国内植保机行业的研究现状与展望

刘向尧，杨登红，詹家礼

(1.贵州理工学院 航空航天工程学院，贵州 贵阳 550003，2.桂林航天工业学院 机械工程学院，广西 桂林 541004)

0 引言

植物保护，以下简称植保，是农业生产的重要工作。为了有效地进行植保，应发挥各种防治方法和积极作用，贯彻“预防为主，综合防治”的方针，把病、虫、草害以及其它有害生物消灭于危害之前。随着国家对农业加大投入补贴力度，现代化的植保机械正在进入农业生产中。植保机械的出现能够有效地提高生产效率，解决了农村劳动力的不足等问题。

图1 汉和金星一号植保机

在植保机械领域，植保飞机，以下简称植保机，是重要的农用机械，在植保领域发挥越来越重要的作用。汉和金星一号植保机如图1[1]所示。一些学者关注了本领域的发展现状和新动向。比如郭勇[2]和沈启扬[3]等人关注了国内外植保机的发展现状。孔建强[4]和郭金龙[5]等人关注了植保机服务组织和体系的发展现状。张颖达[6-7]关注了近年植保机行业的新动向。

先前本领域的综述多从市场应用的角度出发进行分析并给出建议。但问题往往不是孤立的，只从一个角度进行分析思考不一定能得到很好的启示。比如植保机的售价贵这个问题，可以仅从市场环节进行分析，比如销售和服务环节需要进一步提高；还可以从技术角度进行分析，比如全机的设计及布局需要优化、材料和发动机选取需要进一步研究、维护性和经济性需要开展研究等。

此外，植保机也是种飞行器，设计人员在设计过程中也会遇到其它飞行器出现的一些问题。这就需要对已有的本领域的技术研究有所理解，并对飞行器领域的一些问题进行思考。

综上，本文结合已有的国内文献，首先对植保机行业的具体应用进行介绍，然后对技术问题进行综述，最后结合市场应用和技术研究的一些问题进行展望，希望对植保机行业的从业人员有所帮助。

1 市场领域

一些学者结合企业的植保机供给和植保市场需求两方面，对植保机的市场推广、作业效果和应用效益等方面进行了研究和思考，取得了良好的效果。本节从应用效益、应用地域和应用对象，这三个角度将已有文献进行分类介绍。

1.1 应用效益

植保机的使用，尤其是无人机，旋翼机的使用，在植保飞防领域有突出的优势和显著的经济和社会效益，表现为以下几点：

1)节约劳动力、提升效率

农作物病、虫、害防治是劳动强度最大的田间劳动。随着城市化进程的加快，农业劳动力日益短缺，劳动力成本不断攀升，使用植保无人机施药，作业效率高、劳动力投入少，可以缓解劳动力短缺与农业生产发展之间的矛盾[8]。

植保作业0.07 hm2/min以上，工效为常规人工喷雾器喷洒的60倍以上，为高杆宽幅田间植保机械喷洒的8倍以上，减少了植保劳动强度。如遇病、虫、害大面积发生，组织多旋翼无人植保机防治，可以有效阻隔病虫害蔓延发展[9-10]。

2)节约资源、质量较高

植保机利用超低容量和低容量施药技术，可大大降低施药时水的用量，具有降低劳动强度及节省工时等优点。该技术用于蔗田、玉米田苗后除草，每亩仅需施药液7～8 kg，减少用水近90%。草甘膦超低容量除草，每亩仅需200～300 ml，无需兑水，在山坡林地除草可极大提高工效[11]。

