農(nóng)用無人機(jī)應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展前景分析

河北省秦皇島市農(nóng)機(jī)化技術(shù)推廣站 鄭丹彤

1 我國農(nóng)用無人機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀

農(nóng)用無人機(jī)是指運(yùn)用在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)上的利用無線電遙控設(shè)備和自備的控制裝置操控的機(jī)械設(shè)備，設(shè)備上無駕駛位，安裝有自動(dòng)駕駛儀、程序控制裝置等設(shè)備，目前最常見的是農(nóng)用無人駕駛飛機(jī)、遙控作業(yè)平臺(tái)等裝備，本文重點(diǎn)介紹無人駕駛飛機(jī)。具有機(jī)動(dòng)靈活、操作簡單、智能化程度高、用途廣泛等優(yōu)點(diǎn)，近些年來隨著智能化農(nóng)機(jī)裝備的快速發(fā)展，農(nóng)用無人機(jī)也廣泛地運(yùn)用到了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中。

首先，無人駕駛飛機(jī)一般分為固定翼式飛機(jī)、直升機(jī)、多軸飛行器三種，多軸飛行器（一般四軸或者六軸居多）較其他飛行器來講具有結(jié)構(gòu)簡單、飛行穩(wěn)定、操控難度低、智能化程度高、價(jià)格親民的優(yōu)勢特點(diǎn)，因此農(nóng)用無人機(jī)大多為多軸飛行器，多用來進(jìn)行噴灑作業(yè)。最近幾年，我國將農(nóng)業(yè)與信息化確定為重點(diǎn)領(lǐng)域，航空植保在國內(nèi)取得了突破進(jìn)展，并表現(xiàn)出巨大的發(fā)展和應(yīng)用前景，截至2019年，我國生產(chǎn)的各類植保無人機(jī)就已經(jīng)達(dá)到了170多個(gè)品種，市場保有量約5.5萬架，至今，市場保有量已超10萬架。但總體來講，我國農(nóng)林植保無人機(jī)的滲透率在2020年還不足5%，與此同時(shí)，日本的農(nóng)林植保無人機(jī)滲透率達(dá)到了53%，美國則達(dá)到了63%。日本已經(jīng)有了20多年的無人機(jī)使用經(jīng)驗(yàn)，每年無人機(jī)的更新量約為3000架；而我國有著20億畝的耕地面積如果達(dá)到日本的植保無人機(jī)使用率，則年更新量達(dá)到30000架，因此，我國農(nóng)用無人機(jī)未來的市場需求將無法估量。

2 無人機(jī)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的應(yīng)用

農(nóng)用無人機(jī)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用多為植保噴藥、撒肥、撒播等作業(yè)，借助無人機(jī)螺旋槳的風(fēng)力，藥液的噴灑效果更好。需要注意的是，我國作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)大國，也是農(nóng)藥使用大國，據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國農(nóng)作物農(nóng)藥使用量為10.3公斤/公頃，而日本為3.72公斤/公頃，法國為3.69公斤/公頃，英國為3公斤/公頃，美國僅為2.2公斤/公頃，遠(yuǎn)高于世界平均水平，以至于我國每年農(nóng)藥中毒人數(shù)就有10萬之眾，約有20%的致死率，且農(nóng)藥殘留和污染造成的影響尚無官方統(tǒng)計(jì)。應(yīng)用植保無人機(jī)，由于其攜藥量小且效率高一是可以大幅降低農(nóng)藥的使用量，減少農(nóng)藥對環(huán)境的污染；二是可以有效做到人藥分離，保護(hù)施藥人員的安全，這也是農(nóng)用無人機(jī)最大的優(yōu)勢。

2.1 大宗糧食作物的應(yīng)用

目前，大宗糧食作物的無人機(jī)應(yīng)用率最高，尤其是小麥、水稻等作物。由于小麥、水稻植保時(shí)植株較為矮小，因此藥液在無人機(jī)螺旋槳風(fēng)力的作用下，滲透率較高，可有效滿足農(nóng)藝要求。再加上無人機(jī)可在程序上自動(dòng)生成路徑，在電池保供充分的情況下，每天的施藥面積可達(dá)千畝左右。

