我国植保无人机的研究与发展应用浅析

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  近10年来，植保无人机超低空超低量航空施药由于其作业效率高、节水省药、具有航迹规划寻迹飞行与全地形作业能力等自身独特优势，并且特别适合于丘陵、山地等地面拖拉机等农机具难以进地作业区域的农药喷雾作业，同时由于我们国家的经济快速地发展的大背景下农村劳动力大量转移造成的农村劳动力不足，特别是自2015年以来强大的长期资金市场数十亿的不断投入助推等原因，植保无人机在我国迅猛发展。20世纪60至70年代，欧美、前苏联等农业发达国家逐步形成大型农场专业化生产方式，建立了以大型地面植保机械和有人驾驶航空器为主体的防治体系，发展至20世纪80年代中期为顶峰。至80年代中后期，由于大型有人驾驶飞机航空施药导致的因农药雾滴飘失引起的环境污染和农药药害问题，经严格的环境评估，1988年欧盟前身欧洲共同体决定在成员国家内部全面禁用航空施药装备与技术，至今仍未开放。而在北美地区，尤其是美国，超大规模经营农场（包括家庭农场）的规模化种植和同种作物大量连片种植的模式决定了美国化学防治以有人驾驶飞机与地面大型喷杆喷雾机为主，二者并驾齐驱，北美的农业航空装备主要是固定翼飞机和载人直升机。另外，美国政府一直担忧植保无人机施药用水量更小、雾滴更细会产生更严重的农药飘失风险，并且考虑到植保无人机相对成本高于有人驾驶航空施药技术（载药量太小），所以至今还没立法允许无人机从事农药喷洒作业。据统计，美国农业航空对农业的直接贡献率为15%以上，年处理40%以上的耕地面积，其余60%还主要靠大型喷杆喷雾机来完成植保作业。在亚洲，日本农民户均耕地面积较小，地形多山，不适合有人驾驶固定翼飞机作业，因此日本农业航空以有人驾驶与无人驾驶直升机为主。日本是最早将小型无人机用于农业生产的国家，日本20世纪70年代开始经济腾飞，适龄劳动力大多进城寻找工作机会，农村劳动力极度匮乏，因此，日本在引进的美国军方无人靶机技术的基础上，日本山叶公司（YAMAHA）于1990年推出世界第一架用于喷洒农药的植保无人机“R50”，挂载5 kg的药箱。此后，无人机在日本农林业方面的应用发展迅速，无人机旋翼与发动机转速被降低以适应农业作业的要求，无人机施药参数一直在改进，施药雾滴分布均匀性降低到30%以下。YAMAHA公司植保无人机除“R50”外，已研发出“R-max”与“FAZER”等新型系列植保无人机，最大药箱容量32 L。从2005年开始，日本水稻生产中植保无人机使用量已超过载人直升机。目前，采用小型植保无人机进行农业生产已成为日本农业发展的重要趋势之一，小型植保无人机在日本经历了40余年的历史，至2018年5月，日本植保无人机市场装机总容量（获得国家颁发的农业应用证书）是2,788架、植保无人机操作人员获得国家植保无人机操作证书共10,545人。中国植保无人机研发起步较晚，自“十一五”期间国家“863计划”“新型施药技术与农用药械”立项研发植保无人机至今已发展近10多年，植保无人机与低空低量航空施药技术发展迅速。但中国有人驾驶的大型农用航空发展较早，早在上世纪50年代初，我国就建成了黑龙江佳木斯、辽宁沈阳、新疆石河子、湖北天门与广州5个大型农用航喷站，如发展得最好的佳木斯航喷站至2017年年底有各类有人驾驶农用航空喷雾飞机106架，机型主要有“M-16”“空中拖拉机-画眉鸟”“Y-5 B(D)”“Y-11”“蓝鹰AD200N”“蜜蜂3型”“海燕650B”等固定翼机型以及“Bell”系列直升机。