯網+農業”促進服務增值

采用新一代信息技術，建立“互聯網+”精準農業航空服務綜合服務平臺，為農業航空植保作業服務商和終端農戶提供溝通和服務的橋梁，便于政府和有關部門對植保無人機實施跟蹤和監管。通過平臺可對植保服務、作業效果和植保無人機檢測進行管理，對作業人員、植保無人機及其他物資進行統一調配，利用大數據技術為廣大農戶提供多種無人機植保增值服務。隨著植保無人機產業化的推進，技術、人員和配套設施保障的加強，植保無人機的應用將向多元化、精準化和智能化發展[4]。

植保無人機的應用技術將為我國現代農業發展帶來巨變，特別是在發展植保無人機技術的同時，國家通過制定相應的扶持政策，完善標準與補貼制度，引導常規藥劑的飛防登記管理，鼓勵農化企業研發飛防專用藥劑，進一步完善植保無人機技術維護保障機制。植保無人機必將步入快速發展階段，為現代農業發展和鄉村振興戰略的實施發揮重要支撐作用。