黑龍江省農(nóng)用植保無人機工程技術(shù)研究可行性分析

傅東興

(黑龍江省農(nóng)業(yè)機械工程科學研究院，哈爾濱 150081)

0 引言

近年來，無人機技術(shù)發(fā)展迅速，在各行各業(yè)應(yīng)用廣泛，在軍工、航拍等領(lǐng)域的應(yīng)用已日趨成熟。農(nóng)用無人機經(jīng)過近幾年的探索，作業(yè)優(yōu)勢越來越明顯，在黑龍江省農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用取得了良好效果。利用無人機進行植保作業(yè)解決了噴藥人員短缺、噴藥人員中毒等問題，更重要的是由于農(nóng)藥用量少、利用率高，減少了農(nóng)藥殘留，提高了作物品質(zhì)。傳統(tǒng)植保方式因農(nóng)藥不規(guī)范使用也會造成土壤和地下水污染。農(nóng)用植保無人機根據(jù)不同時期作物的生長特點，一般在作物上方1～3 m高度飛行，霧化噴灑，農(nóng)藥噴灑均勻，大部分滯留于葉片的正反兩面。相對于傳統(tǒng)噴施方法，對土壤污染較小，提高農(nóng)藥利用率，降低農(nóng)藥使用量，效率高，而且沒有機械帶來的作物踐踏損傷。農(nóng)用無人機植保作業(yè)開發(fā)潛力較大，伴隨著相關(guān)技術(shù)進步以及相應(yīng)配套政策機制的完善，將會得到越來越多人的認可，必然受到廣大農(nóng)戶的歡迎。另外，在作物的某個特殊時期，比如玉米出蓼時，如果發(fā)生病蟲害，由于此時玉米株高已經(jīng)很高，現(xiàn)代密植株距又很窄，大型機械無法作業(yè)，人工噴灑容易中毒，大型有人機直升機飛行高度太高，噴藥效果差，此時，只能用無人機來進行噴灑作業(yè)。在水田中的應(yīng)用，也大大降低了勞動強度，提高了作業(yè)效率。因此，無人機在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用具有一定的發(fā)展前景[1]。

1 研究現(xiàn)狀及存在的問題

主要體現(xiàn)在植保無人機的研究隊伍中，缺乏具有農(nóng)業(yè)背景的專業(yè)人才，所以農(nóng)用植保無人機的研發(fā)與實際應(yīng)用脫節(jié)。而無人機農(nóng)用存在其復(fù)雜性，土地、作物種類、農(nóng)藥特性的不同，對無人機的軟件要求、硬件配套、程序設(shè)計都各不相同。由于無人機噴灑霧化程度高，農(nóng)藥利用率高，所以噴灑量與傳統(tǒng)方式也有不同，這需要研究制定出一整套噴施作業(yè)標準，針對不同作物、不同藥品、不同噴灑時間，以及無人機電池的蓄航時間、農(nóng)藥噴灑速率、飛行速度、飛行高度、噴藥寬度應(yīng)該有標準化的操作程序，這些需要既懂無人機，又要懂農(nóng)藥噴施，更要懂農(nóng)業(yè)機械的專業(yè)人員來完成[2]。目前，農(nóng)用植保無人機主要應(yīng)用在農(nóng)藥噴灑上，事實上，病蟲害監(jiān)測、森林防火、產(chǎn)量預(yù)估等領(lǐng)域都可以應(yīng)用無人機來完成。

通過調(diào)研得知，植保無人機產(chǎn)品本身的弱點包括電池蓄航能力差、整機載重有限、操作難度較高、配件易損且比較昂貴等多方面的問題。因此，開展農(nóng)用植保無人機工程技術(shù)研究是為了站在無人機技術(shù)的前沿，研發(fā)出性能優(yōu)異的無人機產(chǎn)品，淘汰傳統(tǒng)噴灑工具，推進主要農(nóng)作物生產(chǎn)全程機械化作業(yè)，更好地服務(wù)廣大農(nóng)戶，為農(nóng)業(yè)的發(fā)展服務(wù)，對黑龍江省農(nóng)業(yè)的現(xiàn)代化發(fā)展具有重要的意義。

2 農(nóng)用植保無人機工程技術(shù)研究的必要性

目前，全國無人機廠家共有300余家，黑龍江市場上的無人機產(chǎn)品多為南方廠家的產(chǎn)品，黑龍江省自主研發(fā)產(chǎn)品的企業(yè)不足5家。制約無人機在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用發(fā)展的主要因素有以下幾方面：一是價格，無人機產(chǎn)品及配件價格普遍偏高，限制了無人機在黑龍江省農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用；二是目前的無人機產(chǎn)品從結(jié)構(gòu)合理性、性能穩(wěn)定性、操作簡便性、使用方便性上都不盡人意，不能稱其為成熟的商品，還需要大量測試與改進；三是作業(yè)標準缺失，噴施無標準可依，現(xiàn)有無人機廠家大多為非農(nóng)業(yè)企業(yè)，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)并不十分了解，無人機噴施作業(yè)不同于人工或是其他作業(yè)機械，必須依據(jù)不同農(nóng)作物的生長特點加強相關(guān)作業(yè)標準的研究制定，才能使無人機發(fā)揮更大更好的作用，從而，推動無人機在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)展。

