基于专利分析的农用无人机技术发展趋势

闵南燕，邓小明，胡小鹿，刘利军，柏雨岑，齐江涛

(1.中国技术交易所，北京 100080； 2.中国农村技术开发中心，北京 100045；3.吉林大学工程仿生教育部重点实验室，吉林 长春 130022)

0 引言

现代农业对农业航空的需求日益旺盛，尤其是用于农业植保的微小型农用无人机产业在我国快速发展。农用无人机可提供便捷、智能和可靠的农业植保解决方案，作业质量好、成本低且适应能力强，作业效率较人工作业可提升60～90倍，因而在工业级无人机市场中占有着极为重要的产业地位和商业价值[1]。

从用途来看，农用无人机主要可分为3种。

一是植保无人机，用于植物保护。保护手段主要是通过地面遥控飞行器实现农药喷洒[1-3]。主要优势在于，喷洒作业效率高；远距离遥控操作避免农药中毒危险；低空作业使得雾滴从喷洒器喷出时被旋翼的向下气流加速形成气雾流，增加药液雾滴对农作物的穿透力，减少农药飘失，因而防治效果比传统喷施更好，还能够降低农药渗透土壤导致的污染问题[4-5]。

二是农田监测无人机，用于获取农田信息，通常搭载有多种任务负荷。如成像光谱仪等非接触式监测设备，以获取有关农田和作物的遥感数字信息，进而通过数据处理、分析，获取农作物长势、农田环境等信息[6]。农田监测无人机可以精准实时监测作物生长参数，如植被覆盖度、叶面积指数、株高及这些参数与产量间的相关性；有助于农作物生长决策，如诊断作物营养状况和田间墒情信息，对于病虫害的监控也有较高的准确性；还可以快速获取农田空间位置信息，获取不同阶段的作物和土壤信息，划分土地利用类型、定位农田边界和基础设施及量算种植面积等[7-8]。与传统田间定位监测相比，农业无人机监测具有信息采集快捷、空间覆盖率高等特点[9-10]。

三是播种施肥无人机，用于播种、施肥和施药作业。作业时利用无人机螺旋桨旋起的气流将植株吹开，从喷洒装置中喷射出来的肥液在气流的作用下，被均匀地喷洒到农作物叶片上，具有施肥精准度和作业效率高、利于规模化生产的特点[11-12]。

在全球高新技术飞速发展、专利申请量持续快速增长的形势下，本文针对农用无人机技术领域，检索2009—2019年全部农用无人机专利申请，对农用无人机技术全球专利申请情况、我国专利申请情况、主要申请人及技术构成等内容进行宏观统计和定量分析，得出该技术领域的整体态势和发展状况。

1 数据来源与数据说明

采用的专利文献数据主要来自incoPat科技创新情报平台、国家知识产权局中国专利文献数据库(CNPAT)及欧洲专利局专利文献数据库(EPODOC)。

针对中国专利数据库和全球专利数据库检索的截止时间为2019年9月。侧重无人机技术在农业产业中的应用，确定的研究边界是与农业作业场景密切相关的农用无人机技术，未涉及无人机技术领域中的通用技术。

2 专利态势分析

2.1 专利申请态势

截至检索日，全球范围农用无人机专利申请共4 483件，全球/中国农用无人机专利申请趋势如图1所示。由图1可以看出，近10年农用无人机总体申请量为上升趋势，2012年前专利申请增长缓慢，年申请量不足100件，以海外专利申请为主。2013年开始申请数量超过100件，并在2016年出现飞速增长态势。自2013年开始，中国在该领域的专利申请量快速增长，2016年开始呈现爆炸式增长，中国后来居上引领全球申请量的高速增长。

图1 全球中国农用无人机专利申请趋势Fig.1 GlobalChinese agricultural UAV patent application trend

2.2 专利申请地域分布

农用无人机全球专利国家/组织分布如图2所示。可以看出，中国的农用无人机产业的销售量近几年都占有全球农用无人机市场较大市场份额[13-14]。

图2 农用无人机专利国家组织分布Fig.2 Distribution of patent countriesorganizations for agricultural UAV

在专利申请量上，从全球专利分布情况来看，农用无人机技术领域中，以国别来看，中国专利申请量占全球专利申请总数量的56%，成为这一领域的主要申请国。其次，美国专利申请量占全球专利申请总数量的10%，日本专利申请量占全球专利申请总数量的7%。以区域申请情况来看，来自欧洲的专利申请占比5%(指在欧洲专利局EPO申请的EP类专利申请量，不包括向欧洲各国单独申请的专利申请量)。从全球申请范围来看，中国、美国、日本和欧洲等都是农用无人机领域的重点布局国家或区域。中国自2013年以来申请量呈现持续高升趋势，远超美、日等国。说明国内申请人已在中国积极布局农用无人机，对这一领域投入了较高的研发力度，具备了一定的竞争力和创新能力。

