植保無人機(jī)的應(yīng)用及發(fā)展

成子怡，吳阿敏，王政浩，何杭瑜

(江蘇農(nóng)林職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 句容 212400)

0 引言

2014年，《麻省理工科學(xué)評(píng)論》雜志將農(nóng)用無人機(jī)評(píng)為年度十大突破性科技之首[1]。的確，無論是擁有最先進(jìn)的航空植保機(jī)械及完善的農(nóng)業(yè)航空組織體系的美國，還是最先將無人直升機(jī)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的日本，以及在2010年左右才開始發(fā)展植保無人機(jī)的我國，無不大力研究發(fā)展無人機(jī)植保，進(jìn)一步推動(dòng)植保機(jī)械化、智能化。“飛防”成為近年來我國植保行業(yè)的熱詞。植保無人機(jī)也已經(jīng)成為田間地頭的尋常風(fēng)景。

1 植保無人機(jī)的類型

1.1 按動(dòng)力分類

1.1.1 電動(dòng)植保無人機(jī)

電動(dòng)植保無人機(jī)采用電池作為動(dòng)力源，特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)比較簡單，飛手通過遙控操縱飛機(jī)，設(shè)置好飛行區(qū)域后，自動(dòng)規(guī)劃路線，整個(gè)飛行過程對操作水平的要求不高;機(jī)器整體重量輕便，方便轉(zhuǎn)場，并可適應(yīng)坡地、山區(qū)、有障礙等各種復(fù)雜地形的作業(yè)。缺點(diǎn)是電池續(xù)航時(shí)間較短，抗風(fēng)能力比較弱。

1.1.2 油動(dòng)植保無人機(jī)

油動(dòng)植保無人機(jī)采用燃油作為動(dòng)力源，特點(diǎn)是燃料可快速添加，無人機(jī)可持續(xù)工作，載重能力大，在同等載荷情況下，油動(dòng)植保無人機(jī)工作時(shí)形成的風(fēng)場下壓效果更明顯，抗風(fēng)能力較強(qiáng)。缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)較電動(dòng)機(jī)型復(fù)雜，不易掌控，對飛手的操作技術(shù)要求高，且控制精準(zhǔn)度較電動(dòng)無人機(jī)低。

1.2 按旋翼數(shù)量分類

1.2.1 單旋翼植保無人機(jī)

單旋翼植保無人機(jī)大多數(shù)是油動(dòng)機(jī)型。單旋翼植保無人機(jī)有雙槳、三槳兩種。單旋翼植保無人機(jī)通過調(diào)整主槳的角度可控制前進(jìn)、后退、上升、下降四個(gè)飛行動(dòng)作，通過調(diào)整尾部的尾槳實(shí)現(xiàn)無人機(jī)的轉(zhuǎn)向，且主槳和尾槳的風(fēng)場基本不會(huì)相互干擾。其優(yōu)點(diǎn)是：旋翼大，飛行穩(wěn)定，抗風(fēng)能力好；風(fēng)場下壓效果好，下旋氣流大，霧滴穿透力強(qiáng)，可以穿過植物冠層，滲透到根莖部位，植保效果好；作業(yè)周期長。但存在價(jià)格高、操控難度比較大，對飛手操作技術(shù)要求較高的缺點(diǎn)。

1.2.2 多旋翼植保無人機(jī)

多旋翼植保無人機(jī)大多數(shù)是電動(dòng)機(jī)型。多旋翼植保無人機(jī)有四旋翼、六旋翼、八旋翼、十二旋翼等機(jī)型。多旋翼植保無人機(jī)通過調(diào)整不同槳葉的轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、后退、橫移、轉(zhuǎn)向、升高、降低的各種動(dòng)作，但在飛行中相鄰的兩個(gè)槳葉旋轉(zhuǎn)方向是相反的，所以存在風(fēng)場相互干擾的問題，會(huì)造成一定的風(fēng)場紊亂。多旋翼植保無人機(jī)自動(dòng)化程度較高，且造價(jià)相對便宜；技術(shù)門檻低，操控簡單、飛手短時(shí)間培訓(xùn)后即可上手作業(yè)；操控靈活，對起降場地要求不高，能實(shí)現(xiàn)垂直起降、空中懸停。但由于無人機(jī)重量輕，所以存在抗風(fēng)性能較弱，連續(xù)作業(yè)能力較差，效率不高的缺點(diǎn)。