目前，無人機發(fā)展迅猛，在軍事、電力巡視、環(huán)保監(jiān)測、航拍等方面得到了廣泛應(yīng)用，有些領(lǐng)域的應(yīng)用甚至已趨于成熟，在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用尚處于剛剛起步的階段，具有很大的發(fā)展空間，相關(guān)的應(yīng)用研究也缺失嚴重[3]。加強黑龍江省農(nóng)用無人機產(chǎn)品應(yīng)用領(lǐng)域研究，進一步優(yōu)化配置、優(yōu)化結(jié)構(gòu)，使其更適應(yīng)黑龍江省農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實際要求，讓高大上的無人機成為實實在在的農(nóng)業(yè)植保機械，降低使用及維修成本，讓廣大農(nóng)民會用、敢用。

國內(nèi)農(nóng)用無人機并沒有形成嚴謹?shù)目蒲畜w系，也并沒有類似的系統(tǒng)性的課題研究，農(nóng)用無人機生產(chǎn)標準依據(jù)不夠合理，產(chǎn)品標準鑒定依據(jù)不充分，也沒有較為科學的質(zhì)量鑒定標準，農(nóng)用植保無人機的發(fā)展還有很大的提升空間，要研究解決的問題也很多。由于現(xiàn)有的農(nóng)用植保無人機生產(chǎn)廠家多為非涉農(nóng)企業(yè)，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程不甚了解，導(dǎo)致農(nóng)用植保無人機產(chǎn)品并不能很好地適應(yīng)農(nóng)作物植保技術(shù)要求[4]。另外由于農(nóng)用植保無人機在我國首先發(fā)展于南方省市，與北方地區(qū)生產(chǎn)環(huán)境不相適應(yīng)。黑龍江省現(xiàn)有大型農(nóng)機合作社、水稻合作社、玉米合作社等各類農(nóng)業(yè)專業(yè)合作社幾千家，土地集中連片，規(guī)模較大，而且隨著土地確權(quán)的深入，耕地流轉(zhuǎn)集中連片將“愈演愈烈”，農(nóng)用植保無人機需求量會大大增加。大型有人機由于飛行高度過高，農(nóng)藥飄灑浪費極大，對村莊、人畜、河流、山川污染極為嚴重，是現(xiàn)代化手段的“粗放式噴灑”，農(nóng)藥有效利用率僅為30%，與農(nóng)業(yè)農(nóng)村部提出的“農(nóng)藥化肥零增長”背道而馳，小型農(nóng)用植保無人機很難適應(yīng)黑龍江“大農(nóng)業(yè)”植保飛防任務(wù)。因此,大載重、長航時、低下壓、固定翼無人飛行器，載重量介于大型有人機與無人機之間，將很好適應(yīng)黑龍江農(nóng)業(yè)植保需求，具有一定的市場需求。

目前制約農(nóng)用無人機載重量大小的因素有電池蓄航能力、電池容重比等，隨著石墨硒技術(shù)的應(yīng)用開發(fā)，電池蓄航能力與容重比將有顯著提高，特別是氫燃料電池技術(shù)的逐步成熟，為開展“大載重長航時低下壓無人飛行器的研究”提供了更多動力技術(shù)選擇。國內(nèi)農(nóng)用無人機以多旋翼、單旋翼無人機為主，固定翼無人機較少用于農(nóng)業(yè)植保，究其原因，是固定翼無人機起飛著陸需要固定的跑道或輔助彈射器，制約了其在農(nóng)業(yè)植保上的應(yīng)用，但固定翼無人機有著長航時、載重大、效率高等多旋翼、單旋翼無法比擬的優(yōu)點。

農(nóng)用植保無人機工程技術(shù)研究是一項系統(tǒng)性研究工程，要提高黑龍江省整體科研水平和人才培養(yǎng)質(zhì)量，加大研發(fā)隊伍建設(shè)。需要組合農(nóng)業(yè)機械設(shè)計、材料科學、農(nóng)業(yè)植保、自動控制等多學科專業(yè)技術(shù)人員進行系統(tǒng)性研發(fā)工作。加強與無人機開發(fā)領(lǐng)域全國知名大學、科研機構(gòu)建立戰(zhàn)略聯(lián)盟,積極推動以農(nóng)用植保無人機工程技術(shù)研究為依托，以優(yōu)秀學術(shù)帶頭人為核心，以重大項目為牽引、凝聚學術(shù)隊伍的人才組織模式，培養(yǎng)和匯聚具有國內(nèi)領(lǐng)先水平的學術(shù)帶頭人、具有創(chuàng)新能力和發(fā)展?jié)摿Φ那嗄陮W術(shù)骨干，逐漸形成農(nóng)用植保無人機開發(fā)技術(shù)研究領(lǐng)域國內(nèi)一流的學術(shù)團隊。

3 效益分析

黑龍江省是農(nóng)業(yè)大省，農(nóng)用耕地總量有1 593萬hm2，占全國耕地面積總數(shù)的10%，農(nóng)用植保無人機的市場需求量很大。市場調(diào)研得知：截止到2020年黑龍江省農(nóng)用植保無人機的市場保有量就已經(jīng)超過了10 000架，而且最近幾年每年都在以2 000架次的數(shù)量迅猛增長。因此，農(nóng)用植保無人機的研究經(jīng)濟效益和社會效益將非常巨大。

目前，農(nóng)作物種植還是以農(nóng)民自己管理為主，監(jiān)管難度很大，農(nóng)藥濫用情況嚴重，高毒、高殘留農(nóng)藥局面很難有效控制，植保無人機的出現(xiàn)，會使統(tǒng)防統(tǒng)治成為可能，嚴格控制農(nóng)藥噴施種類和藥量，保證國家的食品安全具有特別重要的意義。

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