2.2 林果類的應(yīng)用

飛機(jī)植保在大面積園林植保應(yīng)用較早，起先多為載人直升機(jī)或者固定翼飛機(jī)進(jìn)行植保作業(yè)，攜藥量較大，運(yùn)用彌霧機(jī)產(chǎn)生大量藥劑霧滴，可較好地吸附在樹木上，其關(guān)鍵點(diǎn)在于攜藥量大、效率高、霧化效果好；然而植保無人機(jī)最大的缺陷之一就是攜藥量有限，因此對于形態(tài)較大、枝繁葉茂的植株的藥液噴施效果較差，適合于植株較小、形態(tài)簡單的苗圃或者矮砧密植型果園使用。實(shí)際上，遙控式陸地行走的作業(yè)平臺(tái)（也可歸為無人機(jī)的一種）攜帶噴藥裝置攜藥量大、且噴灑范圍廣更適合林果類的植保作業(yè)。

2.3 其他經(jīng)濟(jì)作物

植株矮小、種植面積廣的經(jīng)濟(jì)作物也可使用植保無人機(jī)進(jìn)行植保作業(yè)，例如棉花、花生、大豆等，同經(jīng)濟(jì)作物一樣，利用螺旋槳產(chǎn)生的巨大風(fēng)力可將藥液均勻的噴灑到植株上，滿足其農(nóng)藝要求，而且效率極高。

2.4 其他應(yīng)用

部分無人機(jī)還可加裝圓盤撒肥機(jī)，加裝圓盤撒肥機(jī)后可進(jìn)行大田的施加顆粒肥工作、大田種子撒播工作以及在漁業(yè)養(yǎng)殖中撒播飼料，具有效率高、撒播均勻的優(yōu)點(diǎn)。

3 農(nóng)用植保無人機(jī)所面臨的問題

隨著國家把農(nóng)業(yè)與信息化確定為重點(diǎn)領(lǐng)域，航空植保在國內(nèi)取得了突破進(jìn)展，并表現(xiàn)出巨大的發(fā)展和應(yīng)用前景，科技與農(nóng)業(yè)的結(jié)合早已成為目前農(nóng)業(yè)發(fā)展的主流。我國植保機(jī)產(chǎn)業(yè)已經(jīng)起步，但是目前業(yè)內(nèi)并無明確的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，包括無人機(jī)自身技術(shù)、性能標(biāo)準(zhǔn)和植保標(biāo)準(zhǔn)，因此農(nóng)用無人機(jī)面臨著的問題不容小視。

3.1 行業(yè)門檻較低，市場魚龍混雜

目前，據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)查詢，截至目前（2022年數(shù)據(jù)），我國無人機(jī)相關(guān)企業(yè)有4.8萬余家，其中僅2021年就新增注冊企業(yè)3100余家，其中廣東、山東、安徽三省數(shù)量最多分別擁有10000余家、3300余家、3200余家。從注冊資本來看，22.3%的相關(guān)企業(yè)注冊資本在100萬元以內(nèi)，只有22.9%的企業(yè)注冊資本超1000萬元；從成立時(shí)間來看，近7成的企業(yè)成立時(shí)間不超過5年；從市場表現(xiàn)來看，2018年全國有記錄的共銷售無人機(jī)2900臺(tái)，2019年6000臺(tái)，2020年10300臺(tái)，2021～2022植保無人機(jī)市場整體規(guī)模依然將保持50%～60%以上增速，保有量在2021年達(dá)到了20萬臺(tái)，市場上銷量領(lǐng)先的主要是大疆、極飛等龍頭企業(yè)。單純從數(shù)據(jù)上來看我國植保無人機(jī)的發(fā)展“風(fēng)光無限”，但這背后隱藏著極大的隱患。上文提到，我國農(nóng)用植保無人機(jī)行業(yè)對于無人機(jī)的技術(shù)、性能以及研發(fā)實(shí)力等方面沒有明確的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，再加上目前較大的市場需求以及配件市場，大大降低了農(nóng)用無人植保機(jī)的制造門檻；部分企業(yè)沒有足夠的設(shè)計(jì)研發(fā)實(shí)力，只是簡單地將市場上的各個(gè)零件組裝到一起在整機(jī)市場上“魚目混珠”，這就造成了極大的安全隱患。例如，早在2018年，月產(chǎn)量高達(dá)500多架行業(yè)內(nèi)一家較大規(guī)模的廣州無人機(jī)企業(yè)，生產(chǎn)的無人機(jī)屢遭投訴，據(jù)相關(guān)用戶反應(yīng)，用戶花140多萬元購買的該品牌無人機(jī)時(shí)常出現(xiàn)“炸機(jī)”、失控的情況，根本飛不起來，最終企業(yè)負(fù)債2億元，放棄經(jīng)營。因此上面提到的4.8萬余家相關(guān)企業(yè)有多少“魚目混珠”的企業(yè)就不得而知了。

