我國農用無人機發展概況與展望

楊陸強，果 霖，朱加繁，高志超，周體全，喻自榮，彭繼文，張汝坤

(1.云南農業大學 機電工程學院，昆明 650201；2.云南省大理州祥云縣農機推廣站，云南 祥云 672100)

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我國農用無人機發展概況與展望

楊陸強1，果 霖1，朱加繁1，高志超1，周體全2，喻自榮1，彭繼文1，張汝坤1

(1.云南農業大學 機電工程學院，昆明 650201；2.云南省大理州祥云縣農機推廣站，云南 祥云 672100)

近年來，隨著我國農業結構的轉變與調整，農業生產對農業機械的需要也從普遍的耕作機械、收獲機械、農副產品加工機械等方面擴展到了農用無人機。無人機在有動力源的情況下，能通過操控來執行多種作業任務，可廣泛應用于農業生產，主要用途體現在植保作業、林業監測、作物授粉及牧群定位等方面。為此，介紹了農用無人機的分類、國內外農用無人機的技術發展概況和現狀，以及其在農業領域的應用，闡明了其在我國的發展前景，指出了其在發展過程中存在的一些問題，并提出了相應的發展建議。

農用無人機；現狀；用途；建議

0 引言

無人駕駛飛機簡稱“無人機”，英文縮寫為“UAV”(Unmanned Aerial Vehicle)，是利用無線電遙控設備和自備的程序控制裝置操縱的不載人飛機[1]。無人機作業具有節省勞力、效率高、效果好等特點，相比人工作業有特別明顯的優勢。一般飛行員的極限飛行時間是8h，但是無人機在動力充足的情況下可連續飛行100h多[2]。在20世紀20年代至今的近100年間，無人機經歷了從無到有、從普通到高端的階躍變化，但因受到政策及技術等因素的制約，其用途主要還是體現在軍事方面。近幾年，農用無人機的發展迎來了它的黃金時期。

農用無人機不僅作業效果優于人工作業，且在作業效率、安全性保障等方面也有較大優勢。我國現階段農業機械化的發展正處于中級階段，農業機械化的發展方向正朝著全面機械化轉變。黨的“十八大”報告提出：轉變農業發展方式，推進農業現代化進程，對于保障我國家的糧食安全具有十分重要的作用。伴隨著這種轉變，農業生產對農業機械的需要也從普遍的耕作機械、收獲機械、農副產品加工機械等方面擴展到了農用無人機。

目前，農用無人機在農業生產中的應用主要體現在植保作業、林業監測、作物授粉及牧群定位等方面。世界上第1臺農用無人機出現在1987年的日本，經過將近 20 多年的發展，目前日本擁有 2 400多架已注冊農用無人直升機，操作人員14 000多人，成為世界上農用無人機噴藥第一大國[3]。除此之外，美國、俄羅斯、加拿大及韓國等國的農用無人機發展也較為迅速，技術體系也較為完善。我國農用無人機發展起步較晚，起初主要是依靠國家資助，一些科研院所、高校進行農用無人機的研究[4]，但我國已日益重視農用無人機的發展及研究。截至2015年底，我國已有3 000多臺農用無人機投入農業生產，飛控手的人數已超過2 500人，相關產業的生產企業有400多家，加之農用無人機的各種作業優勢，我國農用無人機的發展前景很好。但我國農用無人機發展過程中也有技術不成熟、存在安全隱患、市場需求難以契合、操作人員相對缺乏、社會化服務體系不健全等問題，相信經過各方的協調統籌和共同努力，21世紀必然是農用無人機市場的春天。

1 農用無人機發展概況與現狀

1.1 農用無人機的分類

農用無人機按照動力系統的不同可分為：電池動力和燃油動力兩類[5]。以電力為動力的無人機能起降迅速，并具有操作靈活的優點，但單次飛行時間一般只有 10～15min；燃油動力系統無人機以燃油發動機為動力，機身大，靈活性相對較差，需要一定的起降時間，且維護較為復雜，但單次飛行時間可超過1h[6]。

