基于專利分析的農用無人機技術發(fā)展趨勢

閔南燕，鄧小明，胡小鹿，劉利軍，柏雨岑，齊江濤

(1.中國技術交易所，北京 100080； 2.中國農村技術開發(fā)中心，北京 100045；3.吉林大學工程仿生教育部重點實驗室，吉林 長春 130022)

0 引言

現代農業(yè)對農業(yè)航空的需求日益旺盛，尤其是用于農業(yè)植保的微小型農用無人機產業(yè)在我國快速發(fā)展。農用無人機可提供便捷、智能和可靠的農業(yè)植保解決方案，作業(yè)質量好、成本低且適應能力強，作業(yè)效率較人工作業(yè)可提升60～90倍，因而在工業(yè)級無人機市場中占有著極為重要的產業(yè)地位和商業(yè)價值[1]。

從用途來看，農用無人機主要可分為3種。

一是植保無人機，用于植物保護。保護手段主要是通過地面遙控飛行器實現農藥噴灑[1-3]。主要優(yōu)勢在于，噴灑作業(yè)效率高；遠距離遙控操作避免農藥中毒危險；低空作業(yè)使得霧滴從噴灑器噴出時被旋翼的向下氣流加速形成氣霧流，增加藥液霧滴對農作物的穿透力，減少農藥飄失，因而防治效果比傳統(tǒng)噴施更好，還能夠降低農藥滲透土壤導致的污染問題[4-5]。

二是農田監(jiān)測無人機，用于獲取農田信息，通常搭載有多種任務負荷。如成像光譜儀等非接觸式監(jiān)測設備，以獲取有關農田和作物的遙感數字信息，進而通過數據處理、分析，獲取農作物長勢、農田環(huán)境等信息[6]。農田監(jiān)測無人機可以精準實時監(jiān)測作物生長參數，如植被覆蓋度、葉面積指數、株高及這些參數與產量間的相關性；有助于農作物生長決策，如診斷作物營養(yǎng)狀況和田間墑情信息，對于病蟲害的監(jiān)控也有較高的準確性；還可以快速獲取農田空間位置信息，獲取不同階段的作物和土壤信息，劃分土地利用類型、定位農田邊界和基礎設施及量算種植面積等[7-8]。與傳統(tǒng)田間定位監(jiān)測相比，農業(yè)無人機監(jiān)測具有信息采集快捷、空間覆蓋率高等特點[9-10]。

三是播種施肥無人機，用于播種、施肥和施藥作業(yè)。作業(yè)時利用無人機螺旋槳旋起的氣流將植株吹開，從噴灑裝置中噴射出來的肥液在氣流的作用下，被均勻地噴灑到農作物葉片上，具有施肥精準度和作業(yè)效率高、利于規(guī)模化生產的特點[11-12]。

在全球高新技術飛速發(fā)展、專利申請量持續(xù)快速增長的形勢下，本文針對農用無人機技術領域，檢索2009—2019年全部農用無人機專利申請，對農用無人機技術全球專利申請情況、我國專利申請情況、主要申請人及技術構成等內容進行宏觀統(tǒng)計和定量分析，得出該技術領域的整體態(tài)勢和發(fā)展狀況。

1 數據來源與數據說明

采用的專利文獻數據主要來自incoPat科技創(chuàng)新情報平臺、國家知識產權局中國專利文獻數據庫(CNPAT)及歐洲專利局專利文獻數據庫(EPODOC)。

針對中國專利數據庫和全球專利數據庫檢索的截止時間為2019年9月。側重無人機技術在農業(yè)產業(yè)中的應用，確定的研究邊界是與農業(yè)作業(yè)場景密切相關的農用無人機技術，未涉及無人機技術領域中的通用技術。

2 專利態(tài)勢分析

2.1 專利申請態(tài)勢

截至檢索日，全球范圍農用無人機專利申請共4 483件，全球/中國農用無人機專利申請趨勢如圖1所示。由圖1可以看出，近10年農用無人機總體申請量為上升趨勢，2012年前專利申請增長緩慢，年申請量不足100件，以海外專利申請為主。2013年開始申請數量超過100件，并在2016年出現飛速增長態(tài)勢。自2013年開始，中國在該領域的專利申請量快速增長，2016年開始呈現爆炸式增長，中國后來居上引領全球申請量的高速增長。

