植保無人機(jī)的發(fā)展歷程及應(yīng)用現(xiàn)狀

宋修鵬，宋奇琦，張小秋，梁永檢，覃振強(qiáng)，韋金菊，顏梅新，吳建明，李楊瑞

（1.廣西壯族自治區(qū)農(nóng)業(yè)科學(xué)院甘蔗研究所/中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院甘蔗研究中心/農(nóng)業(yè)部廣西甘蔗生物技術(shù)與遺傳改良重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 南寧 530007；2.廣州極飛科技有限公司，廣東 廣州 5100007）

農(nóng)業(yè)是我國(guó)的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，其中農(nóng)藥的使用在作物的種植和病害防治中占有重要地位。傳統(tǒng)農(nóng)藥施用主要以人工背負(fù)藥箱、手持噴桿噴霧為主，作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)，勞動(dòng)強(qiáng)度大，而且噴藥量較大，容易導(dǎo)致用藥過量、成本增加及環(huán)境和農(nóng)產(chǎn)品污染。

近幾年，我國(guó)農(nóng)業(yè)從傳統(tǒng)走向現(xiàn)代，在生產(chǎn)方式、生產(chǎn)技術(shù)、體制機(jī)制等方面不斷發(fā)展創(chuàng)新。我國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的耕地、播種、田間管理、收割環(huán)節(jié)，均有大、中、小型農(nóng)業(yè)機(jī)械做保障，機(jī)械化程度較高，而農(nóng)業(yè)植保領(lǐng)域因其特殊性導(dǎo)致機(jī)械化程度低，基本處于人工和半機(jī)械化狀態(tài)，嚴(yán)重制約著農(nóng)業(yè)集約化生產(chǎn)和農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的實(shí)現(xiàn)。在農(nóng)藥噴灑方面，高地隙自走式噴桿噴霧機(jī)、無人機(jī)技術(shù)逐漸發(fā)展應(yīng)用起來，但使用植保無人機(jī)施藥僅占1%。高地隙自走式噴桿噴霧機(jī)是大型農(nóng)業(yè)裝備之一，適用于水田、旱田作物和菜地的除草、殺蟲、滅菌等的噴灑作業(yè)，具有機(jī)械化自動(dòng)化程度高、通過性好、施藥精準(zhǔn)高效等優(yōu)點(diǎn)，但也存在一次性投入成本高、坡地易傾覆、作物碾壓損傷相對(duì)大等問題［1］。另外，中國(guó)作為農(nóng)業(yè)大國(guó)，人口老齡化趨勢(shì)加劇，未來土地承包，種田大戶會(huì)越來越多，市場(chǎng)需求會(huì)更大。經(jīng)過多年的發(fā)展和推廣，植保無人機(jī)已經(jīng)有了比較切實(shí)可行的持久模式。

1 植保無人機(jī)的發(fā)展

利用植保無人機(jī)進(jìn)行飛防，日本和美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家涉及較早，產(chǎn)業(yè)體系相對(duì)成熟。從1987年日本Yamaha公司生產(chǎn)出世界上第一臺(tái)農(nóng)用植保無人機(jī)（R-50），已經(jīng)歷了30多年的發(fā)展歷程［2］。由于日本國(guó)土面積小，耕地面積小且分散，水稻地多，對(duì)無人機(jī)依賴性大，促使農(nóng)用無人機(jī)快速發(fā)展，已從1995年的307架增加到現(xiàn)在的2400多架，用于播種、監(jiān)測(cè)、施肥、噴藥等作業(yè)。美國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)則以大農(nóng)場(chǎng)居多，經(jīng)營(yíng)規(guī)模大，往往使用載重量更大、續(xù)航時(shí)間更長(zhǎng)、工效比更高的有人機(jī)進(jìn)行植保作業(yè)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前美國(guó)農(nóng)用航空相關(guān)企業(yè)有2000多家，年處理40%以上的耕地面積，全美65%的化學(xué)農(nóng)藥采用飛機(jī)作業(yè)完成噴灑，其中水稻施藥作業(yè)100%采用航空作業(yè)方式，自2002年以來已投入約700萬美元用于農(nóng)業(yè)航空技術(shù)研發(fā)［3，4］。此外，韓國(guó)、巴西、俄羅斯、加拿大等都已將無人機(jī)應(yīng)用于飛防作業(yè)［5］。

