農用無人機應用現狀與發展前景分析

河北省秦皇島市農機化技術推廣站 鄭丹彤

1 我國農用無人機的發展現狀

農用無人機是指運用在農業生產環節上的利用無線電遙控設備和自備的控制裝置操控的機械設備，設備上無駕駛位，安裝有自動駕駛儀、程序控制裝置等設備，目前最常見的是農用無人駕駛飛機、遙控作業平臺等裝備，本文重點介紹無人駕駛飛機。具有機動靈活、操作簡單、智能化程度高、用途廣泛等優點，近些年來隨著智能化農機裝備的快速發展，農用無人機也廣泛地運用到了農業生產中。

首先，無人駕駛飛機一般分為固定翼式飛機、直升機、多軸飛行器三種，多軸飛行器（一般四軸或者六軸居多）較其他飛行器來講具有結構簡單、飛行穩定、操控難度低、智能化程度高、價格親民的優勢特點，因此農用無人機大多為多軸飛行器，多用來進行噴灑作業。最近幾年，我國將農業與信息化確定為重點領域，航空植保在國內取得了突破進展，并表現出巨大的發展和應用前景，截至2019年，我國生產的各類植保無人機就已經達到了170多個品種，市場保有量約5.5萬架，至今，市場保有量已超10萬架。但總體來講，我國農林植保無人機的滲透率在2020年還不足5%，與此同時，日本的農林植保無人機滲透率達到了53%，美國則達到了63%。日本已經有了20多年的無人機使用經驗，每年無人機的更新量約為3000架；而我國有著20億畝的耕地面積如果達到日本的植保無人機使用率，則年更新量達到30000架，因此，我國農用無人機未來的市場需求將無法估量。

2 無人機在農業生產的應用

農用無人機在農業生產中的應用多為植保噴藥、撒肥、撒播等作業，借助無人機螺旋槳的風力，藥液的噴灑效果更好。需要注意的是，我國作為農業生產大國，也是農藥使用大國，據統計，我國農作物農藥使用量為10.3公斤/公頃，而日本為3.72公斤/公頃，法國為3.69公斤/公頃，英國為3公斤/公頃，美國僅為2.2公斤/公頃，遠高于世界平均水平，以至于我國每年農藥中毒人數就有10萬之眾，約有20%的致死率，且農藥殘留和污染造成的影響尚無官方統計。應用植保無人機，由于其攜藥量小且效率高一是可以大幅降低農藥的使用量，減少農藥對環境的污染；二是可以有效做到人藥分離，保護施藥人員的安全，這也是農用無人機最大的優勢。

2.1 大宗糧食作物的應用

目前，大宗糧食作物的無人機應用率最高，尤其是小麥、水稻等作物。由于小麥、水稻植保時植株較為矮小，因此藥液在無人機螺旋槳風力的作用下，滲透率較高，可有效滿足農藝要求。再加上無人機可在程序上自動生成路徑，在電池保供充分的情況下，每天的施藥面積可達千畝左右。

2.2 林果類的應用

飛機植保在大面積園林植保應用較早，起先多為載人直升機或者固定翼飛機進行植保作業，攜藥量較大，運用彌霧機產生大量藥劑霧滴，可較好地吸附在樹木上，其關鍵點在于攜藥量大、效率高、霧化效果好；然而植保無人機最大的缺陷之一就是攜藥量有限，因此對于形態較大、枝繁葉茂的植株的藥液噴施效果較差，適合于植株較小、形態簡單的苗圃或者矮砧密植型果園使用。實際上，遙控式陸地行走的作業平臺（也可歸為無人機的一種）攜帶噴藥裝置攜藥量大、且噴灑范圍廣更適合林果類的植保作業。

2.3 其他經濟作物

植株矮小、種植面積廣的經濟作物也可使用植保無人機進行植保作業，例如棉花、花生、大豆等，同經濟作物一樣，利用螺旋槳產生的巨大風力可將藥液均勻的噴灑到植株上，滿足其農藝要求，而且效率極高。

2.4 其他應用

部分無人機還可加裝圓盤撒肥機，加裝圓盤撒肥機后可進行大田的施加顆粒肥工作、大田種子撒播工作以及在漁業養殖中撒播飼料，具有效率高、撒播均勻的優點。

3 農用植保無人機所面臨的問題

隨著國家把農業與信息化確定為重點領域，航空植保在國內取得了突破進展，并表現出巨大的發展和應用前景，科技與農業的結合早已成為目前農業發展的主流。我國植保機產業已經起步，但是目前業內并無明確的行業標準，包括無人機自身技術、性能標準和植保標準，因此農用無人機面臨著的問題不容小視。

