我国植保无人机发展现状与展望

蔡银杰，孙 娟，丁晓辉，张 爽，冯成玉，肖 颖，沈丹波，焦阳阳，郭仪萱

(1.南通科技职业学院，江苏南通226007；2.南通市农业新技术推广协会，江苏南通226007；3.海安市植保植检站，江苏海安 226600；4.南通市农机化技术推广中心，江苏南通 226006；5.海安焦氏谷物种植专业合作社，江苏海安 226600)

中国作为拥有1.2亿hm2(18亿亩)基本农田的农业大国，每年的农业植保作业量很大，由此带来的问题也很多。据统计，中国每年因防治病虫害不及时，造成的粮食作物产量损失达10%以上。我国每年农药中毒人数有10万之众，致死率约20%，农药残留和污染造成的健康伤害、生态危害更是难以统计。近20年来发达国家一直都在使用无人机进行农药喷洒，主要因为小型无人驾驶直升机用于植保病虫防治具有很多优点，如作业高度低，飘移少，可空中悬停，无需专用起降机场，旋翼产生的向下气流有助于增加雾流对作物的穿透性，防治效果高，远距离遥控操作，避免了喷洒作业人员暴露于农药的危险等。另外，植保无人机采用喷雾喷洒方式可减少农药使用量，节约90%的用水量，很大程度地降低了资源成本，可广泛应用于小麦、水稻、果树、棉花等农作物的病虫害防治。

农业部专家对中国航空植保技术需求情况的预测表明，中国农业航空产业是一个尚未真正启动的大产业，未来中国农业航空市场的需求将会有爆发性增长，新增机型投入将达到465亿元以上。随着相关制度及配套核心技术的不断完善，中国农业航空产业必将得到健康、有序和高速发展，有利于实现农业病虫害统防统治，实现精准作业，极大地提速中国现代农业的进程。

1 植保无人机简介

植保无人机是用于农林植物保护作业的无人驾驶飞机，主要是通过地面遥控或GPS飞控，来实现喷洒作业，可以喷洒药剂、种子等。与传统植保作业相比，无人机植保作业具有精准、高效、环保、智能化、操作简单等特点，此外，由于植保无人机体积小，重量轻，运输方便，飞行操控灵活，对于不同的地块、作物均具有良好的适用性，因此其应用前景非常广阔，近年来受到大众的广泛关注。

1.1 植保无人机种类

植保无人机大致有2种分类方式：⑴ 按动力可分为油动无人机(发动机作为动力装置)、电动无人机(电机作为动力装置)；⑵ 按机型结构可分为固定翼无人机、单旋翼无人机、多旋翼无人机。固定翼飞机主要应用于农田信息采集和农田遥感，具有载量大，飞行速度快，作业效率高等特点。作业时一般采用超低空飞行，距离作物冠层 5～7 m，对于作业区域的地形要求高，一般在开阔的农场里应用较广。单旋翼植保无人机有双桨、三桨2种型号。其优点是旋翼大，抗风能力强，飞行稳定，雾化效果好，下旋气流大，穿透力强，农药可以打到农作物的根茎部位，缺点是造价较高，操控难度比较大，对飞手素质要求较高。多旋翼植保无人机有四旋翼、六旋翼、八旋翼、六轴十二旋翼、八轴十六旋翼等机型。其优点是造价相对较低、简单易学、短时间即可上手作业。缺点是抗风性能较低，连续作业能力较差，效率不高。单旋翼和多旋翼无人机的体积、载重均相对较小，操纵灵活，适宜于在较为分散的农田区块内进行作业，在我国广大农村植保作业中有较强的实用性。

表1 植保无人机按机型结构划分及作业特点

1.2 植保无人机构造

无人机有三大核心技术，分别是总体设计、动力系统和飞控系统。相比军用无人机，植保无人机是一种相对低端的无人机，其结构较为简单，技术的难点在于动力、电池、飞控系统以及喷嘴等几个方面。

植保无人机的机体重量通常为10 kg左右，负载为10～15 kg，因而对于动力系统总体要求不高，一般使用燃油动力发动机(油动)或者电机(电动)就可以满足动力需求。不过，无论是选用油动还是电动装置，续航问题仍然是困扰植保无人机厂商的一大难题。目前行业内较为常见的续航时间仅为10～15 min(少部分在20 min以上)，这在很大程度上影响了其使用效率。

控制器是无人机的核心部件，是制约产业发展的核心因素。飞机控制器的算法开发需要很长时间的积累。国内的无人机从消费级兴起，工业级别的控制器开发相对较弱。植保无人机需要在各种地形环境、风力级别等复杂环境下进行工作，因此在开发前期需要积累大量的基础数据。不过，由于近年来飞控系统逐步走向开源，导致行业的技术壁垒降低，使得更多厂商进入成为可能。目前，国内植保无人机的飞控系统开发基本采用国外开发成型的飞控平台或者国内自主开发的飞控平台加载喷药系统。国内也仅有大疆、傲翼飞控、零度智控等少数企业具备飞控系统供应能力。

