植保無人機的應用及發展

成子怡，吳阿敏，王政浩，何杭瑜

(江蘇農林職業技術學院，江蘇 句容 212400)

0 引言

2014年，《麻省理工科學評論》雜志將農用無人機評為年度十大突破性科技之首[1]。的確，無論是擁有最先進的航空植保機械及完善的農業航空組織體系的美國，還是最先將無人直升機用于農業生產的日本，以及在2010年左右才開始發展植保無人機的我國，無不大力研究發展無人機植保，進一步推動植保機械化、智能化。“飛防”成為近年來我國植保行業的熱詞。植保無人機也已經成為田間地頭的尋常風景。

1 植保無人機的類型

1.1 按動力分類

1.1.1 電動植保無人機

電動植保無人機采用電池作為動力源，特點是結構比較簡單，飛手通過遙控操縱飛機，設置好飛行區域后，自動規劃路線，整個飛行過程對操作水平的要求不高;機器整體重量輕便，方便轉場，并可適應坡地、山區、有障礙等各種復雜地形的作業。缺點是電池續航時間較短，抗風能力比較弱。

1.1.2 油動植保無人機

油動植保無人機采用燃油作為動力源，特點是燃料可快速添加，無人機可持續工作，載重能力大，在同等載荷情況下，油動植保無人機工作時形成的風場下壓效果更明顯，抗風能力較強。缺點是結構較電動機型復雜，不易掌控，對飛手的操作技術要求高，且控制精準度較電動無人機低。

1.2 按旋翼數量分類

1.2.1 單旋翼植保無人機

單旋翼植保無人機大多數是油動機型。單旋翼植保無人機有雙槳、三槳兩種。單旋翼植保無人機通過調整主槳的角度可控制前進、后退、上升、下降四個飛行動作，通過調整尾部的尾槳實現無人機的轉向，且主槳和尾槳的風場基本不會相互干擾。其優點是：旋翼大，飛行穩定，抗風能力好；風場下壓效果好，下旋氣流大，霧滴穿透力強，可以穿過植物冠層，滲透到根莖部位，植保效果好；作業周期長。但存在價格高、操控難度比較大，對飛手操作技術要求較高的缺點。

1.2.2 多旋翼植保無人機

多旋翼植保無人機大多數是電動機型。多旋翼植保無人機有四旋翼、六旋翼、八旋翼、十二旋翼等機型。多旋翼植保無人機通過調整不同槳葉的轉速來實現前進、后退、橫移、轉向、升高、降低的各種動作，但在飛行中相鄰的兩個槳葉旋轉方向是相反的，所以存在風場相互干擾的問題，會造成一定的風場紊亂。多旋翼植保無人機自動化程度較高，且造價相對便宜；技術門檻低，操控簡單、飛手短時間培訓后即可上手作業；操控靈活，對起降場地要求不高，能實現垂直起降、空中懸停。但由于無人機重量輕，所以存在抗風性能較弱，連續作業能力較差，效率不高的缺點。

2 植保無人機的應用優勢

植保無人機因具有安全高效、操作簡便、成本低廉、環保性能優異的特征，在現代農業發展中得以有效的推廣應用[2]。以大疆T20為例，T20最大載重提升至 20 kg，配合 7 m寬噴幅，單架次作業效率提升至1.67 hm2，每小時作業效率提升至12 hm2，遠遠高于人工效率，與大噴幅的高地隙大型植保器械效率相當。植保無人機飛行時旋翼轉動產生下旋氣流，擾動作物葉片，藥液霧滴更容易滲入作物內部，且霧滴直徑很小，依附葉片能力強，可減少20%以上的農藥用量，不僅節約藥量，而且能有效實現殺蟲效果。同時，通過遠距離遙控無人機進行植保作業，植保作業過程中飛手無需直接接觸農藥，大大減少了人身傷害，有效保障農民健康和生命安全。農用無人機在使用過程中，不會受到農作物高度及地形的限制，只要將其飛行的高度及信號控制在合理的范圍內，就可以通過遙控操作使農用無人機按照預先設定好的軌跡實施飛行噴灑作業，減少了人工噴灑農藥中存在的一些問題[3]。植保無人機適用于多種農作物，如水稻、小麥、玉米、棉花等，同時利用其仿地飛行功能，還適用于丘陵山區作業，因此在果樹及林木防治方面的應用也日趨增多。

3 植保無人機發展中存在的問題

3.1 續航時間短，載荷小

植保無人機由于個體相對較小，普遍存在載藥量偏小的問題，普通的植保無人機一次載藥量大多為5～25 kg，而一組電池只能夠保持無人機飛行8～20 min[4]。因此，在使用過程中，需要頻繁更換電池和補充藥劑。為保證植保作業的連續性，如在噴灑工作量大的情況下，還需攜帶發電機和燃油，及時對更換下的電池進行充電。以目前的充電技術和速度，按照一塊電池充滿至少需要3 h計算，一架植保無人機需要配置10塊以上的電池才能保證連續工作。一塊電池的價格大約在2 000元，這也成為植保無人機使用過程中的一筆較大投入。

