農(nóng)業(yè)植保無人機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀及分析*

任震宇，楊雨濤，彭世杰

（綿陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 綿陽 621000）

近年來，隨著5G的出現(xiàn)，人工智能等發(fā)展也將再迎突破，各種配套技術(shù)的進(jìn)一步成熟，這給農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的植保無人機(jī)發(fā)展帶來利好。同時，植保無人機(jī)憑借其工作高效率省心省力的優(yōu)勢解決了市場的不同需求，為我國解決害蟲危害農(nóng)業(yè)的問題提供了巨大的幫助，緩解了農(nóng)業(yè)對于人力的解放，同時也保證了糧食產(chǎn)率的提升，促進(jìn)了我國向現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的轉(zhuǎn)變[1]。不過，雖然植保無人機(jī)機(jī)遇不斷，也具備爆發(fā)的良好基礎(chǔ)，但一直以來還是存在一些問題。如果不能有效解決這些問題，那么今后植保無人機(jī)的發(fā)展依然會受到限制。

1 國內(nèi)外植保無人機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 國內(nèi)植保無人機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀

我國關(guān)于植物保護(hù)無人機(jī)的研究與開發(fā)還處于初級階段，不同于20世紀(jì)中期就實現(xiàn)了農(nóng)業(yè)機(jī)械化的美國。在近30年，日本無人機(jī)一直在與中國農(nóng)田相同的條件下噴灑農(nóng)藥。在中國，載人飛機(jī)控制和無人機(jī)控制的總份額不到2%，沒有人能夠預(yù)算出無人機(jī)市場規(guī)模有多大，我國大概有15億畝的農(nóng)田面積，平均每畝需要3次劑量操作，總共需要45億畝的劑量工作，估計需要600億元[2-3]。無論怎么估計，都反映出它的前景大有可為。同時就植保領(lǐng)域來說，電動的植保機(jī)有眾所周知的極飛，油動的單旋翼植保無人機(jī)有漢和、全豐，油動大載重、長航時多旋翼有深圳常鋒無人機(jī)。大疆是無人機(jī)的絕對領(lǐng)導(dǎo)者，僅僅提到無人機(jī)尤其是消費級無人機(jī)，大疆是無法繞過的。自2015年以來，其一直在研究植保農(nóng)業(yè)，但要注意的是大疆并沒有擁有植保無人機(jī)的優(yōu)勢。

極飛公司正在研究開發(fā)制造商用無人機(jī)產(chǎn)品和無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)。例如，圖1是極飛 P系列P20植保無人機(jī)。截至2017年3月，其全國20多個省份的1000多名植物保護(hù)服務(wù)人員，在300萬畝農(nóng)田中積累了大量的耕地數(shù)據(jù)和用戶聲譽(yù)，是中國第一農(nóng)業(yè)無人機(jī)公司[4]。

圖1 P20植保無人機(jī)

1.2 國外植保無人機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀

我國植保無人機(jī)研究還處于起步階段，歐美國家在20世紀(jì)中期幾乎實現(xiàn)了農(nóng)業(yè)機(jī)械化，而與中國農(nóng)業(yè)可耕地情況相似的日本無人駕駛飛機(jī)已經(jīng)噴灑了近30年的殺蟲劑。業(yè)內(nèi)人士估計2012年在日本農(nóng)村土地上空作業(yè)的有3200多架植保無人機(jī)在作業(yè)。雅馬哈從1989年研究出了工業(yè)無人機(jī)，并在韓國、美國、澳大利亞、新西蘭和泰國的噴霧農(nóng)藥市場銷售無人駕駛農(nóng)業(yè)直升機(jī)[5-6]。圖2是多馬達(dá)YMR-01工業(yè)無人機(jī)。

圖2 雅馬哈YMR-01工業(yè)無人機(jī)

