植保无人机的发展历程及应用现状

宋修鹏，宋奇琦，张小秋，梁永检，覃振强，韦金菊，颜梅新，吴建明，李杨瑞

（1.广西壮族自治区农业科学院甘蔗研究所/中国农业科学院甘蔗研究中心/农业部广西甘蔗生物技术与遗传改良重点实验室，广西 南宁 530007；2.广州极飞科技有限公司，广东 广州 5100007）

农业是我国的基础产业，其中农药的使用在作物的种植和病害防治中占有重要地位。传统农药施用主要以人工背负药箱、手持喷杆喷雾为主，作业时间长，劳动强度大，而且喷药量较大，容易导致用药过量、成本增加及环境和农产品污染。

近几年，我国农业从传统走向现代，在生产方式、生产技术、体制机制等方面不断发展创新。我国农业机械化在农业领域的耕地、播种、田间管理、收割环节，均有大、中、小型农业机械做保障，机械化程度较高，而农业植保领域因其特殊性导致机械化程度低，基本处于人工和半机械化状态，严重制约着农业集约化生产和农业现代化的实现。在农药喷洒方面，高地隙自走式喷杆喷雾机、无人机技术逐渐发展应用起来，但使用植保无人机施药仅占1%。高地隙自走式喷杆喷雾机是大型农业装备之一，适用于水田、旱田作物和菜地的除草、杀虫、灭菌等的喷洒作业，具有机械化自动化程度高、通过性好、施药精准高效等优点，但也存在一次性投入成本高、坡地易倾覆、作物碾压损伤相对大等问题［1］。另外，中国作为农业大国，人口老龄化趋势加剧，未来土地承包，种田大户会越来越多，市场需求会更大。经过多年的发展和推广，植保无人机已经有了比较切实可行的持久模式。

1 植保无人机的发展

利用植保无人机进行飞防，日本和美国等发达国家涉及较早，产业体系相对成熟。从1987年日本Yamaha公司生产出世界上第一台农用植保无人机（R-50），已经历了30多年的发展历程［2］。由于日本国土面积小，耕地面积小且分散，水稻地多，对无人机依赖性大，促使农用无人机快速发展，已从1995年的307架增加到现在的2400多架，用于播种、监测、施肥、喷药等作业。美国农业生产则以大农场居多，经营规模大，往往使用载重量更大、续航时间更长、工效比更高的有人机进行植保作业。据统计，目前美国农用航空相关企业有2000多家，年处理40%以上的耕地面积，全美65%的化学农药采用飞机作业完成喷洒，其中水稻施药作业100%采用航空作业方式，自2002年以来已投入约700万美元用于农业航空技术研发［3，4］。此外，韩国、巴西、俄罗斯、加拿大等都已将无人机应用于飞防作业［5］。

我国农用无人机起步较晚，目前正处于快速发展的初期阶段。2004年在科技部863计划的支持下，农业部南京农机化所等开始无人机植保的研究和推广。2007年开始植保无人机的产业化探索。2010年汉和航空制造出第一架植保无人机交付市场，正式揭开了中国植保无人机产业化的序幕。据农业部发布的数据，截至2017年底，全国植保无人机保有量达到14000多架，从事航空植保的服务组织已超过400家［6］。植保无人机保有量虽全球第一，但短板仍然明显，技术、体制尚不成熟，有些技术还待进一步研发，如适合无人机的剂型、沉降剂、软件等。一些国外厂家如拜耳、陶氏、巴斯夫等都投入了一定的资源去研究相应的领域，国内的新安化工、诺普信、广西田园生化等企业也有了自己的无人机队伍，大疆、极飞等无人机企业也在研发相应的技术。

2 植保无人机分类及特点

2.1 按动力分类

根据动力分类可分为电动植保无人机、油动植保无人机及油电混合无人机三种［7，8］。

电动植保无人机通常利用锂电池作为动力源，它的特点是无人机构造比较简单，平时维护容易，对操作人员技能要求低；场地适应能力强，展开迅速，轻便灵活；电动输出功率不受含氧量影响，可在高原地区使用；电池可充电重复使用，成本低；震动小，成像质量好。缺点是抗风能力弱，续航能力不足，电池报废后存在环境污染问题。市场价格一般在5～18万元之间。

油动植保无人机采用燃油作为动力源，其特点是燃料易取，载重大，续航能力强，具有较好的抗风能力。但油动无人机自主飞行能力差，油门响应速度慢，不易掌握，对飞行员操作水平要求高；控制精准度低；在高原性能不足；震动大。市场价一般在20万元以上。

油电混合型植保无人机动力来自发动机和电机，将前两者结合互相弥补不足，具有很好的发展前景，但仍存在一些技术上问题需要解决，如需要对飞控算法有着较高的掌控，因为油机会因输出功力变化而带来延迟，需要电机来提供补充动力；油机动力和电机动力的配比问题，油动力大了姿态不平稳，因为电机地转速下升力衰减快，不成线性，而电动力大了就失去航时优势。