无人机具有作业高度低、漂移少、可空中悬停等特点，喷洒农药时旋翼产生的向下气流有助于增加药物对农作物的穿透性，防治效果好[12-13]。

3)适应性强、智能化高

多旋翼无人植保机作业时，不受农作物的品种、高度、密度等因素限制，适用于不同农作物各种病、虫、害的防治[14]。

可设定路线自动喷洒，飞高、飞速、飞向均可控，带有悬停、缺动力自动返航、加油后定点续飞、自动绕过障碍、行走过程记录、失控保护等功能[15]。

1.2 应用地域

虽然植保机对地形有很强的适应性，但是应用到不同地域时，效果仍有差别。有学者针对当地的植保机的生产和使用情况进行了研究，取得了良好的效果。

1)湖南

湖南省超低空遥控飞行植保机行业月产能达到470架，年生产能力可突破6 000架，在全国处于领先水平[16]。

怀化市部分专防组织开始购买植保机用于水稻大田病、虫、害防控，全年水稻病、虫、害飞防作业3 000 hm2(4.5万亩)，杂交水稻赶花粉533.33 hm2(0.8万余亩)，同时，在油菜、菊花、荸荠、莲藕等作物病虫害防控方面也进行了尝试，也取得了较好的效果[17]。

益阳市单架电动植保无人机作业每亩施药费用可节省农药6元/亩，一年可节省资金13 500亩×6元/亩=81 000元。从实验对比来看，植保飞机喷洒农药因采用喷雾喷洒技术，其雾化度高、下压力强，每亩施药量较常规喷洒大大减少，可以大量节约农药使用量和用水量[18-19]。

岳阳市永乐农业发展有限公司飞防模式采取的是“服务站自配无人机”+“平台规模化调度无人机”协同作战的方式。在两个月时间，在湘阴县、汨罗市、屈原区、岳阳县、临湘市、华容县等县市区，总计实现统防统治无人机飞防作业面积8万多亩次，总计调度无人机近260架次，取得较好效果[20]。

2)浙江

杭州市无人机植保总面积达到32 153亩，其中合作社(大户)17 253亩，占53.7%，植保服务公司14 900亩，占46.3%。从植保防治的作物种类来看，目前主要用于水稻生产，桑树、山核桃、茶叶等也有一定的应用面积[21]。

永康市在丘陵地区进行示范推广，应用农用无人植保机后，每667 m2大约节约30%～50%的农药使用量以及90%以上的用水量，直接降低了农作物生产环节的农药购买成本、农药残余量，并显著提升了农作物产量。此外，采用农用植保机后，水稻生产节约人工成本约330元/hm2，整个千亩示范田累计节约达到2.2万元左右[22]。

金华市在地形复杂的高海拔梯田上运用植保机喷洒4.23亩实验田，共用时307 s，即5.1 min左右，作业效率为：0.83 mu/min，人工喷洒效率为0.75 mu/h，即0.0125 mu/h，无人机效率是人工作业的66.4倍[23]。

此外，在广西昭平县[24]，山西临县[25]和新疆阿勒泰地区[26]，植保机均有应用，效果较好。

1.3 应用对象

植保机在农业病、虫、草害控制上已经初显成效，获得蓬勃发展。有学者对植保机的使用对危害对象去除的效果进行了研究。

1)二化螟

WSZ-2410型多旋翼无人植保机飞行速度快，施药快捷简便，因而单位面积用药液量少，一次作业飞行9 min可施药0.67 hm2，在水稻田施药后15 d二化螟的防治效果为90.7%，二化螟死亡率为91.4%，防治效果理想，与背负式电动喷雾器相比，不用背机械下田，有着劳动强度低，省时、省工、省水，效率高等优点[27-28]。

2)棉铃虫

植保机作业防治7天后，棉铃虫防效平均94.7%，防治后14天平均防效为90.0%，防效优异。玉米螟 7天后防效 90.8%，14天后防效90.3%，防效明显。防治作业后，虫株率明显减少，虫量明显降低，达到较好防治病虫危害的效果[29]。

3)菌核病

在施用25%咪鲜胺乳油750 mL/hm2的情况下，与传统背负式电动喷雾和人工手动喷雾防治油菜菌核病相比，飞防后油菜菌核病病株率和病指较轻，病株率防效提高6.23～7.04个百分点，病指防效提高8.35～9.88个百分点，分别达显著和极显著水平；防治成本降低 43.75%，节水96.67%[30]。