我國(guó)農(nóng)用無人機(jī)起步較晚，目前正處于快速發(fā)展的初期階段。2004年在科技部863計(jì)劃的支持下，農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)機(jī)化所等開始無人機(jī)植保的研究和推廣。2007年開始植保無人機(jī)的產(chǎn)業(yè)化探索。2010年漢和航空制造出第一架植保無人機(jī)交付市場(chǎng)，正式揭開了中國(guó)植保無人機(jī)產(chǎn)業(yè)化的序幕。據(jù)農(nóng)業(yè)部發(fā)布的數(shù)據(jù)，截至2017年底，全國(guó)植保無人機(jī)保有量達(dá)到14000多架，從事航空植保的服務(wù)組織已超過400家［6］。植保無人機(jī)保有量雖全球第一，但短板仍然明顯，技術(shù)、體制尚不成熟，有些技術(shù)還待進(jìn)一步研發(fā)，如適合無人機(jī)的劑型、沉降劑、軟件等。一些國(guó)外廠家如拜耳、陶氏、巴斯夫等都投入了一定的資源去研究相應(yīng)的領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)的新安化工、諾普信、廣西田園生化等企業(yè)也有了自己的無人機(jī)隊(duì)伍，大疆、極飛等無人機(jī)企業(yè)也在研發(fā)相應(yīng)的技術(shù)。

2 植保無人機(jī)分類及特點(diǎn)

2.1 按動(dòng)力分類

根據(jù)動(dòng)力分類可分為電動(dòng)植保無人機(jī)、油動(dòng)植保無人機(jī)及油電混合無人機(jī)三種［7，8］。

電動(dòng)植保無人機(jī)通常利用鋰電池作為動(dòng)力源，它的特點(diǎn)是無人機(jī)構(gòu)造比較簡(jiǎn)單，平時(shí)維護(hù)容易，對(duì)操作人員技能要求低；場(chǎng)地適應(yīng)能力強(qiáng)，展開迅速，輕便靈活；電動(dòng)輸出功率不受含氧量影響，可在高原地區(qū)使用；電池可充電重復(fù)使用，成本低；震動(dòng)小，成像質(zhì)量好。缺點(diǎn)是抗風(fēng)能力弱，續(xù)航能力不足，電池報(bào)廢后存在環(huán)境污染問題。市場(chǎng)價(jià)格一般在5～18萬元之間。

油動(dòng)植保無人機(jī)采用燃油作為動(dòng)力源，其特點(diǎn)是燃料易取，載重大，續(xù)航能力強(qiáng)，具有較好的抗風(fēng)能力。但油動(dòng)無人機(jī)自主飛行能力差，油門響應(yīng)速度慢，不易掌握，對(duì)飛行員操作水平要求高；控制精準(zhǔn)度低；在高原性能不足；震動(dòng)大。市場(chǎng)價(jià)一般在20萬元以上。

油電混合型植保無人機(jī)動(dòng)力來自發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)，將前兩者結(jié)合互相彌補(bǔ)不足，具有很好的發(fā)展前景，但仍存在一些技術(shù)上問題需要解決，如需要對(duì)飛控算法有著較高的掌控，因?yàn)橛蜋C(jī)會(huì)因輸出功力變化而帶來延遲，需要電機(jī)來提供補(bǔ)充動(dòng)力；油機(jī)動(dòng)力和電機(jī)動(dòng)力的配比問題，油動(dòng)力大了姿態(tài)不平穩(wěn)，因?yàn)殡姍C(jī)地轉(zhuǎn)速下升力衰減快，不成線性，而電動(dòng)力大了就失去航時(shí)優(yōu)勢(shì)。

2.2 按機(jī)型結(jié)構(gòu)分類

根據(jù)機(jī)型結(jié)構(gòu)可分為固定翼植保無人機(jī)、單旋翼植保無人機(jī)和多旋翼植保無人機(jī)［8，9］。

固定翼植保無人機(jī)載量大、飛行速度快、作業(yè)效率高，作業(yè)時(shí)采用超低空飛行，具備簡(jiǎn)易、安全的起降系統(tǒng)，可按照多種模式自動(dòng)執(zhí)行飛行植保的任務(wù)。不過對(duì)作業(yè)區(qū)域地形條件要求較高，需要有較為寬敞的無障礙地用于起降，會(huì)受作業(yè)區(qū)域或周圍障礙物如電線、電桿、樹木等影響，引起飛行安全問題，并且無法實(shí)現(xiàn)懸停。

單旋翼植保無人機(jī)是無人機(jī)初入農(nóng)業(yè)植保市場(chǎng)的嘗試選擇，其風(fēng)場(chǎng)穩(wěn)定，霧化效果好，向下風(fēng)場(chǎng)大，穿透力強(qiáng)，可以把藥打到作物根莖部，抗風(fēng)能力強(qiáng)。缺點(diǎn)是造價(jià)高，飛行操作員培訓(xùn)難，并且一旦發(fā)生炸機(jī)事故，單旋翼無人機(jī)造成的損害可能更大。