目前，全中国有农林用固定翼飞机1,400架，直升机60余架，无人机8,000余架，使用固定翼飞机和直升机防治农林业病虫草害和施肥的面积达到200多万公顷。但是，我国农用飞机拥有量仅占世界农用飞机总数的0.13%左右，农业航空作业面积仅占耕地面积的1.70%，而且喷洒设备性能差，同美国等农用航空发达国家相比差距仍十分巨大。早在2000年开始，北京必威易创基科技有限公司从日本陆续进口了6架日本雅马哈R50型植保无人机用于农药喷洒，必威易公司是我国首个应用植保无人机的农业服务企业。2005年12月，当雅马哈公司准备出口第10架同类型飞机时，被名古屋海关扣押，日本政府以植保无人机可能被用于军事用途为由禁止雅马哈公司继续将植保无人机销售到中国。2005年至2006年，中国农业大学、中国农业机械化研究院、南京农业机械化研究所等科研机构开始向农业部、科技部、教育部等有关部门提议立项进行植保无人机的研制工作。经过前期准备和多次申报，2008年农业部南京农业机械化研究所、中国农业大学、中国农业机械化研究院、南京林业大学、总参谋部第六十研究所等单位一同承担的科技部国家“863”计划项目“水田超低空低量施药技术探讨研究与装备创制”进入执行，标志着国内科研机构真正开始探索植保无人机航空施药技术。该项目研制出基于中航集团六十所研发的“Z-3”型油动单旋翼直升机作为飞行平台与控制管理系统的油动单旋翼植保无人机，装配10 kg药箱，搭载由山东卫士植保机械有限公司与中国农业大学植保机械与施药技术研究中心（以下简称“中心”）合作研发的2个超低量离心雾化喷头。2008年，中心与山东卫士植保机械公司、临沂风云航空科技公司开始合作进行低空低量遥控多旋翼无人机施药机的研发工作，于2009年研制出国内外第一款多旋翼植保无人机，包括搭载10 L药箱的8旋翼机和搭载15 L药箱的18旋翼机2种机型，此后几年在全国13个省市进行了示范和推广。山东省科技厅组织的由罗锡文院士作为主任的鉴定委员会对该成果的检验判定的结论为：“项目取得了多项创新，在低空低量遥控多旋翼无人施药技术方面，该项目综合性能达到国际领先水平。”2013年，该型植保无人机获得山东省科学技术进步奖二等奖。2010年，中心与珠海银通公司开始合作进行低空低量遥控电动单旋翼植保无人机的研发合作，于 2012年研制出国内第一款电动单旋翼植保无人机，可搭载10 L药箱，装备4个扇形喷头。我国油动单旋翼植保无人机的民间开发可能较国家“863”项目更早，2010年无锡汉和航空技术有限公司生产的“3CD-10”型单旋翼油动植保无人机首次在郑州全国农机博览会上亮相，这是国内首款在市场上销售的油动单旋翼植保无人机，开启了中国植保无人机商业化的第一步。2012年4月，全国首次“低空航空施药技术现场观摩暨研讨会”在北京召开，由中心与全国农技推广中心联合主办，广西田园公司等协办。油动和电动、单旋翼和多旋翼等类型植保无人机共12种以及人驾动力伞植保飞行器共同亮相现场观摩会。以此为起点，低空低量航空施药技术探讨研究慢慢的变成为热点。根据发展需要，2012年中国农业部国际合作司发起并组织了为期2年的中日韩植保无人机国际合作研究项目“植保无人机水稻航空施药技术探讨研究”，中心为中方项目的主持方，负责项目实施，中日韩三方研究人员在项目执行期内不同时期在三个国家分别进行了大量的人员交流和植保无人机施药田间试验，三方所有参与成员共享无人机施药技术探讨研究成果和信息，撰写了题为“日本和韩国水稻田间植保机械应用考察”的项目总结报告。