4)蚜虫

使用植保无人直升机防治棉花蚜虫具有较好的效果，与背负式喷雾器相比，相同剂量杀虫剂的情况下，药后1、3、7 d二者之间的防效相当，无明显差异，在杀虫剂减量使用的情况下，第1天差异极显著，第3天差异显著，第7天差异不显著，说明杀虫剂可以减量使用达到控制棉蚜的目的，但速效性差一些，持效性基本相当[31]。

5)脱叶

经过2次施药后，4种无人植保机在设定施药范围内喷施脱叶剂，均能达到良好的脱叶效果；尤其按照每667 m2喷施1.5 L的药液，脱叶效果优良，药后棉铃吐絮率快速上升[32]。

2 技术领域

仅从飞行器设计的角度看，其学科背景可以分为固体力学和流体力学两类。结合植保机设计，结构设计、强度分析和新材料应用等问题可视为固体力学的研究范畴；而旋翼气动、农药沉积等问题可视为流体力学的研究范畴。本节从系统结构、通信控制、喷雾沉积和试验验证，这四个角度将已有文献进行分类介绍。

2.1 系统结构

以旋翼机为例，其结构和系统主要有机臂、起落架、旋翼、发动机、药箱、喷嘴和控制系统等部分组成。八旋翼无人植保机主体机架如图2[33]所示。

图2 八旋翼无人植保机主体机架

1)工作原理

多旋翼无人植保机的飞行原理是通过控制螺旋桨的正反转及转速进行的。在多旋翼无人植保机中，每个轴一样长，位于同一平面上，保证其重心在中心位置。飞行时旋翼旋转方向两两相反，通过调节各电机的转速来改变旋翼的旋转速度，实现飞行姿态的控制，并具备自平衡性[34]。八旋翼无人植保机的工作过程其实相对简单。通过控制系统给泵提供一个信号，泵在接收到信号后，抽取药箱中的农药，并通过泵增压至0.3 MPa的工作压力，再通过管路输送到各个喷头，实现农药喷洒[35]。

2)结构设计

轴间距的大小对相邻螺旋桨推力损失影响很大，间距较小时影响尤为突出，在大区间轴间距为(2.1～3.0)R之间变化时，推力先增大后减小最后趋于稳定值，当间距为2.5 R时所产生的推力最大。细化小区间(2.4～2.6)R，得到推力变化趋势与大区间相似，但间距为2.5R时所产生的推力最大[36]。

针对无人植保机用发动机长时间工作会出现机体温度过高的现象，开发了水冷系统。该系统在保持原机的基础上，通过在机体上增加冷却水套、散热器、冷却风扇、膨胀水箱、水泵等部件实现了水冷却，对水冷却系统主要参数进行了计算，获得了冷却系统散热量、循环水量和散热器所需散热面积等数据，开发了相应的温度控制系统，通过火花塞处的热电偶传感器实时监测机体温度，电子开关控制冷却风扇，将机体温度控制在合理范围内[37]。

3)优化设计

对机臂和中心板铺层方案进行了优化，给出了碳纤维复合材料机臂和中心板的最优铺层方案。优化后的机臂和中心板结构既满足设计的强度、刚度及稳定性要求，又具有相对最低的结构重量。优化后单根机臂减重90克，整机机臂减重360克，机臂减重达43%；优化后的中心板减重达203克，约减重35%。整机减重共计563克[38]。

2.2 通信控制

以无人旋翼机为例，其通过飞手手中的遥控器进行远程控制。部分机型还具有信息采集和传输的能力。

1)飞行控制

正在研发，并将广泛应用自动控制技术。比如根据多旋翼无人机飞行原理，结合动力学理论，建立了无人机的数学模型，并对得到的模型进行简化处理。在建模完成基础上，分别对姿态、速度、位置、高度系统的控制器进行设计，并规划了无人机作业时的自主飞行轨迹。控制器主要采用了Adaptive MRSMC控制理论进行设计[39]。

