我國植保無人機發(fā)展現(xiàn)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(yè)學院，江蘇南通226007；2.南通市農(nóng)業(yè)新技術推廣協(xié)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(nóng)機化技術推廣中心，江蘇南通 226006；5.海安焦氏谷物種植專業(yè)合作社，江蘇海安 226600)

中國作為擁有1.2億hm2(18億畝)基本農(nóng)田的農(nóng)業(yè)大國，每年的農(nóng)業(yè)植保作業(yè)量很大，由此帶來的問題也很多。據(jù)統(tǒng)計，中國每年因防治病蟲害不及時，造成的糧食作物產(chǎn)量損失達10%以上。我國每年農(nóng)藥中毒人數(shù)有10萬之眾，致死率約20%，農(nóng)藥殘留和污染造成的健康傷害、生態(tài)危害更是難以統(tǒng)計。近20年來發(fā)達國家一直都在使用無人機進行農(nóng)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(yōu)點，如作業(yè)高度低，飄移少，可空中懸停，無需專用起降機場，旋翼產(chǎn)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(yè)人員暴露于農(nóng)藥的危險等。另外，植保無人機采用噴霧噴灑方式可減少農(nóng)藥使用量，節(jié)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(nóng)作物的病蟲害防治。

農(nóng)業(yè)部專家對中國航空植保技術需求情況的預測表明，中國農(nóng)業(yè)航空產(chǎn)業(yè)是一個尚未真正啟動的大產(chǎn)業(yè)，未來中國農(nóng)業(yè)航空市場的需求將會有爆發(fā)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(nóng)業(yè)航空產(chǎn)業(yè)必將得到健康、有序和高速發(fā)展，有利于實現(xiàn)農(nóng)業(yè)病蟲害統(tǒng)防統(tǒng)治，實現(xiàn)精準作業(yè)，極大地提速中國現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的進程。

1 植保無人機簡介

植保無人機是用于農(nóng)林植物保護作業(yè)的無人駕駛飛機，主要是通過地面遙控或GPS飛控，來實現(xiàn)噴灑作業(yè)，可以噴灑藥劑、種子等。與傳統(tǒng)植保作業(yè)相比，無人機植保作業(yè)具有精準、高效、環(huán)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(fā)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(nóng)田信息采集和農(nóng)田遙感，具有載量大，飛行速度快，作業(yè)效率高等特點。作業(yè)時一般采用超低空飛行，距離作物冠層 5～7 m，對于作業(yè)區(qū)域的地形要求高，一般在開闊的農(nóng)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(yōu)點是旋翼大，抗風能力強，飛行穩(wěn)定，霧化效果好，下旋氣流大，穿透力強，農(nóng)藥可以打到農(nóng)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(yōu)點是造價相對較低、簡單易學、短時間即可上手作業(yè)。缺點是抗風性能較低，連續(xù)作業(yè)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(nóng)田區(qū)塊內進行作業(yè)，在我國廣大農(nóng)村植保作業(yè)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(yè)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(tǒng)和飛控系統(tǒng)。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(tǒng)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(tǒng)總體要求不高，一般使用燃油動力發(fā)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(xù)航問題仍然是困擾植保無人機廠商的一大難題。目前行業(yè)內較為常見的續(xù)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(chǎn)業(yè)發(fā)展的核心因素。飛機控制器的算法開發(fā)需要很長時間的積累。國內的無人機從消費級興起，工業(yè)級別的控制器開發(fā)相對較弱。植保無人機需要在各種地形環(huán)境、風力級別等復雜環(huán)境下進行工作，因此在開發(fā)前期需要積累大量的基礎數(shù)據(jù)。不過，由于近年來飛控系統(tǒng)逐步走向開源，導致行業(yè)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(tǒng)開發(fā)基本采用國外開發(fā)成型的飛控平臺或者國內自主開發(fā)的飛控平臺加載噴藥系統(tǒng)。國內也僅有大疆、傲翼飛控、零度智控等少數(shù)企業(yè)具備飛控系統(tǒng)供應能力。

噴嘴是保證農(nóng)藥噴灑效果的重要零部件，因無人機飛行噴灑作業(yè)會產(chǎn)生飄移，故需要開發(fā)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(yè)環(huán)境差異性大，需要根據(jù)噴嘴、藥液類型、天氣狀況等因素預測可能產(chǎn)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(shù)據(jù)庫以支撐作業(yè)的高效進行。目前，國內企業(yè)在此環(huán)節(jié)均處于經(jīng)驗積累階段，僅有少部分公司經(jīng)過多年的試飛和作業(yè)試驗后積累了較為豐富的經(jīng)驗。

2 我國植保無人機發(fā)展概況

盡管迄今中國植保無人機發(fā)展迅速，但是其作業(yè)面積仍不足耕地面積的3%，與世界上農(nóng)業(yè)航空較發(fā)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(nóng)業(yè)航空業(yè)自1951年開始探索，從起步、發(fā)展直至成熟歷經(jīng)67年。具體情況見表2。

進入2017年，新疆、河北、河南和湖北等農(nóng)業(yè)大省區(qū)，植保無人機已經(jīng)能大規(guī)模作業(yè)了，比如，極飛公司在新疆組織的“百團大戰(zhàn)”完成了 13.3萬 hm2(200萬畝)的棉花落葉劑噴灑作業(yè)，安陽全豐在河南完成了6.7萬hm2(100萬畝)的集中連片統(tǒng)防統(tǒng)治作業(yè)。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(jù)不完全統(tǒng)計，全國植保無人機保有量超過10 000架，作業(yè)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(jīng)形成以大疆、極飛占據(jù)多數(shù)市場，漢和、全豐位居第二陣營，其他企業(yè)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(jīng)成為各企業(yè)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(nóng)業(yè)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(tǒng)，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(nóng)戶市場將會進一步被打開[3]。

