植保無人機發展現狀

何 龍，甄世嬋，張 成

(1.新疆工程學院機電工程系，新疆 烏魯木齊830023； 2.新疆農業大學機電工程系，新疆 烏魯木齊830052)

0 引言

根據數據統計，我國植保農藥的利用率僅有20%，大部分都流失到環境中，造成嚴重的環境污染和資源浪費，因此亟需先進的施藥技術和施藥器械[1]。從現代化農業發展需求來看，使用無人機施藥是目前較為高效的施藥手段。無人機施藥可及時有效地防控大范圍的病蟲害，與傳統施藥植保器械相比，具有高效、不受地形因素影響、施藥均勻、穿透性好、提高藥物利用率和減少對環境的危害等優點，且在施藥過程中人機分離的狀態可避免藥物對農業工作者的傷害。

1 國內發展現狀

近年來，隨著我國經濟實力和科學力量的快速發展，農業基礎設施的建設也穩步向前推進，植保無人機作為農業機械的重要組成部分，在國家的大力支持下也得到了快速的發展。在我國眾多的植保無人機品牌中，極飛系列和大疆系列等具有代表性的農業植保無人機的研制技術已經較為成熟。我國植保無人機行業正在逐漸朝著產學研相互合作的方向快速發展，5G技術和北斗系統也逐漸在植保無人機上得以應用和推廣。雖然近年來我國的植保無人機行業整體上發展迅速，但目前仍然存在應用范圍小、普及率低、藥箱容量小、續航時間短及服務體系尚不健全等亟需解決的問題，因此對于我國這樣的農業大國來講，推動植保無人機的快速發展，解決現階段存在的技術壁壘至關重要。

1.1極飛XP2020型農業無人機

極飛XP2020型農業無人機如圖1所示，集智能播撒、精準噴灑于一體，可靈活搭載不同容量的作業箱，通過手機或智能遙控器，在所有地形條件下輕松高效地開展播種、撒肥、施藥和投飼工作，相比遙控植保無人機，高度智能化的XP系列可以節省一半以上的人力成本，并且大幅度減少因人工操作失誤導致的重噴、漏噴甚至飛行事故。XP系列依舊采用高效能4旋翼設計，作業載荷達到20 kg，全新動力系統配合101.6 cm螺旋槳讓風場更穩定，噴灑更廣更均勻，螺旋槳產生的垂直氣流可以攜帶藥物穿透農作物葉片，進一步提高著藥率和吸收效果，智能離心霧化噴灑系統，噴灑流量大，霧化顆粒范圍更廣。以水稻飛播為例，一臺極飛XP農業無人機能夠完成超過6.67 hm2h的水稻播種，是人工播種效率的80倍。極飛XP2020款植保無人機具體技術參數如表1所示。

表1 極飛XP2020型農業無人機技術參數

1.2大疆T20型植保無人機

大疆T20型植保無人飛機如圖2所示，藥箱容量20 L，作業效率可達12 hm2h；4通道獨立流量控制，噴灑更均勻；智能泄壓閥，排氣更便捷；全向數字雷達可360°重建三維場景，識別電線、樹枝等障礙物，不受灰塵水霧影響，自主避障繞行；無論白天黑夜，保障作業安全。搭載高精度定位模塊的智能遙控器，可厘米級精度規劃地塊；一鍵起飛，全自主噴灑作業；一控多機，效率翻倍。搭配全新播撒系統，可均勻播撒種子、肥料等固態顆粒，流量高達15 kgmin。采用IP67防護設計，可全身沖洗，機身折疊，方便搬運。配合精靈4多光譜版，自主采集圖像，通過大疆智圖生成農田處方圖，可依據作物生長狀態針對性作業，節水省藥。搭配精靈4RTK與大疆智圖，對農田場景進行三維建模及AI識別后，可進行多場景自主作業。面對厚冠層的果樹，可定點噴灑作業，提升滲透效果；針對等高線分布的果樹，可自由航線作業，節電省藥；對于樹高林密的山林，可連續噴灑作業，安全省心。T20植保無人機具體技術參數如表2所示。

