我国植保无人飞机机型发展概况

2023-06-19薛新宇

现代农药 2023年3期

徐阳，孙竹，薛新宇

（农业农村部南京农业机械化研究所，南京 210014）

我国每年主要农作物病虫害发生面积巨大，近5年的年均发生面积为3.667亿hm2次。目前化学防治仍是防治病虫草害最主要和最有效的方式[1-2]。近年来，伴随着我国城镇化建设进程的加快，农村劳动力短缺与农业劳动力需求的矛盾日益严峻，亟需高效作业机具服务于农业生产[3-4]。植保无人飞机施药作业具有快速高效、适应性广等显著特征，克服了传统植保机械作业效率低、下地难、转场难和劳动力投入大的问题，已逐渐成为我国农业生产不可或缺的一部分[5-7]。当前植保无人飞机的市场潜力巨大，是科技下乡解决三农问题的代表性成果。

1 植保无人飞机发展及应用现状

农业航空的发展已有100多年历史。美国是农业航空应用技术最成熟的国家之一[8]，所采用的农用有人驾驶飞机有20多个品种。根据机型划分，可分为固定翼飞机和直升飞机2大类：目前美国具有农业航空相关企业2 000多家，有完善的协会管理制度。日本是最早将单旋翼无人飞机应用于农业生产的国家[9]，自20世纪80年已经开始飞防作业，是植保无人飞机作业技术发展最成熟的国家之一。

我国植保无人飞机起步较晚，但是近年来在政府、科研单位、高校、企业以及服务组织的探索下，植保无人飞机作业技术发展迅速[10]。自2015年起，随着以飞控技术为核心的高科技企业极飞科技有限公司、大疆创新科技有限公司进入农业，产业规模呈现逐年翻番的高速发展状态，已形成了集研发、生产、销售、服务一条龙的完整产业链，产品的市场保有量、作业量、驾驶员人数逐年递增。截至2022年，全国的植保无人飞机保有量已达到16万台，作业面积为0.933亿hm2次，占我国病虫害防治面积的20%左右。植保无人飞机研发及组装的生产企业100多家，其中龙头企业10余家，产品覆盖单旋翼、多旋翼以及油动、电动等多个品种。行业带动了超过8 000家飞防专业社会化服务组织的发展。

目前植保无人飞机的作业对象几乎覆盖了全部农作物，包括水稻[11-13]、小麦[14-15]和玉米[16-17]等主要粮食作物，各种经济作物棉花[18]、油菜[19]、果树[20-21]和瓜果蔬菜如苹果、葡萄、柑橘、豇豆、小白菜等，并且获得了理想的防治效果和防治经验。经过几年来的发展，在关键技术、装备及飞防药剂的不断升级推动作用下，施药作业质量有了长足进步，当前植保无人飞机的病虫害防治效果已接近地面大型喷杆喷雾机具的水平，作业类型也从植保施药延伸至授粉、播种、施肥、投料等，且实现了一机多用的功能拓展。

2 植保无人飞机机型演变

2.1 日本无人飞机发展

日本的植保无人飞机机型以油动单旋翼为主。1985年，日本雅马哈公司率先推出世界第一架农用无人飞机Yamaha-R50型，其有效载荷为5 kg，主要用于农药的喷洒（图1a）。经过10年的作业实践和改进，日本于1997年研发出了具有飞行姿态控制系统且性能大幅提升的RMAX新机型（图1b）；2017年投入市场的FAZERR G2型无人直升机，载药质量为40 kg，续航距离为90 km（图1c）。2020年发布的油动单旋翼FAZER R AP，有效载荷为32 kg，增加了自动飞行功能，无需手动遥控进行自动起降。

图1 日本雅马哈公司推出3 种以单旋翼为主的农用无人飞机示意图

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%；截至2015年，日本植保无人直升机保有量为2 668台。雅马哈公司在日本植保无人飞机市场占有率达90%。从2015年开始，一些日本企业开始推出四旋翼、六旋翼等多旋翼植保无人飞机，如Yamaha Nile-JZ（图2a）与SkymatiX X-F1（图2b）等。