多旋翼植保無人機(jī)采用對(duì)稱結(jié)構(gòu)的多個(gè)旋轉(zhuǎn)中心帶動(dòng)旋翼產(chǎn)生風(fēng)力進(jìn)行飛行作業(yè)，價(jià)格適中，操作方便，對(duì)操作人員培訓(xùn)快。但抗風(fēng)性弱，下旋風(fēng)場(chǎng)更弱，造成風(fēng)場(chǎng)散亂，風(fēng)場(chǎng)覆蓋范圍小，若加大噴灑面積把桿加長(zhǎng)，會(huì)導(dǎo)致飛行不穩(wěn)，作業(yè)難度加大，增加摔機(jī)風(fēng)險(xiǎn)，作業(yè)覆蓋半徑一般在300 m之內(nèi)，單次作業(yè)時(shí)間在30 min之內(nèi)，比較適合于田間小地塊。目前農(nóng)戶使用大多為多旋翼電動(dòng)植保無人機(jī)，未來的趨勢(shì)及選擇要看無人機(jī)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，需要更多探索與實(shí)踐。

3 植保無人機(jī)作業(yè)優(yōu)勢(shì)

3.1 適應(yīng)面廣

植保無人機(jī)具有攜帶方便，使用優(yōu)勢(shì)突出，既能適應(yīng)不同地形又可滿足不同作物，而且不受作物種植模式的影響；植保無人機(jī)升降簡(jiǎn)單，不要求有專用跑道，過去地面大型植保機(jī)械較為棘手的水田、山地、坡地、不平整田地等，大都可以用植保無人機(jī)進(jìn)行飛防作業(yè)［10］。針對(duì)一些作物的不同生長(zhǎng)階段，無人機(jī)飛防作業(yè)也有很大優(yōu)勢(shì)。以甘蔗施藥為例，在生長(zhǎng)前期利用拖拉機(jī)作業(yè)，會(huì)損傷部分甘蔗苗；在甘蔗生長(zhǎng)后期施藥更為困難，拖拉機(jī)根本無法作業(yè)，而人工很難噴到甘蔗頂部且對(duì)人身健康存在巨大安全隱患，使用無人機(jī)噴灑則可以輕松解決這些問題。

3.2 節(jié)水節(jié)藥，節(jié)能環(huán)保

植保無人機(jī)為低空霧化噴灑，保證均勻噴施整個(gè)植株。常規(guī)每公頃農(nóng)藥用量450～600 kg，而植保無人機(jī)飛防作業(yè)每畝地噴施專用農(nóng)藥15 L左右即可達(dá)到防治效果，節(jié)省水資源，減少農(nóng)藥使用量，大幅度減少農(nóng)藥對(duì)環(huán)境的影響。

3.3 效率高

植保無人機(jī)噴灑效率約為人工噴灑效率的100倍［11］，可在一定程度上解決當(dāng)今勞動(dòng)力缺乏、勞動(dòng)力成本高等問題。此外植保無人機(jī)飛防作業(yè)大多使用飛防專用藥劑，作物吸收率比傳統(tǒng)農(nóng)藥高得多，無人機(jī)飛行時(shí)產(chǎn)生的風(fēng)力甚至可以將一些細(xì)長(zhǎng)葉片翻轉(zhuǎn)，使作物受藥均勻［12］。

3.4 安全性高

植保飛防作業(yè)為遠(yuǎn)程遙控操作，人距離農(nóng)藥相對(duì)較遠(yuǎn)，減少了有毒農(nóng)藥對(duì)人體的傷害，還可以夜間作業(yè)，安全生產(chǎn)工作得到更大保障。

4 植保無人機(jī)應(yīng)用存在問題

4.1 續(xù)航能力不足

目前我國(guó)使用大多為電動(dòng)植保無人機(jī)，配備電池平均續(xù)航能力為8～15分鐘左右，電池充300～400次左右就要報(bào)廢，成本較高。

4.2 載重不足

植保無人機(jī)載重一般為10～20 kg，大面積作業(yè)需要不停地更換藥箱，直接影響到作業(yè)效率，從而影響到成本。

4.3 飛防專用藥劑缺失

無人機(jī)的飛防效果很大程度上與使用的藥劑有關(guān)，目前植保作業(yè)大多憑經(jīng)驗(yàn)或參考地面噴霧確定劑量與配置方法，往往因?yàn)橛昧?、配置不科學(xué)或缺乏助劑而影響作業(yè)質(zhì)量，導(dǎo)致藥劑利用率低、噴灑效果差甚至產(chǎn)生藥害。因此飛防專用藥劑、專用助劑是植保無人機(jī)發(fā)展普及的瓶頸，專用藥劑和助劑的研發(fā)是未來發(fā)展的另一重心［13］。