圖1 全球中國農用無人機專利申請趨勢Fig.1 GlobalChinese agricultural UAV patent application trend

2.2 專利申請地域分布

農用無人機全球專利國家/組織分布如圖2所示。可以看出，中國的農用無人機產業(yè)的銷售量近幾年都占有全球農用無人機市場較大市場份額[13-14]。

圖2 農用無人機專利國家組織分布Fig.2 Distribution of patent countriesorganizations for agricultural UAV

在專利申請量上，從全球專利分布情況來看，農用無人機技術領域中，以國別來看，中國專利申請量占全球專利申請總數量的56%，成為這一領域的主要申請國。其次，美國專利申請量占全球專利申請總數量的10%，日本專利申請量占全球專利申請總數量的7%。以區(qū)域申請情況來看，來自歐洲的專利申請占比5%(指在歐洲專利局EPO申請的EP類專利申請量，不包括向歐洲各國單獨申請的專利申請量)。從全球申請范圍來看，中國、美國、日本和歐洲等都是農用無人機領域的重點布局國家或區(qū)域。中國自2013年以來申請量呈現持續(xù)高升趨勢，遠超美、日等國。說明國內申請人已在中國積極布局農用無人機，對這一領域投入了較高的研發(fā)力度，具備了一定的競爭力和創(chuàng)新能力。

2.3 主要專利申請人

農用無人機技術專利申請量位居前10的申請人均為中國申請人，以企業(yè)與高校遙遙領先，全球專利申請人排名如圖3所示。日本的老牌農用無人機企業(yè)雅馬哈發(fā)動機株式會社及美國航空環(huán)境公司(Aero Vironment, Inc.)等有30件左右的申請量。此外，國際傳統(tǒng)農業(yè)機械廠商如久保田、井關農機和迪爾等在農用無人機領域的專利量較少。從申請人成分構成來看，從事農用無人機研發(fā)和創(chuàng)新的主力軍是傳統(tǒng)的工業(yè)級或消費級無人機的生產廠商，傳統(tǒng)的農業(yè)機械廠商參與不多。在排名前10的申請人中，高校、科研院所占3席，分別是排名第2位的華南農大、排名第5位的浙江大學和排名第10位的南京農業(yè)機械化研究所。極飛科技(390件)、華南農大(205件)和大疆創(chuàng)新(147件)是申請量最多的3位申請人。

圖3 全球專利申請人排名Fig.3 Ranking of global patent applicants

極飛科技(廣州極飛科技有限公司)成立于2007年，專注于民用農用無人機和飛行控制系統(tǒng)的研發(fā)和制造，是國內領先的農用無人機研發(fā)企業(yè)[15]。極飛科技于2015年發(fā)布第1代P20型植保農用無人機系統(tǒng)，2016年發(fā)布P20 2017款植保農用無人機系統(tǒng)，2017年發(fā)布3款全新植保農用無人機系統(tǒng)(P10 2018款、P20 2018款、P30 2018款)和極飛地理智能測繪農用無人機C2000，2018年發(fā)布P系列2019款植保農用無人機系統(tǒng)和極俠(XMission)多功能農用無人機系統(tǒng)。市場占有率方面，據統(tǒng)計，截至2018年11月30日，極飛科技全球運營的植保農用無人機數量為21 731架。截至2019年9月21日，極飛科技植保農用無人機全球累計作業(yè)面積已超過2 000 hm2，累計節(jié)省429萬t農業(yè)噴灑用水，減少了1.86萬t農藥與化肥的濫用。

華南農大(華南農業(yè)大學)擁有“國家精準農業(yè)航空施藥技術國際聯(lián)合研究中心”，該研究中心是科技部認定的國家級研究中心，針對國內典型糧食作物、經濟作物航空植保施藥，聯(lián)合美國農業(yè)部農業(yè)研究服務署航空應用技術中心(USDA-ARS-AATRU)、澳大利亞昆士蘭大學(University of Queensland)農藥應用和安全中心等國外先進的農業(yè)航空應用技術研究機構，圍繞精準農業(yè)航空，共同開展農業(yè)航空遙感、航空精準變量噴霧等相關技術及裝備的創(chuàng)新研究關鍵技術和共性問題、推廣精準農業(yè)航空技術。華南農大依托研究中心，在精準農業(yè)航空、航空施藥技術和航空遙感技術的開發(fā)與研究應用、農用無人機航空施藥霧滴沉積分布規(guī)律、農用無人機低空遙感的農情信息獲取與解析、農用無人機智能控制系統(tǒng)、農用無人機精準施藥關鍵部件、控制技術與控制裝備及農用無人機性能檢測平臺等關鍵技術方面產出了較多的專利成果。