2 植保無人機(jī)的分類與特點

2.1 植保無人機(jī)的分類

現(xiàn)有市場上銷售的植保無人機(jī)有兩類，一類是按動力劃分，另一類是按機(jī)型結(jié)構(gòu)劃分。

按動力功率分為消耗電能運動和消耗汽油運動。就現(xiàn)在市場而言，電動植保無人機(jī)價格便宜、易于維護(hù)保養(yǎng)、環(huán)保性好且電池可反復(fù)使用，操作簡單的優(yōu)點使其在市場上大受歡迎。由于飛行大部分依靠飛控系統(tǒng)，對操控手的飛行技能要求較低，因此是許多中小企業(yè)進(jìn)入該領(lǐng)域的首選類型[7]。相比之下，油動植保無人機(jī)相對昂貴，自動化程度較低，容易發(fā)生故障，對飛手的飛行技能、維護(hù)保養(yǎng)技能要求非常高，且以汽油為燃料，不利于保護(hù)環(huán)境。同時，油動植保無人機(jī)具有負(fù)荷大、續(xù)航長、單次作業(yè)范圍遠(yuǎn)、抗風(fēng)穩(wěn)定性強(qiáng)的優(yōu)勢。隨著我國種植土地的規(guī)?；?jīng)營和飛控系統(tǒng)的完善，同時因為電動植保無人機(jī)載荷小、持續(xù)時間作業(yè)面積過小且抗風(fēng)穩(wěn)定性差，所以油動植保無人機(jī)的優(yōu)勢逐漸顯現(xiàn)出來[8]。

按機(jī)型結(jié)構(gòu)劃分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)。固定翼植保無人機(jī)是利用動力推力的飛機(jī)，例如改變機(jī)翼位置和飛行角度來進(jìn)行升空。一般應(yīng)用于農(nóng)田營養(yǎng)信息獲取、災(zāi)害預(yù)警、成熟度估測等的都是固定翼類型的無人機(jī)，但不適用于中等面積和不規(guī)整的地形開展作業(yè)[9-10]。單旋翼植保無人機(jī)的工作面積大，能在風(fēng)中保持平靜姿態(tài)，但由于價格高于其他兩種產(chǎn)品，操作的復(fù)雜性不如多旋翼植保無人機(jī)受歡迎。多旋翼植保無人機(jī)因為自動化程度高、入門門檻極低、成本便宜的優(yōu)點使其廣受青睞，唯一不足在于抗風(fēng)穩(wěn)定性較差且以目前技術(shù)而言農(nóng)藥噴灑效果較差，但依然受人喜歡。圖3是固定翼植保無人機(jī)，圖4是單旋翼植保無人機(jī)，圖5是多旋翼植保無人機(jī)。

圖3 固定翼植保無人機(jī)

圖4 單旋翼植保無人機(jī)

圖5 多旋翼植保無人機(jī)

2.2 植保無人機(jī)未來需要具備的特點

正在飛速發(fā)展的植保無人機(jī)市場，吸引了越來越多的企業(yè)參與航空設(shè)備領(lǐng)域，整個無人機(jī)產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)欣欣向榮的發(fā)展趨勢。隨著現(xiàn)代城市不斷向前邁步，農(nóng)村勞動力短缺，老齡化進(jìn)程加快，植物保護(hù)無人機(jī)技術(shù)有望隨著生態(tài)環(huán)境和食品安全的旺盛需求而發(fā)展。

2.2.1 操控智能化

有的植保無人機(jī)的操作很復(fù)雜，尤其是單旋翼。但當(dāng)代無人駕駛飛機(jī)技術(shù)不斷突破，其控制系統(tǒng)也應(yīng)該智能可靠化，用戶不需要進(jìn)行特殊訓(xùn)練，就能很快學(xué)會如何操控[11]。

2.2.2 作業(yè)精準(zhǔn)化

植物保護(hù)無人機(jī)的運行效果是最終影響其應(yīng)用推廣的主要因素之一。因此，植保無人機(jī)不僅要實現(xiàn)準(zhǔn)確、高效地運行，還要實現(xiàn)高速、模擬地形飛行、軌道記錄、自動避障、自動返回等功能，讓操作人員的工作得到優(yōu)化[9]。

2.2.3 全自主、全地形飛行

首先，通過空中勘測無人機(jī)，可以提前收集環(huán)境數(shù)據(jù)。農(nóng)業(yè)無人機(jī)可以像人類一樣知道實際情況，在操作過程中遇地形起伏時，飛行路徑可以提前規(guī)劃，飛行姿態(tài)可以調(diào)整，然后在各種復(fù)雜地形上安全高效地飛行，不需要獨特的傳感器，以最佳的飛行姿態(tài)飛行。

2.2.4 噴施裝備優(yōu)化

影響作業(yè)效果的主要參數(shù)有飛行高度、噴涂體積等。因此，與航空投藥相關(guān)的重要部件和設(shè)備，如窄霧滴譜和低浮、防化學(xué)浪涌和低空氣阻力、帶流線型藥箱，輕質(zhì)、高強(qiáng)度噴嘴噴涂系統(tǒng)和小型柔軟可靠的氣門系列輕型隔膜泵等，必須加以開發(fā)和優(yōu)化[12]。

