我国农业无人机航空植保技术现状与发展趋势分析

张天鹏， 周志强， 黄金鑫， 陈志鹏

（昆山市农业机械化技术推广站，江苏 昆山 215300）

0 引言

在农作物生长过程中， 病虫草鼠害的有效防控措施是保证粮食安全生产的一个不可或缺的重要环节， 直接影响粮食的产量与质量[1]。 航空施药技术是现代植物保护技术重要手段，是农业植保现代化的重要体现。 随着农村劳动力的转移及专业化统防统治的发展， 迫切需要高功效的施药机械。 面对大规模的病虫草害频频发生，我国以手动和小型机动为主的植保机械格局已经无法满足新形势的要求， 而飞机喷雾是一种非常重要及时有效的施药方法，其特点是效率高、施药效果好、立体性强、不损伤作物、劳动强度低、一机多用等[2-3]。

由于各种因素的限制， 目前我国在农林应用上的飞机还是以固定翼飞机和直升机等有人驾驶飞机为主，小型无人机在农业上的研究和应用还处于初级研究阶段。相比较而言， 无人机较适合相对高差大的复杂地带和分散零星的小面积作业，在我国南方水田、丘陵山地等地有着较好应用前景[4]。 所以，借鉴国外经验，探索适合我国国情无人机航空植保发展路径，进行高效、低污染施药技术的研究及机具开发有着重要的现实意义。

1 国外无人机航空植保技术的现状与发展

在国外， 无人机喷洒技术的发展已经比较成熟，如中、 小田块的病虫害防治或大田内局部的精准施药以及丘陵山区的病虫害防治等[5]。

美国是世界上农业航空技术最先进、 应用最广泛的国家之一，农用飞机有20 多个品种，大部分机型是有人驾驶固定翼飞机。 美国农业航空服务拥有强大的农业航空组织体系， 包括国家农业航空协会和近40 个州级农业航空协会。 农业航空协会既保证了美国农业、环保、航空、科研部门紧密合作与联系，也会为企业和农场主提供新产品、新技术以及教育方面的咨询服务。 同时，GPS 导航施药技术、航空静电喷雾技术、航空变量施药等精准农业技术手段在美国无人机航空植保都得到了广泛应用，施药作业变得更加精准、高效，对环境的污染也在不断降低[6]。

日本是一个人口多、耕地少的国家，农家每户平均耕地面积较小。 农业以兼业农户比重大(占农户总数的84%)为特点，粮食作物以水稻为主。 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，其施药装备以小型机动喷雾机和直升飞机航空喷雾设备为主。1990 年，日本山叶公司率先推出世界第一架无人机，主要用于撒布农药， 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， 也是该技术发展最成熟的国家之一。日本登记在册的无人驾驶农用轻型直升飞机保有量超过2 000 架，防治面积已超过90 万hm2，超过了有人驾驶农用直升飞机的防治面积。 这种无人直升机主要用于播种、施肥、喷洒农药等作业，每小时可喷洒农药7hm2～10hm2。在日本，采用农用无人驾驶轻型直升飞机进行农业生产已成为主流[2，5]。

在亚洲，韩国是继日本之后，率先实现了农业的精细化种植和农业机械化的国家。 由于人口老龄化和农村人口减少，近年来韩国农用无人机技术得到了大力发展。 农用无人直升机于2003 年首次引进韩国，其后每年数量都在增加。 在2011 年以后，韩国农用无人机数量、专业操作人员和无人机防治面积都有大幅度增长， 到2013 年韩国无人机数量增加到500 架[7-8]。

1924 年在德国和瑞士， 都相继进行了农业飞行的尝试。 由于它的显著成效，农业飞行的试验很快就在欧洲许多国家出现了，二战后得到了迅速的发展。 1958 年，成立了欧洲农业航空中心。1960 年，该中心扩大改组的国际农业航空中心在海牙成立。 因为东欧地区有众多的大型农场和合作社， 比较适宜于飞机施药， 多为固定翼飞机施药。 而在西欧和南欧地区，城市和农村紧密相邻而且田块也较小，在一定程度上限制了飞机施用农药。 只有法国和西班牙地形较为开阔，有一定数量的农用飞机在工作。 由于无人机能够以低成本提供所需图像， 目前欧洲无人机较多应用到农业测量、农作物检测上面。 在法国ARB100-B 无人机被用于农业测量；CropCam 是一款配有数码相机的遥控滑翔机， 可以通过手动操作或预编程序搜集图像以供农业、林业及环保等的用途，其整机图如图1[9]所示，几种国外无人机航空植保技术如表1 所示。

