农业植保无人机发展现状及分析*

任震宇，杨雨涛，彭世杰

（绵阳职业技术学院，四川 绵阳 621000）

近年来，随着5G的出现，人工智能等发展也将再迎突破，各种配套技术的进一步成熟，这给农业领域的植保无人机发展带来利好。同时，植保无人机凭借其工作高效率省心省力的优势解决了市场的不同需求，为我国解决害虫危害农业的问题提供了巨大的帮助，缓解了农业对于人力的解放，同时也保证了粮食产率的提升，促进了我国向现代农业的转变[1]。不过，虽然植保无人机机遇不断，也具备爆发的良好基础，但一直以来还是存在一些问题。如果不能有效解决这些问题，那么今后植保无人机的发展依然会受到限制。

1 国内外植保无人机发展现状

1.1 国内植保无人机发展现状

我国关于植物保护无人机的研究与开发还处于初级阶段，不同于20世纪中期就实现了农业机械化的美国。在近30年，日本无人机一直在与中国农田相同的条件下喷洒农药。在中国，载人飞机控制和无人机控制的总份额不到2%，没有人能够预算出无人机市场规模有多大，我国大概有15亿亩的农田面积，平均每亩需要3次剂量操作，总共需要45亿亩的剂量工作，估计需要600亿元[2-3]。无论怎么估计，都反映出它的前景大有可为。同时就植保领域来说，电动的植保机有众所周知的极飞，油动的单旋翼植保无人机有汉和、全丰，油动大载重、长航时多旋翼有深圳常锋无人机。大疆是无人机的绝对领导者，仅仅提到无人机尤其是消费级无人机，大疆是无法绕过的。自2015年以来，其一直在研究植保农业，但要注意的是大疆并没有拥有植保无人机的优势。

极飞公司正在研究开发制造商用无人机产品和无人机飞行控制系统。例如，图1是极飞 P系列P20植保无人机。截至2017年3月，其全国20多个省份的1000多名植物保护服务人员，在300万亩农田中积累了大量的耕地数据和用户声誉，是中国第一农业无人机公司[4]。

图1 P20植保无人机

1.2 国外植保无人机发展现状

我国植保无人机研究还处于起步阶段，欧美国家在20世纪中期几乎实现了农业机械化，而与中国农业可耕地情况相似的日本无人驾驶飞机已经喷洒了近30年的杀虫剂。业内人士估计2012年在日本农村土地上空作业的有3200多架植保无人机在作业。雅马哈从1989年研究出了工业无人机，并在韩国、美国、澳大利亚、新西兰和泰国的喷雾农药市场销售无人驾驶农业直升机[5-6]。图2是多马达YMR-01工业无人机。

图2 雅马哈YMR-01工业无人机

2 植保无人机的分类与特点

2.1 植保无人机的分类

现有市场上销售的植保无人机有两类，一类是按动力划分，另一类是按机型结构划分。

按动力功率分为消耗电能运动和消耗汽油运动。就现在市场而言，电动植保无人机价格便宜、易于维护保养、环保性好且电池可反复使用，操作简单的优点使其在市场上大受欢迎。由于飞行大部分依靠飞控系统，对操控手的飞行技能要求较低，因此是许多中小企业进入该领域的首选类型[7]。相比之下，油动植保无人机相对昂贵，自动化程度较低，容易发生故障，对飞手的飞行技能、维护保养技能要求非常高，且以汽油为燃料，不利于保护环境。同时，油动植保无人机具有负荷大、续航长、单次作业范围远、抗风稳定性强的优势。随着我国种植土地的规模化经营和飞控系统的完善，同时因为电动植保无人机载荷小、持续时间作业面积过小且抗风稳定性差，所以油动植保无人机的优势逐渐显现出来[8]。

按机型结构划分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。固定翼植保无人机是利用动力推力的飞机，例如改变机翼位置和飞行角度来进行升空。一般应用于农田营养信息获取、灾害预警、成熟度估测等的都是固定翼类型的无人机，但不适用于中等面积和不规整的地形开展作业[9-10]。单旋翼植保无人机的工作面积大，能在风中保持平静姿态，但由于价格高于其他两种产品，操作的复杂性不如多旋翼植保无人机受欢迎。多旋翼植保无人机因为自动化程度高、入门门槛极低、成本便宜的优点使其广受青睐，唯一不足在于抗风稳定性较差且以目前技术而言农药喷洒效果较差，但依然受人喜欢。图3是固定翼植保无人机，图4是单旋翼植保无人机，图5是多旋翼植保无人机。

图3 固定翼植保无人机

图4 单旋翼植保无人机

图5 多旋翼植保无人机

2.2 植保无人机未来需要具备的特点

正在飞速发展的植保无人机市场，吸引了越来越多的企业参与航空设备领域，整个无人机产业呈现欣欣向荣的发展趋势。随着现代城市不断向前迈步，农村劳动力短缺，老龄化进程加快，植物保护无人机技术有望随着生态环境和食品安全的旺盛需求而发展。

2.2.1 操控智能化

有的植保无人机的操作很复杂，尤其是单旋翼。但当代无人驾驶飞机技术不断突破，其控制系统也应该智能可靠化，用户不需要进行特殊训练，就能很快学会如何操控[11]。

2.2.2 作业精准化

植物保护无人机的运行效果是最终影响其应用推广的主要因素之一。因此，植保无人机不仅要实现准确、高效地运行，还要实现高速、模拟地形飞行、轨道记录、自动避障、自动返回等功能，让操作人员的工作得到优化[9]。

