亚洲农用植保无人机发展与应用

何雄奎，Jane Bonds，Andreas Herbst，Jan Langenakens

（1.中国农业大学理学院，北京 100193；2.邦德斯咨询有限公司，巴拿马城 32408 美国；3.德国联邦作物研究中心植保施药技术研究所，布伦瑞克 D-38104 德国；4.AAMS-Salvarani公司，马尔德海姆 9991 比利时）

1 引言

目前，亚洲地区农村劳动力结构发生了重大变化，农村劳动力短缺与农业劳动力需求的矛盾日益严峻，急需高效率的作业机具服务于农业生产。亚洲地区粮食与经济作物不像欧美等国家在大平原中种植，其生产生态条件复杂，大多是小地块、小规模、丘陵中非平原等高种植，且耕作制度多样，作物因高温高湿环境有害生物多发、频发、重发。按联合国粮农组织（FAO）自然损失率37%以上测算，若不采取防控措施，仅中国水稻每年因病虫危害可造成产量损失500亿公斤，潜在经济损失超过2 000亿元。

进入21世纪以来，受气候变暖、耕作制度变化、国际贸易频繁、病虫对农药抗性增强等多种因素的影响，亚洲地区作物生产灾害呈现诸多新特点：有害生物爆发频率逐年提高；迁飞性害虫种类此起彼伏；流行性病害种类连年猖獗；区域性有害生物种类突发成灾；抗药性有害生物种类增多、发生频繁；检疫性种类大肆侵入。现代农业建设的新形势是实现农业的高产、优质、高效、生态、安全，实现绿色消费、持续发展，建设资源节约型、环境友好型农业。为适应这一新形势，亚洲农用植保无人机得到迅速发展，为促进农业生产安全、农产品质量安全、农业生态安全、农业贸易安全，提供有力支撑。

当前，小型无人机低空低量航空植保在亚洲地区发展迅速，尤其是在中国、日本、韩国等东亚地区，研究与应用越来越广泛。这种迅速发展主要是因为植保无人机具有如下优越性：（1）植保无人机不需要固定机场，可以从耕地的边缘、公路上、或者一辆卡车的顶部着陆，节省了航空公司和农林航空植保组织机构整修航站（点）、跑道的经费开支。同时，也可以不用专用机库存放；（2）植保无人机的转弯半径小，可在空中悬停进行掉头，十分灵活；（3）植保无人机的爬升率大，可在空中垂直上下飞行，超低空作业性能好；（4）植保无人机的空飞率低，可在作业区的空地上就地加油、加药，减少了无效作用时间；（5）非常适合复杂地形的小地块作业，即可在相对高度差大的复杂地带和分散零星的小面积上作业，且功效高；（6）使用简便、维护简单，自动化程度高，作业机组人员相对较少，劳动强度低。

从喷洒效果上看：（1）具有直升机的高效作业性能和良好喷洒效果；（2）植保无人机速度变化灵活，可以从零直接飞到正常速度，低速条件下作业有较好的雾滴覆盖，特别是旋翼产生的下旋气流，可减少雾粒的飘散，同时由于下旋气流而产生上升气流可使农药雾滴直接沉积到植物叶片的正反面；（3）植保无人机的空中悬停的功能使其具有单株喷洒能力。

从成本和安全性上看：（1）植保无人机的整体使用费用相对较少，虽然购机费用较高，但无需机场建设，与有人机相比性价比较高；（2）植保无人机的安全系数较高，特别是旋翼机，在发动机失效时，利用旋翼的自转性，通过驾驶员正确的操作，其迫降着陆速度可接近于0，另外植保无人机能通过减缓速度快速反应来增加飞行安全性和可预见性。

2 亚洲农用植保无人机发展现状

2.1 韩国植保无人机与施药技术

韩国本国基本不生产植保无人机，主要引进日本和中国的植保无人机及施药技术，用植保无人机每年水稻需喷药 2～3 次，韩国植保无人机施药技术与日本基本相似。因此，本文主要对中国及日本农用无人机发展情况进行解析。