喷嘴是保证农药喷洒效果的重要零部件，因无人机飞行喷洒作业会产生飘移，故需要开发雾滴谱窄，飘移低的航空专用可控雾化系列喷嘴。此外，由于植保无人机作业环境差异性大，需要根据喷嘴、药液类型、天气状况等因素预测可能产生的飘移、雾滴的运动和地面沉积模式等因素，因而需要建立强大的数据库以支撑作业的高效进行。目前，国内企业在此环节均处于经验积累阶段，仅有少部分公司经过多年的试飞和作业试验后积累了较为丰富的经验。

2 我国植保无人机发展概况

尽管迄今中国植保无人机发展迅速，但是其作业面积仍不足耕地面积的3%，与世界上农业航空较发达国家如美国、俄罗斯、澳大利亚、加拿大、巴西、日本、韩国等仍存在较大的差距[1]。国内农业航空业自1951年开始探索，从起步、发展直至成熟历经67年。具体情况见表2。

进入2017年，新疆、河北、河南和湖北等农业大省区，植保无人机已经能大规模作业了，比如，极飞公司在新疆组织的“百团大战”完成了 13.3万 hm2(200万亩)的棉花落叶剂喷洒作业，安阳全丰在河南完成了6.7万hm2(100万亩)的集中连片统防统治作业。整体看，在内地20 hm2(300亩)以上的大户，以及新疆和东北66.7 hm2(1 000亩)以上的大户对植保无人机接受度最高。至2017年底，据不完全统计，全国植保无人机保有量超过10 000架，作业面积超过670万hm2。目前，在主流的电动多旋翼植保无人机市场，已经形成以大疆、极飞占据多数市场，汉和、全丰位居第二阵营，其他企业分食剩余市场的格局。2017年整个飞防市场是跑马圈地阶段，2018年正式步入降价竞争阶段，价格已经成为各企业争夺的焦点。比较显著的是在2018年4月北京举办的“世界精准农业航空大会”上湖北龙翼机器人有限公司推出了6 kg机型，采用铝合金机身，简化操控系统，成功将价格压缩在1万元之内，而价格的降低，则意味着普通农户市场将会进一步被打开[3]。

表2 国内无人机植保发展阶段

3 我国植保无人机应用情况

3.1 农田药物喷洒

植保无人机施药技术的目标是精准施药，实现高效的农作物病虫草害防治。近年来，农作物病虫害逐渐呈现爆发的趋势，有时人工防治效率不够，大面积病虫害发生时无法及时防治，从而错过最佳防治时期。一般的植保无人机每次装药可以喷洒8～10 min，每次起降可喷洒 0.667～1.333 hm2(10～20亩)农田，是目前传统的人工喷洒速度的20～60倍，可以在病虫害的最佳防治时期快速完成飞防作业，从而保证了防治的最佳效果，降低了因防治不及时给农民带来的损失。

此外，植保无人机飞行产生的下降气流吹动叶片，能使叶片正反面均能着药，防治效果相比人工与机械提高15%～35%，应对突发、爆发性病虫害的防控效果好；不受作物长势的限制，可解决作物生长中后期地面机械难以下田作业的问题。例如：作物生长至封行后行垄不清晰，特别是对于玉米等高秆作物，玉米大喇叭口期高度一般都在1.2 m以上，与拖拉机配套的普通悬挂式、牵引式喷杆喷雾机难以进入进行杀虫剂、杀菌剂、除草剂以及催熟脱叶剂、增糖剂、叶面肥料等喷洒作业，尤其在丘陵山区交通不便、人烟稀少或内涝严重的地区，地面机械难以进入作业，航空作业可很好地解决这一难题。

植保无人机具有精准作业、高效环保、智能化、操作简单等特点，为农户节省大型机械和大量人力的成本。全国各地不少地区都已使用植保无人机进行药物作业，受到了人们的肯定。据相关人士称，未来农业植保领域将会有千亿市场空间[2]。

3.2 植保无人机的配置单

植保无人机：用于执行农药喷洒。

智能气象站：获取当地的空气湿度、温度、气候条件以及风速风向等。

智能手持终端(地面端)：用于实施监视无人机飞行中的参数(高度、速度等)，农药喷洒情况(剩余药液以及喷洒密度等)，航线规划(航线完成的进度)等。

RTK定位系统：RTK定位系统包含GNSS手持测绘器、RTK模块和移动基站。RTK技术使作业前所规划航线的精度达到厘米级，同时让植保无人机实现厘米级高精度航线飞行[5]。