農用無人機按旋翼的不同可分為固定翼式、單旋翼式及多旋翼式[7]。固定翼無人機由機翼產生升力，機翼位置和掠角等參數在飛行過程中保持不變[8]；單旋翼無人機由主槳切割空氣產生推力，尾槳保證平衡，可垂直起降和穩定地懸停[3]；多旋翼無人機以3個或者偶數個對稱非共軸螺旋槳產生推力上升，以各個螺旋槳轉速改變帶來的飛行平面傾斜實現前進、后退和左右運動，以螺旋槳轉速次序變化實現自轉垂直起飛降落，場地限制小，可在空中穩定地懸停[8]。

按照農用無人機功能的不同,可將其分為農事操作及農田信息搜集兩大類。農事操作即利用無人機來代替一些人力的農事作業,來解決人工作業在質量、效率和勞力上的的不足,以及作業的安全問題等。農田信息搜集即利用遙感探測技術及時、準確地收集田間信息,包括光合作業質量、土壤濕度和作物群體生長情況等。

1.2 國外農用無人機技術發展

1.2.1 美國

1949年，美國開始研制專門用于農業的農用飛機[9]。據統計，美國農業航空對農業的直接貢獻率為15%以上，水稻施藥作業100%采用航空作業方式。此前，美國因農業勞動人工成本太高一度放棄國內的水稻種植，大米全部依靠進口；使用農用航空作業后，到20世紀70年代末，已一躍而成為了全球主要的稻米出口國之一[10]。麻省理工學院在《科技評論》雜志中評選出了“2014年十大最具突破性的科技創新”，其中農用無人機排在了第1位。2015年1月，美國的聯邦航空管理局(FAA)則正式批準、確定了無人機的農業應用—農作物監測[11]。

美國的農業生產規模及科技水平已經并長期處于全球領先地位，也是世界上農用航空技術及應用最發達的國家。在美國，農用無人機已廣泛應用于播種、施肥和施藥等農事生產過程中，其自動導航、精量控制技術及各種作業模型已步入實用階段，作業環節優質高效，對環境的污染較低。

1.2.2 日本

世界上第1臺農用無人機出現在日本，目前日本也是世界上無人機飛防最為成熟的國家。因為日本是一個典型的人多地少的國家，加之農戶的平均耕地擁有量和種植規模均較小，所以日本的作物施藥方式主要還是小型機動噴霧和直升飛機航空噴霧[4]。最近幾年，輕型超低空的農用無人機憑其在作業效率、單位面積需藥量和農藥聚附等方面的優勢，在日本迅速地發展了起來。目前，日本有近3 000多架的農用無人機應用在農業生產中，飛手的數量達 14 000多人，農林航空作業面積占總耕地面積54%。日本的航空植保操作規范完善，且專用航空藥劑多，僅無人機水稻施藥專用登記農藥就有133種[5]。

1.2.3 韓國

韓國國土面積993.9萬hm2，耕地面積203.3萬hm2，占比20.45%；農業人口占全國總人口的10.9%，戶均耕地1.3hm2，農業發展模式以小農體制下的家庭農業為主。到2010年底，韓國的農用無人機數量達131架，每年可解決4.35萬hm2耕地的植保作業需要；截至2013年，農用無人機數量升至500架[12]。在戶均耕地面積較少的大背景下，將農用無人機應用于農業生產，正逐漸被韓國越來越多的農戶所認可并采納。

1.3 我國農用無人機發展概況

我國對無人機的研究始于20世紀 50年代后期，60年代中后期投入無人駕駛飛機的研制。前期的無人機研究主要涉及軍事領域，研制經費以國家投入主[4]。1951年5月22日，一架C-46型飛機連續2天在廣州市上空執行了41架次的滅蚊蠅飛行任務，揭開了我國農業航空發展的歷史篇章[6]。雖然農用無人機在我國的發展、起步較晚，但是隨著我國對農用航空的重視及投入的加大，我國農用無人機的研究及發展也進入了新的階段，發展最快的是小型農用植保無人機[4]。目前，我國的小型農用無人機正逐漸推廣應用于作物授粉等農業生產領域。

