植保無人機的應(yīng)用及發(fā)展

成子怡，吳阿敏，王政浩，何杭瑜

(江蘇農(nóng)林職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 句容 212400)

0 引言

2014年，《麻省理工科學(xué)評論》雜志將農(nóng)用無人機評為年度十大突破性科技之首[1]。的確，無論是擁有最先進的航空植保機械及完善的農(nóng)業(yè)航空組織體系的美國，還是最先將無人直升機用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的日本，以及在2010年左右才開始發(fā)展植保無人機的我國，無不大力研究發(fā)展無人機植保，進一步推動植保機械化、智能化?！帮w防”成為近年來我國植保行業(yè)的熱詞。植保無人機也已經(jīng)成為田間地頭的尋常風(fēng)景。

1 植保無人機的類型

1.1 按動力分類

1.1.1 電動植保無人機

電動植保無人機采用電池作為動力源，特點是結(jié)構(gòu)比較簡單，飛手通過遙控操縱飛機，設(shè)置好飛行區(qū)域后，自動規(guī)劃路線，整個飛行過程對操作水平的要求不高;機器整體重量輕便，方便轉(zhuǎn)場，并可適應(yīng)坡地、山區(qū)、有障礙等各種復(fù)雜地形的作業(yè)。缺點是電池續(xù)航時間較短，抗風(fēng)能力比較弱。

1.1.2 油動植保無人機

油動植保無人機采用燃油作為動力源，特點是燃料可快速添加，無人機可持續(xù)工作，載重能力大，在同等載荷情況下，油動植保無人機工作時形成的風(fēng)場下壓效果更明顯，抗風(fēng)能力較強。缺點是結(jié)構(gòu)較電動機型復(fù)雜，不易掌控，對飛手的操作技術(shù)要求高，且控制精準度較電動無人機低。

1.2 按旋翼數(shù)量分類

1.2.1 單旋翼植保無人機

單旋翼植保無人機大多數(shù)是油動機型。單旋翼植保無人機有雙槳、三槳兩種。單旋翼植保無人機通過調(diào)整主槳的角度可控制前進、后退、上升、下降四個飛行動作，通過調(diào)整尾部的尾槳實現(xiàn)無人機的轉(zhuǎn)向，且主槳和尾槳的風(fēng)場基本不會相互干擾。其優(yōu)點是：旋翼大，飛行穩(wěn)定，抗風(fēng)能力好；風(fēng)場下壓效果好，下旋氣流大，霧滴穿透力強，可以穿過植物冠層，滲透到根莖部位，植保效果好；作業(yè)周期長。但存在價格高、操控難度比較大，對飛手操作技術(shù)要求較高的缺點。

1.2.2 多旋翼植保無人機

多旋翼植保無人機大多數(shù)是電動機型。多旋翼植保無人機有四旋翼、六旋翼、八旋翼、十二旋翼等機型。多旋翼植保無人機通過調(diào)整不同槳葉的轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)前進、后退、橫移、轉(zhuǎn)向、升高、降低的各種動作，但在飛行中相鄰的兩個槳葉旋轉(zhuǎn)方向是相反的，所以存在風(fēng)場相互干擾的問題，會造成一定的風(fēng)場紊亂。多旋翼植保無人機自動化程度較高，且造價相對便宜；技術(shù)門檻低，操控簡單、飛手短時間培訓(xùn)后即可上手作業(yè)；操控靈活，對起降場地要求不高，能實現(xiàn)垂直起降、空中懸停。但由于無人機重量輕，所以存在抗風(fēng)性能較弱，連續(xù)作業(yè)能力較差，效率不高的缺點。

2 植保無人機的應(yīng)用優(yōu)勢

植保無人機因具有安全高效、操作簡便、成本低廉、環(huán)保性能優(yōu)異的特征，在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展中得以有效的推廣應(yīng)用[2]。以大疆T20為例，T20最大載重提升至 20 kg，配合 7 m寬噴幅，單架次作業(yè)效率提升至1.67 hm2，每小時作業(yè)效率提升至12 hm2，遠遠高于人工效率，與大噴幅的高地隙大型植保器械效率相當。植保無人機飛行時旋翼轉(zhuǎn)動產(chǎn)生下旋氣流，擾動作物葉片，藥液霧滴更容易滲入作物內(nèi)部，且霧滴直徑很小，依附葉片能力強，可減少20%以上的農(nóng)藥用量，不僅節(jié)約藥量，而且能有效實現(xiàn)殺蟲效果。同時，通過遠距離遙控無人機進行植保作業(yè)，植保作業(yè)過程中飛手無需直接接觸農(nóng)藥，大大減少了人身傷害，有效保障農(nóng)民健康和生命安全。農(nóng)用無人機在使用過程中，不會受到農(nóng)作物高度及地形的限制，只要將其飛行的高度及信號控制在合理的范圍內(nèi)，就可以通過遙控操作使農(nóng)用無人機按照預(yù)先設(shè)定好的軌跡實施飛行噴灑作業(yè)，減少了人工噴灑農(nóng)藥中存在的一些問題[3]。植保無人機適用于多種農(nóng)作物，如水稻、小麥、玉米、棉花等，同時利用其仿地飛行功能，還適用于丘陵山區(qū)作業(yè)，因此在果樹及林木防治方面的應(yīng)用也日趨增多。