3.2 無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)還需努力

飛行控制系統(tǒng)是農(nóng)用植保無人機(jī)的核心技術(shù)。與專業(yè)的無人機(jī)操作員或飛行員不同，農(nóng)用植保無人機(jī)的操作員俗稱“飛手”通常沒有經(jīng)過完整且嚴(yán)格的飛行訓(xùn)練，大多是簡單培訓(xùn)上崗，因此農(nóng)用植保無人機(jī)在工作過程中所面臨的大多數(shù)問題需要飛行控制系統(tǒng)來處理或者輔助飛手處理，例如遇到不穩(wěn)定氣流時(shí)無人機(jī)需要自行保持飛行穩(wěn)定，前方有障礙物時(shí)需要無人機(jī)自主避障，能源不足時(shí)能夠及時(shí)自動(dòng)返航，飛行高度過低或者過高時(shí)可以自主調(diào)整等。再者，微小的農(nóng)用植保無人機(jī)在低空飛行時(shí)將遇到由于農(nóng)田作物冠層結(jié)構(gòu)造成的復(fù)雜低效，這對氣壓高度計(jì)將造成較大影響，再加上部分農(nóng)田環(huán)境較為復(fù)雜，有樹木、機(jī)井房、電線桿、電線、高壓線塔等障礙物，或者是在丘陵山地地區(qū)的農(nóng)田環(huán)境則更為復(fù)雜，這對無人機(jī)的安全飛行造成了極大的影響，目前仍缺乏適合海拔不同、地理位置不同、作物種類不同的復(fù)雜農(nóng)田環(huán)境下作業(yè)的高穩(wěn)定、高科小型的自主飛行系統(tǒng)來適應(yīng)田間的超視距、超低空、隨時(shí)起降等特殊要求。

3.3 缺乏高效輕量化的關(guān)鍵部件

目前，農(nóng)用植保無人機(jī)的兩項(xiàng)關(guān)鍵性指標(biāo)是有效任務(wù)載荷以及續(xù)航時(shí)間，這直接關(guān)系到無人機(jī)的作業(yè)效率。雖然，市場上存在油動(dòng)植保無人機(jī)，但是由于購置成本高、發(fā)動(dòng)機(jī)損耗大、故障率高且噪聲大、污染高，性價(jià)比遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如電力驅(qū)動(dòng)的無人機(jī)，因此市場上大多數(shù)農(nóng)用植保無人機(jī)靠電力驅(qū)動(dòng)，續(xù)航時(shí)間多為5到20分鐘，有效載荷多在30kg～40kg之間。例如，大疆T40無人機(jī)具其宣稱含電池自重50kg，最大噴灑起飛重量90kg，最大播撒起飛重量101kg，空載懸停時(shí)間可達(dá)18min，噴灑滿載懸停時(shí)間為7min，播撒滿載懸停時(shí)間為6min；極飛P100自重48kg，空載懸停時(shí)間為17min，滿載88kg懸停時(shí)間為7min。輕量化機(jī)身設(shè)計(jì)以及高能量密度的電池將大大延長續(xù)航時(shí)間，提高無人機(jī)的作業(yè)效率，因此，高密度輕量化電池以及輕量化的機(jī)身結(jié)構(gòu)部件，高效且安全的充電方式依然是研發(fā)重點(diǎn)。