隨著我國農業結構的調整，農民在農業生產中對適用的農業機械化新技術和各種配套機具的需求越來越迫切，農用無人機以其在農林植保噴藥、風力授粉、農田遙感等方面獨特的作業優勢受到廣泛關注。面對農業上的巨大需求，不少科研機構和企業已投入大量人力物力進行農用無人機的相關研究和生產。自2013年中國農用航空產業創新聯盟在海南成立到現在，已有33家理事單位在協調技術創新、統一產品標準及促進技術交流方面做出了積極貢獻[13]。

截至2012年末，生產航空施藥無人機整機與配套設備的企業達80余家。在林業應用方面，2013年6月3日，我國自主研發的Z5型無人直升機在內蒙古大興安嶺林區根河航空護林站首航成功，這也是中型無人機首次應用于林業系統。該機最大巡航速度為160km/h，續航時間為4～6h，最大起飛質量450kg，可以彌補有人機飛行受日出日落和能見度限制的不足，實現高危環境下作業。該機搭載防火智能遙感監控系統，可實現探測數據的實時回傳，為森林火災的快速探測定位與綜合指揮調度提供依據[14]。

圖1為深圳市大疆創新科技有限公司于2015年11月推出的一款智能農業噴灑防治無人機—大疆MG-1農業植保機。該機為八旋翼農用無人機，最大作業飛行速度為8m/s，標準載荷為10kg,最大有效起飛質量為24.5kg,外形尺寸為1 471mm×1 471mm×482mm，1h的作業量可達2.6～4hm2，是人工作業的40～60倍。其防塵、防水霧的效果較好，可依靠內循環系統保持機電系統的及時冷卻，精準控制的藥劑噴灑泵能有效調整噴灑的方案，應對不同地形時可選擇智能、手動及增強型手動的不同操作模式。該機能在無藥時自動記憶中斷坐標點，補充藥液后可返回中斷坐標點繼續作業，數據保護功能可有效保障飛控系統等不受斷電的影響，并能自動保持與農作物的間距，其Y型折疊機臂設計也給安裝、運輸帶來了便利。

圖1 大疆(MG-1)農業植保機

圖2為北京市零度智控智能科技有限公司于2015年12月推出的“守護者-Z10”農業植保無人機。該機采用了大扭矩動力電機和30英寸碳纖維螺旋槳，能提供強勁動力及強大的下壓風場，還能輕松規劃不規則噴灑區域，并計算噴灑面積。面對復雜地形時，雙目測距自動避障系統可以輕松應對復雜地形，定方式為GPS差分技術。該機的額定載荷為10kg，作業速度為6～8m/s，有效起飛質量約24kg，外形尺寸為1 300mm×1 300mm×450mm，單次作業量約為1hm2，效率高于人工作業數10倍。該機為四軸“十”字型機體，環抱式的機體結構設計為運輸、攜帶提供便攜，中心盤的一體化設計，保證了機身具備較強的防塵、防水和防腐蝕能力。

圖3為無錫漢和航空技術有限公司推出的一款農用無人機—無錫漢和CD-15型油動植保無人機。該機為漢和CD-10的升級換代產品，載藥量可達15kg，噴灑飛行速度為3～6m/s，工作12～15min可噴灑田地1.3～2hm2，有效起飛質量為35kg，若全部載荷用于裝載燃料，可連續飛行150min。該機采用翹尾設計加無副翼設計，具有較好的操控性能及噴灑效果。其采用GPS、氣壓和加速度多參數定位技術，可實現自動航路規劃、定高、緊急懸停等各種控制功能，也可進行半自動和全自動飛行，并在空中實現兩種模式的自由切換。

