我國無人植保飛機發(fā)展和亟需解決的幾個問題

顏 軍，李妍芬

（長沙市農(nóng)業(yè)機械研究所，湖南 長沙 410128）

隨著黨的“十九大”勝利召開，農(nóng)村土地承包期限再延長，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)迎來了又一輪發(fā)展熱潮。土地確權(quán)帶來了新的農(nóng)業(yè)投資機遇。各種基礎(chǔ)設(shè)施，生產(chǎn)設(shè)備出現(xiàn)井噴勢發(fā)展。我國的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)機械化發(fā)展迅猛，耕、種、收的綜合機械化率普遍達(dá)到70%以上，但機械植保仍是薄弱環(huán)節(jié)。近年來，我國無人植保飛機迅速發(fā)展，較好地破解了這個關(guān)鍵難題。

1 植保無人機作業(yè)的特點

1.1 作業(yè)適應(yīng)性廣

首先，植保無人機可垂直起降，不受地形限制，能在地面裝備難以進(jìn)入的區(qū)域之內(nèi)作業(yè)，可很好地解決地面機具難以進(jìn)入山地、梯田、水田、濕地、密林等地作業(yè)的難題。尤其是遇到嚴(yán)重內(nèi)澇季節(jié)，當(dāng)?shù)孛鏅C械無法進(jìn)入作業(yè)時可發(fā)揮奇效；同時，作業(yè)時不受作物長勢的限制。當(dāng)作物生長至封行后行壟不清晰，特別是對于玉米等高桿作物也能實現(xiàn)高效率作業(yè)。因玉米大喇叭口期高度一般都在1.2m以上；水稻制種生產(chǎn)中父本可高達(dá)1.8m以上，人工作業(yè)難以全面實現(xiàn)覆蓋，但通過高空作業(yè)可輕松實現(xiàn)。其次，與地面裝備田間作業(yè)相比，不會留下轍印和損壞農(nóng)作物，破壞土壤物理結(jié)構(gòu)，影響作物后期生長；最后，能在人居與農(nóng)田混雜區(qū)域作業(yè)。

1.2 作業(yè)效率高

無人機在超低空作業(yè)時，飛行速度為3～6m/s，噴幅可達(dá)5～9m，除去續(xù)航加藥時間，每小時作業(yè)面積可達(dá)5～8hm2，其效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于人工水平。

1.3 作業(yè)質(zhì)量好

無人機旋翼產(chǎn)生的下降氣流吹動葉片，可提高作物下部及葉片背面藥液附著率，防治效果相比人工與傳統(tǒng)施藥機械可提高15%～35%，應(yīng)對突發(fā)、爆發(fā)性病蟲害的防控效果好。無人機作業(yè)，藥液霧化，其霧滴更小，更易附著在作物的葉片上。根據(jù)農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機械化研究所進(jìn)行的“航空植保藥液沉積率試驗”，水稻下部附著率為上部附著率的53.2%;葉背附著率是葉面附著率的47.8%。根據(jù)“水稻分蘗期田間防效試驗”結(jié)果顯示植保無人機作業(yè)對縱卷葉螟和稻飛虱的防治效果明顯高于常規(guī)防治。

1.4 作業(yè)成本低

無人機采用低量噴霧，用藥量400～1000ml/畝，一般來說，可節(jié)水90%，節(jié)藥15%～30%，大大降低了成本。據(jù)統(tǒng)計：采用25kg有效載荷的單旋翼油動力無人機進(jìn)行噴施作業(yè)的年度收益是使用機動噴霧機的33倍，是人工手動噴霧的133倍；采用15kg有效載荷的單旋翼電動無人機進(jìn)行噴施作業(yè)的年度收益則分別是機動噴霧機的25倍和人工手動噴霧的93倍。

1.5 應(yīng)付突發(fā)災(zāi)害的能力強

針對連片大面積農(nóng)田病蟲害防治、大面積衛(wèi)生防疫消殺等突發(fā)性災(zāi)害的防治，能迅速、有效地應(yīng)對。

1.6 實現(xiàn)人、藥分離，減少人員傷害

無人機在噴藥的作業(yè)過程中，可讓操作手和農(nóng)藥保持一定的距離，減少對人員的危害。

2 我國植保無人機的現(xiàn)狀

2.1 農(nóng)用無人機的應(yīng)用領(lǐng)域

農(nóng)用無人機主要應(yīng)用于低空農(nóng)情信息遙感獲取、農(nóng)業(yè)航空植保及作物制種輔助授粉等，目前應(yīng)用得最多，也是最主要的是“農(nóng)業(yè)航空植保”。

2.2 無人機植保的發(fā)展特點

第一起步晚。首先國內(nèi)農(nóng)用植保無人機研發(fā)始于2005年，2010年國內(nèi)研制成功第一架油動植保無人機并開展田間試驗，隨著科技進(jìn)步和量產(chǎn)化帶來的成本下降，自2015年起我國植保無人機進(jìn)入高速發(fā)展期；第二發(fā)展快。2015年前無人機植保作業(yè)大部分為輔助作業(yè)模式，需要3人或3人以上參與觀測、操控及更換噴灑用藥，2016年植保無人機發(fā)展出自主作業(yè)模式，即采用精準(zhǔn)定位結(jié)合飛控系統(tǒng)測繪田塊，智能規(guī)劃航線，一鍵起降及返航的自動噴灑作業(yè)模式；第三應(yīng)用廣。雖然我國的農(nóng)用無人機技術(shù)起步較晚，但近年來隨著科技力量的不斷投入，我國農(nóng)用植保無人機的研究也步入了新的發(fā)展階段，機型越來越多，應(yīng)用范圍越來越廣，技術(shù)研究越來越深入，推廣速度也越來越快。目前已可應(yīng)用于植保作業(yè)、林業(yè)監(jiān)測、作物授粉、牧群定位等多個方面。

