植保無人機設備專利技術分析

賀萌萌，譚啟龍

（國家知識產權局專利局專利審查協作河南中心，鄭州 450000）

植保施藥設備經歷了由背負式人工噴霧機到背負式電動噴霧機，再到自走式噴桿噴霧機，最后到植保無人機的演變。1990 年，日本山葉公司率先推出世界上第一架投入農業噴灑實踐的無人直升機，此后，無人機在日本農林業方面得到迅速發展，而我國植保無人機技術發展相對較晚。2008 年，由農業部南京農業機械化研究所、總參謀部第六十研究所、中國農業機械化研究院、中國農業大學和南京林業大學等單位共同承擔的科技部國家“863”計劃項目“水田超低空低量施藥技術研究與裝備創制”進入執行階段，標志著我國科研機構正式開始探索植保無人機航空施藥技術[1]。植保無人機因其具有作業效率高、成本低、節水、節藥和人藥分離等特點，且可以于水田、丘陵山地、林地濕地等地面裝備難以進入的區域內作業，從而在國內外被廣泛研究應用[2]。

為了全面了解全球范圍內關于植保無人機的專利申請情況，為本領域技術人員的研究探討提供參考，本文采用中國專利文摘數據庫（CNABS）進行中文專利檢索，并采用外文數據庫（VEN）進行外文專利檢索，對植保無人機設備專利申請情況進行相關分析，檢索截止時間為2023 年3 月15 日。由于未公開的專利申請無法在專利庫中得到有效檢索，因此，下述分析中關于2021—2023 年度的相關數據存在不完整的問題，并不代表相關年度的真實情況。其次，CNABS 和VEN 數據庫通過MEMS 命令對指定字段中的內容進行提取儲存排序時，存在儲存數據量有限的問題，因此，下述關于國內外主要申請地區和主要申請人的數據分析中，采用2020 年度數據作為代表數據進行統計梳理。

1 國內外植保無人機專利申請態勢分析

1.1 國內外植保無人機專利申請量趨勢分析

如圖1 所示，國內植保無人機專利申請發展分為2 個階段：一是起步階段，2008 年以前我國仍處于植保無人機研究探索空白期，專利申請量為0 件，隨著2008 年科技部國家“863”計劃項目“水田超低空低量施藥技術研究與裝備創制”的順利執行，預示著我國的植保無人機事業進入起步階段。二是快速發展階段，2014—2020 年，我國植保無人機的專利申請量呈快速發展趨勢，政府各部門的相關利好政策是促進我國植保無人機大發展的主要原因，如2014 年的中央1號文件提出了“推進農業科技創新”“加快農用航空建設”相關精神要求[3]，各地區積極響應國家號召，相繼出臺了植保無人機購置補貼政策，促進了植保無人機領域的研究發展。相較國內而言，國外植保無人機研究時間更早，其專利申請量發展態勢與國內基本相同。

圖1 國內外植保無人機專利申請量趨勢

1.2 國內植保無人機專利申請人及所在地區情況分析

如圖2 所示，列舉了2020 年國內關于植保無人機專利申請量排名前七的地區。其中，廣東省位居首位，專利申請量共計156 件，其次是江蘇省和河南省，專利申請量分別為153 件和89 件，分析原因主要有2 點。第一，實際需求層面，廣東省尤其是粵北山區，其地形以山地丘陵為主，河谷盆地分布其中，平原、臺地占20%，森林面積覆蓋廣，且擁有不少百畝以上的農業種植大戶，種植大戶對植保的需求大，現有的傳統植保機械不足以滿足實際的作業需求，農戶對現代化機械需求力強。第二，政策扶持層面，2014 年，江蘇省和河南省均在財政方面給予植保無人機購機補貼[4]，2017年，農業部辦公廳、財政部辦公廳、中國民用航空局綜合司印發了《關于開展農機購置補貼引導植保無人飛機規范應用試點工作的通知》，此后到2019 年，安徽、湖北、浙江和山東等多個省出臺了植保無人機補貼政策，中央到地方的一系列政策支持，使得公眾意識到了植保無人機的發展優勢，專利申請積極性也得到了顯著提高。

圖2 2020 年度國內植保無人機主要地區專利申請量

如圖3 所示，列舉了2020 年度國內植保無人機申請量排名靠前的申請人，可以看出，深圳市大疆創新科技有限公司、河南正大航空工業股份有限公司及廣州極飛科技有限公司等企業在創新能力和技術研究上處于領先地位。對比圖2 可知，植保無人機專利申請量比較靠前的地區，同樣具有研發能力比較高的企業，該地區對該類設備的需求度更高。

圖3 2020 年度國內植保無人機主要申請人專利申請量

1.3 國外植保無人機專利申請主要國家地區情況分析

如圖4 所示，列舉了2020 年國外關于植保無人機專利申請量排名前七的國家。其中，美國位居首位，專利申請量為111 件，其次是韓國和日本，專利申請量分別為80 件和75 件。國情的實際需求和政府的扶持引導是促進各國植保無人機研究發展的主要原因，如美國地形主要呈現大地塊，植保無人機可以更便捷地解決大部分需求，65%的植保作業由飛機承擔，且美國在植保無人機使用上，監管政策不斷放寬，使得無人機技術得到持續穩步發展；韓國農村人口占比少，農用土地占比多，且三分之二的耕地為水田，超過一半的耕地面積采用無人機作業，且韓國各地方的農協會擁有全國80%的農用無人機，為農耕地的統一作業提供了便利性；日本作為世界上應用植保無人機最早的國家，也是利用無人機進行農業作業最廣的國家，其以水稻種植為主，且農耕地塊小，山地地形多，普通的大型機械難以進行植保作業，對植保無人機的需求度高。

