無人機撒播技術在農業中的應用綜述

高志政 彭孝東 林耿純

摘要：我國農業現代化高速發展對農業機械化、信息化及自動化的要求越來越高，為了響應農業可持續發展，提高農業作業效率和作業效果，精準農業航空概念隨之而出。無人機撒播技術是精準農業航空的應用之一，探討無人機撒播技術在農業中的應用，概述撒播技術特點，研究無人機撒播技術的發展和應用方向，分析現有無人機撒播技術的不足之處，探討無人機實現精準撒播的關鍵技術，展望無人機精準撒播的未來。無人機撒播技術在農業生產管理中具有可行性和優越性，是加速實現我國農業生產管理現代化進程的一個重要環節。

關鍵詞：撒播技術;農業航空;無人機撒播;精準農業

2013年農業部發布《關于加快推進現代農業植物保護體系建設的意見》，提出鼓勵有條件的地區發展無人機、直升機和固定翼飛機防治病蟲害，2014年中央一號文件明確提出加強農業航空建設[1]，我國農用無人機得到了空前的發展。2018年政府工作報告中提出推進機械化全程全面發展，農業農村部新聞發布會不止1次提出要組織實施好《農機裝備發展推進行動方案》和農機購置補貼政策，擴大無人機等農機新產品補貼試點，進一步建設現代農業，實現鄉村振興戰略。

隨著我國城鎮化進程的加快，農村的年輕人大量外出務工，農村勞動力短缺日趨嚴重。我國作為農業大國，有 1.2億hm2 農田，農業發展由傳統的人工作業轉向機械化和自動化是大勢所趨[2]。我國無人機行業快速發展及精準農業航空概念的提出[3]，使農用無人機應運而生。農用無人機具有適用性好、效率高、操控人員安全系數高及作物損傷小等優點;婁尚易等研究表明，農用無人機的工作效率是人工的30～60倍[4]。為鼓勵無人機的規模化發展，部分省（市）地區試點相繼出臺了相應的補貼政策。農用無人機優勢明顯，能有效解決勞動力短缺問題，是未來農業生產管理全程自動化、機械化的有益補充。

目前，我國農用無人機多用于植物保護方面，無人機撒播作業還處于初步研究及試應用階段。一些丘陵、山地、沼澤以及灘涂地帶，特別是一些網格化、小型化作業區域，不太適宜傳統的地面中大型撒播機械，即使在平原地區，中大型機械對地表的壓實作用也會對種子的出苗率造成一定的影響[5-6]。農用無人機具有特有的空中優勢，不受作業地形的影響，除了適用于農藥噴灑、遙感監測、輔助授粉等，在種子、顆粒肥撒播等方面也有著良好的應用前景。

1 無人機撒播技術發展

1.1 撒播技術

傳統的農業播種方式有撒播、點播、條播、精播等[7]。無論何種播種方式，都是由人類撒播種植發展延伸而來，最早的撒播作業是人用手將顆粒物拋撒出去。撒播的優點是可將種子或顆粒物料快速拋撒出去以達到完成作業的目的，相比點播、條播及精播，直接撒播能有效降低人力成本和節省時間。

現代撒播機械設備中，可對直徑在設備規定范圍的顆粒物進行撒播作業，如種子、顆粒肥及顆粒飼料等。根據撒播方式的不同，可分為離心式、氣力式、均分桿式、擺管式等。撒播播量調控方式又可分為機械式、氣力式等[6]。機械式播量調控技術有窩眼式、槽輪式、圓盤式、振動式、指夾式、帶式、滾筒式、攪龍式、推桿式和環帶孔式等[8]。現代地面撒播設備應用較為成熟，撒播方式多為離心式和氣力式2種，顆粒在物料箱通過自身重力下落在撒播盤上，離心式是利用撒播盤高速轉動將物料撒播出去，而氣力式是利用風機將下落的物料吹撒出去[9]。

1.2 農業航空撒播技術的發展

1.2.1 有人駕駛飛機撒播技術的發展 最早使用有人駕駛飛機運用在農業方面的國家是美國，1918年美國首次嘗試使用有人駕駛飛機用于農業作業[10]。

在20世紀50年代，我國開始使用飛機進行播種造林。據相關記載，1956年時任廣東省委書記的陶鑄為解決山林荒化，首次提出用飛機播種造林，并在廣東省湛江市吳川縣進行了試驗，但由于經驗不足和缺乏相關技術支撐，試驗最終以失敗告終，但卻為我國造林指明了新的方向，全國大面積進行飛播造林由此開始，但都陸續宣告失敗[11]。直到1959年，四川省涼山彝族自治州成功通過飛機播種造林建成了我國首片飛播林。隨后，四川省涼山彝族自治州的成功經驗開始在全國范圍內推廣。1982年，鄧小平對飛機播種造林做出重要指示，此項目被納入國家計劃。據相關數據統計，1995年底，我國飛機播種造林2 000萬hm2，有效面積達到868萬hm2[12]。