2.2 按机型结构分类

根据机型结构可分为固定翼植保无人机、单旋翼植保无人机和多旋翼植保无人机［8，9］。

固定翼植保无人机载量大、飞行速度快、作业效率高，作业时采用超低空飞行，具备简易、安全的起降系统，可按照多种模式自动执行飞行植保的任务。不过对作业区域地形条件要求较高，需要有较为宽敞的无障碍地用于起降，会受作业区域或周围障碍物如电线、电杆、树木等影响，引起飞行安全问题，并且无法实现悬停。

单旋翼植保无人机是无人机初入农业植保市场的尝试选择，其风场稳定，雾化效果好，向下风场大，穿透力强，可以把药打到作物根茎部，抗风能力强。缺点是造价高，飞行操作员培训难，并且一旦发生炸机事故，单旋翼无人机造成的损害可能更大。

多旋翼植保无人机采用对称结构的多个旋转中心带动旋翼产生风力进行飞行作业，价格适中，操作方便，对操作人员培训快。但抗风性弱，下旋风场更弱，造成风场散乱，风场覆盖范围小，若加大喷洒面积把杆加长，会导致飞行不稳，作业难度加大，增加摔机风险，作业覆盖半径一般在300 m之内，单次作业时间在30 min之内，比较适合于田间小地块。目前农户使用大多为多旋翼电动植保无人机，未来的趋势及选择要看无人机技术的进一步发展，需要更多探索与实践。

3 植保无人机作业优势

3.1 适应面广

植保无人机具有携带方便，使用优势突出，既能适应不同地形又可满足不同作物，而且不受作物种植模式的影响；植保无人机升降简单，不要求有专用跑道，过去地面大型植保机械较为棘手的水田、山地、坡地、不平整田地等，大都可以用植保无人机进行飞防作业［10］。针对一些作物的不同生长阶段，无人机飞防作业也有很大优势。以甘蔗施药为例，在生长前期利用拖拉机作业，会损伤部分甘蔗苗；在甘蔗生长后期施药更为困难，拖拉机根本无法作业，而人工很难喷到甘蔗顶部且对人身健康存在巨大安全隐患，使用无人机喷洒则可以轻松解决这些问题。

3.2 节水节药，节能环保

植保无人机为低空雾化喷洒，保证均匀喷施整个植株。常规每公顷农药用量450～600 kg，而植保无人机飞防作业每亩地喷施专用农药15 L左右即可达到防治效果，节省水资源，减少农药使用量，大幅度减少农药对环境的影响。

3.3 效率高

植保无人机喷洒效率约为人工喷洒效率的100倍［11］，可在一定程度上解决当今劳动力缺乏、劳动力成本高等问题。此外植保无人机飞防作业大多使用飞防专用药剂，作物吸收率比传统农药高得多，无人机飞行时产生的风力甚至可以将一些细长叶片翻转，使作物受药均匀［12］。

3.4 安全性高

植保飞防作业为远程遥控操作，人距离农药相对较远，减少了有毒农药对人体的伤害，还可以夜间作业，安全生产工作得到更大保障。

4 植保无人机应用存在问题

4.1 续航能力不足

目前我国使用大多为电动植保无人机，配备电池平均续航能力为8～15分钟左右，电池充300～400次左右就要报废，成本较高。

4.2 载重不足

植保无人机载重一般为10～20 kg，大面积作业需要不停地更换药箱，直接影响到作业效率，从而影响到成本。

4.3 飞防专用药剂缺失

无人机的飞防效果很大程度上与使用的药剂有关，目前植保作业大多凭经验或参考地面喷雾确定剂量与配置方法，往往因为用量、配置不科学或缺乏助剂而影响作业质量，导致药剂利用率低、喷洒效果差甚至产生药害。因此飞防专用药剂、专用助剂是植保无人机发展普及的瓶颈，专用药剂和助剂的研发是未来发展的另一重心［13］。

4.4 定位不精确

进行飞防作业首先要熟悉田地的面积、形状、有无障碍物等信息，目前的了解方法主要有两种：第一种方法是通过公开发布的百度地图、谷歌地图等地图数据，获取目标区域的位置信息，这种方法的不足之处是通常会有几十米的误差，精准度不高，而且缺少障碍物信息；第二种方法是人工携带高精度差分GPS到植保农田现场进行测量，获得高精度的位置信息和障碍物信息，这种方法的缺陷是在作业前需大面积测绘，作业效率低且成本高。无人机定位不准会导致重喷、漏喷、误喷等现象，精准作业是植保无人机的一个关键问题。

5 防治效果影响因素

5.1 药剂及助剂的选择

农药的成分、作用、产品质量等直接影响防治效果。此外，普通农药制剂一般含有增稠剂等，直接将多种药剂互配容易出现沉淀、结晶、絮凝等现象，导致喷头堵塞，且配药花费时间长，严重影响作业效率和效果。使用无人机飞防专用药剂黏度小、流动性好，多种制剂产品桶混仅有微量沉淀出现，作业效率高。同时也要注意使用合适的施药浓度和施药量。