至此，植保无人机施药技术在中国已呈渐起之势，无人机施药到底能不能用、管不管用是管理部门、研究人员、生产厂商和农民都密切关心的问题。为了评估植保无人机的工作性能和作业效果，受农业部委托，中心2013年1月在海南水稻种植区对13种国产植保无人机进行了田间施药测试，测试根据结果得出参试的所有国产无人机喷雾作业均可以对水稻病虫害有明显的防治效果。以此结果为基础，农业部从2013年起开始在全国范围内推广无人机航空植保技术。2014年5月，由中国工程院院士、华南农业大学教授罗锡文担任理事长的“中国农用航空产业创新联盟”在黑龙江佳木斯正式成立，在成立会上罗锡文理事长提议起草一份建议大力促进植保无人机和农业航空发展的报告提交给国务院有关部门，建议国家大力推动农业航空事业的发展。2014年7月18日在中心会议室由罗锡文院士主持，赵春江研究员、何勇教授、薛新宇研究员、袁会珠研究员等十多位专家共同参加讨论了由我起草的“关于建议大力促进植保无人机和农业航空发展的报告”，此报告先后经5次修改成稿上呈国务院、科技部，得到汪洋副总理的批示，农业部根据汪洋副总理的批示安排2015年在湖南与河南两省开始试点补贴植保无人机，自此植保无人机在我国的推广应用步入了快车道。2015年“十三五”规划实施以来，国家层面也对植保无人机的发展给予了全力支持，在2016年的首批国家“农药肥料双减”计划专项、2017年的科技部“智能农机研发”专项、2018年国家自然科学基金委的重点项目“植保无人机农药雾化沉积与高效利用”中都对植保无人机、关键工作部件与施药技术给予了重点支持。2015年是各类资本进入植保无人机领域的元年，社会资本的进入也是助推植保无人机在我国快速地发展的主要与主要的因素之一，长期资金市场尤其看好在应用领域除消费级无人机外的植保无人机市场，在长期资金市场的大力推动下，各类无人机得到了迅速发展，尤其是植保无人机在我国得到了高速的发展。2015年深圳大疆创新以自有资金投入研发，消费级无人机占有全球消费市场的70%以上，全球销售额高达100亿元人民币，年底在北京推出MG-1型电动多旋翼农业植保无人机，正式进军农用无人机领域；2017年达180亿元的全球销售额，其中销售植保无人机5,000多台。截至2018年7月，极飞已完成二轮商业融资，累计金额超过1亿美金。农田管家自2015年成立两年以来，已获得4轮融资：2016年3月创建初期获得小米创始人雷军为资本的100万美元天使投资；2016年7月，完成300万美元的Pre-A轮融资，由GGV纪源资本领投，顺为资本、线万美元的A轮融资，由戈壁创投领投，云启资本、GGV纪源资本、顺为资本、线月，完成千万美元的Pre-B轮融资，执一资本领投，顺为资本、GGV纪源资本、戈壁创投、云启资本、真格基金跟投。在各方力量的助推下，到2015年底，全国植保无人机制造商已达60余家。2016年5月28日，国家航空植保科技创新联盟在河南安阳成立，安阳全丰航空植保科技有限公司为理事长单位，中国农业大学、华南农业大学等7家单位为副理事长单位，共同助推植保无人机产业高质量发展。2016年8月，由中国农业电影电视协会（CCTV-7）和中国农业大学联合主办的首届中国无人机与机器人应用大赛在江苏苏州真正开始启动；10月，在江西南昌举办了大赛初赛“农业植保无人机应用赛”，对23个参赛队伍植保无人机的飞行稳定性、喷雾质量等性能进行了考核，并赛出前18家进入决赛；2017年9月，大赛植保无人机决赛在湖北武穴正式开赛，来自国内18家知名品牌的植保无人机企业和服务队参赛，全方位展示产品成果和飞防技术，决赛决出了全国植保无人机十强。