圖3 無錫漢和CD-15型油動植保無人機

農用無人機的生產應用在國內還處于起步階段，產品主要從美國、德國等國家進口，不僅成本高，售后也存在一定的難題。河南省已將農業機械中用于植保的農用航空器列入2015-2017年農機購置補貼機具類型，對于不同生產企業、不同型號及不同配置參數的農用航空器，均有與其相對應的省級補貼額度，且最高補貼額度為8.33萬元。隨著綠色農業、有機農業、精準農業技術革命的不斷發展，采用農用無人機進行農業生產作業已成為我國農業的發展趨勢[11]。據相關行業的專家預測，到2020年農用無人機在我國的市場需求量將增至1萬余臺。

2 農用無人機發展前景與展望

2.1 農用無人機的用途

2.1.1 植保作業

傳統的手工、機械式植保作業不僅效率低下、耗時費工，還不能保障較好的作業效果，并且存在著一定的安全問題和安全隱患。農用植保無人機的作業能適應多種地形環境，作業效果優于地面機械和人工作業。當氣候、地形變化時，無人機能代替地面機械進行農事生產，對農作物開展施藥施肥，保證農作物長勢，并有效提高其品質。無人機工作時產生的向下氣流，能提高霧流對作物的穿透性，保證正反葉面均能著肥著藥，還具有殺除作物生長環境中的病菌和害蟲的效果，為作物提高良好的生長環境[15]。

農用植保無人機的飛行作業速度一般為3～6m/s，飛行過程中還能保持與作物1～2m的固定高度，規模作業時能保證5.3～6.7hm2/h的效率，效率時常規噴灑的數十倍[16]。農用無人機的作業不受耕作模式及區域的限制，自動飛控導航作業能有效保證操作人員的安全，并改善了植保機械和人工作業進地難、效果差等不足。

2.1.2 林業監測

無人機通過搭載高分辨率監測、攝像設備，可以解決勘察人員不足、效果差、效率低等問題，有助于林區管理人員精確掌握林區的森林現狀。其巡查系統可以對異常、病變、枯死的林木精準定位，通過采集有效的影像資料，可以實施森林資源調查和荒漠化監測、森林病害蟲監測及其防治、森林火災監測和動態管理、火災救援及人工降雨等工作，最終為林業的時查時管提供科學有效的依據。

2.1.3 作物授粉

傳統的雜交稻制種人工牽繩授粉、人工輔助授粉，每個勞力每天可授粉 0.2～0.33hm2，花粉傳播距離近，勞動強度大；而電池動力無人直升機輔助授粉每天的有效授粉時間約30min，授粉 2～3 次，可完成約 4hm2制種的授粉作業，異交結實率可達45.1%，產量為193.2kg/0.067 hm2；油動力無人直升機輔助授粉每天有效授粉時間約 30min，授粉 2～3 次，可完成約 4hm2授粉作業，異交結實率可達47.2%，產量為181.7kg/0.067hm2[6]。相比人工授粉而言，無人機輔助授粉能大大降低勞動強度，節約人工成本，并保證授粉的效率和質量。

2.1.4 牧群定位

無人機應用于牧群定位，可在牧區上空驅趕牧群，控制它們的移動方向，并找到脫離群體的個體，還能讓各個分散的牧群集中到一個地方。通過裝載傳感器和攝相機，無人機還可以統計牛羊的數量，借助熱力感應器檢測動物的身體狀況，而不需牧羊人親自出馬進行勘察。

2.2 無人機與我國農業

我國是一個人口大國，也是一個農業大國，糧食歷來都是國家長治久安、百姓幸福生活的保障。然而，近年來我國的糧食問題越來越凸顯。2014年5月份舉辦的第三屆中國國際農商高峰論壇上，農業部農村經濟體制與經營管理司司長張紅宇就已經表示，我國的糧食自給率已經跌到了87%，全部農產品的自給率差不多是70%左右，30%左右是需要通過國際市場來調節的[17]，長期以往必將受制于人?，F代農業的迅速增長是建立在機械化、化學投入(化肥、殺蟲劑、除草劑等)、灌溉等現代農業技術上的。從生態的角度看，現代農業根本是不可持續的。害蟲的抗藥性、澇災、土地鹽堿化及地下蓄水層的枯竭都給我國現代農業的發展帶來了挑戰，提高糧食生產效率和保障糧食安全至關重要。