目前， 发达国家对航空喷雾控制技术的研究较为深入，施药部件和作业技术规范都相对完善。 例如有GPS 自动导航技术、施药自动控制系统、适宜于不同作业环境的施药模型的应用等，其中研究热点在以下几个方面[10-14]：

1）无人机航空施药技术的研究。通过试验和数值仿真技术，建立无人机施药的风场、雾场仿真数学模型，通过模型研究雾滴分布和沉降规律，研究主要技术参数（例如喷施高度、风速、压力）对雾滴沉积分布与漂移的影响。 驾驶员还可以根据作业环境实时改变施药技术参数的设置，达到控制雾滴种类、直径、漂移率等，取得最佳喷雾效果。

2）全球性定位系统(GPS)导航技术。 航空植保作业时，GPS 根据区域地图规划出施药作业的航路图，并准确地使飞机沿着规定路线施药，有效避免重喷和漏喷。 GPS 获取的作业信息，如飞机飞行轨迹、喷雾系统开与关、飞行速度等，也可以输入到GIS 系统中，用来分析施药作业情况。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，在一定作业速度范围内，可以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。

3） 无人机施药多技术融合与部件开发。 无人机施药有自身的技术特征，国外与之配套的无人机喷洒设备相对完备。 无人机专用雾化器、电动泵、吊挂喷杆、航空喷头齐全，喷雾机驱动与GPS 预设位置坐标的技术融合等[15]。 特别针对不同作业环境、 施药部件种类和分类较为完善，以供施药者选择。 变量施药技术融合GPS 技术、作业环境监测和变量施药控制技术， 通过GPS 提供给飞行员田地宽度、方向导航以及其他作业信息，再通过传感器实时监测飞行记录、喷洒流量等参数，融合当前气象条件，通过预设模型或者驾驶员操控，调节喷雾参数从而达到优化喷雾质量和减少飘移量目的。

总体来说， 国外无人机航空施药技术的研究较为深入，无人机施药技术规范完善，注重航空专用施药设备的开发，如表2 所示。 航空施药过程中的多技术融合也更好提高了施药质量和效率。

2 我国无人机航空植保技术现状及存在问题

无人机航空施药技术具有许多地面装备没有的特殊优势，因而可较适合中、小田块的病虫害防治或玉米等高秆作物和丘陵山区等地方的施药难问题。 相对发达国家，我国无人机施药技术和装备研究还处于初级水平。 目前我国相关科研单位也逐渐开展无人机施药技术的研究，取得了一定的成果。

我国南方及沿海地区因经济发达和地形复杂，率先对飞行植保进行了尝试性研究。 例如，农业部南京农业机械化研究所研制了一种无人驾驶自动导航低空施药技术装备[16]，如图2 所示，该设备具有高精度GPS 自动导航，喷幅对接精度达亚米级，同时，其作业效率高，是地面机具的100 倍～150 倍，可将农药有效利用率提高10%～20%。并开展了航空施药飘移预测技术及模型的研究[17]。 2012 年4月，在海南省三亚林旺水稻种基地，由国家杂交水稻工程技术研究中心、南京农机化研究所等单位共同主办了“杂交水稻机械化种子生产暨农用无人直升机辅助授粉和施药技术”的现场观摩会，袁隆平、朱英国和罗锡文院士现场指导。 华南农业大学、东北农业大学、中国农业大学等单位研究微小型无人机遥感信息获取与作物养分管理技术， 重点解决微小型无人机遥感信息快速获取及养分管理中的关键技术问题，取得了一定研究成果[18]。 中国农业科学院植保所袁会珠，利用AF-811 小型无人机喷洒毒死蜱不同剂型开展了玉米螟防治试验。 考察不同高度、药剂类型对防治效果的影响。 同时也进行了小型无人机低空喷洒在小麦田的雾滴沉积分布及对小麦吸浆虫的防治实验，取得良好的试验效果[19-20]。 南京林业大学周宏平、茹煜等人设计了基于德国VARIO 公司的多用途无人机的远程控制低量喷雾系统。 在无人机上搭载了包括药箱、 控制箱、液泵、管路系统、悬臂装置和雾化喷头的喷雾系统，并设计了专用于无人机喷雾的远程控制系统，通过地面远程遥控控制喷雾系统的施药工作[2，21]，如图3 所示。 江苏省农业机械管理局农机具开发应用中心、江苏大学、无锡汉和公司等单位研制了一种小型无人飞机， 并于2013 年7 月在张家港市顺利进行试验示范。 该无人机载重药水10kg，最高飞行高度可达2 000m 可调可控，喷幅宽度3m～6m，飞行速度3m/s～10m/s 可控可调，喷洒能力1.3 亩/分钟～2.7 亩/分钟[22-23]，其整机图如图4 所示。总体来看，我国相关科研单位进行了探索性的研究，但是目前多注重机具的研制和无人机导航技术等方面的研究，无人机航空施药参数对施药效果的影响和施药技术规范等方面的研究还相对较少。