在植保无人机标准建设方面，2016年我国首个植保无人机标准江西省区域标准植保无人机（DB 367T 9302016）出台，这是我国第一个关于植保无人机的区域标准。紧随江西省之后广西、湖南、山东等省相继出台省级区域标准，2018年农业部正式出台了我国首个行业标准《植保无人飞机质量评价技术规范》（NY/T32132018），并于今年6月1日起正式实施。经10多年的发展，植保无人机低空低量作业从零开始逐渐兴起，到今天的迅猛发展，成就非凡。据农业部有关部门统计，截至2017年底，全国在用的农用无人机共25 3种，生产植保无人机的工厂300余家，全国植保无人机装机量达到14,000余架，已经在包括水稻、小麦、玉米、甘蔗、果树、棉花等多种作物上进行了病虫害防治作业，实际效果证明已经能达到实用水平，正处于迅速发展阶段。当前，国内植保无人机按结构大致上可以分为单旋翼和多旋翼两种，按动力系统能分为电池动力与燃油动力两种，各种各样不同型号达200多种，一般空机重量10～50 kg，药箱容积5～30 L不等，作业高度1.5～5 m，作业速度＜8 m/s。电池动力系统的核心是电机，电动无人机操作灵活，起降迅速，单次飞行时间一般为10～15 min；燃油动力系统的核心是发动机，油动无人机灵活性相对较差，机身大，需要一定的起降时间，单次飞行时间可超过1 h，维护较复杂。单旋翼无人机药箱载荷多为10～30 L，部分机型载荷可达30 L以上；多旋翼无人机多以电池为动力，较单旋翼无人机药箱载荷少，多为5～20 L，其具有结构相对比较简单、维护方便、飞行稳定等特点，喷雾作业效率高达3亩/min。植保无人机在我国已取得了长足的进步，但由于中国面临着人口老龄化和人口缩减的严峻形势，农业劳动力短缺的趋势未来会愈发明显，为保障中国农业的稳定和可持续发展，加快实现农业机械化慢慢的变成了国家层面的发展的策略之一。无人机低空低量航空施药技术的应用符合当前中国小户型农业发展的要求，以省时、省力、高效的方式来进行施药作业，提升了中国植保机械化水平。但在植保无人机快速且迅猛发展的过程中，既充满机遇又面临许多挑战，主要体现如下：（1）无人机低空低量施药在中国已应用在玉米、水稻、小麦等作物以及丘陵地带，田间实际植保作业表明，无人机载荷并不是主要障碍，而植保无人机的作业质量与防效、航时与可靠性、尤其是农药飘移对环境的污染与周围敏感作物的药害等则更需关注，是无人机应用与发展过程中的极大挑战。（2）考虑到无人机技术的新颖性和复杂性，植保无人机专用喷雾系统及其低空低量的航空施药技术的研发应放在首要地位，但目前植保无人机生产厂商大多把精力放在喷雾系统的载体飞行平台及飞行控制管理系统的研发上，以次代主，偏离了植保无人机是执行农药喷雾机器的这一主题。中国目前缺乏适用于低空低量航空施药的专业雾化系统及其关键工作部件与施药技术，喷雾系统的主要工作部件大多借鉴地面现有零部件，没有稳压调压装置，没办法实现均匀稳压喷雾，更谈不上精准喷雾。急需通过专用雾化装置、调压稳压装置、药箱、加药系统等研发与优化来改善农药雾化与沉积状态，降低飘失风险，实现农药安全使用。（3）无人机施药技术在喷雾质量、防治效果，尤其是环境安全性方面的评价是对植保无人机安全使用、环境保护、政府管理的主要与关键内容。