大疆創(chuàng)新(深圳市大疆創(chuàng)新科技有限公司)成立于2006年，是全球領先的無人飛行器控制系統(tǒng)及農用無人機解決方案的研發(fā)和生產商。2015年12月，大疆創(chuàng)新推出一款智能農業(yè)噴灑防治農用無人機——大疆MG-1型農業(yè)植保機，標志著大疆創(chuàng)新正式進入農用無人機領域[16]。

總體來看，在農用無人機技術領域，高校和科研院所是我國農用無人機技術發(fā)展中不可忽視的重要力量。產學研的有效合作將會加快中國在農用無人機領域的技術發(fā)展速度，有效提升和促進我國農用無人機在全球的市場份額。

2.4 專利技術構成

農用無人機技術可分為無人機在現代農業(yè)各類場景中的應用技術及無人機為適應農業(yè)應用場景進行的性能方面的改進技術。因此，將農用無人機技術分為如圖4所示技術構成。

從圖4的歷年申請趨勢可知，作業(yè)管理(2 212件)分支的專利文獻最多，占據了農用無人機總體專利文獻數量的約50%。由于農用無人機專利其所保護的技術方案很多并不是對農用無人機系統(tǒng)自身的改進，而是聚焦在農業(yè)的應用場景下對農用無人機的作業(yè)行為進行技術創(chuàng)新，如向農田噴灑農藥、藥粉和施撒種子等作業(yè)行為[2-4]。因此，像作業(yè)管理這種應用類型的專利占比較大，這與農用無人機主要應用于植保作業(yè)、農田監(jiān)測和播種施肥的用途也是相對應的[17-19]。

圖4 農用無人機各技術構成申請趨勢Fig.4 Application trend of agricultural UAV technologies

其次，占比較大的是機體方向的專利1 658件，占農用無人機總申請量的37%，這其中主要貢獻量來自于中國專利的中國申請人。我國專利制度開始于1985年，我國專利申請人對于專利的撰寫水平還處在初級階段，涉及到結構類的專利方案撰寫，通常會從被保護產品的整體結構入手進行撰寫，這就使得在農用無人機的專利申請中，對農用無人機機體及機體各個部件間的連接結構等方面的專利申請量較多。

飛行控制技術和動力/驅動技術方向的專利申請較少，分別占比10%和3%。兩個技術方面都屬于無人機技術的基礎支撐型技術，在專利申請中聚焦在農業(yè)場景中進行技術改進的專利相對較少[20]。飛行控制技術的專利申請主要集中在軌跡控制和控制系統(tǒng)控制方法方向[6]。軌跡控制主要包括路徑/航線規(guī)劃技術和無人機避障技術[21-22]。這兩個方向的專利布局從2016年開始有了較明顯的漲勢，預計未來一段時間該領域仍會有較大發(fā)展空間(由于專利從申請到公開至少需要18個月的時間，2018年和2019年專利申請數據覆蓋不完全)。對于飛行控制的控制系統(tǒng)控制方法，存在不少專利是將人工智能技術應用于無人機，用于準確識別作業(yè)場景的數據信息，再基于專家系統(tǒng)利用規(guī)則為無人機的飛行提供線路規(guī)劃決策。人工智能、機器學習和深度學習等技術與無人機技術在農業(yè)場景下融合，進一步提高了農用無人機飛行控制的自動化和智能化水平。動力/驅動技術中，動力系統(tǒng)性能的改變或提升受應用場景變化的影響不大，所以專門針對無人機在農業(yè)場景下的動力/驅動系統(tǒng)的改進并不常見，根據無人機的動力來源，動力/驅動技術主要包括燃油/燃氣驅動、電動驅動、太陽能驅動和油電混合驅動等。其中以電動和燃油驅動為主，且國內申請更趨向于電池驅動為主的空機質量輕量化設計。