表2 大疆T20型植保無人飛機技術參數

1.3TTA天途M8A-PRO型植保無人機

天途M8A-PRO型植保無人機如圖3所示，其相對于業內普遍的10 kg載荷而言，凈載荷達20 kg，適用于中大型地塊。采用RTK差分系統全面支持全智能作業模式，使操作更簡單；無刷電機、無線遙控啟動；8點定位，起飛穩定；整機可折疊，便于運輸，適用于多種施藥環境(-10～40 ℃)；采用微型潛水泵，輸出流量穩定，6噴頭聯合噴灑，流量1.8～2.2 Lmin可調；機身質量小，飛行穩定靈活。

在操作使用方面，M8A-PRO擁有全智能自主起降、航線規劃及自主噴灑等特點。具備航線斷點智能記憶功能，無藥時自動記憶坐標點，一鍵返回繼續噴灑作業，確保作業的連續性，提高了作業效率。

在整體機身設計上，為了讓飛機在大載荷下最大程度節約能耗，依舊擁有穩定的飛行，M8A-PRO分別擁有4個向上電機和槳葉機，4個向下電機和槳葉。可折疊的機臂和噴管，整機模塊化的設計，讓用戶在田間地頭即可快速維修。天途M8A-PRO植保無人機具體參數如表3所示。

表3 天途M8A-PRO型植保無人機技術參數

1.4遼寧壯龍CT300-60P型植保無人機

遼寧壯龍CT300-60P型植保無人機如圖4所示，具備超長續航力，續航時間為1～4 h；具有超強承載力，商業載荷可達到60 kg；作業率為0.27～0.53 hm2min。采用一鍵式起降模式，操控簡單，地面站規劃航線可實現全自主作業；具有地形跟蹤功能，適用于所有地形作物。采用旋翼下吹氣流形式，穿透能力強，霧化效果好，噴灑物到達率高；購機首年可提供飛手培訓及維修培訓，專業支持高。遼寧壯龍CT300-60P植保無人機技術參數如表4所示。

表4 遼寧壯龍CT300-60P型植保無人機技術參數

2 國外發展現狀

2.1美國

美國是農業航空應用技術較為成熟的國家之一，已形成較完善的農業航空產業體系，據統計，美國農業航空對農業的直接貢獻率為15%以上[2]。目前美國擁有農用航空相關企業2 000多家，年處理40%以上的耕地面積，全美65%的化學農藥采用飛機作業完成噴灑，其中水稻施藥作業100%采用航空作業方式[3]。國家大力扶持農業航空產業的發展是美國農業航空發達的重要原因之一[4]。美國從20世紀70年代就開始研究航空噴施作業技術參數的優化模型，美國國會通過了豁免農用飛機每次起降100美元的機場使用費的議案，2014年白宮的預算中繼續投入73億美元支持該議案，以降低農業航空作業的成本；在NASA的推動下，自2002年以來已投入約700萬美元用于農業航空技術研發，參議院已通過議案將繼續大力支持開發更高效、使用成本更低的農業航空相關技術[5]。

2.2日本

日本糧食作物以水稻為主，不同于旱地，稻田特殊的環境使得地面裝備行走困難，加之地形結構原因，無人機在日本占盡了優勢。日本植保無人機的研制工作始于20世紀80年代。到了1991年，日本農林水產省出臺政策，推廣植保無人機在稻田中的應用，植保無人機在日本迎來了有利的大環境，大量植保無人機企業誕生[6]。日本耕地面積小，對無人機依賴性大，無人機民用化水平更高，普及率也更廣，擁有成熟的機型和健全的市場，同時服務體系完善，其代表機型RMax能夠完成定高飛行和定速飛行，傻瓜式操作，降低了操作難度，質量安全可靠。Yamaha公司產品是世界上出貨量最大，市場份額最高的農用無人機，如圖5所示。飛行員培訓15 d，使用成本2 400元hm2，市場占有率達到60%以上。日本無人機重要技術參數如表5所示。

