植保无人机发展现状

何 龙，甄世婵，张 成

(1.新疆工程学院机电工程系，新疆 乌鲁木齐830023； 2.新疆农业大学机电工程系，新疆 乌鲁木齐830052)

0 引言

根据数据统计，我国植保农药的利用率仅有20%，大部分都流失到环境中，造成严重的环境污染和资源浪费，因此亟需先进的施药技术和施药器械[1]。从现代化农业发展需求来看，使用无人机施药是目前较为高效的施药手段。无人机施药可及时有效地防控大范围的病虫害，与传统施药植保器械相比，具有高效、不受地形因素影响、施药均匀、穿透性好、提高药物利用率和减少对环境的危害等优点，且在施药过程中人机分离的状态可避免药物对农业工作者的伤害。

1 国内发展现状

近年来，随着我国经济实力和科学力量的快速发展，农业基础设施的建设也稳步向前推进，植保无人机作为农业机械的重要组成部分，在国家的大力支持下也得到了快速的发展。在我国众多的植保无人机品牌中，极飞系列和大疆系列等具有代表性的农业植保无人机的研制技术已经较为成熟。我国植保无人机行业正在逐渐朝着产学研相互合作的方向快速发展，5G技术和北斗系统也逐渐在植保无人机上得以应用和推广。虽然近年来我国的植保无人机行业整体上发展迅速，但目前仍然存在应用范围小、普及率低、药箱容量小、续航时间短及服务体系尚不健全等亟需解决的问题，因此对于我国这样的农业大国来讲，推动植保无人机的快速发展，解决现阶段存在的技术壁垒至关重要。

1.1极飞XP2020型农业无人机

极飞XP2020型农业无人机如图1所示，集智能播撒、精准喷洒于一体，可灵活搭载不同容量的作业箱，通过手机或智能遥控器，在所有地形条件下轻松高效地开展播种、撒肥、施药和投饲工作，相比遥控植保无人机，高度智能化的XP系列可以节省一半以上的人力成本，并且大幅度减少因人工操作失误导致的重喷、漏喷甚至飞行事故。XP系列依旧采用高效能4旋翼设计，作业载荷达到20 kg，全新动力系统配合101.6 cm螺旋桨让风场更稳定，喷洒更广更均匀，螺旋桨产生的垂直气流可以携带药物穿透农作物叶片，进一步提高着药率和吸收效果，智能离心雾化喷洒系统，喷洒流量大，雾化颗粒范围更广。以水稻飞播为例，一台极飞XP农业无人机能够完成超过6.67 hm2h的水稻播种，是人工播种效率的80倍。极飞XP2020款植保无人机具体技术参数如表1所示。

表1 极飞XP2020型农业无人机技术参数

1.2大疆T20型植保无人机

大疆T20型植保无人飞机如图2所示，药箱容量20 L，作业效率可达12 hm2h；4通道独立流量控制，喷洒更均匀；智能泄压阀，排气更便捷；全向数字雷达可360°重建三维场景，识别电线、树枝等障碍物，不受灰尘水雾影响，自主避障绕行；无论白天黑夜，保障作业安全。搭载高精度定位模块的智能遥控器，可厘米级精度规划地块；一键起飞，全自主喷洒作业；一控多机，效率翻倍。搭配全新播撒系统，可均匀播撒种子、肥料等固态颗粒，流量高达15 kgmin。采用IP67防护设计，可全身冲洗，机身折叠，方便搬运。配合精灵4多光谱版，自主采集图像，通过大疆智图生成农田处方图，可依据作物生长状态针对性作业，节水省药。搭配精灵4RTK与大疆智图，对农田场景进行三维建模及AI识别后，可进行多场景自主作业。面对厚冠层的果树，可定点喷洒作业，提升渗透效果；针对等高线分布的果树，可自由航线作业，节电省药；对于树高林密的山林，可连续喷洒作业，安全省心。T20植保无人机具体技术参数如表2所示。