早期運用在農業航空方面的飛機以運-5飛機為主，機艙通過簡易改裝，裝置由種子箱、傳動裝置、攪拌器、攪拌器軸、風輪機及噴嘴等組成。物料裝置通過攪拌器軸里的上、下缺口圓盤錯位調整開度以達到控制流量的目的，種子由高速氣流吹散開。這類裝置無尺寸刻度標注，須技術熟練的機手操控，若操控不當，撒播均勻度不高，無法控制精度[13]。可見有人駕駛飛機飛播造林種樹難以滿足均勻性要求，適用于撒播對精度和均勻度要求不高的草本類植物[14]。

由于對精度和效率要求的提高，我國有人駕駛飛播造林趨勢停滯不前。據相關數據統計，有人駕駛農業航空作業方面，共有56家通用航空公司開展農業航空作業。2014年涉及農業航空作業的飛行時間為38 220 h，但只有3%的時間用于飛機撒播播種[15]。而目前美國使用有人駕駛飛機撒播種植水稻已成規模化，美國農業機械化程度極高且農田多為大規模農場，適用于飛機撒播播種。美國有相當完善的法律法規支持，市場化運作，農業航空服務擁有完善的體系。據相關數據顯示，美國水稻種植面積為133.33萬hm2，全國從事水稻生產的約有1.5萬人，平均每人約種植86.67 hm2，美國水稻單產率比中國高23.6%[16]。我國耕地情況多為獨立塊狀，人均耕地少，除了東北、新疆及我國三大平原地區外，其他地區少有大規模農場，尤其是南方田塊網格化、丘陵化的地貌并不適用于有人駕駛飛機播種，農用無人機具備體積小、攜帶方便、操作靈活、自動化程度高等特點，非常適用于在此類地形上進行撒播作業。

1.2.2 無人機撒播技術的發展 隨著工業化的發展，無人駕駛飛機開始出現在人們的視野中并逐漸從軍事用途向民用發展，人們也開始利用無人駕駛飛機從事農業生產管理[17]。20世紀90年代，日本北海道地區開始嘗試使用遙控無人直升飛機對小塊農田進行播種。實際生產作業證明，利用遙控無人直升機播種不僅節約時間，且產量和人工播種無太大差距[18]。2000年，日本農業實驗研究中心利用雅馬哈公司研制生產的R50無人直升機對農田進行撒播顆粒肥，噴撒量可達300 kg/hm2，實際作業時間效率為27.7%[19]。2004年開始，日本在水稻生產中，使用農用無人機的數量已超越有人駕駛飛機，采用農用無人機進行農業生產已成為日本農業發展的趨勢[20]。

目前，我國已有高校科研機構和高新科技公司對無人機撒播相關技術進行了研究。在國家知識產權局官網查詢近10年我國關于無人機撒播技術的專利申請情況，如圖1所示，可以看出2014年后的4年專利申請數量呈爆發性增長，我國對無人機撒播技術的研究已進入快速發展階段，該技術也為精準農業航空撒播提供了全新的途徑。

我國已有不少公司生產撒播無人機，目前市場上在售的撒播無人機有深圳高科新農技術有限公司的M23-G固態顆粒撒播無人機、深圳大疆創新科技有限公司的MG播撒系統、深圳飛客無人機科技有限公司的播種顆粒機、北京北方天途航空技術發展有限公司的天智M8A施肥撒播多功能無人機等，如圖2所示，參數詳見表1。