2.2 中国无人机与低空低量航空施药技术

中国的农用航空事业起步较晚，但近10年，中国植保无人机与低空低量航空施药技术发展迅速。中国的农用航空始于20世纪50年代初，运用的机型主要有“Y-5B（D）”、“Y-ll”、“蓝鹰AD200N”、“蜜蜂3型”、“海燕650B”等固定翼机型。20世纪90年代专为超轻型飞机配套设计的3WQF型农药喷洒设备，可广泛用于水稻、小麦、棉花等大田农作物的病虫害防治、化学除草、草原灭蝗、森林害虫防治等。1995年由北京科源轻型飞机实业有限公司生产的蓝鹰AD200N型飞机主要用于农田、林带病虫害防治、卫生防疫及静化水源等，有效喷幅达22～30m，作业速度110km/h，单日每架次作业量可达万亩，而施药量仅0.10～0.25kg/亩，防效达90%以上。1999年由中国林业科学研究院研制的HU2-HWl型超低容量喷洒设备及NT100GPS导航系统与海燕650B飞机配套技术，应用在广西武鸣林区防治病虫害，并进行了相关试验研究。目前，中国有农林用固定翼飞机1 400架，直升机60余架，无人机2 000余架，使用固定翼飞机和直升机防治农林业病虫草害和施肥的面积达到200多万hm2。但和农用航空发达国家相比差距仍十分巨大：我国农用飞机拥有量仅占世界农用飞机总数的0.13%左右；农业航空作业面积占耕地面积的1.70%（发达国家40%～50%）；喷洒设备性能差。

国内通用轻小型农用植保无人机主要有“Z-3”、大疆“MG-1”、“天鹰-3”、2009～2010年中国农业大学研发的单旋翼“CAU- 3WZN10A”与多旋翼“3WSZ-15”等。近10年来农用植保无人机低空低量作业逐渐兴起、发展迅猛。据农业部相关部门统计，截至2016年5月，全国在用的农用无人机共178种，可挂载5～20L的药箱，喷幅在5～20m之间，可适用于不同的施药条件，喷雾作业效率高达6hm2/h，能有效及时防治水稻病虫草害。至今，全国农业航空技术95%以上用于航空植保作业，还有5%左右用于农情信息获取、航空拍摄、农作物的辅助育种等。2011年，农林航空作业33 158h，主要用于黑龙江、内蒙古、新疆与河南等粮食作物主产区，但不足全部植保作业面积的3%。

国内农用植保无人机按结构主要分为单旋翼和多旋翼两种，按动力系统可以分为电池动力与燃油动力两种，如图1、图2所示，种类达10多种，一般空机重量10～50kg，作业高度1.0～5m，作业速度小于8m/s。电池动力系统的核心是电机，操作灵活，起降迅速，单次飞行时间一般为10～15min。燃油动力系统的核心是发动机，灵活性相对较差，机身大，需要一定的起降时间，单次飞行时间可超过1h，维护较复杂。单旋翼无人机药箱载荷多为5～20L，部分机型载荷可达30L。多旋翼无人机多以电池为动力，较单旋翼无人机药箱载荷少，多为5～10L，其具有结构简单、维护方便、飞行稳定等特点，喷雾作业效率高达0.2hm2/min。

2009年，中国农业大学药械与施药技术研究中心（Center for Chemical Application Technology，CCAT）与山东卫士植保机械有限公司合作研发了国内第一种多旋翼植保无人机，包括搭载10L药箱的8旋翼机和搭载15L药箱的18旋翼机两种机型（图1b）。

截至2016年，中国有超过200家企业生产的169种农用无人机，已经在包括水稻、小麦、玉米、甘蔗、果树、棉花等多种作物上进行了病虫害防治作业，实际效果证明已经能够达到实用水平，正处于快速发展阶段。