4.4 定位不精確

進(jìn)行飛防作業(yè)首先要熟悉田地的面積、形狀、有無障礙物等信息，目前的了解方法主要有兩種：第一種方法是通過公開發(fā)布的百度地圖、谷歌地圖等地圖數(shù)據(jù)，獲取目標(biāo)區(qū)域的位置信息，這種方法的不足之處是通常會(huì)有幾十米的誤差，精準(zhǔn)度不高，而且缺少障礙物信息；第二種方法是人工攜帶高精度差分GPS到植保農(nóng)田現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量，獲得高精度的位置信息和障礙物信息，這種方法的缺陷是在作業(yè)前需大面積測(cè)繪，作業(yè)效率低且成本高。無人機(jī)定位不準(zhǔn)會(huì)導(dǎo)致重噴、漏噴、誤噴等現(xiàn)象，精準(zhǔn)作業(yè)是植保無人機(jī)的一個(gè)關(guān)鍵問題。

5 防治效果影響因素

5.1 藥劑及助劑的選擇

農(nóng)藥的成分、作用、產(chǎn)品質(zhì)量等直接影響防治效果。此外，普通農(nóng)藥制劑一般含有增稠劑等，直接將多種藥劑互配容易出現(xiàn)沉淀、結(jié)晶、絮凝等現(xiàn)象，導(dǎo)致噴頭堵塞，且配藥花費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)，嚴(yán)重影響作業(yè)效率和效果。使用無人機(jī)飛防專用藥劑黏度小、流動(dòng)性好，多種制劑產(chǎn)品桶混僅有微量沉淀出現(xiàn)，作業(yè)效率高。同時(shí)也要注意使用合適的施藥濃度和施藥量。

除飛防專用藥劑的選取外，飛防專用助劑的添加也會(huì)影響防治效果。飛防助劑可以提高無人機(jī)施藥效果，如提高噴頭霧化效果、增加霧滴沉降速率、增強(qiáng)抗漂移能力等，降低農(nóng)藥使用量［14］。常見的助劑種類有抗漂移劑、擴(kuò)散劑、濕潤(rùn)劑、蒸發(fā)抑制劑、吸收劑、安全劑等。

5.2 飛行參數(shù)設(shè)置

植保無人機(jī)飛行參數(shù)并不是隨意設(shè)置，其中高度、速度等要素都直接影響飛防的實(shí)際效果與效率。無人機(jī)飛行過低不僅噴灑范圍小，影響作業(yè)效率，而且容易與作物接觸發(fā)生事故，產(chǎn)生的風(fēng)力使作物發(fā)生倒伏；飛得越高，藥物越容易飄離和蒸發(fā)，落在作物上的藥劑就越少，建議飛機(jī)飛行高度1～2.5m。飛行速度原則上在保證安全和噴灑效果的前提下飛行速度越快，效率就越高，但是在實(shí)際作業(yè)過程中發(fā)現(xiàn)機(jī)身重量加上電池和藥劑總重量大，慣性也大，如果飛行過快，很難按照自己的想法控制飛機(jī)的飛行姿態(tài)，出現(xiàn)掉高、停止困難等現(xiàn)象，加大了飛機(jī)事故率（也有可能是飛控種類不同，停止方式不同），一般保證效率效果的話，建議把速度設(shè)定為4～6 m/s即可［15］。

5.3 氣候環(huán)境的影響

5.3.1 風(fēng)力

如果風(fēng)力較大會(huì)使無人機(jī)飛行不穩(wěn)，存在安全隱患，同時(shí)引起藥物飄移，因此建議在有風(fēng)的情況下，根據(jù)風(fēng)力大小來確定能否使用無人機(jī)以及無人機(jī)可以飛行的高度。

5.3.2 溫度

溫度高時(shí)一方面可能使藥物空中蒸發(fā)或者藥物有效成分分解變質(zhì)，另一方面植物可能自身氣孔關(guān)閉，影響藥物吸收。同時(shí)由于無人機(jī)電池對(duì)溫度敏感，溫度過高或過低都會(huì)影響電池性能，無人機(jī)的作業(yè)溫度一般在20～30℃范圍內(nèi)最佳。

