農業植保無人機發展現狀及分析*

任震宇，楊雨濤，彭世杰

（綿陽職業技術學院，四川 綿陽 621000）

近年來，隨著5G的出現，人工智能等發展也將再迎突破，各種配套技術的進一步成熟，這給農業領域的植保無人機發展帶來利好。同時，植保無人機憑借其工作高效率省心省力的優勢解決了市場的不同需求，為我國解決害蟲危害農業的問題提供了巨大的幫助，緩解了農業對于人力的解放，同時也保證了糧食產率的提升，促進了我國向現代農業的轉變[1]。不過，雖然植保無人機機遇不斷，也具備爆發的良好基礎，但一直以來還是存在一些問題。如果不能有效解決這些問題，那么今后植保無人機的發展依然會受到限制。

1 國內外植保無人機發展現狀

1.1 國內植保無人機發展現狀

我國關于植物保護無人機的研究與開發還處于初級階段，不同于20世紀中期就實現了農業機械化的美國。在近30年，日本無人機一直在與中國農田相同的條件下噴灑農藥。在中國，載人飛機控制和無人機控制的總份額不到2%，沒有人能夠預算出無人機市場規模有多大，我國大概有15億畝的農田面積，平均每畝需要3次劑量操作，總共需要45億畝的劑量工作，估計需要600億元[2-3]。無論怎么估計，都反映出它的前景大有可為。同時就植保領域來說，電動的植保機有眾所周知的極飛，油動的單旋翼植保無人機有漢和、全豐，油動大載重、長航時多旋翼有深圳常鋒無人機。大疆是無人機的絕對領導者，僅僅提到無人機尤其是消費級無人機，大疆是無法繞過的。自2015年以來，其一直在研究植保農業，但要注意的是大疆并沒有擁有植保無人機的優勢。

極飛公司正在研究開發制造商用無人機產品和無人機飛行控制系統。例如，圖1是極飛 P系列P20植保無人機。截至2017年3月，其全國20多個省份的1000多名植物保護服務人員，在300萬畝農田中積累了大量的耕地數據和用戶聲譽，是中國第一農業無人機公司[4]。

圖1 P20植保無人機

1.2 國外植保無人機發展現狀

我國植保無人機研究還處于起步階段，歐美國家在20世紀中期幾乎實現了農業機械化，而與中國農業可耕地情況相似的日本無人駕駛飛機已經噴灑了近30年的殺蟲劑。業內人士估計2012年在日本農村土地上空作業的有3200多架植保無人機在作業。雅馬哈從1989年研究出了工業無人機，并在韓國、美國、澳大利亞、新西蘭和泰國的噴霧農藥市場銷售無人駕駛農業直升機[5-6]。圖2是多馬達YMR-01工業無人機。

圖2 雅馬哈YMR-01工業無人機

2 植保無人機的分類與特點

2.1 植保無人機的分類

現有市場上銷售的植保無人機有兩類，一類是按動力劃分，另一類是按機型結構劃分。

按動力功率分為消耗電能運動和消耗汽油運動。就現在市場而言，電動植保無人機價格便宜、易于維護保養、環保性好且電池可反復使用，操作簡單的優點使其在市場上大受歡迎。由于飛行大部分依靠飛控系統，對操控手的飛行技能要求較低，因此是許多中小企業進入該領域的首選類型[7]。相比之下，油動植保無人機相對昂貴，自動化程度較低，容易發生故障，對飛手的飛行技能、維護保養技能要求非常高，且以汽油為燃料，不利于保護環境。同時，油動植保無人機具有負荷大、續航長、單次作業范圍遠、抗風穩定性強的優勢。隨著我國種植土地的規模化經營和飛控系統的完善，同時因為電動植保無人機載荷小、持續時間作業面積過小且抗風穩定性差，所以油動植保無人機的優勢逐漸顯現出來[8]。

