植保无人机设备专利技术分析

贺萌萌，谭启龙

（国家知识产权局专利局专利审查协作河南中心，郑州 450000）

植保施药设备经历了由背负式人工喷雾机到背负式电动喷雾机，再到自走式喷杆喷雾机，最后到植保无人机的演变。1990 年，日本山叶公司率先推出世界上第一架投入农业喷洒实践的无人直升机，此后，无人机在日本农林业方面得到迅速发展，而我国植保无人机技术发展相对较晚。2008 年，由农业部南京农业机械化研究所、总参谋部第六十研究所、中国农业机械化研究院、中国农业大学和南京林业大学等单位共同承担的科技部国家“863”计划项目“水田超低空低量施药技术研究与装备创制”进入执行阶段，标志着我国科研机构正式开始探索植保无人机航空施药技术[1]。植保无人机因其具有作业效率高、成本低、节水、节药和人药分离等特点，且可以于水田、丘陵山地、林地湿地等地面装备难以进入的区域内作业，从而在国内外被广泛研究应用[2]。

为了全面了解全球范围内关于植保无人机的专利申请情况，为本领域技术人员的研究探讨提供参考，本文采用中国专利文摘数据库（CNABS）进行中文专利检索，并采用外文数据库（VEN）进行外文专利检索，对植保无人机设备专利申请情况进行相关分析，检索截止时间为2023 年3 月15 日。由于未公开的专利申请无法在专利库中得到有效检索，因此，下述分析中关于2021—2023 年度的相关数据存在不完整的问题，并不代表相关年度的真实情况。其次，CNABS 和VEN 数据库通过MEMS 命令对指定字段中的内容进行提取储存排序时，存在储存数据量有限的问题，因此，下述关于国内外主要申请地区和主要申请人的数据分析中，采用2020 年度数据作为代表数据进行统计梳理。

1 国内外植保无人机专利申请态势分析

1.1 国内外植保无人机专利申请量趋势分析

如图1 所示，国内植保无人机专利申请发展分为2 个阶段：一是起步阶段，2008 年以前我国仍处于植保无人机研究探索空白期，专利申请量为0 件，随着2008 年科技部国家“863”计划项目“水田超低空低量施药技术研究与装备创制”的顺利执行，预示着我国的植保无人机事业进入起步阶段。二是快速发展阶段，2014—2020 年，我国植保无人机的专利申请量呈快速发展趋势，政府各部门的相关利好政策是促进我国植保无人机大发展的主要原因，如2014 年的中央1号文件提出了“推进农业科技创新”“加快农用航空建设”相关精神要求[3]，各地区积极响应国家号召，相继出台了植保无人机购置补贴政策，促进了植保无人机领域的研究发展。相较国内而言，国外植保无人机研究时间更早，其专利申请量发展态势与国内基本相同。

图1 国内外植保无人机专利申请量趋势

1.2 国内植保无人机专利申请人及所在地区情况分析

如图2 所示，列举了2020 年国内关于植保无人机专利申请量排名前七的地区。其中，广东省位居首位，专利申请量共计156 件，其次是江苏省和河南省，专利申请量分别为153 件和89 件，分析原因主要有2 点。第一，实际需求层面，广东省尤其是粤北山区，其地形以山地丘陵为主，河谷盆地分布其中，平原、台地占20%，森林面积覆盖广，且拥有不少百亩以上的农业种植大户，种植大户对植保的需求大，现有的传统植保机械不足以满足实际的作业需求，农户对现代化机械需求力强。第二，政策扶持层面，2014 年，江苏省和河南省均在财政方面给予植保无人机购机补贴[4]，2017年，农业部办公厅、财政部办公厅、中国民用航空局综合司印发了《关于开展农机购置补贴引导植保无人飞机规范应用试点工作的通知》，此后到2019 年，安徽、湖北、浙江和山东等多个省出台了植保无人机补贴政策，中央到地方的一系列政策支持，使得公众意识到了植保无人机的发展优势，专利申请积极性也得到了显著提高。

图2 2020 年度国内植保无人机主要地区专利申请量

如图3 所示，列举了2020 年度国内植保无人机申请量排名靠前的申请人，可以看出，深圳市大疆创新科技有限公司、河南正大航空工业股份有限公司及广州极飞科技有限公司等企业在创新能力和技术研究上处于领先地位。对比图2 可知，植保无人机专利申请量比较靠前的地区，同样具有研发能力比较高的企业，该地区对该类设备的需求度更高。

图3 2020 年度国内植保无人机主要申请人专利申请量

1.3 国外植保无人机专利申请主要国家地区情况分析

如图4 所示，列举了2020 年国外关于植保无人机专利申请量排名前七的国家。其中，美国位居首位，专利申请量为111 件，其次是韩国和日本，专利申请量分别为80 件和75 件。国情的实际需求和政府的扶持引导是促进各国植保无人机研究发展的主要原因，如美国地形主要呈现大地块，植保无人机可以更便捷地解决大部分需求，65%的植保作业由飞机承担，且美国在植保无人机使用上，监管政策不断放宽，使得无人机技术得到持续稳步发展；韩国农村人口占比少，农用土地占比多，且三分之二的耕地为水田，超过一半的耕地面积采用无人机作业，且韩国各地方的农协会拥有全国80%的农用无人机，为农耕地的统一作业提供了便利性；日本作为世界上应用植保无人机最早的国家，也是利用无人机进行农业作业最广的国家，其以水稻种植为主，且农耕地块小，山地地形多，普通的大型机械难以进行植保作业，对植保无人机的需求度高。