2.5 技術發(fā)展代表性專利分析

結合各個技術分支中的代表性專利對農用無人機在植保作業(yè)、農田監(jiān)測作業(yè)及播種授粉作業(yè)等應用場景中的創(chuàng)新型技術進行分析。綜合對申請日期、被引證頻率、同族情況及技術內容的綜合考慮，確定了如圖5所示的代表性專利示意圖，反映該技術領域的研究熱點和研究動態(tài)。

從代表性專利的申請年份來看，2015—2017年取得的技術成果較多，且聚焦在作業(yè)管理技術領域和機體改進技術領域。作業(yè)管理技術領域中，遙感監(jiān)測細分技術領域的重要專利居多，其次是有關噴灑施藥的植保作業(yè)方法專利。其中，在農田監(jiān)測作業(yè)方向，2017年大疆創(chuàng)新提出的用于機器視覺的低輪廓多波段高光譜成像(CN110476118A)，提供了可用于機器視覺系統(tǒng)的高光譜成像系統(tǒng)，該成像系統(tǒng)因其在對不同光譜波段中的圖像進行濾波時可以使用相機的所有傳感器像素而具有更高的空間分辨率，同時提供比傳統(tǒng)RGB相機系統(tǒng)更好的光譜分辨率[23]。大疆創(chuàng)新在2017年還提出了輸出影像生成方法、設備及無人機(CN109076173A)，該專利方案側重保護如何提升無人機拍攝影像的準度和精度[24]。此外，最高溫度點跟蹤方法、裝置和無人機(CN109154815A)專利，其無人機上搭載的紅外相機可以感測其拍攝到的畫面中各物體的熱力學溫度，實現對最高溫度點的跟蹤拍攝，使得最高溫度點位于圖像的目標位置[25]。

上述3篇專利的申請時間都是在2017年，其所保護的技術方案較好地對應了大疆創(chuàng)新在2019年9月發(fā)布的精靈4多光譜版無人機(P4 Multispectral)，該款無人機是大疆創(chuàng)新首次將多光譜成像系統(tǒng)集成在無人機平臺上，以精確采集多光譜數據。多光譜影像相比可見光成像，能提供更多準確的指向性信息，幫助農戶和農技人員洞察植物生長狀況及健康情況。

Harris Aerial是美國的一家商用無人機生產商，其在2018年推出了一款油電混合無人機Carrier H4 Hybrid，該款無人機的主要特點：一是同時配備電池、汽油發(fā)電機和油缸以實現油電混合長時續(xù)航；二是螺旋槳可折疊，折疊后體積可縮小50%，方便攜帶和收儲，節(jié)省運輸成本[8，26]。其中，Harris Aerial在2016年申請的折疊式重型無人機架(US10266245)就是保護螺旋槳的可折疊結構[27]。此外，圖5中列出的Harris Aerial在2017年申請的重型無人機的模塊化噴霧器系統(tǒng)(US10478841)，該專利提供了一種液體儲存箱，及其與安裝單元及泵組件之間的結構和連接關系，還包括用于確定液體儲罐內液位的液位傳感器[28]。US10478841還保護了有關無人機通訊的內容，關聯(lián)到了通訊標準(ETSI_TS 23.502、ETSI_TS 23.288)，成為一篇標準必要專利。標準必要專利是包含在國際標準、國家標準和行業(yè)標準中，且在實施標準時必須使用的專利，也就是說當標準化組織在制定某些標準時，部分或全部標準草案由于技術上或者商業(yè)上沒有其他可替代方案，無可避免要涉及到專利或專利申請，通常認為標準必要專利具有較高的價值。農用無人機領域的標準必要專利數量極為罕見。

圖5 農用無人機各技術構成代表性專利Fig.5 Representative patents of different technology components

從代表性專利的申請人來看，傳統(tǒng)的農業(yè)機械廠商在農用無人機領域的專利布局還是側重在對無人機的田間應用研究。如洋馬在2015年申請的空中撒布裝置，在中國有專利布局，專利被引用方包括大疆創(chuàng)新、井關農機等公司。該專利提供一種空中撒布裝置，能夠將撒布量與作物生長和產量偏差情況相對應，實現高效撒布。迪爾在2015年也申請了應用無人機技術進行產量估算的專利，其農用無人機的技術并未在中國布局，不過農機巨頭凱斯紐荷蘭和愛科也都有引用該專利。