2 植保無人機(jī)的應(yīng)用優(yōu)勢

植保無人機(jī)因具有安全高效、操作簡便、成本低廉、環(huán)保性能優(yōu)異的特征，在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展中得以有效的推廣應(yīng)用[2]。以大疆T20為例，T20最大載重提升至 20 kg，配合 7 m寬噴幅，單架次作業(yè)效率提升至1.67 hm2，每小時(shí)作業(yè)效率提升至12 hm2，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于人工效率，與大噴幅的高地隙大型植保器械效率相當(dāng)。植保無人機(jī)飛行時(shí)旋翼轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生下旋氣流，擾動(dòng)作物葉片，藥液霧滴更容易滲入作物內(nèi)部，且霧滴直徑很小，依附葉片能力強(qiáng)，可減少20%以上的農(nóng)藥用量，不僅節(jié)約藥量，而且能有效實(shí)現(xiàn)殺蟲效果。同時(shí)，通過遠(yuǎn)距離遙控?zé)o人機(jī)進(jìn)行植保作業(yè)，植保作業(yè)過程中飛手無需直接接觸農(nóng)藥，大大減少了人身傷害，有效保障農(nóng)民健康和生命安全。農(nóng)用無人機(jī)在使用過程中，不會(huì)受到農(nóng)作物高度及地形的限制，只要將其飛行的高度及信號(hào)控制在合理的范圍內(nèi)，就可以通過遙控操作使農(nóng)用無人機(jī)按照預(yù)先設(shè)定好的軌跡實(shí)施飛行噴灑作業(yè)，減少了人工噴灑農(nóng)藥中存在的一些問題[3]。植保無人機(jī)適用于多種農(nóng)作物，如水稻、小麥、玉米、棉花等，同時(shí)利用其仿地飛行功能，還適用于丘陵山區(qū)作業(yè)，因此在果樹及林木防治方面的應(yīng)用也日趨增多。

3 植保無人機(jī)發(fā)展中存在的問題

3.1 續(xù)航時(shí)間短，載荷小

植保無人機(jī)由于個(gè)體相對較小，普遍存在載藥量偏小的問題，普通的植保無人機(jī)一次載藥量大多為5～25 kg，而一組電池只能夠保持無人機(jī)飛行8～20 min[4]。因此，在使用過程中，需要頻繁更換電池和補(bǔ)充藥劑。為保證植保作業(yè)的連續(xù)性，如在噴灑工作量大的情況下，還需攜帶發(fā)電機(jī)和燃油，及時(shí)對更換下的電池進(jìn)行充電。以目前的充電技術(shù)和速度，按照一塊電池充滿至少需要3 h計(jì)算，一架植保無人機(jī)需要配置10塊以上的電池才能保證連續(xù)工作。一塊電池的價(jià)格大約在2 000元，這也成為植保無人機(jī)使用過程中的一筆較大投入。

3.2 價(jià)格較貴，補(bǔ)貼政策條件要求高，行業(yè)進(jìn)入門檻較高

在2017年，全國多個(gè)省市出臺(tái)了補(bǔ)貼政策(補(bǔ)貼標(biāo)準(zhǔn)見表1)，但政策全國覆蓋率不高且補(bǔ)貼條件較高，例如江蘇省鎮(zhèn)江市規(guī)定承包種植面積20 hm2以上，且每66.7 hm2以內(nèi)只能補(bǔ)貼1臺(tái)，同一組織上限為5臺(tái)，補(bǔ)貼對象主要包括農(nóng)業(yè)(農(nóng)機(jī))專業(yè)合作社等，對個(gè)人購置植保無人機(jī)暫不予補(bǔ)貼。并有以下要求：1)載藥量≥10 L；2)電動(dòng)、多旋翼；3)采用RTK技術(shù)或前后自主避障仿地飛行，完全自主起降與飛行；4)配備電池?cái)?shù)量≥6組。而一架植保無人機(jī)的價(jià)格在3萬～15萬不等，同時(shí)加上需配備一定數(shù)量的電池，要想從事無人機(jī)植保行業(yè)，門檻較高。