除飞防专用药剂的选取外，飞防专用助剂的添加也会影响防治效果。飞防助剂可以提高无人机施药效果，如提高喷头雾化效果、增加雾滴沉降速率、增强抗漂移能力等，降低农药使用量［14］。常见的助剂种类有抗漂移剂、扩散剂、湿润剂、蒸发抑制剂、吸收剂、安全剂等。

5.2 飞行参数设置

植保无人机飞行参数并不是随意设置，其中高度、速度等要素都直接影响飞防的实际效果与效率。无人机飞行过低不仅喷洒范围小，影响作业效率，而且容易与作物接触发生事故，产生的风力使作物发生倒伏；飞得越高，药物越容易飘离和蒸发，落在作物上的药剂就越少，建议飞机飞行高度1～2.5m。飞行速度原则上在保证安全和喷洒效果的前提下飞行速度越快，效率就越高，但是在实际作业过程中发现机身重量加上电池和药剂总重量大，惯性也大，如果飞行过快，很难按照自己的想法控制飞机的飞行姿态，出现掉高、停止困难等现象，加大了飞机事故率（也有可能是飞控种类不同，停止方式不同），一般保证效率效果的话，建议把速度设定为4～6 m/s即可［15］。

5.3 气候环境的影响

5.3.1 风力

如果风力较大会使无人机飞行不稳，存在安全隐患，同时引起药物飘移，因此建议在有风的情况下，根据风力大小来确定能否使用无人机以及无人机可以飞行的高度。

5.3.2 温度

温度高时一方面可能使药物空中蒸发或者药物有效成分分解变质，另一方面植物可能自身气孔关闭，影响药物吸收。同时由于无人机电池对温度敏感，温度过高或过低都会影响电池性能，无人机的作业温度一般在20～30℃范围内最佳。

5.3.3 湿度

由于无人机施药浓度高，水量少，湿度影响相对大一些。目前无人机主要使用农药为水基化剂型，如果湿度降低，药液就会有所流失，降低药效；而对粉剂式农药，湿度低反而能增加对作物的附着性，从而提高药效及利用率。在作业时可根据实际情况调整药剂的种类和水量。

5.3.4 气象

无人机的飞行通常受天气的限制。无人机有些零部件不防水，在雨天、雾天等建议禁飞，还有雷电、雾霾、下雪天等均不适合无人机作业。

5.4 雾滴大小

雾滴大小是无人机飞防作业中相对容易控制的重要参数，也是直接影响到植保无人机防治效果的关键因素之一。合理地控制雾滴粒径大小，是用最少的药量取得最好的防治效果，并减少环境污染的关键所在。在农药喷施过程中，粒径大的雾滴易沉降，不易随风漂移或蒸发散失，但分布不均匀、附着能力差，容易因弹跳和滚落而造成药液流失，大大降低了农药的防治效果，也污染了水土环境。雾滴粒径小对于其在作物叶片表面的覆盖密度和覆盖均匀度远优于大雾滴，药剂附着力好，作物容易吸收，利用率高，但受气流、风力、温度等影响较大，易发生漂移和蒸发，要根据作物和病虫害进行选择［16］。

5.5 作物和病虫害情况

作物的种类、生长阶段、高矮、密度，以及病虫害的种类、生活习性、严重程度等，都对防治效果有影响。目前无人机更适合甘蔗、小麦、水稻、甜菜、玉米等大面积种植的作物，而不太适合果树等相对立体且生长密集的作物，这就需要根据具体情况调节亩用量、作业参数和用药，也需要更专业的植保知识。

6 植保无人机的发展前景

6.1 植保无人机飞防符合国家农业发展规划

当前，我国的农药用量大，但农药利用率相对于发达国家来说还很低，大部分农药流失在土壤或水环境中，导致农田环境污染日趋恶化，而国家提出了实现化肥农药零增加目标，因此无人机精准喷施技术正符合我国发展农业发展规划。

国家出台了一系列政策大力推进农业现代化，利用植保无人机进行飞防作业已成为一种新型农业技术，这几年无人机数量及使用人数飞速上升，得到了很多地方政府的支持。从2017年开始，许多地方政府积极响应国家政策，通过政府与无人机飞防公司或组织合作，由具备大面积作业能力的植保无人机飞防服务组织来对农作物进行植保作业，其效果还是非常令人满意的。

6.2 我国农田地形地貌及国情必然选择植保无人机

我国的植保无人机产业正起步发展，且发展迅速，展示出良好的前景。我国土地类型多样，像丘陵、山地、水田、坡地等特殊农田使用常规喷药方式费时费力，效率不高，而且农村人口人均拥有土地少，土地相对分散，农村存在人口老龄化问题，青年劳动力逐渐减少，在农业日益机械化的时代，农业集约化程度提高，无人机飞防的使用更加符合我国当下国情，因而具有不可估量的推广前景。