表5 日本無人機重要技術參數

2.3澳大利亞

澳大利亞是農業強國，對精準農業的重視程度高，且地廣人稀，擁有豐富的耕地和草地資源。2013年統計數據顯示，澳大利亞人均天然草場近20 hm2，人均耕地超過2 hm2，分別約是中國的4倍和23倍。作為農牧業高度發達的國家，澳大利亞早在20世紀60年代就實現了農業機械化，更是早在1947年，已經開始首次將飛機用于農業噴撒。在無人機的使用上，澳大利亞近來有放寬監管的趨勢。2016年，澳大利亞民航局修改了原來相對比較嚴苛的商用無人機規定，從9月29日開始，無人機質量<2 kg的商業無人機操作者只需要無人機操作員證書(ReOC)并通知民航局[7]。在農業領域，當地關于無人機報道大多是圍繞精準農業展開。澳大利亞是一個注重發展精準農業的國家，無人機在農業遙感和精準農業方面已經得到認可和應用。據悉，澳大利亞全國有30%的農業用地實現了從耕種、播種到施藥、灌溉等全過程的精準農業作業[8]。在這樣的大環境下，隨著精準農業的進一步推進，澳大利亞無人機在精準農業領域還有很大的潛在市場。

2.4韓國

韓國是一個多山國家，耕地資源相對緊缺，據大田農社報道，韓國現有農民約420萬，占總人口的9%，農業用地面積約為169.8萬hm2，占韓國國土面積的17%，其中23的耕地為水田，主要是種植水稻[9]。韓國于2003年首次引進直升機用于農業航空作業，農業航空作業面積逐年增加，截至2010年，全國共有農用直升機121架，約80%的飛機歸地方的農協所有。韓國農林水產食品部和農協中央會曾計劃2013年將飛機數量增至500架。相比于其他國家對于無人機謹慎的態度，近年來韓國對于民用無人機發展是相對支持的。Meta Robotics以農業的尖端化及精密化為目標正在展開“VANDI研究計劃”。VANDI是一種價格合理的農藥噴灑無人機，可以保護農民免受噴藥引起的農藥中毒危害，減輕防治工作的負擔，如圖6所示。通過多次測試，改善了部件之間的互換性，并進行了精確設計，以確保機體不會被化學制品污染[10]。通過長期的調整作業，易于飛行，安全穩定。它還具有耐久性，可承受高溫和高濕度條件。VAN-A1植保無人機技術參數如表6所示。

表6 韓國VAN-A1型植保無人機技術參數

3 存在的問題及建議

3.1存在的問題

(1)近年來，雖然我國的植保無人機發展較為迅速，但與國外相比，我國的植保無人機在農業上的應用普及率較低，未能在全國范圍內推廣使用，植保無人機載藥量少，續航時間短。

(2)我國的植保無人機市場體系和服務體系尚不健全。我國的植保無人機行業起步較晚，因此在產品售后服務維修及對無人機用戶的培訓方面缺少專業性人才，阻礙了植保無人機行業的快速發展。

(3)民用化程度低，農民無人機專業操控人員較少。雖然我國的植保無人機發展迅速，但專業的農民無人機操作人員較少，在植保作業中往往有機無人，并且由于無人機操作手的專業知識欠缺，在進行無人機植保作業時，事故時常發生。

3.2相關建議

完善市場發展體系和服務培訓體系，加強對農民無人機操作員的系統培訓，在國家的推動下，加大對更加智能化、簡易化的植保無人機的研究，推動我國農業向著更加現代化的方式發展，形成一條植保無人機產業產學研合作共贏的發展模式。

4 結束語

農業航空技術是現代化農業生產的重要組成部分，在農業生產中的應用比例不斷加大。目前國內無人機已經得到了快速的發展，列舉主流植保無人機品牌，并將其主要參數列表對比，發現相較于國外，國內的無人機在綜合性能方面較優。但目前我國植保無人機依然存在承載質量小、續航時間較短以及普及率低等問題，因此在學習借鑒國外無人機先進制造技術的基礎上，設計研發適應我國農業現代化發展的新型無人機至關重要。