5.3.3 濕度

由于無人機(jī)施藥濃度高，水量少，濕度影響相對(duì)大一些。目前無人機(jī)主要使用農(nóng)藥為水基化劑型，如果濕度降低，藥液就會(huì)有所流失，降低藥效；而對(duì)粉劑式農(nóng)藥，濕度低反而能增加對(duì)作物的附著性，從而提高藥效及利用率。在作業(yè)時(shí)可根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整藥劑的種類和水量。

5.3.4 氣象

無人機(jī)的飛行通常受天氣的限制。無人機(jī)有些零部件不防水，在雨天、霧天等建議禁飛，還有雷電、霧霾、下雪天等均不適合無人機(jī)作業(yè)。

5.4 霧滴大小

霧滴大小是無人機(jī)飛防作業(yè)中相對(duì)容易控制的重要參數(shù)，也是直接影響到植保無人機(jī)防治效果的關(guān)鍵因素之一。合理地控制霧滴粒徑大小，是用最少的藥量取得最好的防治效果，并減少環(huán)境污染的關(guān)鍵所在。在農(nóng)藥噴施過程中，粒徑大的霧滴易沉降，不易隨風(fēng)漂移或蒸發(fā)散失，但分布不均勻、附著能力差，容易因彈跳和滾落而造成藥液流失，大大降低了農(nóng)藥的防治效果，也污染了水土環(huán)境。霧滴粒徑小對(duì)于其在作物葉片表面的覆蓋密度和覆蓋均勻度遠(yuǎn)優(yōu)于大霧滴，藥劑附著力好，作物容易吸收，利用率高，但受氣流、風(fēng)力、溫度等影響較大，易發(fā)生漂移和蒸發(fā)，要根據(jù)作物和病蟲害進(jìn)行選擇［16］。

5.5 作物和病蟲害情況

作物的種類、生長(zhǎng)階段、高矮、密度，以及病蟲害的種類、生活習(xí)性、嚴(yán)重程度等，都對(duì)防治效果有影響。目前無人機(jī)更適合甘蔗、小麥、水稻、甜菜、玉米等大面積種植的作物，而不太適合果樹等相對(duì)立體且生長(zhǎng)密集的作物，這就需要根據(jù)具體情況調(diào)節(jié)畝用量、作業(yè)參數(shù)和用藥，也需要更專業(yè)的植保知識(shí)。

6 植保無人機(jī)的發(fā)展前景

6.1 植保無人機(jī)飛防符合國(guó)家農(nóng)業(yè)發(fā)展規(guī)劃

當(dāng)前，我國(guó)的農(nóng)藥用量大，但農(nóng)藥利用率相對(duì)于發(fā)達(dá)國(guó)家來說還很低，大部分農(nóng)藥流失在土壤或水環(huán)境中，導(dǎo)致農(nóng)田環(huán)境污染日趨惡化，而國(guó)家提出了實(shí)現(xiàn)化肥農(nóng)藥零增加目標(biāo)，因此無人機(jī)精準(zhǔn)噴施技術(shù)正符合我國(guó)發(fā)展農(nóng)業(yè)發(fā)展規(guī)劃。

國(guó)家出臺(tái)了一系列政策大力推進(jìn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化，利用植保無人機(jī)進(jìn)行飛防作業(yè)已成為一種新型農(nóng)業(yè)技術(shù)，這幾年無人機(jī)數(shù)量及使用人數(shù)飛速上升，得到了很多地方政府的支持。從2017年開始，許多地方政府積極響應(yīng)國(guó)家政策，通過政府與無人機(jī)飛防公司或組織合作，由具備大面積作業(yè)能力的植保無人機(jī)飛防服務(wù)組織來對(duì)農(nóng)作物進(jìn)行植保作業(yè)，其效果還是非常令人滿意的。

6.2 我國(guó)農(nóng)田地形地貌及國(guó)情必然選擇植保無人機(jī)

我國(guó)的植保無人機(jī)產(chǎn)業(yè)正起步發(fā)展，且發(fā)展迅速，展示出良好的前景。我國(guó)土地類型多樣，像丘陵、山地、水田、坡地等特殊農(nóng)田使用常規(guī)噴藥方式費(fèi)時(shí)費(fèi)力，效率不高，而且農(nóng)村人口人均擁有土地少，土地相對(duì)分散，農(nóng)村存在人口老齡化問題，青年勞動(dòng)力逐漸減少，在農(nóng)業(yè)日益機(jī)械化的時(shí)代，農(nóng)業(yè)集約化程度提高，無人機(jī)飛防的使用更加符合我國(guó)當(dāng)下國(guó)情，因而具有不可估量的推廣前景。