2.3 主要专利申请人

农用无人机技术专利申请量位居前10的申请人均为中国申请人，以企业与高校遥遥领先，全球专利申请人排名如图3所示。日本的老牌农用无人机企业雅马哈发动机株式会社及美国航空环境公司(Aero Vironment, Inc.)等有30件左右的申请量。此外，国际传统农业机械厂商如久保田、井关农机和迪尔等在农用无人机领域的专利量较少。从申请人成分构成来看，从事农用无人机研发和创新的主力军是传统的工业级或消费级无人机的生产厂商，传统的农业机械厂商参与不多。在排名前10的申请人中，高校、科研院所占3席，分别是排名第2位的华南农大、排名第5位的浙江大学和排名第10位的南京农业机械化研究所。极飞科技(390件)、华南农大(205件)和大疆创新(147件)是申请量最多的3位申请人。

图3 全球专利申请人排名Fig.3 Ranking of global patent applicants

极飞科技(广州极飞科技有限公司)成立于2007年，专注于民用农用无人机和飞行控制系统的研发和制造，是国内领先的农用无人机研发企业[15]。极飞科技于2015年发布第1代P20型植保农用无人机系统，2016年发布P20 2017款植保农用无人机系统，2017年发布3款全新植保农用无人机系统(P10 2018款、P20 2018款、P30 2018款)和极飞地理智能测绘农用无人机C2000，2018年发布P系列2019款植保农用无人机系统和极侠(XMission)多功能农用无人机系统。市场占有率方面，据统计，截至2018年11月30日，极飞科技全球运营的植保农用无人机数量为21 731架。截至2019年9月21日，极飞科技植保农用无人机全球累计作业面积已超过2 000 hm2，累计节省429万t农业喷洒用水，减少了1.86万t农药与化肥的滥用。

华南农大(华南农业大学)拥有“国家精准农业航空施药技术国际联合研究中心”，该研究中心是科技部认定的国家级研究中心，针对国内典型粮食作物、经济作物航空植保施药，联合美国农业部农业研究服务署航空应用技术中心(USDA-ARS-AATRU)、澳大利亚昆士兰大学(University of Queensland)农药应用和安全中心等国外先进的农业航空应用技术研究机构，围绕精准农业航空，共同开展农业航空遥感、航空精准变量喷雾等相关技术及装备的创新研究关键技术和共性问题、推广精准农业航空技术。华南农大依托研究中心，在精准农业航空、航空施药技术和航空遥感技术的开发与研究应用、农用无人机航空施药雾滴沉积分布规律、农用无人机低空遥感的农情信息获取与解析、农用无人机智能控制系统、农用无人机精准施药关键部件、控制技术与控制装备及农用无人机性能检测平台等关键技术方面产出了较多的专利成果。

大疆创新(深圳市大疆创新科技有限公司)成立于2006年，是全球领先的无人飞行器控制系统及农用无人机解决方案的研发和生产商。2015年12月，大疆创新推出一款智能农业喷洒防治农用无人机——大疆MG-1型农业植保机，标志着大疆创新正式进入农用无人机领域[16]。

总体来看，在农用无人机技术领域，高校和科研院所是我国农用无人机技术发展中不可忽视的重要力量。产学研的有效合作将会加快中国在农用无人机领域的技术发展速度，有效提升和促进我国农用无人机在全球的市场份额。

2.4 专利技术构成

农用无人机技术可分为无人机在现代农业各类场景中的应用技术及无人机为适应农业应用场景进行的性能方面的改进技术。因此，将农用无人机技术分为如图4所示技术构成。

从图4的历年申请趋势可知，作业管理(2 212件)分支的专利文献最多，占据了农用无人机总体专利文献数量的约50%。由于农用无人机专利其所保护的技术方案很多并不是对农用无人机系统自身的改进，而是聚焦在农业的应用场景下对农用无人机的作业行为进行技术创新，如向农田喷洒农药、药粉和施撒种子等作业行为[2-4]。因此，像作业管理这种应用类型的专利占比较大，这与农用无人机主要应用于植保作业、农田监测和播种施肥的用途也是相对应的[17-19]。