2 無人機撒播作業體系

2.1 物料撒播機制

物料撒播機制主要涉及到機體、撒播裝置以及物料種類等3個方面。

2.1.1 機體 機體是物料撒播作業裝置的載體，支撐著無人機撒播作業體系。目前，農用無人機的主要機型分為單旋翼無人機和多旋翼（四旋翼、六旋翼、八旋翼等）無人機。單旋翼無人機的動力系統主要通過燃油機提供動力，續航及載重能力強，代表機型有日本雅馬哈公司的Fazer系列無人機。徐雪松等設計了一種用于拋灑顆粒劑的單旋翼無人直升機，機身兩側設置物料桶，通過送料管將顆粒劑傳輸到轉盤并均勻輸出，配合單旋翼無人機的直線運動對無人機穩定性影響小，可使撒播更為均勻[21]。李才圣等設計了一種易拆裝式單旋翼植物保護無人機，該機型通過無人機細小的零件設計拆分為多個模塊，在拆裝時只需將不同模塊裝卸即可，保證了無人機的安全性和維修便利性[22]。多旋翼無人機多以鋰電池提供動力，續航能力較弱但更為穩定，代表機型有深圳大疆創新科技有限公司的MG系列無人機。由于單旋翼無人機技術門檻較高，我國目前農用無人機以多旋翼為主。雷乾勇等設計了一種多旋翼無人機機臂折疊裝置，可使旋翼機臂穩定切換折疊和展開，節省空間，利于作業搬運[23]。單旋翼無人機與多旋翼無人機的優缺點見表2。

2.1.2 撒播裝置 撒播裝置是無人機撒播作業體系的心臟，關乎撒播作業效果的好壞。目前應用于農用無人機的撒播裝置主要分為離心式和氣力式2種。包勝軍設計了一種飛機播撒裝置，該裝置使用的是離心圓盤式播撒裝置，單片機控制第1電機帶動甩盤旋轉，控制第2電機用于開關出料口的閘門大小，通過雙重控制，使出料口的流量達到按需分配的效果[24]。李晟華等設計了一種撒播無人機及其撒播器，該裝置使用離心圓盤式撒播裝置，撒播盤設有與落料口連通的滑道，通過單電機控制調節滑道開度及撒播盤轉速進行物料流量控制[25]。以上2種裝置均能較好地對物料流量進行控制，但離心撒播方式落種區為環形，若航線規劃出現偏差，會出現重播和漏播現象。周志艷等設計了一種農用無人機掛載的物料撒播裝置，該裝置物料箱下使用了一個排料輪，通過調控排料電機控制器調整排料量;并在滾輪旁加裝風機，采用風力將物料排出，撒播均勻度有所提高，易于操作[26]。該裝置氣力式的設計不易傷種，能較均勻地對物料進行撒播，但橫截面為漸變長方形的物料拋撒出口設計，落種區為扇形，撒播效率不如離心圓盤式撒播裝置。

2.1.3 物料種類 撒播物料種類是無人機撒播作業體系可行性的重要保障。撒播無人機搭載的物料箱容量有限，而撒播裝置對于撒播物料的直徑大小都有著嚴格的規定。若撒播顆粒物直徑過大，考慮無人機載重與物料箱容量，不適宜采用無人機撒播。如飛播造林中常用的松樹種子，若采用無人機撒播，由于種子較大，無法大量搭載，大范圍飛播造林效率不高，沒有使用無人機撒播的必要。若撒播顆粒物直徑較小，近于粉末狀，在旋翼無人機下壓風場的作用下，粉末會出現漂移現象，作業效果無法保障。根據目前商用的撒播無人機相關參數要求，無人機撒播作業中顆粒直徑一般在0.5～20.0 mm之間。

2.2 物料撒播方向

隨著農用無人機的快速發展和應用，利用無人機進行撒播生產作業主要體現在4個方面。

2.2.1 水稻種撒播 水稻田飛機播種是農業航空技術應用的一個方向。2014年，華南農業大學科研人員在廣州市白云區鐘落潭農業科學院實驗基地率先開展無人機撒播試驗，運用自主設計的機載撒播裝置進行稻種撒播，選定3個采樣點進行測產，測量水稻株數和有效穗數。結果顯示，0.09 hm2農田只需305 s就可完成稻種撒播，水稻撒播田平均產量為7 705.5 kg/hm2，平均有效穗數為321個/m2，平均穴數為 38穴/m2，有效證明了無人機進行水稻種撒播的可行性[27]。

日本JA廣島中央農業為解決勞動力下降問題，采用無人機公司enRoute設計的六軸無人機進行種子撒播試驗，只需10 min便可完成12 kg種子的撒播工作，而使用地面機械進行播種則需要60 min，若采用人工播種則時間會更長，試驗表明無人機撒播能有效節省時間和勞動力[28]。葡萄牙科英布拉理工大學科研人員將播種裝置和攝像裝置與無人機結合使用，利用流體力學計算分析排除干擾，使播種效果更為精準，提高了播種的可操作性[29]。