图2 日本雅马哈公司推出2 种以多旋翼为主的农用无人飞机示意图

2.2 国内无人飞机发展

我国植保无人飞机科研起步自2008年，在国家“863”计划项目“水田超低空低量施药技术研究与装备创制”的支持下，由农业农村部南京农业机械化研究所牵头，中国农业大学、中国农业机械化研究院、南京林业大学、总参谋部第六十研究所等单位参加。与日本植保无人飞机手动操控技术路线不同，我国植保无人飞机是全新的自主飞行模式无人飞机，科研产品“N-3”油动单旋翼植保无人飞机配备基于GPS导航施药作业系统，药箱有效载荷20 kg，搭载2个超低量离心雾化喷头[22]（图3）。

图3 N-3 油动单旋翼植保无人飞机

2010—2015年，全国涌现了一批植保无人飞机企业，其中包括无锡汉和、安阳全丰、高科新农、珠海羽人，作业面积达66.667万hm2次。市场上主要机型包括油动与电动单旋翼、电动多旋翼（图4），但机具以手动遥控为主，载药量在10～15 kg。

图4 2010—2015年国内部分企业研发植保无人飞机示意图

2015年，广州极飞科技有限公司开始发布电动四旋翼植保无人飞机P20，采用全自主作业模式，并在2016年将植保无人飞机加入了RTK定位技术，P20载药量达10 kg（图5a）。P系列作为广州极飞科技有限公司主流机型，当前已发展到P100，载重达50 kg。2021年，极飞又推出新系列，即电动双旋翼V系列植保无人飞机，最新的V50具备20 kg的有效载重（图5b）。除植保作业功能外，极飞的P系列与V系列还支持种子、肥料等固体颗粒的播撒作业功能，作物对象主要为大田作物与果园。

图5 广州极飞推出电动四旋翼和电动双旋翼植保无人飞机示意图

2015年底，深圳大疆创新科技有限公司发布了电动八旋翼MG-1植保无人飞机，载药量在10 kg（图6a）。至今，该公司陆续推出电动八旋翼MG-1S、MG-1P，载药量均为10 kg，在2019年后陆续推出电动四旋翼T系列植保无人飞机T20与T25，并在2021年发布了电动八旋翼植保无人飞机T50（图6b），其采用共轴双旋翼动力系统，载药量分别为40 kg和50 kg，集航测与飞防于一体，面向大田与果园作业。

图6 深圳大疆推出电动八旋翼植保无人飞机示意图

2015年至今，无锡汉和、安阳全丰、深圳高科、北京韦加等公司陆续发布了电动单旋翼、油动单旋翼、电动四旋翼与电动八旋翼的植保无人飞机产品（图7a～e）。总参第六十研究所、中科院沈阳自动化研究所、北京航空航天大学等科研机构也研制出一批油动大载荷单旋翼植保无人飞机产品或者样机（图7f～h）。

图7 2015 年至今国内部分企业和科研机构研发的植保无人飞机示意图

国内植保无人飞机的发展不断吸引科技公司的加入，如拓攻机器人与苏州极目机器人等公司。2020年，拓攻机器人发布了电动四旋翼植保无人飞机F系列，并之后陆续推出电动六旋翼TG系列，最新的电动四旋翼丰鹏系列可配备55 kg播撒料箱或者35 L喷洒药箱（图7I）。2021年，苏州极目机器人科技有限公司开始发布电动四旋翼植保无人飞机EA2021，目前已发布了5种机型，其中EA-30XP植保无人飞机支持植保喷洒与播撒作业，具备双目视觉三维感知技术，可实时检测障碍物超低仿地飞行，进行丘陵山地全场景作业，药箱容量达到30 L（图7J）。

目前国内市场已拥有一批操作简单、稳定性高、可靠性高、作业效果较为理想的植保无人飞机产品，适合我国不同农业生产区经营模式和地貌特点。比如，适合丘陵和小规模植保与辅助授粉作业的电动单旋翼无人飞机、适合复杂地形植保与遥感作业的电动多旋翼无人飞机、适合平原大规模种植区植保作业的大载荷油动无人飞机、适合多种作物混植区植保作业的轻型油动无人飞机。

3 技术发展

3.1 机体平台技术发展

2008—2015年，植保无人飞机产品的多数机型仍然是由航模或者航拍系统改制而成，自动化程度和技术水平不足，存在飞不稳、飞不低、飞不准、复杂农田环境适应性低等问题，导致作业质量较差，坠机问题突出，相关机具多以演示和田间示范为主，尚无法进行规模化作业。2015年开始，国内多家科研院所与企业开展了超低空自主作业飞行施药作业技术的联合攻关。