图1 国产单旋翼及多旋翼植保无人机

2.3 日本小型农用无人机及施药技术

日本是最早将无人驾驶直升机施药技术运用于农业生产的国家，也是当今世界上该技术发展最成熟的国家之一。由于日本农业经营规模相对较小，常规的大型地面施药技术装备难以适应，所以日本农用航空主要以无人直升机为主。1985年，日本雅马哈公司率先推出世界第一架农用无人机Yamaha-R50型，其有效载荷为5kg（图3a），主要用于农药布撒。截止2005年10月底，日本登记在册的农用无人直升机保有量己经从1995年的307架增加到2 002架，年均增长13.80%，用于农林业方面的无人直升机，仅Yamaha-Rmax系列就有1 200多架。防治面积从1997年的20万hm2增加到60万hm2，年均增长20.10%，已经超过了有人驾驶农用直升机的防治面积。截至2012年，日本农用无人直升机作业面积为96.3万hm2/年，占种植面积的50%～60%，拥有农林业用无人直升机2 346架，无人机操控手14 163人；无人机植保作业效率高达7～10hm2/h，喷洒面积的总和为963 250hm2。雅马哈公司在日本植保无人机市场占有率达90%，除雅马哈公司外，日本还有铃木和Yama Motor公司生产小型农用植保无人机用于水稻及其他农作物的病虫害防治。从2015年开始，一些日本企业开始推出4旋翼、6旋翼、8旋翼等多旋翼植保无人机。

图2 几种典型的国产植保无人机

随着农用小型无人植保机的不断发展和成熟，日本航空喷雾技术也发生了很大的进步。药箱从5L发展到24L，施药液量从每公顷大于30L的喷洒作业的常量喷洒，发展到5L/hm2的低量喷洒，再到小于1L/hm2的超低量喷洒。日本航空喷雾技术的发展趋势是采用超低量喷雾技术，技术与产品已非常成熟，雅马哈公司2010年研发的最新机型R-Max 3880（图3b），飞机左右两边各配置一个12L的药箱，加药与换药时间不到1min，启动、操作、喷施作业非常简单。

图3 雅马哈农用植保无人机

目前，日本对主要从以下两方面进行航空喷雾控制技术的研究：（1）建立飞机喷雾的雾滴分布仿真数学模型，通过模型分析雾滴沉降规律，研究喷施高度、风速、不同飞机对雾滴粒径及雾滴漂移的影响。另一个已投入使用的技术是可控雾滴技术，飞行员按作业条件选择相应的喷嘴和喷雾参数达到控制雾滴种类、直径、漂移率等，取得最佳喷雾效果。（2）GPS及精准施药技术在航空作业中的使用。航空植保作业时，通过用户模块（SSM）中不同区域（较小的面积单元）所需杀虫药、肥料用量，进行变量喷施。最近，远程控制平台也得到应用，当飞机到达作业区域时，GPS能实时将作业区域的信息图像传送到控制平台，但是当飞机速度大于或等于65m/s时，GPS技术尚不能很好完成即时数据回传，但在较小速度下的使用已能达到作业位置精确定位与自动导航，最终实现精确施药及喷幅精确对接。

标准配置的雅马哈R-Max 3880的性能作业参数如表1、表2所示。

表1 雅马哈R-Max3880型无人机的技术经济性能参数

表2 雅马哈R-Max3880型无人机的使用成本/（万日元）

在日本雅马哈R-Max 3880单机售价1 000万日元，有的地方政府会对采购进行约50%的补贴。售后服务体系非常齐全，日本在全国各地都有厂家认可的修理工厂，发生故障后，可以开车拉去24小时营业的修理工厂修理。

雅马哈飞机的故障率不高，一般控制在5.8%以内，主要故障由人为操作不当造成，如飞机与电线、树枝接触引起的坠落。但其修理费用非常高，一副大桨30万日币，坠落一次修理费用为 200～300万日元，因此每架飞机都买保险。

飞机喷洒系统装备3个圆锥雾/扇形雾喷头，较少使用离心式喷头，喷头的配置为中心一个，左右各一个，两边对称。飞机使用寿命1 000h，使用年限6～9年。两边各配置一个12L药液箱，插入式药箱装卸仅需1s；每架飞机作业面积约0.2～0.3 km2，飞机滞空时间为5h。

飞机大多采用半自主控制：高度采用自动控制；喷洒间距采用手工控制，最远飞行200m；飞行姿态自主控制，速度、方向由人工控制。

操控人员培训需15天，培训费用60万日币／人。喷洒服务价格为不含农药2万日币／hm2（约106元／亩），含农药3万日币／hm2（约160元／亩）。日本无人直升机分布如表3所示（截至2012年）。

