单旋翼农用无人机的发展现状

2019-08-29王利陈进姚金霞郭鹏陈燕英四川省农业机械研究设计院

四川农业与农机 2019年4期

□王利陈进姚金霞郭鹏陈燕英/四川省农业机械研究设计院

“无人机”即无人驾驶飞机，是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵不载人飞机，具有省力、高效、可重复使用的特点。旋翼式无人机是无人机研究领域的一个重要分类，这类无人机主要依靠一个或多个旋翼为机体提供升力和动力。其中，单旋翼无人机以其独特的空中悬停能力、对起降场地要求低，优良的低空低速特性、灵活性以及稳定性强等优点，近年来，被广泛运用于军民各行各业。随着现代农业生产方式的转变，农业生产对农业机械化提出了更高的要求，农业管理者和生产者对适用的农业机械化新技术和各种配套机具的需求越发迫切。单旋翼农用无人机作为现代农业机械化的延展，在植保作业、作物授粉、虫情检测、牧群定位、农田遥感等领域被广泛关注、研究和应用。

1 分类

根据动力系统的不同，单旋翼农用无人机可分为油动机、电动机和油电混合动力机。其中，油动单旋翼无人机的动力系统主要包括发动机、传动装置以及旋翼等，其载荷大、续航能力强、抗风，但对操作人员的技术要求较高，整体维护较难，成本较高，市场占有率较低。电动单旋翼无人机的动力系统主要包括电池、电机、旋翼、电调等，与油动单旋翼无人机相比，电动单旋翼无人机因其载荷较小、轻便灵活、飞行稳定性较好、操作简单、成本低，很受市场欢迎，市场占有率在80%以上。油电混合动力单旋翼无人机的动力系统由电机和燃油发动机两种动力系统构成，由燃油发电机为电池充电、电池再发动电力引擎。动力可来自电池、汽油发电机，或者由两者同时提供，其载荷更大，可靠性、稳定性、续航能力更佳，但结构及操控性更为复杂，成本更高。目前，在农业领域使用电动单旋翼无人机相对较多。

2 系统组成及技术组成

2.1 系统组成

旋翼式无人机系统由无人机飞行平台、任务载荷、无线通信链路及地面站组成。单旋翼农用无人机也不例外，其飞行平台是指机体本身、动力系统以及飞行控制处理器。任务载荷，即无人机为了完成某项任务所需搭载的设备，针对不同的任务，无人机载荷不同，例如，用于完成测量任务的传感器、用于虫情监测的摄像装置、用于植保的喷洒装置等。无线通信链路是为了实现无人机与地面站之间的无线通信，包括对无人机及其机上设备的控制指令的上行链路和无人机向地面站反馈无人机、机上设备状态信息的下行链路。地面站是整个单旋翼农用无人机的控制中枢，操作人员依托地面站可实现对无人机的起飞、空中飞行、返厂收回等操作，保持无人机在空中飞行的姿态、飞行数据的采集、导航计算、航迹稳定性的控制、任务载荷的控制与管理，提供飞行任务及工作轨迹的可视化界面等工作。

2.2 主要技术组成

2.2.1 无线通信技术

用于无人机的无线通信技术主要有无线数据电台、通用分组无线服务（GPRS）、卫星中继等。单旋翼农用无人机与地面站均载有可兼容的无线数传电模块，可有效实现二者之间单信道点对点通信，信号收发快、稳、低功耗、低成本。因此，无线数据电台是单旋翼农用无人机的主要通讯方式。

2.2.2 导航技术

GPS导航覆盖面广、精度高，只需在机体上搭载GPS定位模块即可方便、快捷实现目标物定位，且成本低廉。采用GPS卫星定位技术测量被测物与已知位置之间的距离，是目前大多数单旋翼农用无人机的首选定位方式。

2.2.3 传感器技术

单旋翼农用无人机在飞行过程中，需要依靠大量的传感器将执行的特定任务相关数据进行记录。传感器技术是否成熟直接影响到能否精准地感知机体周围的环境、无人机飞行状态、任务执行质量以及无人机内部各个系统的运行状态。因此，传感器技术在无人机整个系统的技术组成中具有举足轻重的地位。