從專利布局角度看，植保作業(yè)和農田監(jiān)測作業(yè)是當前的研發(fā)熱點，參與研發(fā)的主體類型以無人機廠商和農業(yè)機械廠商為主，且國內廠商以極飛科技與大疆創(chuàng)新為主，兩家都擁有較多的國際專利布局，布局主要聚焦在歐美、日本和韓國。科研工作重復研發(fā)的風險較高，技術創(chuàng)新難度相對較大。飛行控制技術和動力驅動技術參與研發(fā)的主體類型相對不集中，有傳統(tǒng)的飛機制造廠商，也有通信廠商，還有一些對航空事業(yè)有探索性的公司，如谷歌公司在2013和2014年相繼申請了兩篇(US9957037、US9518873)有關集成太陽能電池的無人機技術的專利并且都在中國有技術布局[29-30]。研發(fā)人員可綜合考慮農業(yè)場景下的地形、環(huán)境等因素，加強在動力系統(tǒng)和飛行控制方向上的專利布局[31]。

3 結束語

總體來看，農用無人機技術正處于技術發(fā)展期，前景看好。未來幾年，農用無人機技術的相關專利申請量和申請人數量仍將保持較高增長趨勢。通過上述專利信息，揭示了農用無人機技術的發(fā)展情況，為科技人員的技術開發(fā)提供信息基礎。基于以上分析，對農用無人機技術專利布局提出3點建議。

(1)加強農用無人機領域的海外專利布局，提升產品在海外市場的競價能力。根據BlueWeave咨詢公司的數據，全球農用無人機市場規(guī)模預計將從2019年的11億美元增長到2026年年底的47億美元，在2019—2026年的預測期間以31.3%的快速CAGR(Compound Annual Growth Rate，復合年均增長率)增長。技術創(chuàng)新、創(chuàng)新技術專利保護和創(chuàng)新技術產品市場競爭力3者是緊密關聯(lián)的。在農用無人機市場蓬勃發(fā)展的大環(huán)境中，我國的農用無人機企業(yè)應該加強國內發(fā)明專利的申請量，以追求長久的技術保護期；同時加強國際專利的申請和布局，為農用無人機出海打下堅實的知識產權基礎，提升農用無人機產品在海外市場的競價能力。

(2)提升專利撰寫技巧，加強專利權利要求的布局意識。極飛科技與大疆創(chuàng)新是國內植保無人機的兩家龍頭企業(yè)，就農用無人機的專利量來說，極飛科技的申請量多于大疆創(chuàng)新，主要原因是極飛科技是以農用無人機為主業(yè)，而大疆創(chuàng)新是2015年才開始農用無人機布局，其大量專利集中在消費類無人機領域。兩家在專利撰寫方面的技巧性操作值得學習(可參考CN110382356A、CN209626259U和CN209080184U等專利)[32-34]。在權利要求保護方面會以無人機的通用技術、通用部件進行保護，但是，保護主題中通常會以一個獨立權利要求對無人機在農業(yè)方面的應用給予保護，同時在說明書的實施例中給予在農業(yè)方面的應用場景的描述，既保證了專利的保護范圍，又實現了技術在應用場景中的具象化。這樣的撰寫和權利要求布局方式，對于專利無效階段的權利要求解釋及專利侵權訴訟中專利與侵權產品的比對對準性都是極有幫助的。

(3)加強專利保護意識的同時，提升對專利市場化運用的能力。專利權的獲得使得權利人對自己的專利技術擁有了獨占性和專有性，那么自然也就擁有了主動出擊主張自己權利的能力，自2015年以來，在消費類無人機領域已然掀起了一波波的專利戰(zhàn)。據不完全統(tǒng)計，大疆創(chuàng)新先后就專利侵權相關問題起訴了深圳道通、佛山黑馬、廣州華科爾、YUNEEC昊翔和北京零度等多家無人機企業(yè)。極飛科技也有多項專利涉及到專利侵權訴訟。目前，在農用無人機領域尚未大規(guī)模出現知識產權爭奪狀況，但是隨著農用無人機市場的開拓，市場競爭態(tài)勢的增強，農用無人機領域的專利戰(zhàn)也會隨之一觸即發(fā)。