3 植保無人機(jī)存在的優(yōu)缺點分析

3.1 優(yōu)點分析

3.1.1 作用范圍廣

與普通植保器械相比，植保無人機(jī)不受地形影響，無論是山地、丘陵、大型水田等或大型植保器械難以進(jìn)入的區(qū)域，無人機(jī)都可以進(jìn)入并開展工作。由于無人機(jī)在空中飛行灑藥，相比于傳統(tǒng)人工噴藥方式，沒有農(nóng)作物阻擋行動，噴藥更加快速，噴藥區(qū)域更加廣泛，噴灑藥物更加均勻。

3.1.2 噴灑效果好

農(nóng)業(yè)無人機(jī)在空中噴灑藥劑，藥液分布更均勻，噴霧噴灑的方式也更能節(jié)省農(nóng)藥，減少了農(nóng)藥的殘留和土地的污染，利于農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)的提升，達(dá)到效果的同時也節(jié)約了成本。無人機(jī)在農(nóng)作物上空噴灑藥物時旋翼旋轉(zhuǎn)會產(chǎn)生向下的氣流，農(nóng)作物受到氣流影響會產(chǎn)生晃動，這會使部分農(nóng)藥噴灑到根部和莖葉背面。為了提高藥液和農(nóng)作物之間的接觸面積，噴灑藥物時控制噴灑量與無人機(jī)飛行速度互相協(xié)調(diào)，保證了藥液的均勻噴灑，同時也降低了農(nóng)藥對周圍環(huán)境和土壤的影響。無人機(jī)通過預(yù)定路線進(jìn)行農(nóng)藥噴灑，能夠避免重復(fù)噴藥或沒有噴灑到的情況。

3.1.3 更安全高效

農(nóng)業(yè)無人機(jī)的施藥效率高、范圍廣，相比于傳統(tǒng)人工噴藥作業(yè)，是其效率的十倍以上。無人機(jī)起降要求不高，在田間也可以進(jìn)行起降。施藥時為遠(yuǎn)程操作，不會影響操作人員，實現(xiàn)了人、藥分離作業(yè)，避免了藥物對人身的危害。農(nóng)業(yè)無人機(jī)在工作的同時，也會記錄經(jīng)過的區(qū)域位置、播種的用量、農(nóng)藥噴灑的劑量、作業(yè)時間等數(shù)據(jù)，便于分析和預(yù)測下一步對農(nóng)作物的培養(yǎng)防治等工作。

3.2 缺點分析

3.2.1 缺少操作員

農(nóng)業(yè)無人機(jī)的飛行具有一定危險性和難度，因此農(nóng)務(wù)人員需要進(jìn)行一定的專業(yè)培訓(xùn)才可以操作無人機(jī)，而農(nóng)村進(jìn)行農(nóng)務(wù)工作的勞動力普遍年齡偏大，對新事物的接受能力和學(xué)習(xí)能力較低。專業(yè)飛防人員除了能夠操作無人機(jī)，也需要掌握相應(yīng)的植保知識，如不同農(nóng)作物的農(nóng)藥配比和噴灑量等。此外，操作人員的操作水平不同也會影響作業(yè)時的效果。

3.2.2 續(xù)航載荷

無人機(jī)的載荷較小，單次搭載的藥量只有10公斤左右。大多農(nóng)業(yè)無人機(jī)都通過電池進(jìn)行驅(qū)動，續(xù)航時間較短，在滿載的情況下只有20分鐘的續(xù)航時間，充滿電卻要幾個小時，難以持續(xù)進(jìn)行噴灑。農(nóng)業(yè)無人機(jī)在農(nóng)業(yè)應(yīng)用中大多都為大范圍作業(yè)，續(xù)航較短、載荷量較小、通信距離較窄等因素使得農(nóng)業(yè)無人機(jī)難以推廣。

3.2.3 價格較高

農(nóng)業(yè)無人機(jī)相比于普通無人機(jī)來說，需要更高的續(xù)航能力和更大的載重能力，同時還需要高強(qiáng)度的持續(xù)飛行能力，機(jī)身也需要有抗農(nóng)藥腐蝕的效果，所以農(nóng)業(yè)無人機(jī)的價格會更加的昂貴，大多在兩萬到七萬，這也使得大多數(shù)農(nóng)村家庭對此望而卻步。購買后的無人機(jī)也需要一定的保養(yǎng)維修。