3 植保無人機發(fā)展中存在的問題

3.1 續(xù)航時間短，載荷小

植保無人機由于個體相對較小，普遍存在載藥量偏小的問題，普通的植保無人機一次載藥量大多為5～25 kg，而一組電池只能夠保持無人機飛行8～20 min[4]。因此，在使用過程中，需要頻繁更換電池和補充藥劑。為保證植保作業(yè)的連續(xù)性，如在噴灑工作量大的情況下，還需攜帶發(fā)電機和燃油，及時對更換下的電池進行充電。以目前的充電技術(shù)和速度，按照一塊電池充滿至少需要3 h計算，一架植保無人機需要配置10塊以上的電池才能保證連續(xù)工作。一塊電池的價格大約在2 000元，這也成為植保無人機使用過程中的一筆較大投入。

3.2 價格較貴，補貼政策條件要求高，行業(yè)進入門檻較高

在2017年，全國多個省市出臺了補貼政策(補貼標準見表1)，但政策全國覆蓋率不高且補貼條件較高，例如江蘇省鎮(zhèn)江市規(guī)定承包種植面積20 hm2以上，且每66.7 hm2以內(nèi)只能補貼1臺，同一組織上限為5臺，補貼對象主要包括農(nóng)業(yè)(農(nóng)機)專業(yè)合作社等，對個人購置植保無人機暫不予補貼。并有以下要求：1)載藥量≥10 L；2)電動、多旋翼；3)采用RTK技術(shù)或前后自主避障仿地飛行，完全自主起降與飛行；4)配備電池數(shù)量≥6組。而一架植保無人機的價格在3萬～15萬不等，同時加上需配備一定數(shù)量的電池，要想從事無人機植保行業(yè)，門檻較高。

表1 中國各省市植保無人機補貼政策

3.3 從業(yè)人員專業(yè)水平、能力急需提升

我國大部分農(nóng)業(yè)從業(yè)人員存在專業(yè)性不強、文化層次不高問題，這一問題在飛防領(lǐng)域也同樣存在[5]。植保無人機作為新興產(chǎn)業(yè)，從業(yè)人員未經(jīng)過長時間的正規(guī)培訓(xùn)，只懂得基本操控，對無人機構(gòu)造不熟悉，一旦無人機作業(yè)過程中出現(xiàn)問題，只能到銷售點和相關(guān)售后部門維修，甚至返還廠家，耽誤農(nóng)時；缺乏農(nóng)學(xué)知識，對藥劑的靈活選用及配比無法精確掌控，專業(yè)性不強，影響防治效果；在實際使用過程中，存在很多違規(guī)操作，不當操作使高速旋轉(zhuǎn)的漿葉存在一定安全隱患。

3.4 航空植保專用藥劑品種較少

無人機采用的是超低容量噴霧，油劑型藥劑是首選。而目前關(guān)于植保無人機的專用藥劑較少，傳統(tǒng)藥劑的噴灑建議藥量都是根據(jù)人工噴灑速度來計算的，因此大多數(shù)植保無人機作業(yè)只是將普通農(nóng)藥通過提高藥液的濃度來適應(yīng)無人機的高速飛行速度。甚至有些直接將粉劑和懸浮劑進行簡單的水溶解就進行噴施，不僅不便于精確計算藥量，還容易堵塞噴頭。