图2 无人驾驶自动导航低空施药技术装备

图3 多用途无人机的远程控制低量喷雾系统

图4 小型无人飞机

综上所述，我国无人机航空施药技术和装备研制还存在以下问题：

1） 目前， 我国用于施药的无人机多为购置国外的技术平台改制而来，也有一部分是利用国内军用无人机改装而来。现阶段还存在着低空飞行稳定性欠缺、续航时间短、载重量小及操控水平要求高等问题，需要开发出一种适应于我国农业生产的无人机平台。

2） 无人机施药理论研究相对匮乏。特别对无人机气、雾流场分布与形成的理论研究较少，在一定程度制约了机具的改进设计和施药技术试验的研究。

3） 无人机专用施药技术装备的性能相比于国外还有一定的差距，无论是无人机的雾化系统还是无人机喷药需要配套的超高浓度药剂，都还需要进一步的优化。

4） 飞机工作参数和农药雾滴沉积飘移规律也要进一步加强研究。 无人机在喷洒的过程中，影响喷洒效果的因素很多。 需要针对不同作业环境和作物类型，开展大量试验研究，探寻不同工况下，施药雾滴沉积分布和漂移规律以及施药技术参数对施药效果的影响。

5） 相关施药技术规范和操控人员培训较少。 因为无人机施药存在施药效果不稳定和操控相对困难的问题，如何降低机械的故障率和售价，如何加强专业人员的指导与使用者培训，这些都要进一步思考和完善。

我国无人机航空施药技术和装备研制存在的问题及应对方法如表3 所示。

表3 我国无人机航空施药技术和装备研制存在的问题及应对方法

3 我国无人机技术的发展方向及技术需求

当前， 农药使用技术的主要发展方向是降低农药施用量，提高农药在靶标上的附着率，减少农药对人体和环境的污染。 无人机施药技术也应该朝着“低喷量、少污染、高工效、高防效”方向发展。

1）加强无人机施药机具和专用部件的研发，开发一种适应于农业生产的无人机平台，充分实现飞行系统、喷雾系统的技术匹配和融合，达到较好的施药效果。 逐步完善无人机的类别，如电动无人机、多旋翼无人机等产品开发；开展无人机系列产品的研制，满足不同工况的施药需求。 借鉴国外先进经验，逐步研制出航空专用喷头、混药检测、风送控制系统等。

2）无人机航空施药技术的研究。 通过理论计算、试验研究和数值分析等手段研究无人机气、 雾流场形成与分布规律。 探索无人机工作参数和施药参数对施药效果的影响。 考察航空喷头雾化性能和其数目和类型对喷雾效果影响， 建立不同作业环境下的无人机航空精准施药模型，达到低喷量、高防效目的。

3）制定无人机喷洒技术规范，参考国外施药技术规范。 制定无人机施药操作准则和操控人员培训机制，保证施药过程安全、施药效果稳定。

总之，推广应用低空施药技术，既要开发配套的高效施药机具和超低剂量农药， 也要进一步完善无人机低空操作、避障控制技术和平台的可靠性，同时需要培训专业的队伍，探索可行的商业推广模式[24]。

4 总结

无人机施药具有及时迅速、效率高、效果好、立体性强、劳动强度低等特点，是一种非常重要且及时有效的施药方法。 目前我国无人机施药还处于初级阶段，需要借鉴国外先进技术经验，结合我国农业生产实际，研制出适合我国国情的高效施药装备，实现农药的低喷量、少污染、高工效、高防效喷洒，满足越来越高的环保要求，进一步提高我国植保机械化水平。