图4 农用无人机各技术构成申请趋势Fig.4 Application trend of agricultural UAV technologies

其次，占比较大的是机体方向的专利1 658件，占农用无人机总申请量的37%，这其中主要贡献量来自于中国专利的中国申请人。我国专利制度开始于1985年，我国专利申请人对于专利的撰写水平还处在初级阶段，涉及到结构类的专利方案撰写，通常会从被保护产品的整体结构入手进行撰写，这就使得在农用无人机的专利申请中，对农用无人机机体及机体各个部件间的连接结构等方面的专利申请量较多。

飞行控制技术和动力/驱动技术方向的专利申请较少，分别占比10%和3%。两个技术方面都属于无人机技术的基础支撑型技术，在专利申请中聚焦在农业场景中进行技术改进的专利相对较少[20]。飞行控制技术的专利申请主要集中在轨迹控制和控制系统控制方法方向[6]。轨迹控制主要包括路径/航线规划技术和无人机避障技术[21-22]。这两个方向的专利布局从2016年开始有了较明显的涨势，预计未来一段时间该领域仍会有较大发展空间(由于专利从申请到公开至少需要18个月的时间，2018年和2019年专利申请数据覆盖不完全)。对于飞行控制的控制系统控制方法，存在不少专利是将人工智能技术应用于无人机，用于准确识别作业场景的数据信息，再基于专家系统利用规则为无人机的飞行提供线路规划决策。人工智能、机器学习和深度学习等技术与无人机技术在农业场景下融合，进一步提高了农用无人机飞行控制的自动化和智能化水平。动力/驱动技术中，动力系统性能的改变或提升受应用场景变化的影响不大，所以专门针对无人机在农业场景下的动力/驱动系统的改进并不常见，根据无人机的动力来源，动力/驱动技术主要包括燃油/燃气驱动、电动驱动、太阳能驱动和油电混合驱动等。其中以电动和燃油驱动为主，且国内申请更趋向于电池驱动为主的空机质量轻量化设计。

2.5 技术发展代表性专利分析

结合各个技术分支中的代表性专利对农用无人机在植保作业、农田监测作业及播种授粉作业等应用场景中的创新型技术进行分析。综合对申请日期、被引证频率、同族情况及技术内容的综合考虑，确定了如图5所示的代表性专利示意图，反映该技术领域的研究热点和研究动态。

从代表性专利的申请年份来看，2015—2017年取得的技术成果较多，且聚焦在作业管理技术领域和机体改进技术领域。作业管理技术领域中，遥感监测细分技术领域的重要专利居多，其次是有关喷洒施药的植保作业方法专利。其中，在农田监测作业方向，2017年大疆创新提出的用于机器视觉的低轮廓多波段高光谱成像(CN110476118A)，提供了可用于机器视觉系统的高光谱成像系统，该成像系统因其在对不同光谱波段中的图像进行滤波时可以使用相机的所有传感器像素而具有更高的空间分辨率，同时提供比传统RGB相机系统更好的光谱分辨率[23]。大疆创新在2017年还提出了输出影像生成方法、设备及无人机(CN109076173A)，该专利方案侧重保护如何提升无人机拍摄影像的准度和精度[24]。此外，最高温度点跟踪方法、装置和无人机(CN109154815A)专利，其无人机上搭载的红外相机可以感测其拍摄到的画面中各物体的热力学温度，实现对最高温度点的跟踪拍摄，使得最高温度点位于图像的目标位置[25]。

上述3篇专利的申请时间都是在2017年，其所保护的技术方案较好地对应了大疆创新在2019年9月发布的精灵4多光谱版无人机(P4 Multispectral)，该款无人机是大疆创新首次将多光谱成像系统集成在无人机平台上，以精确采集多光谱数据。多光谱影像相比可见光成像，能提供更多准确的指向性信息，帮助农户和农技人员洞察植物生长状况及健康情况。

Harris Aerial是美国的一家商用无人机生产商，其在2018年推出了一款油电混合无人机Carrier H4 Hybrid，该款无人机的主要特点：一是同时配备电池、汽油发电机和油缸以实现油电混合长时续航；二是螺旋桨可折叠，折叠后体积可缩小50%，方便携带和收储，节省运输成本[8，26]。其中，Harris Aerial在2016年申请的折叠式重型无人机架(US10266245)就是保护螺旋桨的可折叠结构[27]。此外，图5中列出的Harris Aerial在2017年申请的重型无人机的模块化喷雾器系统(US10478841)，该专利提供了一种液体储存箱，及其与安装单元及泵组件之间的结构和连接关系，还包括用于确定液体储罐内液位的液位传感器[28]。US10478841还保护了有关无人机通讯的内容，关联到了通讯标准(ETSI_TS 23.502、ETSI_TS 23.288)，成为一篇标准必要专利。标准必要专利是包含在国际标准、国家标准和行业标准中，且在实施标准时必须使用的专利，也就是说当标准化组织在制定某些标准时，部分或全部标准草案由于技术上或者商业上没有其他可替代方案，无可避免要涉及到专利或专利申请，通常认为标准必要专利具有较高的价值。农用无人机领域的标准必要专利数量极为罕见。

