植保無人機的發展歷程及應用現狀

宋修鵬，宋奇琦，張小秋，梁永檢，覃振強，韋金菊，顏梅新，吳建明，李楊瑞

（1.廣西壯族自治區農業科學院甘蔗研究所/中國農業科學院甘蔗研究中心/農業部廣西甘蔗生物技術與遺傳改良重點實驗室，廣西 南寧 530007；2.廣州極飛科技有限公司，廣東 廣州 5100007）

農業是我國的基礎產業，其中農藥的使用在作物的種植和病害防治中占有重要地位。傳統農藥施用主要以人工背負藥箱、手持噴桿噴霧為主，作業時間長，勞動強度大，而且噴藥量較大，容易導致用藥過量、成本增加及環境和農產品污染。

近幾年，我國農業從傳統走向現代，在生產方式、生產技術、體制機制等方面不斷發展創新。我國農業機械化在農業領域的耕地、播種、田間管理、收割環節，均有大、中、小型農業機械做保障，機械化程度較高，而農業植保領域因其特殊性導致機械化程度低，基本處于人工和半機械化狀態，嚴重制約著農業集約化生產和農業現代化的實現。在農藥噴灑方面，高地隙自走式噴桿噴霧機、無人機技術逐漸發展應用起來，但使用植保無人機施藥僅占1%。高地隙自走式噴桿噴霧機是大型農業裝備之一，適用于水田、旱田作物和菜地的除草、殺蟲、滅菌等的噴灑作業，具有機械化自動化程度高、通過性好、施藥精準高效等優點，但也存在一次性投入成本高、坡地易傾覆、作物碾壓損傷相對大等問題［1］。另外，中國作為農業大國，人口老齡化趨勢加劇，未來土地承包，種田大戶會越來越多，市場需求會更大。經過多年的發展和推廣，植保無人機已經有了比較切實可行的持久模式。

1 植保無人機的發展

利用植保無人機進行飛防，日本和美國等發達國家涉及較早，產業體系相對成熟。從1987年日本Yamaha公司生產出世界上第一臺農用植保無人機（R-50），已經歷了30多年的發展歷程［2］。由于日本國土面積小，耕地面積小且分散，水稻地多，對無人機依賴性大，促使農用無人機快速發展，已從1995年的307架增加到現在的2400多架，用于播種、監測、施肥、噴藥等作業。美國農業生產則以大農場居多，經營規模大，往往使用載重量更大、續航時間更長、工效比更高的有人機進行植保作業。據統計，目前美國農用航空相關企業有2000多家，年處理40%以上的耕地面積，全美65%的化學農藥采用飛機作業完成噴灑，其中水稻施藥作業100%采用航空作業方式，自2002年以來已投入約700萬美元用于農業航空技術研發［3，4］。此外，韓國、巴西、俄羅斯、加拿大等都已將無人機應用于飛防作業［5］。

我國農用無人機起步較晚，目前正處于快速發展的初期階段。2004年在科技部863計劃的支持下，農業部南京農機化所等開始無人機植保的研究和推廣。2007年開始植保無人機的產業化探索。2010年漢和航空制造出第一架植保無人機交付市場，正式揭開了中國植保無人機產業化的序幕。據農業部發布的數據，截至2017年底，全國植保無人機保有量達到14000多架，從事航空植保的服務組織已超過400家［6］。植保無人機保有量雖全球第一，但短板仍然明顯，技術、體制尚不成熟，有些技術還待進一步研發，如適合無人機的劑型、沉降劑、軟件等。一些國外廠家如拜耳、陶氏、巴斯夫等都投入了一定的資源去研究相應的領域，國內的新安化工、諾普信、廣西田園生化等企業也有了自己的無人機隊伍，大疆、極飛等無人機企業也在研發相應的技術。