按機型結構劃分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。固定翼植保無人機是利用動力推力的飛機，例如改變機翼位置和飛行角度來進行升空。一般應用于農田營養信息獲取、災害預警、成熟度估測等的都是固定翼類型的無人機，但不適用于中等面積和不規整的地形開展作業[9-10]。單旋翼植保無人機的工作面積大，能在風中保持平靜姿態，但由于價格高于其他兩種產品，操作的復雜性不如多旋翼植保無人機受歡迎。多旋翼植保無人機因為自動化程度高、入門門檻極低、成本便宜的優點使其廣受青睞，唯一不足在于抗風穩定性較差且以目前技術而言農藥噴灑效果較差，但依然受人喜歡。圖3是固定翼植保無人機，圖4是單旋翼植保無人機，圖5是多旋翼植保無人機。

圖3 固定翼植保無人機

圖4 單旋翼植保無人機

圖5 多旋翼植保無人機

2.2 植保無人機未來需要具備的特點

正在飛速發展的植保無人機市場，吸引了越來越多的企業參與航空設備領域，整個無人機產業呈現欣欣向榮的發展趨勢。隨著現代城市不斷向前邁步，農村勞動力短缺，老齡化進程加快，植物保護無人機技術有望隨著生態環境和食品安全的旺盛需求而發展。

2.2.1 操控智能化

有的植保無人機的操作很復雜，尤其是單旋翼。但當代無人駕駛飛機技術不斷突破，其控制系統也應該智能可靠化，用戶不需要進行特殊訓練，就能很快學會如何操控[11]。

2.2.2 作業精準化

植物保護無人機的運行效果是最終影響其應用推廣的主要因素之一。因此，植保無人機不僅要實現準確、高效地運行，還要實現高速、模擬地形飛行、軌道記錄、自動避障、自動返回等功能，讓操作人員的工作得到優化[9]。

2.2.3 全自主、全地形飛行

首先，通過空中勘測無人機，可以提前收集環境數據。農業無人機可以像人類一樣知道實際情況，在操作過程中遇地形起伏時，飛行路徑可以提前規劃，飛行姿態可以調整，然后在各種復雜地形上安全高效地飛行，不需要獨特的傳感器，以最佳的飛行姿態飛行。

2.2.4 噴施裝備優化

影響作業效果的主要參數有飛行高度、噴涂體積等。因此，與航空投藥相關的重要部件和設備，如窄霧滴譜和低浮、防化學浪涌和低空氣阻力、帶流線型藥箱，輕質、高強度噴嘴噴涂系統和小型柔軟可靠的氣門系列輕型隔膜泵等，必須加以開發和優化[12]。

3 植保無人機存在的優缺點分析

3.1 優點分析

3.1.1 作用范圍廣

與普通植保器械相比，植保無人機不受地形影響，無論是山地、丘陵、大型水田等或大型植保器械難以進入的區域，無人機都可以進入并開展工作。由于無人機在空中飛行灑藥，相比于傳統人工噴藥方式，沒有農作物阻擋行動，噴藥更加快速，噴藥區域更加廣泛，噴灑藥物更加均勻。

3.1.2 噴灑效果好

農業無人機在空中噴灑藥劑，藥液分布更均勻，噴霧噴灑的方式也更能節省農藥，減少了農藥的殘留和土地的污染，利于農產品品質的提升，達到效果的同時也節約了成本。無人機在農作物上空噴灑藥物時旋翼旋轉會產生向下的氣流，農作物受到氣流影響會產生晃動，這會使部分農藥噴灑到根部和莖葉背面。為了提高藥液和農作物之間的接觸面積，噴灑藥物時控制噴灑量與無人機飛行速度互相協調，保證了藥液的均勻噴灑，同時也降低了農藥對周圍環境和土壤的影響。無人機通過預定路線進行農藥噴灑，能夠避免重復噴藥或沒有噴灑到的情況。

3.1.3 更安全高效

農業無人機的施藥效率高、范圍廣，相比于傳統人工噴藥作業，是其效率的十倍以上。無人機起降要求不高，在田間也可以進行起降。施藥時為遠程操作，不會影響操作人員，實現了人、藥分離作業，避免了藥物對人身的危害。農業無人機在工作的同時，也會記錄經過的區域位置、播種的用量、農藥噴灑的劑量、作業時間等數據，便于分析和預測下一步對農作物的培養防治等工作。