圖4 2020 年度國外植保無人機主要地區專利申請量

1.4 國內外植保無人機專利申請設備類型情況分析

目前，植保無人機產品眾多，從升力部件類型劃分，主要有固定翼、單旋翼和多旋翼植保無人機，從動力結構類型劃分，主要有電動、油動和混合動力植保無人機。

如圖5 所示，從升力部件類型來看，多旋翼植保無人機的專利申請量最多，國內外專利申請量分別達到1 312 和1 362 件，其次是固定翼植保無人機，國內外專利申請量分別為100 和129 件，最后是單旋翼植保無人機，國內外專利申請量分別為53 和55 件，可見國內外應用最多的是多旋翼植保無人機。這與各種升力植保無人機的應用特點有關：固定翼植保無人機續航時間長、飛行穩定性好，但必須有起降專用跑道；單旋翼植保無人機可垂直起降，無需跑道，飛行靈活，續航時間較長，但結構復雜，制造和維護成本高；多旋翼植保無人機成本低、結構簡單、操作和維修保養簡單、能垂直且快速起降、容錯性強[5]。

圖5 國內外不同升力結構植保無人機專利申請量

如圖6 所示，國內外多旋翼植保無人機中關于電動系統的專利申請占比分別為92%和85%，關于油動系統的專利申請占比分別為6%和13%，關于混合動力系統的專利占比分別為2%和2%，可見國內外多旋翼植保無人機中應用最多的是電動系統，這與多旋翼植保無人機的應用特點有關：多旋翼無人機在應用時，要求多個旋翼的轉速在平衡時必須一致，同型號的電機容易實現該功能，而多個內燃機不容易協調一致，并且相對位置的旋翼需要正反轉配置，這也是內燃機很難做到的，由此可見多旋翼電動植保無人機具有較高的研究價值和創新優勢。

圖6 國內外不同動力系統多旋翼植保無人機專利申請占比

2 多旋翼電動植保無人機結構改進專利分析

多旋翼電動植保無人機雖然在應用上具有獨特的優勢，然而因其以電力作為驅動系統，同時具有耗電、續航時間較短、載藥量少和有墜落風險等弊端，本文通過對多旋翼電動植保無人機相關專利進行梳理，對重點專利申請及重點申請人的改進路線進行分析。

2.1 動力系統的改進

CN106347648A 公開了一種油電混合多旋翼植保無人機，由發動機為主旋翼直接提供動力，飛行時間更長久，載荷更大，由電動機帶動輔助旋翼旋轉，輔助旋翼負責保持飛行時的平衡以及飛行姿態的調整，省去了尾梁、尾翼及螺旋槳到尾翼的傳動裝置，整機結構極其簡化，自重大大降低；CN216546689UU 涉及一種安裝有太陽能板的植保無人機，通過太陽能輔助供電，提高無人機的續航能力。

2.2 旋翼結構的改進

CN216186002U 公開了一種多旋翼無人機，該無人機在機身上安裝導流翼，可以引導氣體附著在機身的表面流動，減少氣體在機身附近產生的分離渦流，從而減少氣體在機身產生的阻力，有效降低能耗；CN216636804U 公開了一種多旋翼無人機，通過在機臂上設置凸起，當多旋翼無人機前飛時，使得氣流在流過凸起到達機臂的上表面和機臂的下表面時盡量附壁，降低槳葉前飛工況的槳頻，降低前飛阻力以提升前飛續航時間和航程。

2.3 零件結構及材質的改進

CN215285254U 公開了一種多旋翼飛行器，其驅動電機包括轉動部和上蓋，通過上蓋與驅動電機以及螺旋槳連接，不需要額外設置槳座，減少了零件的數量，且上蓋采用質量較輕的材料，減輕了動力裝置重量；CN210503170U 提供一種具有微型氣泵和沖囊結構的植保無人機，在無人機因電力不足墜落時，能夠啟動傘罩保護功能、防止墜落，同時微型氣泵重量輕，不會過度加大無人機重量，提高了無人機的實用性。

3 結論

通過上述分析可以看出，植保無人機的研究發展與地區的實際需求密切相關，不但在人口少、耕地多、面積廣和大地塊等地區得到了廣泛應用，而且對于具有山地、丘陵等常規機械難以進入的耕地地區也同樣適用。同時，在無人機的研究及使用推廣上，國家政策的扶持引導同樣起到了關鍵作用，如政府補貼或是監管政策的適當放寬都會促進植保無人機的研究及應用。其中，國內外研究和應用最多的是多旋翼電動植保無人機，這與多旋翼植保無人機的結構和使用特點存在密切關系，對于多旋翼電動植保無人機，建議重點研究如何提高載藥量少、續航時間較短等問題。最后應當注意，日本、美國、韓國等國家對植保無人機的研究較早，且技術相對成熟，建議我國企業在研發和申請專利時，對相關專利申請現狀進行梳理，合理規避現有專利技術。