表2 大疆T20型植保无人飞机技术参数

1.3TTA天途M8A-PRO型植保无人机

天途M8A-PRO型植保无人机如图3所示，其相对于业内普遍的10 kg载荷而言，净载荷达20 kg，适用于中大型地块。采用RTK差分系统全面支持全智能作业模式，使操作更简单；无刷电机、无线遥控启动；8点定位，起飞稳定；整机可折叠，便于运输，适用于多种施药环境(-10～40 ℃)；采用微型潜水泵，输出流量稳定，6喷头联合喷洒，流量1.8～2.2 Lmin可调；机身质量小，飞行稳定灵活。

在操作使用方面，M8A-PRO拥有全智能自主起降、航线规划及自主喷洒等特点。具备航线断点智能记忆功能，无药时自动记忆坐标点，一键返回继续喷洒作业，确保作业的连续性，提高了作业效率。

在整体机身设计上，为了让飞机在大载荷下最大程度节约能耗，依旧拥有稳定的飞行，M8A-PRO分别拥有4个向上电机和桨叶机，4个向下电机和桨叶。可折叠的机臂和喷管，整机模块化的设计，让用户在田间地头即可快速维修。天途M8A-PRO植保无人机具体参数如表3所示。

表3 天途M8A-PRO型植保无人机技术参数

1.4辽宁壮龙CT300-60P型植保无人机

辽宁壮龙CT300-60P型植保无人机如图4所示，具备超长续航力，续航时间为1～4 h；具有超强承载力，商业载荷可达到60 kg；作业率为0.27～0.53 hm2min。采用一键式起降模式，操控简单，地面站规划航线可实现全自主作业；具有地形跟踪功能，适用于所有地形作物。采用旋翼下吹气流形式，穿透能力强，雾化效果好，喷洒物到达率高；购机首年可提供飞手培训及维修培训，专业支持高。辽宁壮龙CT300-60P植保无人机技术参数如表4所示。

表4 辽宁壮龙CT300-60P型植保无人机技术参数

2 国外发展现状

2.1美国

美国是农业航空应用技术较为成熟的国家之一，已形成较完善的农业航空产业体系，据统计，美国农业航空对农业的直接贡献率为15%以上[2]。目前美国拥有农用航空相关企业2 000多家，年处理40%以上的耕地面积，全美65%的化学农药采用飞机作业完成喷洒，其中水稻施药作业100%采用航空作业方式[3]。国家大力扶持农业航空产业的发展是美国农业航空发达的重要原因之一[4]。美国从20世纪70年代就开始研究航空喷施作业技术参数的优化模型，美国国会通过了豁免农用飞机每次起降100美元的机场使用费的议案，2014年白宫的预算中继续投入73亿美元支持该议案，以降低农业航空作业的成本；在NASA的推动下，自2002年以来已投入约700万美元用于农业航空技术研发，参议院已通过议案将继续大力支持开发更高效、使用成本更低的农业航空相关技术[5]。

2.2日本

日本粮食作物以水稻为主，不同于旱地，稻田特殊的环境使得地面装备行走困难，加之地形结构原因，无人机在日本占尽了优势。日本植保无人机的研制工作始于20世纪80年代。到了1991年，日本农林水产省出台政策，推广植保无人机在稻田中的应用，植保无人机在日本迎来了有利的大环境，大量植保无人机企业诞生[6]。日本耕地面积小，对无人机依赖性大，无人机民用化水平更高，普及率也更广，拥有成熟的机型和健全的市场，同时服务体系完善，其代表机型RMax能够完成定高飞行和定速飞行，傻瓜式操作，降低了操作难度，质量安全可靠。Yamaha公司产品是世界上出货量最大，市场份额最高的农用无人机，如图5所示。飞行员培训15 d，使用成本2 400元hm2，市场占有率达到60%以上。日本无人机重要技术参数如表5所示。