3.4 農(nóng)業(yè)植保無人機(jī)專用藥劑不足

農(nóng)業(yè)植保無人機(jī)噴施藥劑與傳統(tǒng)噴施藥劑的方式有著很大不同，農(nóng)業(yè)植保無人機(jī)由于攜藥量小，目前有效載荷最大不過40L，因此噴施的藥劑多為微量高濃度的藥劑，而常規(guī)的農(nóng)藥對于稀釋倍數(shù)以及相應(yīng)稀釋倍數(shù)的藥液表面張力、黏度、農(nóng)藥有效成分含量、劑型有著嚴(yán)格的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，一般需要兌水稀釋幾百倍或者上千倍，每畝需要噴施15～30kg的藥液；而無人機(jī)噴施藥液的用水量僅為500ml～1000ml每畝，約為傳統(tǒng)用量的1/30。如果以高濃度微量的方式來噴灑一是很容易對作物產(chǎn)業(yè)藥害；二是難以對整個(gè)植株全面覆蓋。而且需要注意的是，我國農(nóng)藥毒性有5個(gè)評判標(biāo)準(zhǔn)，即1～50mg/kg為劇毒、51～100mg/kg為高毒、101～500mg/kg為中等毒、501～5000mg/kg為低毒、5000mg/kg以上為微毒，我國的農(nóng)藥使用相關(guān)規(guī)定指出，劇毒和高毒農(nóng)藥不能使用在蔬菜、水果、插頁、菌類、中藥材的生產(chǎn)，也不能用于水生植物的病蟲害防治。目前來講，現(xiàn)有的植保無人機(jī)作業(yè)所使用的藥劑大多是憑借著經(jīng)驗(yàn)或者參考常規(guī)噴霧確定劑量以及配比，常有因?yàn)橛昧炕蛘吲浔炔豢茖W(xué)對作業(yè)質(zhì)量造成較大的影響，對環(huán)境也造成了巨大的損害，因此，研發(fā)植保無人機(jī)專用的微量高濃度藥劑也是迫在眉睫的任務(wù)。

3.5 缺乏作業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

我國航空植保作業(yè)起步較晚，且一開始多是采用有人駕駛的固定翼飛機(jī)進(jìn)行植保作業(yè)，多軸旋翼植保無人機(jī)發(fā)展較快但缺乏相關(guān)技術(shù)參數(shù)深入系統(tǒng)的研究，尚未形成一套科學(xué)完善的平板標(biāo)準(zhǔn)以及對不同作物、不同噴施劑型進(jìn)行航空噴施的作業(yè)時(shí)機(jī)、作業(yè)環(huán)境（包括溫度、濕度、風(fēng)速等方面）、飛行高度、飛行速度、航線規(guī)劃、導(dǎo)航控制等參數(shù)的優(yōu)化選擇，以及可以滿足農(nóng)藥植保農(nóng)藝要求的藥液沉積量、霧滴大小、霧滴沉積分布密度、藥劑濃度等作業(yè)指標(biāo)。用戶在使用過程中大多憑借經(jīng)驗(yàn)，而植保無人機(jī)生產(chǎn)企業(yè)大多只提供模糊的極限環(huán)境的數(shù)值參考，因此，制定一套科學(xué)、完整且全面可實(shí)施的農(nóng)業(yè)航空植保作業(yè)準(zhǔn)則及判定標(biāo)準(zhǔn)同樣迫在眉睫。

4 農(nóng)業(yè)植保無人機(jī)行業(yè)的發(fā)展

上文提到，我國目前農(nóng)用植保無人機(jī)的市場保有量已超過20萬架，但作業(yè)滲透率遠(yuǎn)不及日本、美國，因此我國農(nóng)用植保無人機(jī)的發(fā)展尚大有可為。農(nóng)用植保無人機(jī)行業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展除上述問題需要面對外，筆者還有以下建議。