植保无人机采用超低容量喷雾技术，生产中采用亩用喷量1 L的情况下，对应的雾滴大小在80～120 m，这样细小的雾滴在风速2～3 m/s的情况下，如果飞行喷雾高度距离作物冠层表面在2 m到4 m之间可以飘失至数十米甚至上百米以外的距离，这在施用除草剂与生长调节剂等药剂时，极易造成周围非靶标区敏感作物的药害与环境污染。因此，使用的过程中除农药雾滴在作物冠层中的穿透性、雾滴沉积量、覆盖率等评价内容以外，植保无人机的农药雾滴飘移控制与环境评估是在评价无人机施药效率和防治效果时需要第一先考虑。目前RTK技术能进行航线规划和自主飞行控制，使飞行作业轨迹更精准，但没办法保证无人机的喷幅稳定和雾滴在作物上的均匀分布，没有从根本上解决植保无人机的重喷与漏喷、农药雾滴飘移等核心问题，亟待研发先进的新型飞控系统、传感器及系统、软件平台。另外，仍需充分研究小型单旋翼及多旋翼无人机雾滴空气动力学以及其与温湿度、风速等外界外因的相互作用，为针对植保作业的专用无人机设计提供理论指导。基于田间测试的可飘移雾滴风险评估和减飘技术的运用是未来无人机施药技术发展过程中需要仔细考虑的关键研究内容。（4）我国有关植保无人机的标准严重落后于装备产品的研发，能为不同天气和地面条件下无人机植保作业合理施药参数的确定提供较为可靠的指导以及环评的技术标准准则亟待制定，主要标准的建设包括品质衡量准则、作业规范、防效评价与环评的规范准则等。明确产品质量鉴别判定与监管、环评部门，尽早制定我国农业植保无人机产品设计、生产、制造的技术标准，建立产品质量检验标准与质量管理体系；研究制定植保飞行作业管理规范，植保飞行作业操作人员岗位培训与资质认证体系，实现持证上岗；研究制定航空植保作业质量、防治效果评价和环境风险评估标准规范，促进植保无人机产业的高质量、高效益和安全可控、健康发展。（5）植保无人机施药技术的商业化需要政府、研究机构和企业等各利益攸关方的共同参与和合作。专业化组织提供收费合理的无人机病虫害防治综合服务，意味着将复杂的无人机技术带到农民身边变得切实可行，可以使农民逐渐接受这种农作物病虫害防治技术。这些专业化组织将会在农药供销全程扮演关键角色，而且还将负责提供无人机操控手培训、无人机植保作业、机具维修、保险、产品运送和交付。专业化防治组织会在作业中累积经验，有利于开发专业化的病虫害防治体系，可以应对复杂大规模暴发性病虫害防治。在一项新技术的推广阶段，对价格格外注重的种植户往往会抱有观望态度。政府应该推出针对植保服务的采购计划和鼓励政策，这会调动农民对无人机植保作业的参与热情，也会鼓励专业化组织和制造商合作并加大投入。（6）用于低空低量航空喷洒的农药新剂型的发展以及传统农药产品标签的改进。农药剂型是影响农药实际使用效果很重要的因素，会改善雾滴雾化过程、减少雾滴飘失、提升农药雾滴在靶标作物表面的滞留量等。无人机施药专用商品化农药制剂迄今尚在研发阶段，适用于无人机低空低量农药喷洒的制剂会提升农药分布均匀度，降低雾滴飘失潜力。另外，用于无人机施药的农药包装上必须标明监管部门的授权许可标志，但当前的农药产品包装上并没有针对无人机作业的强制说明和推荐使用剂量，需要对农药产品标签进行改进或提供额外的专用航空施药说明书，产品包装上也要标明无人机喷雾推荐使用剂量和施药液量。综上所述，考虑到无人机施药的复杂性、农用植保无人机行业的加快速度进行发展，深入研究植保无人机低空低量施药技术、作业质量与环境评价的迫切性不容忽视，更好地认知新兴的无人机施药技术会有助于优化无人机设计，促进农药的高效、安全使用，为中国农用植保无人机市场的健康、有序发展作出贡献。

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