2 植保無人機分類及特點

2.1 按動力分類

根據動力分類可分為電動植保無人機、油動植保無人機及油電混合無人機三種［7，8］。

電動植保無人機通常利用鋰電池作為動力源，它的特點是無人機構造比較簡單，平時維護容易，對操作人員技能要求低；場地適應能力強，展開迅速，輕便靈活；電動輸出功率不受含氧量影響，可在高原地區使用；電池可充電重復使用，成本低；震動小，成像質量好。缺點是抗風能力弱，續航能力不足，電池報廢后存在環境污染問題。市場價格一般在5～18萬元之間。

油動植保無人機采用燃油作為動力源，其特點是燃料易取，載重大，續航能力強，具有較好的抗風能力。但油動無人機自主飛行能力差，油門響應速度慢，不易掌握，對飛行員操作水平要求高；控制精準度低；在高原性能不足；震動大。市場價一般在20萬元以上。

油電混合型植保無人機動力來自發動機和電機，將前兩者結合互相彌補不足，具有很好的發展前景，但仍存在一些技術上問題需要解決，如需要對飛控算法有著較高的掌控，因為油機會因輸出功力變化而帶來延遲，需要電機來提供補充動力；油機動力和電機動力的配比問題，油動力大了姿態不平穩，因為電機地轉速下升力衰減快，不成線性，而電動力大了就失去航時優勢。

2.2 按機型結構分類

根據機型結構可分為固定翼植保無人機、單旋翼植保無人機和多旋翼植保無人機［8，9］。

固定翼植保無人機載量大、飛行速度快、作業效率高，作業時采用超低空飛行，具備簡易、安全的起降系統，可按照多種模式自動執行飛行植保的任務。不過對作業區域地形條件要求較高，需要有較為寬敞的無障礙地用于起降，會受作業區域或周圍障礙物如電線、電桿、樹木等影響，引起飛行安全問題，并且無法實現懸停。

單旋翼植保無人機是無人機初入農業植保市場的嘗試選擇，其風場穩定，霧化效果好，向下風場大，穿透力強，可以把藥打到作物根莖部，抗風能力強。缺點是造價高，飛行操作員培訓難，并且一旦發生炸機事故，單旋翼無人機造成的損害可能更大。

多旋翼植保無人機采用對稱結構的多個旋轉中心帶動旋翼產生風力進行飛行作業，價格適中，操作方便，對操作人員培訓快。但抗風性弱，下旋風場更弱，造成風場散亂，風場覆蓋范圍小，若加大噴灑面積把桿加長，會導致飛行不穩，作業難度加大，增加摔機風險，作業覆蓋半徑一般在300 m之內，單次作業時間在30 min之內，比較適合于田間小地塊。目前農戶使用大多為多旋翼電動植保無人機，未來的趨勢及選擇要看無人機技術的進一步發展，需要更多探索與實踐。

3 植保無人機作業優勢

3.1 適應面廣

植保無人機具有攜帶方便，使用優勢突出，既能適應不同地形又可滿足不同作物，而且不受作物種植模式的影響；植保無人機升降簡單，不要求有專用跑道，過去地面大型植保機械較為棘手的水田、山地、坡地、不平整田地等，大都可以用植保無人機進行飛防作業［10］。針對一些作物的不同生長階段，無人機飛防作業也有很大優勢。以甘蔗施藥為例，在生長前期利用拖拉機作業，會損傷部分甘蔗苗；在甘蔗生長后期施藥更為困難，拖拉機根本無法作業，而人工很難噴到甘蔗頂部且對人身健康存在巨大安全隱患，使用無人機噴灑則可以輕松解決這些問題。

3.2 節水節藥，節能環保

植保無人機為低空霧化噴灑，保證均勻噴施整個植株。常規每公頃農藥用量450～600 kg，而植保無人機飛防作業每畝地噴施專用農藥15 L左右即可達到防治效果，節省水資源，減少農藥使用量，大幅度減少農藥對環境的影響。