在林業方面，我國是一個缺林少綠、生態脆弱的國家，森林覆蓋率遠低于全球31%的平均水平，人均森林面積僅為世界人均水平的1/4，人均森林蓄積只有世界人均水平的1/7，森林資源總量相對不足、質量不高、分布不均的狀況仍未得到根本改變，林業發展還面臨著巨大的壓力和挑戰[18]。在我國，加大林業資源管理投入、提高林業儲量及其生產力、增強林業生態服務功能的空間還很大。

由于我國農業產業正處于小農生產向農業產業化過渡的階段，農業的規模化經營處于起步階段，人員工資的迅速增長，以及人們對作業環境的要求不斷提高，這些因素產生了特定的市場需求，節約成本、效率高、可靠性好的適用于中小面積作業的中小型農用無人機的出現恰迎合了這個需要[19]。隨著我國農業產業化的不斷推進及土地流轉進程加快，大量土地向種植大戶、合作社組織及農業龍頭企業集中，為農用無人機的作業創造了良好條件[20]。

近年來，隨著我國糧食安全、生態安全、綠色植保等領域的發展需求，國家對農業航空的發展予以大力扶持，科技部和農業部在“十二五”科研規劃中都將農業航空應用作為重要支持方向，如國家 “863計劃”立項的“微小型無人機遙感信息獲取與作物養分管理技術”項目、農業部行業科研專項立項“主要糧食作物航空植保”項目，科技部也將“全國農業航空產業技術創新戰略聯盟”列入產業技術創新聯盟試點計劃[21]。“中國制造2025”提到，新型工業化、信息化、城鎮化、農業機械化“四化”要同步推進，保障、食品、生態“三大”安全要同步進行；要轉變農業發展方式，實現高產、高效生產、提質增效和可持續發展；到2020年底，實現農機裝備產值6 000億元，支撐主要農作物耕種收綜合機械化水平達到70%左右。2016年“中央一號文件”“強化現代農業科技創新推廣體系建設”，提出要“統籌協調各類農業科技資源，建設現代農業產業科技創新中心，實施農業科技創新重點專項和工程，重點突破生物育種、農機裝備、智能農業、生態環保等領域關鍵技術,強化現代農業產業技術體系建設[22]?！边@為我國農用無人機產業的發展提供了政策支持和保障，也將為我國農用無人機的發展提供良好的發展契機。

在我國，著力保障農用航空體系建設，加大農用無人機的研發和生產力度，對于我國同步推進新“四化”、提高糧食產能、保障糧食安全、推進農業可持續發展、實現農用現代化具有深遠意義。

3 總結與建議

我國是一個農業大國，生態、安全、高效的精準農業是現階段以至未來我國農業的發展方向。農用無人機技術的發展及應用對于推進未來我國農業現代化進程具有重要意義,這也迎合了我國在現代化農業發展過程中對新型高效農業技術裝備的迫切需求。隨著農業結構的轉變與調整，農用無人機變得極具發展機遇，也展現出了作為農機裝備領域新秀的無限發展潛力，但在農用無人機發展過程中還面臨一些亟待解決的問題。

3.1 技術不成熟，存在安全隱患

由于農用航空法規、制度不夠，以及技術不成熟，民用無人機在發展過程中不可避免地會存在著一些安全問題。目前，大部分的無人機沒有配備“防撞系統”，當無人機在空中飛行時，存在著與其他飛行物和地面高山、建筑發生碰撞的可能。隨著無人機數量的增多，這種情況會越來越嚴重。另外，部分無人機也存在著對配套的施藥設備性能和核心技術研究不夠深入和全面、設備使用效果差、噴出的霧滴譜過寬、飛行速度與作業需要不匹配、對靶性能不佳，以及藥液沉積難以控制等問題。