设计了一种新的弯道姿态控制算法，在转弯过程中，飞行控制器根据多旋翼植保机位置及前进速度的变化，输出与之对应偏航速度控制其飞行方向，使多旋翼植保机在不降速的前提下，可以按照重规划的曲线航路完成转弯动作。在转弯过程中，根据拟合的转速-位置曲线对作业半径进行调控，以避免喷洒边界拐角部分的漏喷现象[40]。

2)路径规划

与自动控制类似，自动或者自适应的植保机路径规划正在研发中。建立四旋翼飞行器动力学模型，分析其运动特性。根据实际飞行应用，将姿态动力学模型简化成线性小扰动模型，设计PID内外环串联控制器实现对四旋翼飞行器的位置跟踪控制。基于梯田特点，建立梯田覆盖区域模型，结合激光测距仪和多路超声波传感器针对梯田环境模型设计了全区域遍历法，仿真了梯田的全覆盖路径飞行[41]。

以低矮作物大豆为实验对象，研究了一种自主作业导航线提取方法，经过图像特征分析与灰度化，去除多源噪声，分割作物图像，形态学处理后提取出还原度高、噪声小、抗干扰，作物行突出且不相连的图像，将其用于视觉导航，可辅助植保机自主作业[42]。

3)信息传输

植保机和地面不仅可以传递控制信息，还可以传递地形、作物等信息。对影像数据进行采集，并利用灰度映射技术对数据进行分析，并将分析的结果进行存储，以为今后在相似的地域中能更好更合理的使用无人机[43]。

基于Android技术与无线移动通信技术实现了多旋翼无人机地面监控系统的开发，对通信链路进行了软硬件设计。地面监控系统设计了两路通信链路：一路是视频传输链路，一路是飞行数据传输链路。视频传输链路是把摄像头读取的视频数据，通过4G模块发送到服务器，服务器端再把图像数据转发给地面监控系统。飞行数据链路是通过Xbee转WiFi模块进行数据的发送与接收[44]。

在研究电子地图技术的基础上，针对农业植保无人机的作业数据进行详细定制，完成了植保机作业数据汇总显示功能[45]。

2.3 喷雾沉积

影响喷雾沉积效果的主要涉及三个方面，分别是喷头，沉降剂和雾滴。

1)喷头设计

喷头的好坏直接影响雾滴雾化的质量。设计了扇形静电喷头(总长度为100 mm)安装于植保机电机正下方。双电极板在植保机水平飞行时有效减少自然风对雾滴沉积的影响，并通过静电发生器为电极板供电，使雾化后的雾滴带电荷，进一步减小雾滴直径，提高雾滴沉积量，经计算，在棉花上层、中层、下层正面的沉积密度平均值分别增加24.68、21.18和9.91滴/cm2，各层背面的雾滴沉积密度平均值分别增加20.62、15.01和9.93滴/cm2，提高了农药利用率，节省了施药开支[46]。

2)化学沉降

加入沉降剂后雾滴的粒径与密度都要明显大于加入沉降剂之前，且防治效果均比加入沉降剂之前有所增加。无人植保机在添加助剂前的雾滴直径为88.62 μm，添加后粒径增长为95.43 μm。在防治稻纵卷叶螟时，添加助剂前后防治效果分别增长10.12%和2.05%；在防治稻飞虱时，添加助剂前后防治效果分别增长5.57%和1.44%；在防治水稻纹枯病时，添加助剂前后防治效果分别増长14.01%和4.38%[47]。

3)雾滴分布

当作业高度升高时，下旋风不能完全穿透棉花叶片，因此雾滴在到达标靶之前，自然风速、风向和温度都会较大程度的影响雾滴的分布情况，造成雾滴飘移、沉积量下降；而飞行高度降低时，大部分雾滴会随着下旋风穿透棉花冠层沉积到地面，标靶上的雾滴沉积量就会下降，造成农药的浪费和污染环境[48]。