2.2.4 软件技术

单旋翼农用无人机系统的设计无论是无人机机载系统还是地面站，都与软件技术密不可分。无人机机载系统的软件主要有实时操作系统和飞行控制程序两大类。单旋翼农用无人机主要采用单片机系统控制，其可选取的操作系统包括Vxwork、QNK、Lynx、WinCE等，可实现对无人机硬件设备的控制。飞行控制程序是对无人机整个飞行数据的整合处理以及对无人机空中飞行状态、飞行任务的控制和管理。

3 国内外单旋翼农用无人机应用现状

3.1 国外

单旋翼农用无人机在农业生产中主要应用于植保作业、林业监测、精量播种、作物授粉、牧群定位等方面。其中，植保作业是目前研究的热门方向。

3.1.1 日本

世界上第1台无人机自日本问世以来，日本的农业航空经历了从有人驾驶飞机到无人机的过程。近年来，单旋翼农用无人机凭借低空低速、作业效率高、施药精准等优势，在日本迅速发展起来，其农林航空作业面积占总耕地面积的54%，航空植保操作规范完善、专用航空植保药剂种类多。

3.1.2 美国

美国自1949年开始专注于农用飞机的研制。早期，因农业劳动人工成本太高，美国曾放弃在国内种植水稻，大米几乎全部依靠进口，后来依靠农业航空作业，极大地降低了农业生产成本。20世界70年代后，美国一跃成为全球主要水稻出口国之一。单旋翼农用无人机在美国被广泛应用于播种、施肥、施药，其自动导航和精量控制技术已经处于全球领先水平，作业环节优质高效，有效地降低了对环境的污染。

3.2 国内

我国无人机研究始于20世纪50年代，与发达国家相比，农用无人机的发展和起步较晚，但随着我国对农业航空的重视和投入力度的加大，当下，农业航空的研究步入了新阶段，将单旋翼农用无人机运用在农业遥感、农林植保喷药、作物授粉等方面的优势正日趋突出。

3.2.1 农业遥感

农田病虫害是重要的农业灾害之一，利用单旋翼农用无人机遥感监测技术及时发现、追踪病虫害进展情况，有利于展开精准防治工作，做到及时发现、及时处理，有利于病虫害及时防治。可通过无人机遥感测绘数据，结合农作物生长分析工具，来统计植株成苗情况，与传统手动抽样调查的计数方式相比，借助无人机进行统计更加全面，准确性更高。作物的色素、细胞结构以及含水率等生理特征以及土壤各营养要素具有规律性的光谱特性，借助无人机遥感监测技术，对作物长势、品质，土壤有机质等营养要素进行监测，为精准农业提供施肥的参考依据。

3.2.2 植保喷药

单旋翼农用无人机在农业上的巨大需求，驱使政府、科研单位、高校、企业以及相关服务组织不断地对其进行研究和生产。为了保障粮食安全和生态安全，为了适应新型经营主体、丘陵山地对植保作业的需求，当下，在我国对精准、高效、小型灵活机动施药设备迫切需求的情况下，用于植保作业的单旋翼植保无人机在国内迅速发起。作为新起的现代化、智能化精准施药设备，单旋翼植保无人机具有远大的发展前景。

单旋翼植保无人机的优势。一方面，与单人传统背负式农药喷洒设备相比，前者作业效率可达667～1 067 m2/min，后者最多能喷洒施药2 000 m2/d。此外，人力喷洒施药浓度不均、利用率低，乱用、滥用农药现象严重，施药时，农药易被人体吸收对施药者身体造成伤害。利用单旋翼植保无人机可以节省大量农业劳动力，降低劳动成本，提高作业效率，科学精准施药，农药利用率较高。另一方面，与传统地面行径植保机械相比，后者易受地形及作物生长周期的影响，导致机械很难进场施药，而前者既不受作物生长高度的制约，避免在作物生长期内破坏其完整性，又可在丘陵山区、高海拔等地形复杂的环境下完成植保作业。我国耕地多分布于丘陵山区、高原的现状给现代大型地面行径植保设备作业造成极大障碍，而单旋翼植保无人机凭借自身优势可有效解决这些地区的植保作业难题，是当前技术条件下可选择的最优方式之一。