4 植保無人機的發(fā)展趨勢

4.1 植保無人機市場繼續(xù)擴大

我國是農(nóng)業(yè)大國，有1.33億hm2的基本農(nóng)田，每年需要大量的農(nóng)業(yè)植保作業(yè)。相對于發(fā)達國家，我國農(nóng)業(yè)植保環(huán)節(jié)的機械化水平較低。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，美國、日本等國家植保機械滲透率已經(jīng)超過50%，而我國尚未達到5%，因此我國的植保機械滲透率有很大的發(fā)展空間。同時，隨著國家政策的引導(dǎo)和地方政府購置補貼等工作的落實，飛防專用藥劑的開發(fā)，也能有效推動植保無人機的快速發(fā)展。據(jù)統(tǒng)計，2019年，全年累計銷售植保無人機3萬臺。而在特殊的2020年，全國植保行業(yè)實現(xiàn)了翻倍增長，全年累計銷售量達6萬臺。目前，植保無人機保有量已達11萬臺。預(yù)計在未來2～3年內(nèi)，植保無人機市場依然將保持50%～60%以上增速，植保無人機保有量將達到20萬臺。

4.2 補貼政策及行業(yè)標準繼續(xù)完善

2018年農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機械化研究所聯(lián)合中國農(nóng)業(yè)機械化協(xié)會等單位共同完成了我國首個植保無人機技術(shù)規(guī)范標準——《植保無人飛機質(zhì)量評價技術(shù)規(guī)范》。該規(guī)范主要涉及植保無人飛機產(chǎn)品本身的質(zhì)量要求，重點考慮了人員安全、公共安全和機具安全等因素。2020年9月3日，安徽省地方標準《植保無人飛機農(nóng)田施藥作業(yè)技術(shù)規(guī)范》(DB34/T 3663—2020)實施。規(guī)定了植保無人飛機農(nóng)田施藥作業(yè)的總體要求、作業(yè)人員、選用要求、藥劑選擇與使用要求、施藥作業(yè)參數(shù)、作業(yè)要求、維護要求、安全注意事項及緊急事故處理。2020年11月，甘肅省發(fā)布了地方標準《農(nóng)用植保無人飛機作業(yè)操作規(guī)范》，于2021年1月1日開始實施。但目前僅有部分幾個省份制定相關(guān)標準，全國各地將陸續(xù)出臺并完善植保無人機質(zhì)量及作業(yè)規(guī)范標準，引導(dǎo)無人機植保行業(yè)實現(xiàn)健康規(guī)范的發(fā)展。

經(jīng)過 2017 年的補貼政策試點，截至2021年，全國各主要農(nóng)業(yè)省份(除遼寧、河北、山西、海南)都已將植保無人機納入補貼范圍。補貼政策目前還存在以下幾個問題：一是各省補貼政策不一，企業(yè)需要投入較大的精力調(diào)整產(chǎn)品與政策適應(yīng)；二是如黑龍江、新疆等重點農(nóng)業(yè)省份購機補貼實施的難度依然較高。在今后的發(fā)展中，國家將持續(xù)完善補貼政策，讓越來越多的合作社甚至個人得到切切實實的補貼，進一步促進植保無人機市場的發(fā)展。

4.3 植保無人機持續(xù)助力智能農(nóng)業(yè)、精準農(nóng)業(yè)

農(nóng)村勞動力緊張是植保無人機行業(yè)發(fā)展必須考慮的問題，所以植保無人機在今后發(fā)展中，操作要更智能化，簡單培訓(xùn)即可上手操作，適合年紀較大的農(nóng)民操作。近5年來，植保無人機保有量持續(xù)增長，智能化技術(shù)成為各大生產(chǎn)廠商的核心競爭力。經(jīng)過技術(shù)更新升級換代，無人機操作已逐漸向“傻瓜機”方向發(fā)展。

通過在植保無人機中搭載多光譜技術(shù)，作業(yè)過程中能夠?qū)崟r監(jiān)測農(nóng)田、作物情況，監(jiān)測地塊平整度、作物長勢、作物營養(yǎng)分析，然后產(chǎn)生農(nóng)田處方圖進行精準變量噴灑，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)減藥目標，助力精準農(nóng)業(yè)。

5 結(jié)語

在10年前，植保無人機在我國還是新鮮事物，一旦出現(xiàn)在田間，就引起眾多圍觀。而如今，無人機的田間作業(yè)已成為尋常風(fēng)景，甚至農(nóng)戶已經(jīng)開始依賴植保無人機對農(nóng)田開展施藥工作。植保無人機的保有量和作業(yè)面積仍然在逐年增加，我國農(nóng)業(yè)機械化的進程在持續(xù)加快。但目前還需政府部門加以引導(dǎo)和支持，解決在生產(chǎn)、應(yīng)用和監(jiān)管中的各種問題，推進植保無人機健康快速發(fā)展。

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