3.2 缺點分析

3.2.1 缺少操作員

農業無人機的飛行具有一定危險性和難度，因此農務人員需要進行一定的專業培訓才可以操作無人機，而農村進行農務工作的勞動力普遍年齡偏大，對新事物的接受能力和學習能力較低。專業飛防人員除了能夠操作無人機，也需要掌握相應的植保知識，如不同農作物的農藥配比和噴灑量等。此外，操作人員的操作水平不同也會影響作業時的效果。

3.2.2 續航載荷

無人機的載荷較小，單次搭載的藥量只有10公斤左右。大多農業無人機都通過電池進行驅動，續航時間較短，在滿載的情況下只有20分鐘的續航時間，充滿電卻要幾個小時，難以持續進行噴灑。農業無人機在農業應用中大多都為大范圍作業，續航較短、載荷量較小、通信距離較窄等因素使得農業無人機難以推廣。

3.2.3 價格較高

農業無人機相比于普通無人機來說，需要更高的續航能力和更大的載重能力，同時還需要高強度的持續飛行能力，機身也需要有抗農藥腐蝕的效果，所以農業無人機的價格會更加的昂貴，大多在兩萬到七萬，這也使得大多數農村家庭對此望而卻步。購買后的無人機也需要一定的保養維修。

3.2.4 售后問題

農業無人機生產企業多，生產的無人機質量不同，產品的售后很難得到保障，無人機一旦出現故障就難以得到修復，一些用戶可能會因為難以維修或維修成本過高而錯過進行植保作業的時機，對農作物的生長造成影響。

4 植保無人機未來發展趨勢

4.1 優化性能

增加無人機的使用時間，優化蓄電池的應用效果，提升蓄電池的容量，為無人機長時間的運行提供保障，降低故障率。根據植保無人機的不同功能優化耗能模式，控制無人機飛行速度。結合農業無人機噴灑藥物的特點，生產出適合無人機作業的專業藥劑，改善無人機噴藥低殘留效果不明顯的現象。強化無人機的噴灑裝置，改善噴藥設備的穩定性和安全性，加強對噴藥范圍的控制，防止外部因素導致藥液漂移影響防治效果。

4.2 智能化

強化無人機的功能設置，達到無人機可以在設置好的路線、噴灑劑量等由程序自行控制飛行高度、方向、速度等效果，還要實時監控噴藥時藥液的分布狀況、藥液漂移的影響，以及時做好應對。借助無人機上的圖像處理系統和各種傳感器系統觀察，分析農作物的生長情況。根據農作物的生長情況精準地控制施肥，控制施藥的劑量，提高利用效率。現代農業植保無人機的操作還較為復雜，對操作人員的操作能力有較高的要求，應加強對無人機控制系統的開發，使控制系統智能化、簡單化，達到操作人員不需要進行無人機操作的培訓就可以操作使用。

4.3 規范價格

目前，我國農業植保無人機市場還處于發展階段，市場的價格也不統一。農業植保無人機的價格還處于普遍偏高的狀態，這使得無人機難以進入需求量更大的農村地區，影響進一步推廣與應用。隨著市場的不斷發展，農業植保無人機的價格也會逐漸走向穩定。

5 總結與展望

作為一個農業大國，中國每年需要為20億畝基本農田開展大量的農田保護工作。同時，我國正處于小農生產向農業產業化的過渡階段，植保技術正是這關鍵領域之一。和發達國家不一樣的是，我國在農業的植物保護方面具備的機械智能化程度不高。通過發展植保領域的智能化應用，能夠改善許多問題，加快其在社會的宣傳建設和應用，這也是我們保障農業發展的需要。現在，實際應用中已經證明了植保無人機能夠極大地提高作物施藥效率，降低人工成本費。為了保障我國農業能夠穩定的發展，植保無人機其各自特點也非常符合當代中國農業現代化發展的要求，提升了我國農業機械化水平。

這幾年，我國植物保護無人機還處于起步階段，但它帶來的新市場需求逐漸增加，其產業基本進入市場教育階段。植保無人機在我國是一個新事物，為了保證其施藥技術、飛行路徑規劃以及裝備不斷發展，深入研究其低空噴灑技術將是上述問題的解決途徑。