在飞控方面[23]，全面实施“航路规划、自主飞行、定点喷洒、断点续喷”自主飞行作业模式，融合GNSS-RTK（全球定位导航-载波相位差分），利用定高-增稳-防地飞行控制方法和自主避障控制策略，将植保无人飞机从“遥控”作业转变为“自主”作业，有效降低重喷与漏喷率，提高作业效率与作业质量[24]。植保无人飞机自主作业模式下全覆盖路径规划的研究也得到了广泛的关注[25-27]。

在机体方面，加强了产品模块化、工业化，其中具代表性的有：①整机模块化技术，使得农业无人飞机框架强度提高30%，田间作业能够通过易损配件更换快速修复，无人飞机抗风险能力提升；②高效电池技术：提高了充电速度，水冷和散热加持延长电池使用寿命，提升电池耐用度；③防水技术：机身采用防水密隔舱设计，最高整机防水等级达IP67，实现了全身水洗。

3.2 附属作业部件技术发展

针对植保无人飞机施药可能造成的环境污染问题，国内学者构建了植保专用风洞[28-29]、流场专用模拟平台[30-32]，对喷洒雾滴的运动进行了定量描述，以用于植保无人飞机施药系统布局优化[33]；创制了植保无人飞机专用的窄雾滴谱的喷头[34-36]，实现了雾滴量精确可调、沉积均匀与飘移可控；探索了面向不同作物的喷施作业精量化参数[37]，解决了无人飞机施药技术与病虫害防治不匹配的难题[38-40]。

2020年起，植保无人飞机的变量喷洒系统得到广泛的应用，作业对象从传统的大田作物延伸至果园、蔬菜及茶园等经济作物，作业类型也从植保施药延伸至授粉[41-42]、播种[43]、施肥、投料等。

3.3 标准化发展

植保无人飞机在国内的标准化工作曾一度滞后于技术发展速度，最早的行业标准发布于2018年，NY/T 3213—2018《植保无人飞机质量评价技术规范》[44]由农业农村部南京农业机械化研究所起草。该标准规定了植保无人飞机的基本要求、质量要求、检测方法和检验规则，对植保无人飞机行业的健康发展具有显著的推动作用。此后，中国农业机械化协会从基础、技术、应用、管理4个方面设计一套植保无人飞机的标准体系，制定了9项具有影响力的团体标准，进一步保证植保无人飞机安全高效作业。截至2022年12月，该协会已颁布植保无人飞机相关的行业标准6项，团体标准32项。行业在售的绝大多数机具都通过了省/部级质量检测，机具质量和可靠性显著提升，产品坠机率和事故率大幅降低。

3.4 智能化作业技术发展

近年来，植保无人飞机的智能化水平进一步提高，部分企业在机具端开发出了4D雷达成像、自主避障[45]、多机协同[46-49]、夜间飞行[50]、快速装药等技术，使机具的田间适应性增强，操控简单化。

围绕植保无人飞机，出现了包含高清数字农田、电子围栏、物联网大数据等周边数字基础设施，在产品上推出了智慧农业生产的操作系统，实现测绘辅助＋自主作业的新型作业模式，可以自主决策和自动执行田间作业，不再需要专门的农机手，新老农人都可以通过系统来操作机具，使得植保无人飞机的理论作业效率从平均不足6.67 hm2/h提升至16.67 hm2/h。

目前，我国的植保无人飞机产品的智能化水平明显提升，表1列举了中日两国植保无人飞机产品的性能参数对比结果。在飞行控制方面，国内植保无人飞机产品采用自主作业模式，具备自主避障、仿地飞行与多机协同的作业功能，而日本植保无人飞机产品作业采用半自主的作业模式，需要旗手配合完成作业，不具备避障、仿地飞行、多机协同作业能力。在喷头性能方面，2018年我国植保无人飞机产品标准规定在室内测试中喷雾均匀性变异系数小于或等于40%，2023年标准修订后，变异系数提升至小于或等于35%，而我国植保无人飞机产品在日本使用，认证要求比较高，喷雾均匀性变异系数小于等于30%以下。日本植保无人飞机产品采用快速插拔、防颠簸的药箱电池设计，国外植保无人飞机产品采用分体药箱设计。