智能电池：智能电池由高密度锂聚合物制成，具有自动平衡功能，可以防止电池的过度充放电，极大的提高了电池的使用寿命。智能电池在低温环境下还可以自动加热，使得无人机在严酷的气温条件下也能正常作业。药箱：要采用防止浪涌结构的药箱，提升空间利用率；药箱内部经过特殊设计，防止药物残余；杂质过滤系统能有效地防止管道堵塞；创新的药箱插口设计，使其即插即用，即拔即关，方便易用，提高作业效率。

3.3 常用植保无人机品牌

多旋翼：大疆MG-1S(MG-1P)、极飞P20(P30)、零度Z10、守护者、天鹰兄弟等。

单旋翼：无锡汉和、高科新农等。

表3 国内主流植保无人机型号参数对比

3.4 植保无人机的环境因素选择

⑴ 天气因素：雨天严禁飞行，风力大于4级的天气暂缓作业，风力大于6级的天气严禁作业。⑵地理因素：作业田块周界10 m范围内无人员居住的房舍。作业田块周界10 m范围内无防护林、高压线塔、电杆等障碍物。作业田块中间无影响飞行安全的障碍物或影响飞行视线的障碍物。作业田块周界或田块中间有合适飞机的起落点。作物高度应低于操作人员的视线，操作人员能够观察到飞机飞行姿态。作业田块应有适合操控人员行走的道路[3]。

4 展 望

随着我国农业生产现代化的发展，农业对植保无人机的需求量逐年增加。需积极采取有效措施应对发展难题，从政策扶持、体制建设、技术保障、人员保障及安全监管等多方面共同入手，提高无人机植保作业效率，实现农作物病虫害的统防统治，加快我国农业航空植保无人机的发展步伐。

4.1 产学研合作模式有待推广

企业和科研院校发挥各自优势进行产学研合作，研发适用的先进植保无人机及其配套技术，推动科研院校的成果转化，加快推进植保无人机的可持续发展。发挥国内高校、科研单位、企业以及相关农业航空联盟与学会的作用，普及农业航空知识，培养航空植保人才。将目前企业进行的植保无人机操控手的培训纳入农机培训的范畴，对无人机操控手进行无人机管理法规以及植保知识培训，提高行业整体水平。近年来，华南农业大学国家精准农业航空施药技术国际联合研究中心与安阳全丰、广州极飞、北大荒通用、山东瑞达、深圳高科新农、新疆天山羽人航空植保科技有限公司等多家企业签订了产学研合作协议，开展了包括技术开发、联合施药试验等实质性合作，并联合国内十几个省(自治区)进行了有人机、无人机航空遥感与施药、北斗卫星导航等合作试验与技术研发，目前已初见成效，是产学研合作的成功范例。

4.2 精准喷施作业未来可期

精准喷施作业是确保植保无人机有效防治病虫的前提。通过多传感器、多光谱辅助、多时甚至多分辨率遥感数据融合，利用GIS技术创建精确的植保作业处方图，依据处方图预设作业路线，通过植保无人机的智能飞行控制，进行无人机的远程控制或自主飞行。植保无人机自主飞行时，通过传感器、GPS导航、遥感和超声波测距等技术，在线感知环境形势，根据实时采集到的环境信息进行建模分析和辅助决策，及时调整飞行路线和施药设备参数，进行避障飞行和精准施药，减少雾滴飘移，提高无人机作业效率。目前，大部分植保无人机智能飞行控制的研究是在相对确定的环境下进行，更长远的目标是要实现在快速变化的不确定环境下，增强植保无人机对地形的适应能力，提高植保施药和飞行控制精度，实现真正意义上的植保无人机精准喷施作业。

4.3 “互联网+农业”促进服务增值

采用新一代信息技术，建立“互联网+”精准农业航空服务综合服务平台，为农业航空植保作业服务商和终端农户提供沟通和服务的桥梁，便于政府和有关部门对植保无人机实施跟踪和监管。通过平台可对植保服务、作业效果和植保无人机检测进行管理，对作业人员、植保无人机及其他物资进行统一调配，利用大数据技术为广大农户提供多种无人机植保增值服务。随着植保无人机产业化的推进，技术、人员和配套设施保障的加强，植保无人机的应用将向多元化、精准化和智能化发展[4]。

植保无人机的应用技术将为我国现代农业发展带来巨变，特别是在发展植保无人机技术的同时，国家通过制定相应的扶持政策，完善标准与补贴制度，引导常规药剂的飞防登记管理，鼓励农化企业研发飞防专用药剂，进一步完善植保无人机技术维护保障机制。植保无人机必将步入快速发展阶段，为现代农业发展和乡村振兴战略的实施发挥重要支撑作用。