3.3 效率高

植保無人機噴灑效率約為人工噴灑效率的100倍［11］，可在一定程度上解決當今勞動力缺乏、勞動力成本高等問題。此外植保無人機飛防作業大多使用飛防專用藥劑，作物吸收率比傳統農藥高得多，無人機飛行時產生的風力甚至可以將一些細長葉片翻轉，使作物受藥均勻［12］。

3.4 安全性高

植保飛防作業為遠程遙控操作，人距離農藥相對較遠，減少了有毒農藥對人體的傷害，還可以夜間作業，安全生產工作得到更大保障。

4 植保無人機應用存在問題

4.1 續航能力不足

目前我國使用大多為電動植保無人機，配備電池平均續航能力為8～15分鐘左右，電池充300～400次左右就要報廢，成本較高。

4.2 載重不足

植保無人機載重一般為10～20 kg，大面積作業需要不停地更換藥箱，直接影響到作業效率，從而影響到成本。

4.3 飛防專用藥劑缺失

無人機的飛防效果很大程度上與使用的藥劑有關，目前植保作業大多憑經驗或參考地面噴霧確定劑量與配置方法，往往因為用量、配置不科學或缺乏助劑而影響作業質量，導致藥劑利用率低、噴灑效果差甚至產生藥害。因此飛防專用藥劑、專用助劑是植保無人機發展普及的瓶頸，專用藥劑和助劑的研發是未來發展的另一重心［13］。

4.4 定位不精確

進行飛防作業首先要熟悉田地的面積、形狀、有無障礙物等信息，目前的了解方法主要有兩種：第一種方法是通過公開發布的百度地圖、谷歌地圖等地圖數據，獲取目標區域的位置信息，這種方法的不足之處是通常會有幾十米的誤差，精準度不高，而且缺少障礙物信息；第二種方法是人工攜帶高精度差分GPS到植保農田現場進行測量，獲得高精度的位置信息和障礙物信息，這種方法的缺陷是在作業前需大面積測繪，作業效率低且成本高。無人機定位不準會導致重噴、漏噴、誤噴等現象，精準作業是植保無人機的一個關鍵問題。

5 防治效果影響因素

5.1 藥劑及助劑的選擇

農藥的成分、作用、產品質量等直接影響防治效果。此外，普通農藥制劑一般含有增稠劑等，直接將多種藥劑互配容易出現沉淀、結晶、絮凝等現象，導致噴頭堵塞，且配藥花費時間長，嚴重影響作業效率和效果。使用無人機飛防專用藥劑黏度小、流動性好，多種制劑產品桶混僅有微量沉淀出現，作業效率高。同時也要注意使用合適的施藥濃度和施藥量。

除飛防專用藥劑的選取外，飛防專用助劑的添加也會影響防治效果。飛防助劑可以提高無人機施藥效果，如提高噴頭霧化效果、增加霧滴沉降速率、增強抗漂移能力等，降低農藥使用量［14］。常見的助劑種類有抗漂移劑、擴散劑、濕潤劑、蒸發抑制劑、吸收劑、安全劑等。

5.2 飛行參數設置

植保無人機飛行參數并不是隨意設置，其中高度、速度等要素都直接影響飛防的實際效果與效率。無人機飛行過低不僅噴灑范圍小，影響作業效率，而且容易與作物接觸發生事故，產生的風力使作物發生倒伏；飛得越高，藥物越容易飄離和蒸發，落在作物上的藥劑就越少，建議飛機飛行高度1～2.5m。飛行速度原則上在保證安全和噴灑效果的前提下飛行速度越快，效率就越高，但是在實際作業過程中發現機身重量加上電池和藥劑總重量大，慣性也大，如果飛行過快，很難按照自己的想法控制飛機的飛行姿態，出現掉高、停止困難等現象，加大了飛機事故率（也有可能是飛控種類不同，停止方式不同），一般保證效率效果的話，建議把速度設定為4～6 m/s即可［15］。

