植保無人機調研及后勤保障設計

李 志，孫建新，梁 剛，劉同聰，畢方淇，張榮彬

（淄博市農業機械研究所，山東 淄博 255086）

自2014年中央一號文件明確要求“加強農用航空建設”以來，國內農用無人機尤其是在農作物植保方面呈現出爆炸性增長態勢。距全球無人機網統計，到2023年，我國農業植保無人機硬件銷售將達160×108元，農業植保服務將達到485×108元。植保無人機作為精準農業的重要組成部分，具有高效率、高精度、環保、節能節水等優勢[1]。雖然目前國內植保無人機行業呈高速發展的勢頭，但目前中國農用航空的應用水平尤其是后勤保障方面還有許多短板。本文就植保無人機后勤保障及設計思路進行了調研與闡述。

1 植保無人機發展現狀

國家對農機裝備研發政策傾斜、農機購置補貼政策的拓寬為植保無人機科技孵化與市場開發提供了政策支持；土地流轉加劇、農村青壯年勞動力減少、高學歷人才返鄉成為新型農民以及農業（農機）專業合作社等組織的崛起為植保無人機行業發展提供了良好的社會環境。據中國無人機行業協會、中國航空運輸協會通航分會數據統計，2016年我國植保無人機保有數量為6 500架，市場規模18.06×108元。到2021年，我國植保無人機量已達16×104架，市場規模達到95.61×108元。《“十四五”民用航空發展規劃》中明確提出大力倡導無人機創新發展，并提出無人機“十四五”期間運行小時數于2025年達到250×104h。未來5年內，無人機行業尤其是植保無人機發展勢頭依舊強勁。

2 植保無人機技術優勢

與傳統植保器械相比較，植保無人機具有有效防控大面積病蟲害、施藥均勻、穿透性強、不受地形因素影響、提高藥物利用率和減少環境污染等優點[2]。植保無人機在大田作業中采用低空、超低空作業，不受地形因素影響，彌補了自走式噴藥機械給作物帶來的物理損傷；槳葉帶來的下壓風能夠增強藥液的穿透性并使藥液均勻噴灑作物表面；實時動態載波相位差分技術（RTK定位功能）能夠設置施藥定位參數并實現精準施藥，避免漏噴、重噴；互聯網高效農業服務平臺能夠為作物植保管理提供全方位數據及技術支持；作業更加高效，以大疆T20P為例，能夠實現大田小時作業量12 hm2，果樹小時作業量2.67 hm2，大大節省了人工成本。

3 推廣應用調研

雖然植保無人機相較于傳統植保機械具有眾多優勢，上中游產品技術不斷完善提升，平臺組織和商業模式不斷建立和優化，但目前無人機噴防比例仍然比較低，飛防的底端—飛防作業的最后一公里問題突出，飛防效率和成本亟待提升。

3.1 調研方法

在淄博市臨淄區平原區和博山區山地丘陵區分別選取3家代表性農機合作社為樣本，通過調查問卷的方式對農機合作社負責人、植保無人機飛手和飛防服務農戶進行作業現場或登門調研，采集植保無人機飛防數據，對采集的信息進行分析，提出解決方案。

3.2 樣本農機合作社的選取

臨淄區南部為低山、丘陵、山間平原地形，北部為山前傾斜平原、微傾斜低平原，面積比例為1∶3，全區耕地面積為3.60×104hm2，林地面積為3 783.78×104hm2，園地面積為1 943.69×104hm2，全區降水量639.7 mm，全年平均相對濕度61%。規模以上農機合作社10家，主要集中在青銀高速以北的朱臺鎮、鳳凰鎮、敬仲鎮的平原地帶，在這10家農機合作社選取3家具備一定農機資產、植保無人機飛防服務，配備有機手的農機合作社為調研對象。

博山區總體地勢為南高北低，南、東、西三面中低山環繞，中部低山丘陵區占全區總面積的43.6%，年平均降水量為695.2 mm，分布不均，年平均相對空氣濕度為60%，呈半濕潤狀況。地表和地下水最大可利用量占水資源總量的85%，規模以上農機合作社6家，選取中部低山丘陵區3家具備一定農機資產、植保無人機飛防服務，配備有機手的農機合作社為調研對象。

3.3 調研內容

調查問卷內容涵蓋農機合作社基本情況，農機合作社植保無人機保有數量及型號，植保無人機飛防作業工況，植保無人機操控人員情況，飛防氣象要求，飛防效率，飛防作業安全性及對飛防期待等幾大類別，并在每個大類別之下設計相應分解問題[3]，力求解決植保無人機飛防作業最后一公里問題。調查卷所列出的問題條目，見表1。

表1 調查問卷問題條目一覽Tab.1 The entries of questionnaire

3.4 調研數據分析

2021年6月—9月，課題組對臨淄區和博山區的6家農機合作社進行調研，并在合作社負責人的協助下，走訪調研了14家無人機用戶，發放調查問卷20份，收回18份。對植保無人機用戶反饋形成了數據分析，見圖1。