应根据植保无人机喷施雾滴粒径的范围选择合适的有效喷幅宽度评定方法。该结果为不同参数的植保无人机选择较优的有效喷幅评定方法提供了指导，降低了航空喷施作业的重喷率和漏喷率，提高了植保无人机航空喷施作业质量，可为植保无人机精准喷施作业的实施提供参考[49]。

2.4 试验验证

试验验证侧重于两个方面，一方面是对具体试验地的调查研究；另一方面是对试验方法进行的改进研究。

1)实地验证

在河南省舞阳县东红农机专业合作社的玉米、大豆地块进行了田间作业测试及大面积跟踪调查，性能测试面积380亩，跟踪调查面积3 500亩。4个型号的遥控飞行植保机在玉米、大豆地块作业7天以后，虫害大幅减少，防治效果平均为72.42%。14天左右防治效果平均为81.34%。28天左右虫害基本控制，防治效果平均为87.22%[50]。

在山西省翼城县按照无人机植保飞防试验示范项目要求，由里砦镇老官庄村益农农机专业合作社引进1台珠海绿卫士LW S-Q60S型四旋翼遥控植保机，先后在果园、玉米田、小麦田进行了植保作业。通过试验考核，该无人机作业效率较高，每min达到0.078 hm2，雾化及穿透效果好，达到节药、高效、环保的目的[51]。

2)方法验证

使用一种无人机施药雾滴空间质量平衡测试试验方法对3种无人机进行了田间实际试验研究。利用多通道智能微气象测量系统可以有效获取无人机下旋气流场分布，雾滴在空间质量平衡收集装置上的分布规律符合下旋气流场分布规律；无人机下旋气流场的测量是分析雾滴在空间不同部位分布的重要手段，可以为建立无人植保飞机低空低量施药田间雾滴沉积与飘失测试标准提供参考[52]。

3 未来展望

在植保机行业的发展基础上，如何能更好地发展，提出一些对策和建议，这些构成了未来展望。下面从政府、企业和其他三个层面进行分析展望。

3.1 政府层面

政府是植保机行业健康发展的引路人，是市场监督的主体。

党中央、国务院高度重视三农问题。2018年，中央一号文件的主题是聚焦实施乡村振兴战略。其中指出“推进我国农机装备产业转型升级，加强科研机构、设备制造企业联合攻关，进一步提高大宗农作物机械国产化水平，加快研发经济作物、养殖业、丘陵山区农林机械，发展高端农机装备制造。”

地方响应中央号召，积极开展工作。湖南省下发文件《湖南省农业机械管理局关于进一步做好先进适用农机产品省级购置奖补工作的通知》(湘农机产发[2017]13号)，文件精神要对购买植保机的农民给予补贴。

由于国内农业机械化水平长期偏低，农机行业的部分问题也反映在植保机行业上，比如缺乏国家层面的行业标准，准入门槛。目前植保机行业的行业集中度低，产品质量良莠不齐，作坊式生产经营普遍存在，这些对塑造客户心中的行业形象不利。

各级政府可以开展行业标准、准入门槛、补贴政策等问题的理论研究和调查工作。

3.2 企业层面

企业是植保机行业的市场活动主体，是行业发展的重要推动力量。下面从市场竞争和技术攻关两个角度对植保机企业进行展望。

1)市场竞争

企业要想从激烈的植保机生产和销售的红海市场中脱颖而出，就要有出众的商业模式和盈利模式，能够迎合用户需求，消除用户痛点。而现行的很多商业问题貌似是技术问题带来的，但是一些商业环节的缺失和不足也是不能忽视的。