3.2 價格較貴，補貼政策條件要求高，行業進入門檻較高

在2017年，全國多個省市出臺了補貼政策(補貼標準見表1)，但政策全國覆蓋率不高且補貼條件較高，例如江蘇省鎮江市規定承包種植面積20 hm2以上，且每66.7 hm2以內只能補貼1臺，同一組織上限為5臺，補貼對象主要包括農業(農機)專業合作社等，對個人購置植保無人機暫不予補貼。并有以下要求：1)載藥量≥10 L；2)電動、多旋翼；3)采用RTK技術或前后自主避障仿地飛行，完全自主起降與飛行；4)配備電池數量≥6組。而一架植保無人機的價格在3萬～15萬不等，同時加上需配備一定數量的電池，要想從事無人機植保行業，門檻較高。

表1 中國各省市植保無人機補貼政策

3.3 從業人員專業水平、能力急需提升

我國大部分農業從業人員存在專業性不強、文化層次不高問題，這一問題在飛防領域也同樣存在[5]。植保無人機作為新興產業，從業人員未經過長時間的正規培訓，只懂得基本操控，對無人機構造不熟悉，一旦無人機作業過程中出現問題，只能到銷售點和相關售后部門維修，甚至返還廠家，耽誤農時；缺乏農學知識，對藥劑的靈活選用及配比無法精確掌控，專業性不強，影響防治效果；在實際使用過程中，存在很多違規操作，不當操作使高速旋轉的漿葉存在一定安全隱患。

3.4 航空植保專用藥劑品種較少

無人機采用的是超低容量噴霧，油劑型藥劑是首選。而目前關于植保無人機的專用藥劑較少，傳統藥劑的噴灑建議藥量都是根據人工噴灑速度來計算的，因此大多數植保無人機作業只是將普通農藥通過提高藥液的濃度來適應無人機的高速飛行速度。甚至有些直接將粉劑和懸浮劑進行簡單的水溶解就進行噴施，不僅不便于精確計算藥量，還容易堵塞噴頭。

4 植保無人機的發展趨勢

4.1 植保無人機市場繼續擴大

我國是農業大國，有1.33億hm2的基本農田，每年需要大量的農業植保作業。相對于發達國家，我國農業植保環節的機械化水平較低。據相關統計數據顯示，美國、日本等國家植保機械滲透率已經超過50%，而我國尚未達到5%，因此我國的植保機械滲透率有很大的發展空間。同時，隨著國家政策的引導和地方政府購置補貼等工作的落實，飛防專用藥劑的開發，也能有效推動植保無人機的快速發展。據統計，2019年，全年累計銷售植保無人機3萬臺。而在特殊的2020年，全國植保行業實現了翻倍增長，全年累計銷售量達6萬臺。目前，植保無人機保有量已達11萬臺。預計在未來2～3年內，植保無人機市場依然將保持50%～60%以上增速，植保無人機保有量將達到20萬臺。

4.2 補貼政策及行業標準繼續完善

2018年農業農村部南京農業機械化研究所聯合中國農業機械化協會等單位共同完成了我國首個植保無人機技術規范標準——《植保無人飛機質量評價技術規范》。該規范主要涉及植保無人飛機產品本身的質量要求，重點考慮了人員安全、公共安全和機具安全等因素。2020年9月3日，安徽省地方標準《植保無人飛機農田施藥作業技術規范》(DB34/T 3663—2020)實施。規定了植保無人飛機農田施藥作業的總體要求、作業人員、選用要求、藥劑選擇與使用要求、施藥作業參數、作業要求、維護要求、安全注意事項及緊急事故處理。2020年11月，甘肅省發布了地方標準《農用植保無人飛機作業操作規范》，于2021年1月1日開始實施。但目前僅有部分幾個省份制定相關標準，全國各地將陸續出臺并完善植保無人機質量及作業規范標準，引導無人機植保行業實現健康規范的發展。

經過 2017 年的補貼政策試點，截至2021年，全國各主要農業省份(除遼寧、河北、山西、海南)都已將植保無人機納入補貼范圍。補貼政策目前還存在以下幾個問題：一是各省補貼政策不一，企業需要投入較大的精力調整產品與政策適應；二是如黑龍江、新疆等重點農業省份購機補貼實施的難度依然較高。在今后的發展中，國家將持續完善補貼政策，讓越來越多的合作社甚至個人得到切切實實的補貼，進一步促進植保無人機市場的發展。

4.3 植保無人機持續助力智能農業、精準農業

農村勞動力緊張是植保無人機行業發展必須考慮的問題，所以植保無人機在今后發展中，操作要更智能化，簡單培訓即可上手操作，適合年紀較大的農民操作。近5年來，植保無人機保有量持續增長，智能化技術成為各大生產廠商的核心競爭力。經過技術更新升級換代，無人機操作已逐漸向“傻瓜機”方向發展。

通過在植保無人機中搭載多光譜技術，作業過程中能夠實時監測農田、作物情況，監測地塊平整度、作物長勢、作物營養分析，然后產生農田處方圖進行精準變量噴灑，實現農業生產減藥目標，助力精準農業。

5 結語

在10年前，植保無人機在我國還是新鮮事物，一旦出現在田間，就引起眾多圍觀。而如今，無人機的田間作業已成為尋常風景，甚至農戶已經開始依賴植保無人機對農田開展施藥工作。植保無人機的保有量和作業面積仍然在逐年增加，我國農業機械化的進程在持續加快。但目前還需政府部門加以引導和支持，解決在生產、應用和監管中的各種問題，推進植保無人機健康快速發展。

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