3.1 行業門檻較低，市場魚龍混雜

目前，據相關數據查詢，截至目前（2022年數據），我國無人機相關企業有4.8萬余家，其中僅2021年就新增注冊企業3100余家，其中廣東、山東、安徽三省數量最多分別擁有10000余家、3300余家、3200余家。從注冊資本來看，22.3%的相關企業注冊資本在100萬元以內，只有22.9%的企業注冊資本超1000萬元；從成立時間來看，近7成的企業成立時間不超過5年；從市場表現來看，2018年全國有記錄的共銷售無人機2900臺，2019年6000臺，2020年10300臺，2021～2022植保無人機市場整體規模依然將保持50%～60%以上增速，保有量在2021年達到了20萬臺，市場上銷量領先的主要是大疆、極飛等龍頭企業。單純從數據上來看我國植保無人機的發展“風光無限”，但這背后隱藏著極大的隱患。上文提到，我國農用植保無人機行業對于無人機的技術、性能以及研發實力等方面沒有明確的行業標準，再加上目前較大的市場需求以及配件市場，大大降低了農用無人植保機的制造門檻；部分企業沒有足夠的設計研發實力，只是簡單地將市場上的各個零件組裝到一起在整機市場上“魚目混珠”，這就造成了極大的安全隱患。例如，早在2018年，月產量高達500多架行業內一家較大規模的廣州無人機企業，生產的無人機屢遭投訴，據相關用戶反應，用戶花140多萬元購買的該品牌無人機時常出現“炸機”、失控的情況，根本飛不起來，最終企業負債2億元，放棄經營。因此上面提到的4.8萬余家相關企業有多少“魚目混珠”的企業就不得而知了。

3.2 無人機飛行控制系統還需努力

飛行控制系統是農用植保無人機的核心技術。與專業的無人機操作員或飛行員不同，農用植保無人機的操作員俗稱“飛手”通常沒有經過完整且嚴格的飛行訓練，大多是簡單培訓上崗，因此農用植保無人機在工作過程中所面臨的大多數問題需要飛行控制系統來處理或者輔助飛手處理，例如遇到不穩定氣流時無人機需要自行保持飛行穩定，前方有障礙物時需要無人機自主避障，能源不足時能夠及時自動返航，飛行高度過低或者過高時可以自主調整等。再者，微小的農用植保無人機在低空飛行時將遇到由于農田作物冠層結構造成的復雜低效，這對氣壓高度計將造成較大影響，再加上部分農田環境較為復雜，有樹木、機井房、電線桿、電線、高壓線塔等障礙物，或者是在丘陵山地地區的農田環境則更為復雜，這對無人機的安全飛行造成了極大的影響，目前仍缺乏適合海拔不同、地理位置不同、作物種類不同的復雜農田環境下作業的高穩定、高科小型的自主飛行系統來適應田間的超視距、超低空、隨時起降等特殊要求。

3.3 缺乏高效輕量化的關鍵部件

目前，農用植保無人機的兩項關鍵性指標是有效任務載荷以及續航時間，這直接關系到無人機的作業效率。雖然，市場上存在油動植保無人機，但是由于購置成本高、發動機損耗大、故障率高且噪聲大、污染高，性價比遠遠不如電力驅動的無人機，因此市場上大多數農用植保無人機靠電力驅動，續航時間多為5到20分鐘，有效載荷多在30kg～40kg之間。例如，大疆T40無人機具其宣稱含電池自重50kg，最大噴灑起飛重量90kg，最大播撒起飛重量101kg，空載懸停時間可達18min，噴灑滿載懸停時間為7min，播撒滿載懸停時間為6min；極飛P100自重48kg，空載懸停時間為17min，滿載88kg懸停時間為7min。輕量化機身設計以及高能量密度的電池將大大延長續航時間，提高無人機的作業效率，因此，高密度輕量化電池以及輕量化的機身結構部件，高效且安全的充電方式依然是研發重點。