企业可以想办法打通全产业链，着大力气于培训、服务和维修等环节，可以与当地其它企业合作发展，互利共赢。

企业可以想办法创新商业模式，部分植保机企业是由航模生产商转型而来，熟稔于诸如俱乐部这样的商业模式，但是现行的商业模式不完全适用于现在的市场，需要有所突破。

2)技术攻关

很多用户痛点是由于企业技术实力不够造成的。企业可以大力进行技术攻关，千方百计地消除用户痛点。由于植保行业的市场空间大，市场前景相当可观，企业后期销售方面的收益能覆盖前期技术方面的投入。

有的技术问题前面已有叙述，后续可以继续深入研究。比如控制方面的若干问题，包括操纵稳定性和侧风稳定性等问题；结构方面的若干问题，比如结构优化和新材料应用等问题。

有的技术问题尚未见文献报道，但是跟用户体验息息相关。比如植保机的安全性和维修性问题。植保机的坠落造成的飞行器整体、重要零部件的报废，或者产生的维修费用是用户难以承受的。植保机飞在几米，十几米，甚至几十米的上空，有时候单靠冗余的控制系统保证安全是不够的。即使在植保机应用成熟的日本，雅马哈无人植保机的坠毁率仍达3%～8%。可以加强对起落装置问题的研究；关键零部件诸如发动机，防坠毁问题的研究。而机体坠落后，可能需要维修，而目前维修成本高企，可以在设计阶段开展结构损伤容限问题的研究，维修成本问题的研究。

有的技术问题可以开拓思路，进行对比研究。比如续航时间小，有效载荷小，电池寿命短等问题属于飞行器总体设计问题。一方面可以对现行的总体布局形式的若干问题进行研究，比如对多旋翼植保机在气动、结构、发动机等方面进行联合优化，进行一体化设计的研究；对电池、发动机等造成总体性能短板的零部件进行性能问题的研究；另一方面，多旋翼无人机是现行主流的总体方案，其比以前的其它形式的植保机方案有一些优点。可能在未来出现的方案比目前的方案更能解决上述问题，可以加强不同方案之间的对比研究。企业可以派专人负责关注飞行器总体设计领域的新动向，比如搜集国内外期刊、专利等信息；关注国内新概念无人机设计大赛、国家、省级的航模比赛。企业还可以赞助比赛，比如在航空类高校开展专项竞赛，获取新方案的素材和灵感。

有的技术问题企业可以联合其它领域的专家学者一起攻关。植保机企业往往对制造飞行器熟悉，对农药、化工等领域不熟悉，这就需要企业不仅可以和航空行业的科研院所联合攻关飞行器的相关难题，还可以和农药行业的科研院所联合攻关航空药剂的相关难题。

3.3 其他层面

这部分涉及三个方面，分别是科研院所，大众媒体和农民用户，他们是植保机行业发展的重要参与者。

1)科研院所

高校可以推动产学研一体化建设，在理论课程、生产实习和毕业设计等环节与植保机生产企业进行对接，利用自身的理论优势带动行业发展。

研究所可以与企业广泛合作，植保机行业涉及的面广，二者的合作可以有效地实现机药相结合，推动行业向前发展。

2)大众媒体

大众媒体可以加强报道，对农民用户关心的植保机使用效果、价格和投资回收周期等问题展开广泛地报道。尤其是重点报道党和政府最新的农机补贴政策，植保机行业的优惠政策。大众媒体可以深入试验田，了解试验现场的第一手材料，了解农民关切，成为政府、企业和用户三者之间的纽带。

3)农民用户

用户可以广泛地调查，选择合适自身情况的产品；购入产品后，可以积极学习并掌握植保机的操作和维护要点，尤其是厂家提供的植保机使用环节的注意事项[53-54]；如果企业不提供服务队之类的相关服务，可以探索自发组织成立村镇级的服务队。

4 结论

本文从已有的国内植保机的文献入手，对植保机行业在市场和技术领域的问题进行了综述，并结合实际，对行业的未来进行了展望。

市场的雏形已经显现，充分展现了以植保机为代表的农机行业的活力。随着国内现代化农业的不断完善发展，植保机在农业生产中的应用比例将不断扩大，发展前景广阔。