4.1 建立科學(xué)、完整、標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一的飛行員認(rèn)證制度

農(nóng)用無人機(jī)屬于高技術(shù)含量的精密設(shè)備，如果操作不當(dāng)或者設(shè)備在作業(yè)時(shí)發(fā)生故障極具危險(xiǎn)性。根據(jù)《民用無人機(jī)駕駛員管理規(guī)定》，植保無人機(jī)屬于分類中的第五類民用無人機(jī)機(jī)型，單人操作植保無人機(jī)系統(tǒng)并負(fù)責(zé)無人機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行和安全的駕駛員應(yīng)當(dāng)持有按本規(guī)定頒發(fā)的具備V分類等級的駕駛員執(zhí)照，或經(jīng)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部等部門規(guī)定的由符合資質(zhì)要求的植保無人機(jī)生產(chǎn)企業(yè)自主負(fù)責(zé)的植保無人機(jī)操作人員培訓(xùn)考核。目前來講，大多數(shù)飛手都是經(jīng)植保無人機(jī)生產(chǎn)企業(yè)自主負(fù)責(zé)的植保無人機(jī)操作人員培訓(xùn)考核，例如大疆UTC證書。其培訓(xùn)考核缺少足夠的監(jiān)管，其質(zhì)量難以得到保證，所以應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)監(jiān)管，建立一套科學(xué)、完整、標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一的飛行員認(rèn)證制度至關(guān)必要。

4.2 加快土地流轉(zhuǎn)，完善基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)

行業(yè)已經(jīng)認(rèn)識(shí)到，現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)應(yīng)當(dāng)建立在規(guī)?；?jīng)營的基礎(chǔ)上，高效農(nóng)業(yè)機(jī)械化的應(yīng)用也必須建立在規(guī)?；幕A(chǔ)上，而且農(nóng)用植保無人機(jī)屬于智慧農(nóng)機(jī)的范疇，也是基于現(xiàn)代信息技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展的成果，對于現(xiàn)代化信息基礎(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)信號(hào)、GPS信號(hào)等要求較高。2021年，全國行政村通光纖、通4G網(wǎng)絡(luò)比例超過了98%，4G基站數(shù)量達(dá)到了590萬個(gè)，在人群相對集中的郊區(qū)基本實(shí)現(xiàn)了全覆蓋，但在幅員遼闊的偏遠(yuǎn)地區(qū)受薄弱的經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)以及特殊的地質(zhì)地貌的影響，再加上村落眾多、人口居住分散，建設(shè)和運(yùn)營維護(hù)成本太高，信號(hào)覆蓋較弱。而農(nóng)業(yè)生產(chǎn)多在該區(qū)域，例如新疆、東北、內(nèi)蒙古等地區(qū)。例如，2021年東北許多用戶反應(yīng)，購買的某品牌P80機(jī)型無人機(jī)經(jīng)常出現(xiàn)石昊時(shí)有時(shí)無的現(xiàn)象，后來更是頻繁“炸機(jī)”，后期據(jù)調(diào)查原因顯示，導(dǎo)致大規(guī)模無人機(jī)事故的原因有三點(diǎn)：一是芯片短缺使得無人機(jī)的交付周期比往年要長，沒有充裕的時(shí)間對經(jīng)銷商和用戶進(jìn)行培訓(xùn)，導(dǎo)致因操作維修不當(dāng)引起的故障比例大幅度增加。二是無人機(jī)的起飛和降落地點(diǎn)必須有穩(wěn)定的手機(jī)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)，但是黑龍江地區(qū)地區(qū)遼闊、地塊面積大，田地里手機(jī)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)較弱，會(huì)出現(xiàn)連不上、延時(shí)等問題。三是零件的供應(yīng)鏈短缺，售后服務(wù)網(wǎng)點(diǎn)能力不足，導(dǎo)致一些故障設(shè)備大量積壓，維修周期長。因此，加強(qiáng)基站的建設(shè)以及增加售后服務(wù)網(wǎng)點(diǎn)也是發(fā)展農(nóng)用植保無人機(jī)的重要抓手。