3.2.3 作物授粉

随着农业劳动成本的增加，面对人工授粉耗时、低效、高成本，利用无人机喷洒技术进行科学授粉被越来越多现代农业生产者所选择。在单旋翼农用无人机机体上加装特殊的喷施装置，利用特有的喷洒技术，将花粉均匀地进行喷洒，不仅能提高单位作业效率，节省劳动成本，而且能有效地增加作物授粉率，有利于提高作物的产量、质量，增加农户的收入。

4 存在的问题及发展建议

加快农用无人机发展及应用对于推进我国农业现代化进程具有重要的意义，也迎合了我国农业现代化进程中对新型高效农机技术装备的迫切需求。作为农机装备领域新起之秀，单旋翼农用无人机在发展和应用过程中还面临一些亟待解决的问题。

4.1 存在的问题

4.1.1 技术不成熟、存在安全隐患

一方面，由于受技术制约，目前，市场上大量单旋翼农用无人机遭遇发展瓶颈。例如，用作植保作业的无人机，大部分仍然存在对配备的施药设备性能和核心技术研究不深入、不全面，飞行速度与作业需求不匹配，对靶性能不佳，对雾滴的沉积、飘移控制能力差等现象。在结构设计方面，尽管市场上品目繁多，但仍然缺乏工业级解决方案，对于长时间作业的稳定性、复杂农田作业的适应性以及使用寿命等方面还有待进一步完善。另一方面，存在一定的安全隐患。由于农用航空法规、制度的不完善以及受自身技术的限制，无人机在飞防过程中缺乏行之有效的“防撞系统”，容易与其他障碍物撞击，导致坠机。

4.1.2 与市场意愿还有一定差距

一是不能适应田间作业时的频起频降，且频繁起降易造成机体温度升高，损坏部件。二是价格偏高，由于动力技术和飞控技术成本高，单旋翼农用无人机的生产、使用、维护和保养需要投资很大一笔费用，加之操控培训费，大部分农户无法承担巨大的费用。

4.1.3 管理体制不足，社会化服务体系不健全

在管理体制上，一方面，农用无人机在我国属于新鲜事物，尽管民航管理部门已出台相应的管理法规体系，但对农业航空的条款仍缺乏针对性、实用性，安全监管难以落实。另一方面，缺乏包括认证、测试、维护、监管、操作规范、安全性能、整机、部件等一系列产品的技术标准、安全标准和试验检测方法等国家标准和行业标准，导致行业入门门槛低，乱象时有发生，阻碍了单旋翼农用无人机行业健康、有序发展。在社会化服务体系上，缺乏与之配套的培训、中介、租赁、保险等相关社会化服务体系，阻碍了单旋翼农用无人机的市场化、规模化发展。

4.2 发展建议

由政府主导，建立科研机构、企业集科研、生产、推广于一体的“产、学、研、推”一体化模式，切实提高单旋翼农用无人机的实用性、普及性；建立农用无人机管理体制机制，制定农用无人机发展战略、政策、规划，拟定相关管理法规，并实施监督管理；加大单旋翼农用无人机科研费用支持力度，加强研发自主化程度高、稳定可靠的产品；对不同任务、不同作业环境条件，结合实际需求，针对性地对各类单旋翼农用无人机的动力系统、控制系统以及任务载荷设备进行升级改造，提高作业品质。拟定国家支持推广的单旋翼农用无人机产品目录，组织实施产品试验鉴定；制定单旋翼农用无人机有关标准及技术规范，并实施监督管理；扶持高质量的农用无人机生产企业。加大政府购买统防统治服务力度，同时，严格把控作业质量，使农户在政府购买服务中获益。管理部门建立农用无人机操作人员培训制度，提高机手的作业水平，减少无人机在作业过程中失控、坠机等现象；普及农业航空知识，发挥高校、科研单位、企业以及相关农业航空联盟与学会的作用，培养农业航空人才。