表3 日本无人直升机分布情况

3 亚洲植保无人机应用现状

2012年至2013年，中国农业部组织了为期两年的中日韩三国国际合作研究项目“无人机水稻高效施药技术研究”，中国农业大学药械与施药技术中心CCAT为中方的负责单位，研究人员不同时期在三个国家分别进行了大量的无人机施药田间试验，所有参与成员共享无人机施药技术研究成果和信息。

图4 “无人机水稻高效施药技术研究”国际合作项目

3.1 中国植保无人机的应用

以水稻为例，在中国水稻种植面积高达306万hm2，土地分散，户均种植面积约1.15hm2；水稻自给率达99%以上。但用于水稻化学防治的机具却十分落后，约70%的植保机械产品技术水平仅相当于发达国家20世纪60～70年代的水平，只有约10%的产品能够达国际20世纪80年代末90年代初的技术水平。落后的施药机具及传统的施药技术普遍存在的现状与高速发展的农药水平极不相称，已严重妨碍了农林病虫草害的防治，并带来了许多负面影响，如农药的利用率低、农产品中农药残留超标、环境污染、作物药害、操作者中毒等，无法满足新的植物保护任务需求。而航空喷雾是一种非常重要且及时有效的高效施药方法，其特点是效率高、效果好、立体性强、不损伤作物、劳动强度低、一机多用等。由于各种因素的限制，目前中国在农林应用上的飞机还是以固定翼和直升机等有人驾驶飞机为主，小型无人直升机在农业上的研究和应用在近10年才得到发展。

中国农业大学药械与施药技术研究中心CCAT2013年1月在海南水稻种植区对13种国产植保无人机进行了测试评价（图5），结果表明参试的所有国产无人机喷雾作业均可以对水稻病虫害有明显的防治效果。以此实验结果为基础，中国农业部从2013年起开始在全国范围内推广小型植保无人机低空低量航空植保技术。

图5 2013年1月海南13种植保无人机水稻田间施药测试

2015年6月，中国农业大学药械与施药技术中心CCAT与来自美国和德国的施药技术专家合作，在河南省安阳市小麦种植区进行了植保无人机施药雾滴空间质量平衡试验研究，使用雾滴空间质量平衡测试法SSDQB，如图6、图7所示，采用研制的空间质量平衡收集装置、一机装载GPS系统和北斗卫星定位两套定位系统，与多通道智能微气象测量系统等测试系统结合，对3种植保无人机不同飞行方式、飞行参数和侧风条件影响下的雾滴沉积分布和飘失特性进行了评估。3种参试无人机分别为3WQF80-10型油动单旋翼无人植保机（河南安阳全丰航空植保技术有限公司），CG-Q60S型电动四旋翼无人植保机（珠海绿卫士航空植保技术有限公司），LHX8-3WD10型电动八旋翼无人植保机（武汉洛克希德无人机科学研究院有限公司），试验结果表明：该方法可以有效获得准确飞行速度和高度下无人机施药雾滴空间分布情况和下旋气流场分布情况；飞行方式及参数、高度和侧风3种因素对单旋翼无人机喷雾雾滴产生的影响可以通过改变其旋翼下旋气流场在垂直于地面向下方向的强度，减弱气流对雾滴的下压作用来实现的。

图6 3种参与空间质量平衡试验研究的植保无人机

图7 植保无人机施药雾滴空间质量平衡系统方法SSDQB

3.2 日本植保无人机的应用

在日本水稻种植面积达160万hm2，土地分散，户均种植面积约1.5hm2；农产品自给率仅40%左右，但稻谷自给率达96%以上；农业人口老年化严重，平均年龄达66岁；农业现代化水平相当高，水稻生产基本实现了全程机械化，经济作物生产设施化程度较高；20世纪80～90年代国家投人大量经费开展农田水利基础设施建设，灌溉条件好；水稻上的农药喷雾由政府的农业事业部门和日本农协这两个系统来开展，农协和服务组织发达，在生产、技术推广和服务方面发挥了重要作用。