圖1 植保無人機用戶反饋數據分析Fig.1 The feedback analysis of plant protection UAV users

3.5 調研問題分解

3.5.1 配套設施

（1）電池充電配套問題。通過調研發現，2個區農業配套設施還不夠完善，工作區域不具備工頻交流電（AC），飛防過程中充電方式是配備原廠發電機對電池進行移動充電。通過“燃油發電機+智能充電器+多塊電池循環充電”形式進行充電。由于電池長時間大電流充放電，發熱會變得更明顯，嚴重時會出現發熱導致的電池變形，影響電池使用壽命，因此在充電時電池必須具備良好的散熱條件和過充保護。

（2）售后保障配套問題。植保無人機存在配套維修和服務滯后問題。據臨淄區富群農機合作社工作人員介紹，植保無人機維修需要到50 km外的濱州售后服務點，售后維修費用低，但時間成本高。

（3）水藥肥配套問題。丘陵山地為主的分散型地塊，多數地區水利設施較為落后，水源地偏遠且取水困難。例如博山區源泉鎮部分農業合作社靠集資修建蓄水池進行季節性補水。面對這種水利環境，直接進行植保無人機取水、拌藥，存在取水精度難以保障問題，并且耗費工時、污染水源。

3.5.2 飛防工況

（1）環境適應性。對比2個區飛防數據，目前植保無人機在大田作業、平原作業優勢明顯，山區、丘陵作業應用性相對較弱。

（2）運輸適應性。植保無人機運輸不僅受到農作物不同生長高度限制，還受到丘陵、山區作業區生產路路況等因素的制約。

（3）農作物適應性。據兩區調研，植保無人機飛防在大田農作物上應用已趨成熟化、規模化，在林果類經濟作物應用相對落后。

3.5.3 飛防氣象

植保無人機在飛防過程中對氣象要求較高。

（1）溫度。植保無人機電池鋰聚合物電池最佳工作溫度是20℃～30℃，溫度過低會使電池損失大量的能量，嚴重時造成電池損壞。溫度過高會加快藥液蒸發速率，產生上升氣流影響藥物噴灑效果，氣溫高于30℃建議停飛。

（2）風力。風力大于3級，會造成植保過程的藥物漂移，影響飛防效率，根據風力大小確定是否作業或根據風向調整作業時的高度和方向。風力大于4級應暫停作業[4]。

（3）能見度。能見度直接影響植保無人機降落及飛防路徑觀測，能見度低的工況下影響作業效率，嚴重情況下可能導致飛防事故。因此，能見度低于1 km不建議飛防作業。

（4）其他突發天氣。雨、雪、霜、露、雷電等可能影響飛防的氣象條件下禁飛。

3.5.4 飛防效率

（1）運輸效率。2個區現行植保機運輸方式多為廂貨車或皮卡車運輸，各種設備無序安置，運輸至工作區域逐一展開，大大降低工作效率。

（2）噴防效率。雖然植保無人機飛防在工作時間上大大節省勞動力，但電池續航時間、載重量、藥物重噴漏噴等缺陷一直存在，噴防效率仍然存在提升空間。

（3）后勤效率。起降位置選擇、電池充電、水藥補給、衛星信號覆蓋、工作照明等后勤配套問題。

3.5.5 其他問題

植保無人機操控人員資質、崗前培訓、植保知識，農藥的選擇，人員和機具防護等。＜2 700 mm為宜，滿足正丘陵山地生產路調頭及行走。

（2）智能充放電一體化功能。該平臺配備12 V且不小于100 Ah蓄電池，加裝過充保護、過放保護、過流保護、過壓保護、短路保護及溫度保護等多重保護功能，可滿足市電、太陽能板、燃油發電機等多種充電模式。蓄能搭載逆變器可供室外照明、中小型水泵組件、PC、家用電器等各種生活用電。

（3）水肥藥補給系統。根據調研及計算，容量20 L植保無人機大田工作面積為53.3 hm2/d，所需水量為1 t，考慮中午時段休息及調整時間，平臺設計搭載一款容積為500 L水箱。搭載一款不小于2 m3/h流量抽水泵，滿足平臺水箱、計量拌藥桶及植保無人機之間快速注水。

（4）智慧農業云平臺系統。該平臺接入中控大屏幕，接入農業數字管理系統，利用GIS或地圖標準地塊，隨時查看植保無人機工作情況，實現控制可視化，隨時查看實時氣象、噴藥標準、植保面積、植保次數及植保時間等信息。

4 后勤保障設計方案——多功能保障平臺

針對植保無人機在推廣應用中存在的問題，設計一款植保無人機作業平臺，以解決植保無人機在飛防過程中遇到的堵點、痛點，提升飛防效率。

（1）植保無人機運輸搭載功能。能將植保無人機及相關配套服務模塊運輸到多種復雜作業環境，滿足植保無人機方便快捷起降和維修保養要求。該功能需要適配一款適合全地形運輸行走的汽車底盤，發動機功率＞44 kW，滿足在荷載1 t狀態下30°以下爬坡需求。以輪距＜1 300 mm、軸距