图4 2020 年度国外植保无人机主要地区专利申请量

1.4 国内外植保无人机专利申请设备类型情况分析

目前，植保无人机产品众多，从升力部件类型划分，主要有固定翼、单旋翼和多旋翼植保无人机，从动力结构类型划分，主要有电动、油动和混合动力植保无人机。

如图5 所示，从升力部件类型来看，多旋翼植保无人机的专利申请量最多，国内外专利申请量分别达到1 312 和1 362 件，其次是固定翼植保无人机，国内外专利申请量分别为100 和129 件，最后是单旋翼植保无人机，国内外专利申请量分别为53 和55 件，可见国内外应用最多的是多旋翼植保无人机。这与各种升力植保无人机的应用特点有关：固定翼植保无人机续航时间长、飞行稳定性好，但必须有起降专用跑道；单旋翼植保无人机可垂直起降，无需跑道，飞行灵活，续航时间较长，但结构复杂，制造和维护成本高；多旋翼植保无人机成本低、结构简单、操作和维修保养简单、能垂直且快速起降、容错性强[5]。

图5 国内外不同升力结构植保无人机专利申请量

如图6 所示，国内外多旋翼植保无人机中关于电动系统的专利申请占比分别为92%和85%，关于油动系统的专利申请占比分别为6%和13%，关于混合动力系统的专利占比分别为2%和2%，可见国内外多旋翼植保无人机中应用最多的是电动系统，这与多旋翼植保无人机的应用特点有关：多旋翼无人机在应用时，要求多个旋翼的转速在平衡时必须一致，同型号的电机容易实现该功能，而多个内燃机不容易协调一致，并且相对位置的旋翼需要正反转配置，这也是内燃机很难做到的，由此可见多旋翼电动植保无人机具有较高的研究价值和创新优势。

图6 国内外不同动力系统多旋翼植保无人机专利申请占比

2 多旋翼电动植保无人机结构改进专利分析

多旋翼电动植保无人机虽然在应用上具有独特的优势，然而因其以电力作为驱动系统，同时具有耗电、续航时间较短、载药量少和有坠落风险等弊端，本文通过对多旋翼电动植保无人机相关专利进行梳理，对重点专利申请及重点申请人的改进路线进行分析。

2.1 动力系统的改进

CN106347648A 公开了一种油电混合多旋翼植保无人机，由发动机为主旋翼直接提供动力，飞行时间更长久，载荷更大，由电动机带动辅助旋翼旋转，辅助旋翼负责保持飞行时的平衡以及飞行姿态的调整，省去了尾梁、尾翼及螺旋桨到尾翼的传动装置，整机结构极其简化，自重大大降低；CN216546689UU 涉及一种安装有太阳能板的植保无人机，通过太阳能辅助供电，提高无人机的续航能力。

2.2 旋翼结构的改进

CN216186002U 公开了一种多旋翼无人机，该无人机在机身上安装导流翼，可以引导气体附着在机身的表面流动，减少气体在机身附近产生的分离涡流，从而减少气体在机身产生的阻力，有效降低能耗；CN216636804U 公开了一种多旋翼无人机，通过在机臂上设置凸起，当多旋翼无人机前飞时，使得气流在流过凸起到达机臂的上表面和机臂的下表面时尽量附壁，降低桨叶前飞工况的桨频，降低前飞阻力以提升前飞续航时间和航程。

2.3 零件结构及材质的改进

CN215285254U 公开了一种多旋翼飞行器，其驱动电机包括转动部和上盖，通过上盖与驱动电机以及螺旋桨连接，不需要额外设置桨座，减少了零件的数量，且上盖采用质量较轻的材料，减轻了动力装置重量；CN210503170U 提供一种具有微型气泵和冲囊结构的植保无人机，在无人机因电力不足坠落时，能够启动伞罩保护功能、防止坠落，同时微型气泵重量轻，不会过度加大无人机重量，提高了无人机的实用性。

3 结论

通过上述分析可以看出，植保无人机的研究发展与地区的实际需求密切相关，不但在人口少、耕地多、面积广和大地块等地区得到了广泛应用，而且对于具有山地、丘陵等常规机械难以进入的耕地地区也同样适用。同时，在无人机的研究及使用推广上，国家政策的扶持引导同样起到了关键作用，如政府补贴或是监管政策的适当放宽都会促进植保无人机的研究及应用。其中，国内外研究和应用最多的是多旋翼电动植保无人机，这与多旋翼植保无人机的结构和使用特点存在密切关系，对于多旋翼电动植保无人机，建议重点研究如何提高载药量少、续航时间较短等问题。最后应当注意，日本、美国、韩国等国家对植保无人机的研究较早，且技术相对成熟，建议我国企业在研发和申请专利时，对相关专利申请现状进行梳理，合理规避现有专利技术。