2.2.2 顆粒肥撒播 施肥特別是追肥是農業作物種植中必不可少的一個環節，對顆粒肥（尿素、復合肥等）而言，地面撒肥機械會對作物造成侵入式損傷，人工撒肥效率低且勞動強度大，使用無人機能較好地解決此類問題。岑海燕等設計了一種變量施肥的無人機系統和方法，使用離心圓盤式撒播裝置，轉盤的周壁設有料槽，料槽承接來自料箱的物料，通過改變轉盤轉速和側壁槽數來實現不同的施肥效率[30]。秦大鵬設計了一種無人機施肥裝置設備，該設備以單旋翼無人機為載體，高清攝像機和全球定位系統（GPS）設置在無人機的前端，控制器根據反饋信息進行變量施肥，儲料倉可通過隔板分隔為二，施肥組件通過調節施肥輪的轉速及調節施肥輪上與粗料倉內的肥料直接接觸料槽的個數來實現施肥量的調節，自動調節施肥量的下料速率，可一次性對2種肥料同時進行施肥[31]。張勇等設計了一種農用施肥無人機，該無人機裝置的物料倉在出肥管上設置有電磁閥，工作時開啟電磁閥，肥料經進料螺旋的作用從出料管落下，解決了現有技術中不利于肥料散開的問題[32]。

2.2.3 飛播造林 飛播造林歷史由來已久，使用無人機飛播造林可以有效進行流量控制，提高精度和均勻性，進一步降低造林成本。英國創業公司Biocarbon Engineering研制了一款種樹無人機系統，該無人機將遙感技術、無人機技術和機器智能技術相結合，該系統由6架無人機組成，只需1個工作人員操控，采用定位系統和視覺技術創建3D地圖，然后進行數據整理分析，劃定種植范圍，確定范圍后利用空氣壓縮的方法將種子射入土里，從而達到精準種植[33]。

付博設計了一種小型無人機精準飛播結構，該播種裝置呈三角形狀，設置有多根豎管貫通橫管，豎管底部有播種口，橫管內設有播種輪軸，利用重力分撿和彈性播種[34]。

2017年，我國國家級濕地公園湖南蓮湖灣濕地公園為了加快建設，做好保護工作，采用無人機撒播技術對生態植被進行恢復[35]。同年，河南省計劃飛播造林1.33萬hm2，首次開展無人機飛播造林試驗[36]。

2.2.4 顆粒食物撒播 撒播顆粒食物是無人機撒播的另一個應用，目前魚塘和山地養殖（雞、鴨等）場，投食幾乎都是通過人工作業來完成的，勞動強度大。通過無人機進行投食，可以解決勞動力少的問題。尤其是在農田、魚塘以及養殖場為一體的大型農場，一臺撒播無人機可集播種、施肥以及投食為一體，實現資源的高效利用。

雖然我國目前有關無人機撒播技術的應用已有一些新聞報道和實際產品，但大都缺乏相關應用成效的報道。相比有人駕駛飛機撒播，無人機撒播在農業生產上大范圍應用仍有許多技術問題須要解決。

2.3 物料撒播運動研究

2.3.1 旋翼氣流 農用無人機通過旋翼旋轉產生向上的力，但旋翼旋轉也產生了下洗旋翼氣流。旋翼氣流可影響物料撒播運動過程，深入探討應用農用無人機進行撒播作業具有重要意義。Tan等為研究農用無人機旋翼下洗氣流的速度，提出了一種下洗旋翼氣流速度分布的測試方法，通過設計模擬六旋翼無人機旋轉實驗臺并利用風速儀對不同位置產生的下洗旋翼氣流進行測速，可知旋翼產生的下洗氣流縱向變化不大，在接近地面處受影響導致氣流整體變小[37]。楊知倫等通過單旋翼農用無人機下洗氣流實地試驗可知，旋翼所形成的下洗氣流由旋轉中心向外，氣流呈逐漸增大狀分布[38]。張文星設計了槳葉弧面分布多旋翼（四旋翼、六旋翼）的農用無人機，采用1對大槳構建“共軸僅漿”與1對小漿構建“共稈反漿”的結構，通過連接碳纖維管和固定件形成左右鏡像對稱、前后不對稱的旋翼無人機，可有效降低下洗氣流的流速，增大下洗氣流的面積[39-40]。李繼宇等設計了一種檢測由無人機旋翼氣流引起的冠層倒伏錐體的方法，通過無人機收集的圖像資料進行分析，可直觀判斷農用無人機旋翼氣流的形態參數[41]。