5.3 氣候環境的影響

5.3.1 風力

如果風力較大會使無人機飛行不穩，存在安全隱患，同時引起藥物飄移，因此建議在有風的情況下，根據風力大小來確定能否使用無人機以及無人機可以飛行的高度。

5.3.2 溫度

溫度高時一方面可能使藥物空中蒸發或者藥物有效成分分解變質，另一方面植物可能自身氣孔關閉，影響藥物吸收。同時由于無人機電池對溫度敏感，溫度過高或過低都會影響電池性能，無人機的作業溫度一般在20～30℃范圍內最佳。

5.3.3 濕度

由于無人機施藥濃度高，水量少，濕度影響相對大一些。目前無人機主要使用農藥為水基化劑型，如果濕度降低，藥液就會有所流失，降低藥效；而對粉劑式農藥，濕度低反而能增加對作物的附著性，從而提高藥效及利用率。在作業時可根據實際情況調整藥劑的種類和水量。

5.3.4 氣象

無人機的飛行通常受天氣的限制。無人機有些零部件不防水，在雨天、霧天等建議禁飛，還有雷電、霧霾、下雪天等均不適合無人機作業。

5.4 霧滴大小

霧滴大小是無人機飛防作業中相對容易控制的重要參數，也是直接影響到植保無人機防治效果的關鍵因素之一。合理地控制霧滴粒徑大小，是用最少的藥量取得最好的防治效果，并減少環境污染的關鍵所在。在農藥噴施過程中，粒徑大的霧滴易沉降，不易隨風漂移或蒸發散失，但分布不均勻、附著能力差，容易因彈跳和滾落而造成藥液流失，大大降低了農藥的防治效果，也污染了水土環境。霧滴粒徑小對于其在作物葉片表面的覆蓋密度和覆蓋均勻度遠優于大霧滴，藥劑附著力好，作物容易吸收，利用率高，但受氣流、風力、溫度等影響較大，易發生漂移和蒸發，要根據作物和病蟲害進行選擇［16］。

5.5 作物和病蟲害情況

作物的種類、生長階段、高矮、密度，以及病蟲害的種類、生活習性、嚴重程度等，都對防治效果有影響。目前無人機更適合甘蔗、小麥、水稻、甜菜、玉米等大面積種植的作物，而不太適合果樹等相對立體且生長密集的作物，這就需要根據具體情況調節畝用量、作業參數和用藥，也需要更專業的植保知識。

6 植保無人機的發展前景

6.1 植保無人機飛防符合國家農業發展規劃

當前，我國的農藥用量大，但農藥利用率相對于發達國家來說還很低，大部分農藥流失在土壤或水環境中，導致農田環境污染日趨惡化，而國家提出了實現化肥農藥零增加目標，因此無人機精準噴施技術正符合我國發展農業發展規劃。

國家出臺了一系列政策大力推進農業現代化，利用植保無人機進行飛防作業已成為一種新型農業技術，這幾年無人機數量及使用人數飛速上升，得到了很多地方政府的支持。從2017年開始，許多地方政府積極響應國家政策，通過政府與無人機飛防公司或組織合作，由具備大面積作業能力的植保無人機飛防服務組織來對農作物進行植保作業，其效果還是非常令人滿意的。

6.2 我國農田地形地貌及國情必然選擇植保無人機

我國的植保無人機產業正起步發展，且發展迅速，展示出良好的前景。我國土地類型多樣，像丘陵、山地、水田、坡地等特殊農田使用常規噴藥方式費時費力，效率不高，而且農村人口人均擁有土地少，土地相對分散，農村存在人口老齡化問題，青年勞動力逐漸減少，在農業日益機械化的時代，農業集約化程度提高，無人機飛防的使用更加符合我國當下國情，因而具有不可估量的推廣前景。