2.3 植保無人機的類型

農(nóng)用無人機按照動力系統(tǒng)的不同可分為:燃油動力和電池動力兩類。燃油動力系統(tǒng)無人機以燃油發(fā)動機為動力、機身大、靈活性相對較差，需要一定的起降時間，且維護(hù)較為復(fù)雜，但單次飛行時間可超過1h；以電力為動力的無人機起降迅速，并具有操作靈活的優(yōu)點，但單次飛行時間一般只有10～15min。

農(nóng)用無人機按旋翼的不同可分為固定翼式、單旋翼式及多旋翼式。固定翼無人機由機翼產(chǎn)生升力，機翼位置和掠角等參數(shù)在飛行過程中保持不變；單旋翼無人機由主槳切割空氣產(chǎn)生推力，尾槳保證平衡，可垂直起降和穩(wěn)定地懸停；多旋翼無人機以3個或者偶數(shù)個對稱非共軸螺旋槳產(chǎn)生推力上升，以各個螺旋槳轉(zhuǎn)速改變帶來的飛行平面傾斜實現(xiàn)前進(jìn)、后退和左右運動，以螺旋槳轉(zhuǎn)速次序變化實現(xiàn)自轉(zhuǎn)垂直起飛降落，場地限制小，可在空中穩(wěn)定地懸停。

2014～2015年，一大批新型農(nóng)業(yè)航空企業(yè)迅速誕生，植保無人飛機正式進(jìn)入農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。植保無人機機型數(shù)約233個，其中單旋翼機型64個，約占27.5%，多旋翼機型168個，約占72.1%，固定翼機型1個，約占0.4%；油動力約占19.7%，電池動力約占80.3%。上述數(shù)據(jù)表明，當(dāng)前中國植保無人機以電池為動力的多旋翼機型為主。同時由于多旋翼無人機相對于單旋翼無人機和固定翼無人機具有機械結(jié)構(gòu)簡單、操作簡易以及對起飛地點要求不高等特點，預(yù)計未來幾年內(nèi)，中國植保無人機仍將以多旋翼電動無人機為主。無人植保機開始納入國家農(nóng)機補貼試點，服務(wù)作業(yè)量劇增，大量銀行、保險、風(fēng)險投資開始涌入植保無人飛機市場。2016年，我國載荷5升以上的農(nóng)用無人機保有量已達(dá)4869臺，超過日本位居世界第一；植保作業(yè)面積從2013年的不足10萬畝（1畝=667m2,下同）增長至2015年的1016萬畝；農(nóng)用無人機生產(chǎn)企業(yè)從2010年的不足10家增至2016年的260余家，無人機農(nóng)業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用產(chǎn)值達(dá)5億元。農(nóng)用無人機產(chǎn)品覆蓋單旋翼、多旋翼、油動、電動等品種，已形成具有中國特色的新興高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)，具備了一定的國際影響力。

3 我國植保無人機目前需要攻克的政策和技術(shù)難點

3.1 我國對植保無人機管理及政策不明確

雖然相關(guān)農(nóng)業(yè)部門出臺了國家和地方標(biāo)準(zhǔn)，但植保無人機同時也屬于航空器，國家在低空領(lǐng)域的管理仍然屬于航空管理部門，無人機黑飛現(xiàn)象仍不時被報道。

3.2 缺乏高穩(wěn)定性農(nóng)用無人機作業(yè)平臺

目前我國的植保無人機普遍存在“心臟病”問題。油動植保無人機主要采用風(fēng)冷機，有效壽命500小時，電動植保無人機一次作業(yè)時間10～15min。由于植保作業(yè)時特殊的高溫、高濕環(huán)境特點，油機易出現(xiàn)散熱不好導(dǎo)致拉缸的現(xiàn)象，電池也容易出現(xiàn)鼓泡。

3.3 無人機自主飛行控制系統(tǒng)的選擇與優(yōu)化

在坡度飛行、自動避障、自動路徑規(guī)劃、仿地飛行等方面仍需提高。

3.4 國內(nèi)生產(chǎn)企業(yè)過多，質(zhì)量參差不齊

由于植保無人機發(fā)展迅速，生產(chǎn)企業(yè)一哄而上，質(zhì)量良莠不齊，不少企業(yè)缺乏核心技術(shù)，只重銷售，在技術(shù)研發(fā)、機手培訓(xùn)等方面跟不上。

3.5 農(nóng)業(yè)航空噴施主要劑型的篩選與評價

目前我國的植保無人機主要采用的是80～150目的噴頭，藥劑在噴灑過程中易蒸發(fā)，形成局部藥害，且使用的一般為高濃縮藥 ，為應(yīng)對這種情況，在作業(yè)時需添加抗蒸發(fā)劑，缺乏 用于航空植保的專用藥劑。