3.2 市場需求難以契合

目前，我國民用無人機技術尚未成熟，且無人機的實用性不隨人愿，難以真正地滿足市場需求。目前，農用無人機存在幾個缺陷：一是不能適應田間作業時的頻繁起降。農用無人機續航時間短，頻繁起降將帶來機體溫度的升高。二是操控難。農用無人機的操作要求傻瓜式，但現有無人機的系統集成度不高，操作上手不易，培訓周期為2個月左右，操作不慎會導致無人機失控或墜落[23]。三是價格較高。無人機的飛控技術及動力技術提高了農用無人機的生產成本，其使用、維護和保養均有較高的要求，加上培訓的費用，是大多數農民無法承受的。四是無人機品目較少。目前，國內的農用無人機主要是應用于植保作業，應用于林業監測、牧群定位等方面的無人機技術不成熟，類型單一。

3.3 操作人員相對缺乏，社會化服務體系不健全

由于制造商無法提供較好的培訓條件，以及受培訓群體接受、消化專業知識的能力較弱，致使操作人員變得稀缺。其次，與農用無人機相配套的社會化服務體系也尚未健全，培訓、中介、保險、租賃等相關服務均未形成體系，一定程度上阻礙了農用無人機的市場化、規?；l展。另外，無人機在適航認證、分級管理、與有人空域融合等方面還未有明確的規范可循。

農用無人機產業是個新興的產業，它的出現將有助于推進我國農業可持續發展及農用現代化進程，但還需要更多的支持、關心和呵護，這樣才能有效推進我國農用無人機事業的快速進步和發展。

我國農用無人機發展的幾點建議：①政府主導與企業聯合推廣。鑒于農用無人機的特殊性，企業單獨推廣難度較大，政府應適當引導、支持農用無人機的研究，并聯合企業開展農用無人機的推廣演示。②建立無人機操作人員培訓制度。無人機操作人員對無人機的認識程度和操作水平，直接影響著無人機作業駕駛過程的安全性及其作業的效率，以及農用無人機行業能否的健康、安全、快速地發展。③加大農用無人機的研發投入。無人機的飛行系統及平臺已有一定的技術基礎，但在其改造、改進及操控作業系統方面還有很大的提高空間和研究意義。④主管部門制定行業標準。目前，下發的關于無人機的法律法規只是一些相關駕駛員的管理規定，但目前關于農用無人機如何安全地使用、相關飛行參數(如飛行高度及速度等)的相關規定還不明確。政府部門應協調無人機公司及合作社等，制定出科學、合理、適用的農用無人機作業標準。

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The Development Situation and Prospect of Agricultural UAV in China

Yang Luqiang1， Guo Lin1， Zhu Jiafan1， Gao Zhichao1， Zhou Tiquan2，Yu Zirong1， Peng Jiwen1， Zhang Rukun1

(1.College of Mechanical and Electrical Engineering，Yunnan Agriculture University，Kunming 650201, China；2.Agricultural Extension Station in Xiangyun County，Dali Prefecture，Xiangyun 672100, China)

In recent years，with the change and adjustment of agricultural structure，the need of agricultural production for agricultural machinery has extended from general tillage machinery， harvesting machinery， agricultural and sideline products processing machinery and so forth to agricultural UAV. With the power source，People could manipulate UAV to perform a variety of tasks，It can be widely used in agricultural production，its main applications are plant protection，forestry monitoring，crop pollination and herd location etc. The classification of agricultural UAV，general situation and current situation of the technical development of agricultural UAV at home and abroad，its application in the field of agriculture were introduced，the prospect of its development in China was clarified，some existed problems in the process of its development was stated，and some suggestions on the development of agricultural UAV were raised in this passage.

agricultural UAV；present situation；applications；suggestions

2016-06-30

云南省科技廳自然科學基金項目(2013FD021)

楊陸強(1993-)，男，云南曲靖人，碩士研究生，(E-mail)1005044517@qq.com。

張汝坤(1960-)，男，云南大理人，教授，碩士生導師，(E-mail)zhangrukun8918@aliyun.com。

S252

A

1003-188X(2017)08-0006-06