表1 中國各省市植保無人機(jī)補(bǔ)貼政策

3.3 從業(yè)人員專業(yè)水平、能力急需提升

我國大部分農(nóng)業(yè)從業(yè)人員存在專業(yè)性不強(qiáng)、文化層次不高問題，這一問題在飛防領(lǐng)域也同樣存在[5]。植保無人機(jī)作為新興產(chǎn)業(yè)，從業(yè)人員未經(jīng)過長時(shí)間的正規(guī)培訓(xùn)，只懂得基本操控，對無人機(jī)構(gòu)造不熟悉，一旦無人機(jī)作業(yè)過程中出現(xiàn)問題，只能到銷售點(diǎn)和相關(guān)售后部門維修，甚至返還廠家，耽誤農(nóng)時(shí)；缺乏農(nóng)學(xué)知識(shí)，對藥劑的靈活選用及配比無法精確掌控，專業(yè)性不強(qiáng)，影響防治效果；在實(shí)際使用過程中，存在很多違規(guī)操作，不當(dāng)操作使高速旋轉(zhuǎn)的漿葉存在一定安全隱患。

3.4 航空植保專用藥劑品種較少

無人機(jī)采用的是超低容量噴霧，油劑型藥劑是首選。而目前關(guān)于植保無人機(jī)的專用藥劑較少，傳統(tǒng)藥劑的噴灑建議藥量都是根據(jù)人工噴灑速度來計(jì)算的，因此大多數(shù)植保無人機(jī)作業(yè)只是將普通農(nóng)藥通過提高藥液的濃度來適應(yīng)無人機(jī)的高速飛行速度。甚至有些直接將粉劑和懸浮劑進(jìn)行簡單的水溶解就進(jìn)行噴施，不僅不便于精確計(jì)算藥量，還容易堵塞噴頭。

4 植保無人機(jī)的發(fā)展趨勢

4.1 植保無人機(jī)市場繼續(xù)擴(kuò)大

我國是農(nóng)業(yè)大國，有1.33億hm2的基本農(nóng)田，每年需要大量的農(nóng)業(yè)植保作業(yè)。相對于發(fā)達(dá)國家，我國農(nóng)業(yè)植保環(huán)節(jié)的機(jī)械化水平較低。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，美國、日本等國家植保機(jī)械滲透率已經(jīng)超過50%，而我國尚未達(dá)到5%，因此我國的植保機(jī)械滲透率有很大的發(fā)展空間。同時(shí)，隨著國家政策的引導(dǎo)和地方政府購置補(bǔ)貼等工作的落實(shí)，飛防專用藥劑的開發(fā)，也能有效推動(dòng)植保無人機(jī)的快速發(fā)展。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2019年，全年累計(jì)銷售植保無人機(jī)3萬臺(tái)。而在特殊的2020年，全國植保行業(yè)實(shí)現(xiàn)了翻倍增長，全年累計(jì)銷售量達(dá)6萬臺(tái)。目前，植保無人機(jī)保有量已達(dá)11萬臺(tái)。預(yù)計(jì)在未來2～3年內(nèi)，植保無人機(jī)市場依然將保持50%～60%以上增速，植保無人機(jī)保有量將達(dá)到20萬臺(tái)。