图5 农用无人机各技术构成代表性专利Fig.5 Representative patents of different technology components

从代表性专利的申请人来看，传统的农业机械厂商在农用无人机领域的专利布局还是侧重在对无人机的田间应用研究。如洋马在2015年申请的空中撒布装置，在中国有专利布局，专利被引用方包括大疆创新、井关农机等公司。该专利提供一种空中撒布装置，能够将撒布量与作物生长和产量偏差情况相对应，实现高效撒布。迪尔在2015年也申请了应用无人机技术进行产量估算的专利，其农用无人机的技术并未在中国布局，不过农机巨头凯斯纽荷兰和爱科也都有引用该专利。

从专利布局角度看，植保作业和农田监测作业是当前的研发热点，参与研发的主体类型以无人机厂商和农业机械厂商为主，且国内厂商以极飞科技与大疆创新为主，两家都拥有较多的国际专利布局，布局主要聚焦在欧美、日本和韩国。科研工作重复研发的风险较高，技术创新难度相对较大。飞行控制技术和动力驱动技术参与研发的主体类型相对不集中，有传统的飞机制造厂商，也有通信厂商，还有一些对航空事业有探索性的公司，如谷歌公司在2013和2014年相继申请了两篇(US9957037、US9518873)有关集成太阳能电池的无人机技术的专利并且都在中国有技术布局[29-30]。研发人员可综合考虑农业场景下的地形、环境等因素，加强在动力系统和飞行控制方向上的专利布局[31]。

3 结束语

总体来看，农用无人机技术正处于技术发展期，前景看好。未来几年，农用无人机技术的相关专利申请量和申请人数量仍将保持较高增长趋势。通过上述专利信息，揭示了农用无人机技术的发展情况，为科技人员的技术开发提供信息基础。基于以上分析，对农用无人机技术专利布局提出3点建议。

(1)加强农用无人机领域的海外专利布局，提升产品在海外市场的竞价能力。根据BlueWeave咨询公司的数据，全球农用无人机市场规模预计将从2019年的11亿美元增长到2026年年底的47亿美元，在2019—2026年的预测期间以31.3%的快速CAGR(Compound Annual Growth Rate，复合年均增长率)增长。技术创新、创新技术专利保护和创新技术产品市场竞争力3者是紧密关联的。在农用无人机市场蓬勃发展的大环境中，我国的农用无人机企业应该加强国内发明专利的申请量，以追求长久的技术保护期；同时加强国际专利的申请和布局，为农用无人机出海打下坚实的知识产权基础，提升农用无人机产品在海外市场的竞价能力。

(2)提升专利撰写技巧，加强专利权利要求的布局意识。极飞科技与大疆创新是国内植保无人机的两家龙头企业，就农用无人机的专利量来说，极飞科技的申请量多于大疆创新，主要原因是极飞科技是以农用无人机为主业，而大疆创新是2015年才开始农用无人机布局，其大量专利集中在消费类无人机领域。两家在专利撰写方面的技巧性操作值得学习(可参考CN110382356A、CN209626259U和CN209080184U等专利)[32-34]。在权利要求保护方面会以无人机的通用技术、通用部件进行保护，但是，保护主题中通常会以一个独立权利要求对无人机在农业方面的应用给予保护，同时在说明书的实施例中给予在农业方面的应用场景的描述，既保证了专利的保护范围，又实现了技术在应用场景中的具象化。这样的撰写和权利要求布局方式，对于专利无效阶段的权利要求解释及专利侵权诉讼中专利与侵权产品的比对对准性都是极有帮助的。

(3)加强专利保护意识的同时，提升对专利市场化运用的能力。专利权的获得使得权利人对自己的专利技术拥有了独占性和专有性，那么自然也就拥有了主动出击主张自己权利的能力，自2015年以来，在消费类无人机领域已然掀起了一波波的专利战。据不完全统计，大疆创新先后就专利侵权相关问题起诉了深圳道通、佛山黑马、广州华科尔、YUNEEC昊翔和北京零度等多家无人机企业。极飞科技也有多项专利涉及到专利侵权诉讼。目前，在农用无人机领域尚未大规模出现知识产权争夺状况，但是随着农用无人机市场的开拓，市场竞争态势的增强，农用无人机领域的专利战也会随之一触即发。