表5 日本无人机重要技术参数

2.3澳大利亚

澳大利亚是农业强国，对精准农业的重视程度高，且地广人稀，拥有丰富的耕地和草地资源。2013年统计数据显示，澳大利亚人均天然草场近20 hm2，人均耕地超过2 hm2，分别约是中国的4倍和23倍。作为农牧业高度发达的国家，澳大利亚早在20世纪60年代就实现了农业机械化，更是早在1947年，已经开始首次将飞机用于农业喷撒。在无人机的使用上，澳大利亚近来有放宽监管的趋势。2016年，澳大利亚民航局修改了原来相对比较严苛的商用无人机规定，从9月29日开始，无人机质量<2 kg的商业无人机操作者只需要无人机操作员证书(ReOC)并通知民航局[7]。在农业领域，当地关于无人机报道大多是围绕精准农业展开。澳大利亚是一个注重发展精准农业的国家，无人机在农业遥感和精准农业方面已经得到认可和应用。据悉，澳大利亚全国有30%的农业用地实现了从耕种、播种到施药、灌溉等全过程的精准农业作业[8]。在这样的大环境下，随着精准农业的进一步推进，澳大利亚无人机在精准农业领域还有很大的潜在市场。

2.4韩国

韩国是一个多山国家，耕地资源相对紧缺，据大田农社报道，韩国现有农民约420万，占总人口的9%，农业用地面积约为169.8万hm2，占韩国国土面积的17%，其中23的耕地为水田，主要是种植水稻[9]。韩国于2003年首次引进直升机用于农业航空作业，农业航空作业面积逐年增加，截至2010年，全国共有农用直升机121架，约80%的飞机归地方的农协所有。韩国农林水产食品部和农协中央会曾计划2013年将飞机数量增至500架。相比于其他国家对于无人机谨慎的态度，近年来韩国对于民用无人机发展是相对支持的。Meta Robotics以农业的尖端化及精密化为目标正在展开“VANDI研究计划”。VANDI是一种价格合理的农药喷洒无人机，可以保护农民免受喷药引起的农药中毒危害，减轻防治工作的负担，如图6所示。通过多次测试，改善了部件之间的互换性，并进行了精确设计，以确保机体不会被化学制品污染[10]。通过长期的调整作业，易于飞行，安全稳定。它还具有耐久性，可承受高温和高湿度条件。VAN-A1植保无人机技术参数如表6所示。

表6 韩国VAN-A1型植保无人机技术参数

3 存在的问题及建议

3.1存在的问题

(1)近年来，虽然我国的植保无人机发展较为迅速，但与国外相比，我国的植保无人机在农业上的应用普及率较低，未能在全国范围内推广使用，植保无人机载药量少，续航时间短。

(2)我国的植保无人机市场体系和服务体系尚不健全。我国的植保无人机行业起步较晚，因此在产品售后服务维修及对无人机用户的培训方面缺少专业性人才，阻碍了植保无人机行业的快速发展。

(3)民用化程度低，农民无人机专业操控人员较少。虽然我国的植保无人机发展迅速，但专业的农民无人机操作人员较少，在植保作业中往往有机无人，并且由于无人机操作手的专业知识欠缺，在进行无人机植保作业时，事故时常发生。

3.2相关建议

完善市场发展体系和服务培训体系，加强对农民无人机操作员的系统培训，在国家的推动下，加大对更加智能化、简易化的植保无人机的研究，推动我国农业向着更加现代化的方式发展，形成一条植保无人机产业产学研合作共赢的发展模式。

4 结束语

农业航空技术是现代化农业生产的重要组成部分，在农业生产中的应用比例不断加大。目前国内无人机已经得到了快速的发展，列举主流植保无人机品牌，并将其主要参数列表对比，发现相较于国外，国内的无人机在综合性能方面较优。但目前我国植保无人机依然存在承载质量小、续航时间较短以及普及率低等问题，因此在学习借鉴国外无人机先进制造技术的基础上，设计研发适应我国农业现代化发展的新型无人机至关重要。