日本水稻上发生的主要病虫种类有稻飞虱类（灰飞虱、褐飞虱、白背飞虱）、稻象甲、蜷类、稻瘟病、水稻纹枯病等，病虫害种类比中国南方稻区少，发生程度也比中国南方稻区轻，与中国北方稻区相似。水稻病虫害防治以化学农药防治为主。日本农药工业协会统计，2011年水稻用农药产量为72 162t，其中除草剂31 729t、占44.00%，杀虫杀菌复配剂17620t、占24.40%，杀虫剂14 285t、占19.8%，杀菌剂8 528t、占11.80%。重视种子处理和秧苗期防治，用药量占总量的70%，大大减少了大田用药次数，只需2次左右。应用大型高效施药机械，作业效率和农药利用率高，自走式水田喷杆喷雾机占30%，植保无人机近60%，其它小型机械10%。在亚洲地区水稻无人机航空施药技术与装备水平日本最发达。

3.3 韩国植保无人机应用

韩国国土面积22万km2，以丘陵地貌为主，人口4 760万。耕地面积190万hm2，农业人口占7.5%，120万农户，户均耕地1.4hm2。农作物种植面积170万hm2，且有逐年减少趋势，其中水稻89万hm2，蔬菜20万hm2，水果15万hm2。农产品自给率低，但稻谷满足率达98%以上。蔬菜生产设施化程度高，水稻生产基本实现了机械化，飞机施药面积达15%，其中无人直升机占10%。

韩国的农技推广与农业科学研究、农民教育三位一体，由农村振兴厅负责。农村振兴厅和9个道政府均下设有研究、农业技术推广普及与实验场等部门，157个市、郡均设有农业技术中心和技术普及课。农业技术研究推广体系共有1万余人，其中研究人员19%，推广人员50%，管理人员31%，全部为公务员。韩国水稻病虫害主要有稻飞虱类（灰飞虱、褐飞虱、白背飞虱）、稻纵卷叶螟、稻水象甲、稻瘟病、水稻纹枯病等，发生程度也比中国南方稻区轻，比中国北方稻区重，不防治可造成水稻损失19%左右，通过防治稻谷损失可控制在3%以内。水稻是韩国第一大农作物，占农作物总面积的50%，对水稻病虫监测与防控十分重视。全国设有国家水稻病虫预测圃150个，每10km2设立水稻病虫观察调查点一个，定期或不定期通过网络、大众媒体发布预报、注意报和警报。病虫害发生季节农村振兴厅组织专家到各地巡视，市、郡农技中心到农户和田头指导防治。重视农民培训、技术示范和现场指导。重视种子处理和秧苗期防治，以前大田用药防治次数需4～5次，现在只需2～3次。水稻上的航空施药技术水平低于日本和中国，中日韩水稻种植面积和农用无人机施药现状如表4所示。

表4 中日韩水稻种植面积和农用无人机施药现状

4 植保无人机航空施药技术发展的挑战与对策

由于中国等亚洲很多国家都面临着人口老龄化和人口缩减的严峻形势，农业劳动力短缺的趋势未来会愈发明显，为了保障中国农业的稳定和可持续发展，加快实现农业机械化已经成为中国国家层面的发展战略。植保无人机低空低量航空施药技术的应用符合当前中国农业发展的要求，以省时、省力、安全、高效的方式进行施药作业，提升了中国植保机械化水平。在农用植保无人机快速且迅猛发展的过程中，既充满机遇又面对挑战。

（1）使用植保无人机进行农药喷洒作业相对于传统施药方式优势明显。植保无人机低空低量施药在中国已应用在玉米、水稻、小麦等作物上以及丘陵地带，日本60%的水稻用植保无人机进行农药喷雾，植保无人机独特的优势在于易于部署和使用，特别是适用于在小地块、复杂地形等人工或地面植保机具难以作业的情况。在中国大部分小地块农田的植保作业中，植保无人机载荷和电池连续使用时长的局限性并不是植保无人机施药的主要障碍，但是植保无人机的市场占有偏重于那些载重适中、续航时间长，坚固耐用的植保无人机及其系统，更适用于极端的农业生产条件。各种试验研究结果已经证明植保无人机施药的实际作业效果是可行的，可以应用于田间植保作业。

（2）考虑到植保无人机技术的新颖性和复杂性，植保无人机施药技术的研发应放在首要地位。低空低量无人机喷雾与传统的有人驾驶航空施药和地面机具施药不同，各种施药参数、施药条件与施药技术有必要进行进一步研究。中国目前缺乏适用于低空低量植保无人机航空施药的施药技术，没有专业的植保无人机专用喷雾系统，急需通过合适的药液泵、喷头选择、药箱设计、加药系统等优化雾化状态。至今也没有行业标准和充分的科学认知，能为不同天气和地面条件下无人机植保作业合理施药参数的确定提供可靠地指导。