2.3.2 物料撒播均勻度 物料撒播均勻度是農用無人機撒播作業體系的核心所在，直接決定著無人機撒播作業的成效。宋燦燦等通過對氣力式無人機撒播裝置進行設計與參數優化，在作業田地上設置不同采集點，經數據收集分析得到導流通道錐角為130°時為最佳錐角，撒播均勻性標準差為 0.90[42]。呂金慶等通過建立圓盤及空氣中的運動模型，結合顆粒肥自旋性的影響，得到影響撒播均勻性和撒播幅寬的主要因素是撒播裝置的葉片長度、傾角以及撒播圓盤轉速[43]。孫妮娜等通過對撒播裝置噴嘴結構的對比研究，經仿真與試驗驗證，平嘴相對于圓弧嘴和扁喇叭嘴更適合應用于撒播裝置[44]。齊興源等通過對氣力式變量施肥機關鍵部件的研究，排料管道的長度會對排料出口風速產生影響，出口安裝的高度也會對排料滯后性產生影響，為盡可能減小排料滯后對均勻性的影響，排料管道應避免過長且出口高度不高于入口[45]。

2.3.3 物料顆粒運動特性 與植保無人機噴施霧化施藥液滴運動受旋翼氣流影響不同，物料顆粒運動特性受旋翼氣流影響較小。顆粒肥在錐盤式撒播機構中拋撒運動特性的研究分析為撒播顆粒肥進一步在無人機的研究和應用上提供了參考。董向前等通過建立肥料顆粒受力方程，深入研究喂入角、施肥轉速以及施肥高度對施肥分布的影響，提供了最優的參考數據[46]。張睿等通過分析顆粒肥料在離心圓盤撒播運動過程中的受力情況，得出顆粒肥撒播脫離圓盤時的速度函數關系與顆粒肥撒播幅寬的函數關系[47]。邵志威等為探究冰草種子丸包衣運動特性，通過Hertz接觸理論的振動模型和轉動模型對物料流動特征的分析，可知引入振動可增加慣性力，增大雷諾數，提高顆粒間的運動不規則程度，從而提高種子丸粒化包衣合格率[48]。

2.4 物料撒播方法研究

2.4.1 機體控制 飛控是農用旋翼無人機機體控制的核心，是無人機撒播作業的大腦。根據旋翼無人機的飛行原理可知，飛控通過電調傳輸控制信號調節電機轉速，從而帶動旋翼旋轉，旋翼間的轉速調節導致力矩的差異形成旋翼無人機作業的各種飛行姿態。劉浩蓬等通過研究四旋翼植保無人機的姿態解算與飛行原理，設計出以STM32微處理器為核心的飛控系統，利用AHRS模塊航姿參考系統解算無人機飛行姿態參數，結合模糊比例-積分-微分控制器（PID）控制算法調節電機的輸出量進而控制飛行姿態以達到穩定作業的目的[49]。劉超等建立縱向線性化模型，通過經典PID控制理論設計了滿足農用無人機縱向運動的姿態控制系統[50]。漆海霞等針對農用無人機作業對速度恒定的要求，通過模糊比例-積分控制器（PI）雙閉環控制仿真，證明模糊PI控制可有效提高農用無人機作業的抗干擾能力[51]。王寬田等通過搭載四旋翼無人機控制系統平臺，采集姿態信息并進行解算，驗證卡爾曼濾波器適用于四旋翼無人機控制系統[52]。李永偉等針對農用無人機作業時載荷發生變化導致控制性能和抗干擾能力下降等問題，通過對農用無人機作業分析與建模，提出一種模糊自適應PID控制算法以提高系統的穩定性[53]。

2.4.2 播量控制 播量控制是撒播均勻性的重要前提，影響無人機撒播作業的成效。彭孝東等設計了一種用于物料流量控制的無人機撒播裝置及其控制方法，該裝置可通過控制模塊接收流量監測單元的數據，進而通過出料調節單元動力機構調節出料口的開關擋板來控制物料撒播，以達到多旋翼無人機均勻撒播物料的目的[54]。李才圣等設計了一種固體顆粒均勻撒播的裝置，該裝置物料箱下的入料口與撒播裝置的出料口間通過一個播撒輪連接，控制旋轉動力源帶動播撒輪轉速來達到控制播撒物料的撒播量[55]。易青設計了一種用于農業播種的具有調節功能的節能型無人機，該裝置控料組件控制進入噴料管內的物料量，噴料管頂端設有導風裝置，通過改變進入噴料管的空氣量，控制物料噴灑出去[56]。馬榮朝等設計了一種小型無人機便攜式螺旋精量播種機，通過無線遙感技術遠程控制物料流量調節裝置從而控制物料流速[57]。