表2 國內無人機植保發(fā)展階段

3 我國植保無人機應用情況

3.1 農(nóng)田藥物噴灑

植保無人機施藥技術的目標是精準施藥，實現(xiàn)高效的農(nóng)作物病蟲草害防治。近年來，農(nóng)作物病蟲害逐漸呈現(xiàn)爆發(fā)的趨勢，有時人工防治效率不夠，大面積病蟲害發(fā)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(nóng)田，是目前傳統(tǒng)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(yè)，從而保證了防治的最佳效果，降低了因防治不及時給農(nóng)民帶來的損失。

此外，植保無人機飛行產(chǎn)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(fā)、爆發(fā)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(yè)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(yè)，尤其在丘陵山區(qū)交通不便、人煙稀少或內澇嚴重的地區(qū)，地面機械難以進入作業(yè)，航空作業(yè)可很好地解決這一難題。

植保無人機具有精準作業(yè)、高效環(huán)保、智能化、操作簡單等特點，為農(nóng)戶節(jié)省大型機械和大量人力的成本。全國各地不少地區(qū)都已使用植保無人機進行藥物作業(yè)，受到了人們的肯定。據(jù)相關人士稱，未來農(nóng)業(yè)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(zhí)行農(nóng)藥噴灑。

智能氣象站：獲取當?shù)氐目諝鉂穸?、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(jiān)視無人機飛行中的參數(shù)(高度、速度等)，農(nóng)藥噴灑情況(剩余藥液以及噴灑密度等)，航線規(guī)劃(航線完成的進度)等。

RTK定位系統(tǒng)：RTK定位系統(tǒng)包含GNSS手持測繪器、RTK模塊和移動基站。RTK技術使作業(yè)前所規(guī)劃航線的精度達到厘米級，同時讓植保無人機實現(xiàn)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(huán)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(yè)。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(jīng)過特殊設計，防止藥物殘余；雜質過濾系統(tǒng)能有效地防止管道堵塞；創(chuàng)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(yè)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(nóng)等。

表3 國內主流植保無人機型號參數(shù)對比

3.4 植保無人機的環(huán)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(yè)，風力大于6級的天氣嚴禁作業(yè)。⑵地理因素：作業(yè)田塊周界10 m范圍內無人員居住的房舍。作業(yè)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(yè)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(yè)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(tài)。作業(yè)田塊應有適合操控人員行走的道路[3]。

4 展 望

隨著我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)代化的發(fā)展，農(nóng)業(yè)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(fā)展難題，從政策扶持、體制建設、技術保障、人員保障及安全監(jiān)管等多方面共同入手，提高無人機植保作業(yè)效率，實現(xiàn)農(nóng)作物病蟲害的統(tǒng)防統(tǒng)治，加快我國農(nóng)業(yè)航空植保無人機的發(fā)展步伐。

4.1 產(chǎn)學研合作模式有待推廣

企業(yè)和科研院校發(fā)揮各自優(yōu)勢進行產(chǎn)學研合作，研發(fā)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(xù)發(fā)展。發(fā)揮國內高校、科研單位、企業(yè)以及相關農(nóng)業(yè)航空聯(lián)盟與學會的作用，普及農(nóng)業(yè)航空知識，培養(yǎng)航空植保人才。將目前企業(yè)進行的植保無人機操控手的培訓納入農(nóng)機培訓的范疇，對無人機操控手進行無人機管理法規(guī)以及植保知識培訓，提高行業(yè)整體水平。近年來，華南農(nóng)業(yè)大學國家精準農(nóng)業(yè)航空施藥技術國際聯(lián)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(nóng)、新疆天山羽人航空植?？萍加邢薰镜榷嗉移髽I(yè)簽訂了產(chǎn)學研合作協(xié)議，開展了包括技術開發(fā)、聯(lián)合施藥試驗等實質性合作，并聯(lián)合國內十幾個省(自治區(qū))進行了有人機、無人機航空遙感與施藥、北斗衛(wèi)星導航等合作試驗與技術研發(fā)，目前已初見成效，是產(chǎn)學研合作的成功范例。

4.2 精準噴施作業(yè)未來可期

精準噴施作業(yè)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(shù)據(jù)融合，利用GIS技術創(chuàng)建精確的植保作業(yè)處方圖，依據(jù)處方圖預設作業(yè)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(huán)境形勢，根據(jù)實時采集到的環(huán)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(shù)，進行避障飛行和精準施藥，減少霧滴飄移，提高無人機作業(yè)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(huán)境下進行，更長遠的目標是要實現(xiàn)在快速變化的不確定環(huán)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(xiàn)真正意義上的植保無人機精準噴施作業(yè)。

4.3 “互聯(lián)網(wǎng)+農(nóng)業(yè)”促進服務增值

采用新一代信息技術，建立“互聯(lián)網(wǎng)+”精準農(nóng)業(yè)航空服務綜合服務平臺，為農(nóng)業(yè)航空植保作業(yè)服務商和終端農(nóng)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(jiān)管。通過平臺可對植保服務、作業(yè)效果和植保無人機檢測進行管理，對作業(yè)人員、植保無人機及其他物資進行統(tǒng)一調配，利用大數(shù)據(jù)技術為廣大農(nóng)戶提供多種無人機植保增值服務。隨著植保無人機產(chǎn)業(yè)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(fā)展[4]。

植保無人機的應用技術將為我國現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展帶來巨變，特別是在發(fā)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(guī)藥劑的飛防登記管理，鼓勵農(nóng)化企業(yè)研發(fā)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(fā)展階段，為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展和鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的實施發(fā)揮重要支撐作用。