（3）无人机施药技术在喷雾质量、防治效果和安全性方面的评估相当程度上会对无人机发展的进程产生影响，农药在作物冠层中的穿透性、雾滴沉积量、覆盖率和雾滴飘移控制是在评价无人机施药效率和防治效果时需要优先考虑的。为了航线规划和自主飞行更稳定和更精准，亟待研发先进的新型飞控系统、传感系统、软件平台。另外，仍需充分研究小型单旋翼及多旋翼无人机雾滴空气动力学以及其与温湿度、风速等外界环境因素的相互作用，为针对植保作业的专用无人机设计提供理论指导，否则喷雾飘移和非靶标区域外喷雾会导致相邻作物严重的药害以及对施药人员的损害。尤其是喷洒除草剂时，距离作物冠层表面喷雾高度在1m到4m之间很容易造成潜在的农药飘失，对施药区域附近敏感作物的药害是一个很大的挑战。基于田间测试的可飘移雾滴风险评估和减飘技术的运用是未来无人机施药技术发展过程中需要考虑的重要方面。

（4）植保无人机施药技术的商业化需要政府、研究机构和企业等各利益攸关方的共同参与和合作。专业化组织可以提供收费合理的无人机病虫害防治综合服务，意味着将复杂的无人机技术、植保技术与专用农药剂型技术带到农民身边变得切实可行，可以使农民逐渐接受这种农作物病虫害防治技术。例如，通过政府领导下的当地农业合作社或植保服务公司，采用无人机航空植保可以向农民提供作物病虫害全程专业化防治服务。这些专业化组织将会在专用飞防农药剂型供销全程扮演关键角色，而且还将负责提供无人机操控手培训、进行无人机植保作业、机具维修、保险、产品运送和交付。专业化飞防组织还拥有不断的飞防作业累积的经验和能力，开发专业化的病虫害防治体系，可以应对复杂的或大规模爆发性病虫害防治。采用基于服务的商业模式会有助于用飞防农药剂型销售并促进植保无人机施药的应用。在一项新技术的推广阶段，对价格格外注重的种植户往往会抱有观望态度。政府推出的针对植保服务的采购和刺激计划，将会对农民使用无人机植保作业的热情产生积极影响，政府的采购和支持将会鼓励专业化植保组织和无人机生产厂商更多地进行合作并且对植保服务领域加大投入。当务之急，政府与政策制定者应该发布采购无人机植保服务的相关计划、相关标准与作业规范，以此对专业化病虫害防治组织的构建提供足够的支持。

（5）在日本，适用于无人机施药的专用农药新剂型的发展以及传统农药产品标签的修正为植保无人机高效施药技术的改善提供了空间。农药剂型是影响农药实际使用效果的一个极其重要的因素，会影响雾滴雾化过程、减少雾滴飘失、提升农药雾滴在靶标作物表面的滞留量等。在中国与韩国等其他亚洲国家植保无人机施药专用商品化农药制剂迄今尚在研发阶段，适用于无人机低空低量农药喷洒的制剂会提升农药分布均匀度，降低雾滴飘失潜力。另外，用于低空低量无人机施药的农药包装上必须标明监管部门的授权许可标志，但当前的农药产品包装上并没有针对植保无人机航空施药的强制说明和推荐使用剂量。新兴的无人机施药方式与现存的农药产品标签不适用的问题对于农药生产厂商和管理机构是一个重要的问题，未来可行的解决方法是对农药产品标签进行修正或提供额外的专用说明，产品包装上需要写清楚针对无人机喷雾作业的最小喷雾剂量和可接受的农药利用率范围。

综上所述，考虑到植保无人机施药的复杂性和农用植保无人机行业的快速发展，深入研究植保无人机低空低量施药技术的迫切性不容忽视，更好的认知新兴的植保无人机施药技术会有助于优化植保无人机设计，促进农药的高效、安全使用，为中国乃至亚洲各国农用植保无人机市场的健康、繁荣与有序发展作出贡献。