4.2 補(bǔ)貼政策及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)繼續(xù)完善

2018年農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所聯(lián)合中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化協(xié)會(huì)等單位共同完成了我國首個(gè)植保無人機(jī)技術(shù)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)——《植保無人飛機(jī)質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范》。該規(guī)范主要涉及植保無人飛機(jī)產(chǎn)品本身的質(zhì)量要求，重點(diǎn)考慮了人員安全、公共安全和機(jī)具安全等因素。2020年9月3日，安徽省地方標(biāo)準(zhǔn)《植保無人飛機(jī)農(nóng)田施藥作業(yè)技術(shù)規(guī)范》(DB34/T 3663—2020)實(shí)施。規(guī)定了植保無人飛機(jī)農(nóng)田施藥作業(yè)的總體要求、作業(yè)人員、選用要求、藥劑選擇與使用要求、施藥作業(yè)參數(shù)、作業(yè)要求、維護(hù)要求、安全注意事項(xiàng)及緊急事故處理。2020年11月，甘肅省發(fā)布了地方標(biāo)準(zhǔn)《農(nóng)用植保無人飛機(jī)作業(yè)操作規(guī)范》，于2021年1月1日開始實(shí)施。但目前僅有部分幾個(gè)省份制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，全國各地將陸續(xù)出臺(tái)并完善植保無人機(jī)質(zhì)量及作業(yè)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，引導(dǎo)無人機(jī)植保行業(yè)實(shí)現(xiàn)健康規(guī)范的發(fā)展。

經(jīng)過 2017 年的補(bǔ)貼政策試點(diǎn)，截至2021年，全國各主要農(nóng)業(yè)省份(除遼寧、河北、山西、海南)都已將植保無人機(jī)納入補(bǔ)貼范圍。補(bǔ)貼政策目前還存在以下幾個(gè)問題：一是各省補(bǔ)貼政策不一，企業(yè)需要投入較大的精力調(diào)整產(chǎn)品與政策適應(yīng)；二是如黑龍江、新疆等重點(diǎn)農(nóng)業(yè)省份購機(jī)補(bǔ)貼實(shí)施的難度依然較高。在今后的發(fā)展中，國家將持續(xù)完善補(bǔ)貼政策，讓越來越多的合作社甚至個(gè)人得到切切實(shí)實(shí)的補(bǔ)貼，進(jìn)一步促進(jìn)植保無人機(jī)市場的發(fā)展。

4.3 植保無人機(jī)持續(xù)助力智能農(nóng)業(yè)、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)

農(nóng)村勞動(dòng)力緊張是植保無人機(jī)行業(yè)發(fā)展必須考慮的問題，所以植保無人機(jī)在今后發(fā)展中，操作要更智能化，簡單培訓(xùn)即可上手操作，適合年紀(jì)較大的農(nóng)民操作。近5年來，植保無人機(jī)保有量持續(xù)增長，智能化技術(shù)成為各大生產(chǎn)廠商的核心競爭力。經(jīng)過技術(shù)更新升級(jí)換代，無人機(jī)操作已逐漸向“傻瓜機(jī)”方向發(fā)展。

通過在植保無人機(jī)中搭載多光譜技術(shù)，作業(yè)過程中能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測農(nóng)田、作物情況，監(jiān)測地塊平整度、作物長勢、作物營養(yǎng)分析，然后產(chǎn)生農(nóng)田處方圖進(jìn)行精準(zhǔn)變量噴灑，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)減藥目標(biāo)，助力精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)。

5 結(jié)語

在10年前，植保無人機(jī)在我國還是新鮮事物，一旦出現(xiàn)在田間，就引起眾多圍觀。而如今，無人機(jī)的田間作業(yè)已成為尋常風(fēng)景，甚至農(nóng)戶已經(jīng)開始依賴植保無人機(jī)對農(nóng)田開展施藥工作。植保無人機(jī)的保有量和作業(yè)面積仍然在逐年增加，我國農(nóng)業(yè)機(jī)械化的進(jìn)程在持續(xù)加快。但目前還需政府部門加以引導(dǎo)和支持，解決在生產(chǎn)、應(yīng)用和監(jiān)管中的各種問題，推進(jìn)植保無人機(jī)健康快速發(fā)展。

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