3.2.4 售后問題

農(nóng)業(yè)無人機(jī)生產(chǎn)企業(yè)多，生產(chǎn)的無人機(jī)質(zhì)量不同，產(chǎn)品的售后很難得到保障，無人機(jī)一旦出現(xiàn)故障就難以得到修復(fù)，一些用戶可能會因為難以維修或維修成本過高而錯過進(jìn)行植保作業(yè)的時機(jī)，對農(nóng)作物的生長造成影響。

4 植保無人機(jī)未來發(fā)展趨勢

4.1 優(yōu)化性能

增加無人機(jī)的使用時間，優(yōu)化蓄電池的應(yīng)用效果，提升蓄電池的容量，為無人機(jī)長時間的運行提供保障，降低故障率。根據(jù)植保無人機(jī)的不同功能優(yōu)化耗能模式，控制無人機(jī)飛行速度。結(jié)合農(nóng)業(yè)無人機(jī)噴灑藥物的特點，生產(chǎn)出適合無人機(jī)作業(yè)的專業(yè)藥劑，改善無人機(jī)噴藥低殘留效果不明顯的現(xiàn)象。強(qiáng)化無人機(jī)的噴灑裝置，改善噴藥設(shè)備的穩(wěn)定性和安全性，加強(qiáng)對噴藥范圍的控制，防止外部因素導(dǎo)致藥液漂移影響防治效果。

4.2 智能化

強(qiáng)化無人機(jī)的功能設(shè)置，達(dá)到無人機(jī)可以在設(shè)置好的路線、噴灑劑量等由程序自行控制飛行高度、方向、速度等效果，還要實時監(jiān)控噴藥時藥液的分布狀況、藥液漂移的影響，以及時做好應(yīng)對。借助無人機(jī)上的圖像處理系統(tǒng)和各種傳感器系統(tǒng)觀察，分析農(nóng)作物的生長情況。根據(jù)農(nóng)作物的生長情況精準(zhǔn)地控制施肥，控制施藥的劑量，提高利用效率?，F(xiàn)代農(nóng)業(yè)植保無人機(jī)的操作還較為復(fù)雜，對操作人員的操作能力有較高的要求，應(yīng)加強(qiáng)對無人機(jī)控制系統(tǒng)的開發(fā)，使控制系統(tǒng)智能化、簡單化，達(dá)到操作人員不需要進(jìn)行無人機(jī)操作的培訓(xùn)就可以操作使用。

4.3 規(guī)范價格

目前，我國農(nóng)業(yè)植保無人機(jī)市場還處于發(fā)展階段，市場的價格也不統(tǒng)一。農(nóng)業(yè)植保無人機(jī)的價格還處于普遍偏高的狀態(tài)，這使得無人機(jī)難以進(jìn)入需求量更大的農(nóng)村地區(qū)，影響進(jìn)一步推廣與應(yīng)用。隨著市場的不斷發(fā)展，農(nóng)業(yè)植保無人機(jī)的價格也會逐漸走向穩(wěn)定。

5 總結(jié)與展望

作為一個農(nóng)業(yè)大國，中國每年需要為20億畝基本農(nóng)田開展大量的農(nóng)田保護(hù)工作。同時，我國正處于小農(nóng)生產(chǎn)向農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化的過渡階段，植保技術(shù)正是這關(guān)鍵領(lǐng)域之一。和發(fā)達(dá)國家不一樣的是，我國在農(nóng)業(yè)的植物保護(hù)方面具備的機(jī)械智能化程度不高。通過發(fā)展植保領(lǐng)域的智能化應(yīng)用，能夠改善許多問題，加快其在社會的宣傳建設(shè)和應(yīng)用，這也是我們保障農(nóng)業(yè)發(fā)展的需要?，F(xiàn)在，實際應(yīng)用中已經(jīng)證明了植保無人機(jī)能夠極大地提高作物施藥效率，降低人工成本費。為了保障我國農(nóng)業(yè)能夠穩(wěn)定的發(fā)展，植保無人機(jī)其各自特點也非常符合當(dāng)代中國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展的要求，提升了我國農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平。

這幾年，我國植物保護(hù)無人機(jī)還處于起步階段，但它帶來的新市場需求逐漸增加，其產(chǎn)業(yè)基本進(jìn)入市場教育階段。植保無人機(jī)在我國是一個新事物，為了保證其施藥技術(shù)、飛行路徑規(guī)劃以及裝備不斷發(fā)展，深入研究其低空噴灑技術(shù)將是上述問題的解決途徑。