3.4 農業植保無人機專用藥劑不足

農業植保無人機噴施藥劑與傳統噴施藥劑的方式有著很大不同，農業植保無人機由于攜藥量小，目前有效載荷最大不過40L，因此噴施的藥劑多為微量高濃度的藥劑，而常規的農藥對于稀釋倍數以及相應稀釋倍數的藥液表面張力、黏度、農藥有效成分含量、劑型有著嚴格的評價標準，一般需要兌水稀釋幾百倍或者上千倍，每畝需要噴施15～30kg的藥液；而無人機噴施藥液的用水量僅為500ml～1000ml每畝，約為傳統用量的1/30。如果以高濃度微量的方式來噴灑一是很容易對作物產業藥害；二是難以對整個植株全面覆蓋。而且需要注意的是，我國農藥毒性有5個評判標準，即1～50mg/kg為劇毒、51～100mg/kg為高毒、101～500mg/kg為中等毒、501～5000mg/kg為低毒、5000mg/kg以上為微毒，我國的農藥使用相關規定指出，劇毒和高毒農藥不能使用在蔬菜、水果、插頁、菌類、中藥材的生產，也不能用于水生植物的病蟲害防治。目前來講，現有的植保無人機作業所使用的藥劑大多是憑借著經驗或者參考常規噴霧確定劑量以及配比，常有因為用量或者配比不科學對作業質量造成較大的影響，對環境也造成了巨大的損害，因此，研發植保無人機專用的微量高濃度藥劑也是迫在眉睫的任務。

3.5 缺乏作業技術標準

我國航空植保作業起步較晚，且一開始多是采用有人駕駛的固定翼飛機進行植保作業，多軸旋翼植保無人機發展較快但缺乏相關技術參數深入系統的研究，尚未形成一套科學完善的平板標準以及對不同作物、不同噴施劑型進行航空噴施的作業時機、作業環境（包括溫度、濕度、風速等方面）、飛行高度、飛行速度、航線規劃、導航控制等參數的優化選擇，以及可以滿足農藥植保農藝要求的藥液沉積量、霧滴大小、霧滴沉積分布密度、藥劑濃度等作業指標。用戶在使用過程中大多憑借經驗，而植保無人機生產企業大多只提供模糊的極限環境的數值參考，因此，制定一套科學、完整且全面可實施的農業航空植保作業準則及判定標準同樣迫在眉睫。

4 農業植保無人機行業的發展

上文提到，我國目前農用植保無人機的市場保有量已超過20萬架，但作業滲透率遠不及日本、美國，因此我國農用植保無人機的發展尚大有可為。農用植保無人機行業的進一步發展除上述問題需要面對外，筆者還有以下建議。

4.1 建立科學、完整、標準統一的飛行員認證制度

農用無人機屬于高技術含量的精密設備，如果操作不當或者設備在作業時發生故障極具危險性。根據《民用無人機駕駛員管理規定》，植保無人機屬于分類中的第五類民用無人機機型，單人操作植保無人機系統并負責無人機系統運行和安全的駕駛員應當持有按本規定頒發的具備V分類等級的駕駛員執照，或經農業農村部等部門規定的由符合資質要求的植保無人機生產企業自主負責的植保無人機操作人員培訓考核。目前來講，大多數飛手都是經植保無人機生產企業自主負責的植保無人機操作人員培訓考核，例如大疆UTC證書。其培訓考核缺少足夠的監管，其質量難以得到保證，所以應當加強監管，建立一套科學、完整、標準統一的飛行員認證制度至關必要。

4.2 加快土地流轉，完善基礎設施建設

行業已經認識到，現代化農業應當建立在規模化經營的基礎上，高效農業機械化的應用也必須建立在規?；幕A上，而且農用植保無人機屬于智慧農機的范疇，也是基于現代信息技術、物聯網技術發展的成果，對于現代化信息基礎、網絡信號、GPS信號等要求較高。2021年，全國行政村通光纖、通4G網絡比例超過了98%，4G基站數量達到了590萬個，在人群相對集中的郊區基本實現了全覆蓋，但在幅員遼闊的偏遠地區受薄弱的經濟基礎以及特殊的地質地貌的影響，再加上村落眾多、人口居住分散，建設和運營維護成本太高，信號覆蓋較弱。而農業生產多在該區域，例如新疆、東北、內蒙古等地區。例如，2021年東北許多用戶反應，購買的某品牌P80機型無人機經常出現石昊時有時無的現象，后來更是頻繁“炸機”，后期據調查原因顯示，導致大規模無人機事故的原因有三點：一是芯片短缺使得無人機的交付周期比往年要長，沒有充裕的時間對經銷商和用戶進行培訓，導致因操作維修不當引起的故障比例大幅度增加。二是無人機的起飛和降落地點必須有穩定的手機網絡信號，但是黑龍江地區地區遼闊、地塊面積大，田地里手機網絡信號較弱，會出現連不上、延時等問題。三是零件的供應鏈短缺，售后服務網點能力不足，導致一些故障設備大量積壓，維修周期長。因此，加強基站的建設以及增加售后服務網點也是發展農用植保無人機的重要抓手。