2.2.3 全自主、全地形飞行

首先，通过空中勘测无人机，可以提前收集环境数据。农业无人机可以像人类一样知道实际情况，在操作过程中遇地形起伏时，飞行路径可以提前规划，飞行姿态可以调整，然后在各种复杂地形上安全高效地飞行，不需要独特的传感器，以最佳的飞行姿态飞行。

2.2.4 喷施装备优化

影响作业效果的主要参数有飞行高度、喷涂体积等。因此，与航空投药相关的重要部件和设备，如窄雾滴谱和低浮、防化学浪涌和低空气阻力、带流线型药箱，轻质、高强度喷嘴喷涂系统和小型柔软可靠的气门系列轻型隔膜泵等，必须加以开发和优化[12]。

3 植保无人机存在的优缺点分析

3.1 优点分析

3.1.1 作用范围广

与普通植保器械相比，植保无人机不受地形影响，无论是山地、丘陵、大型水田等或大型植保器械难以进入的区域，无人机都可以进入并开展工作。由于无人机在空中飞行洒药，相比于传统人工喷药方式，没有农作物阻挡行动，喷药更加快速，喷药区域更加广泛，喷洒药物更加均匀。

3.1.2 喷洒效果好

农业无人机在空中喷洒药剂，药液分布更均匀，喷雾喷洒的方式也更能节省农药，减少了农药的残留和土地的污染，利于农产品品质的提升，达到效果的同时也节约了成本。无人机在农作物上空喷洒药物时旋翼旋转会产生向下的气流，农作物受到气流影响会产生晃动，这会使部分农药喷洒到根部和茎叶背面。为了提高药液和农作物之间的接触面积，喷洒药物时控制喷洒量与无人机飞行速度互相协调，保证了药液的均匀喷洒，同时也降低了农药对周围环境和土壤的影响。无人机通过预定路线进行农药喷洒，能够避免重复喷药或没有喷洒到的情况。

3.1.3 更安全高效

农业无人机的施药效率高、范围广，相比于传统人工喷药作业，是其效率的十倍以上。无人机起降要求不高，在田间也可以进行起降。施药时为远程操作，不会影响操作人员，实现了人、药分离作业，避免了药物对人身的危害。农业无人机在工作的同时，也会记录经过的区域位置、播种的用量、农药喷洒的剂量、作业时间等数据，便于分析和预测下一步对农作物的培养防治等工作。

3.2 缺点分析

3.2.1 缺少操作员

农业无人机的飞行具有一定危险性和难度，因此农务人员需要进行一定的专业培训才可以操作无人机，而农村进行农务工作的劳动力普遍年龄偏大，对新事物的接受能力和学习能力较低。专业飞防人员除了能够操作无人机，也需要掌握相应的植保知识，如不同农作物的农药配比和喷洒量等。此外，操作人员的操作水平不同也会影响作业时的效果。

3.2.2 续航载荷

无人机的载荷较小，单次搭载的药量只有10公斤左右。大多农业无人机都通过电池进行驱动，续航时间较短，在满载的情况下只有20分钟的续航时间，充满电却要几个小时，难以持续进行喷洒。农业无人机在农业应用中大多都为大范围作业，续航较短、载荷量较小、通信距离较窄等因素使得农业无人机难以推广。

3.2.3 价格较高

农业无人机相比于普通无人机来说，需要更高的续航能力和更大的载重能力，同时还需要高强度的持续飞行能力，机身也需要有抗农药腐蚀的效果，所以农业无人机的价格会更加的昂贵，大多在两万到七万，这也使得大多数农村家庭对此望而却步。购买后的无人机也需要一定的保养维修。

3.2.4 售后问题

农业无人机生产企业多，生产的无人机质量不同，产品的售后很难得到保障，无人机一旦出现故障就难以得到修复，一些用户可能会因为难以维修或维修成本过高而错过进行植保作业的时机，对农作物的生长造成影响。

4 植保无人机未来发展趋势

4.1 优化性能

增加无人机的使用时间，优化蓄电池的应用效果，提升蓄电池的容量，为无人机长时间的运行提供保障，降低故障率。根据植保无人机的不同功能优化耗能模式，控制无人机飞行速度。结合农业无人机喷洒药物的特点，生产出适合无人机作业的专业药剂，改善无人机喷药低残留效果不明显的现象。强化无人机的喷洒装置，改善喷药设备的稳定性和安全性，加强对喷药范围的控制，防止外部因素导致药液漂移影响防治效果。

4.2 智能化

强化无人机的功能设置，达到无人机可以在设置好的路线、喷洒剂量等由程序自行控制飞行高度、方向、速度等效果，还要实时监控喷药时药液的分布状况、药液漂移的影响，以及时做好应对。借助无人机上的图像处理系统和各种传感器系统观察，分析农作物的生长情况。根据农作物的生长情况精准地控制施肥，控制施药的剂量，提高利用效率。现代农业植保无人机的操作还较为复杂，对操作人员的操作能力有较高的要求，应加强对无人机控制系统的开发，使控制系统智能化、简单化，达到操作人员不需要进行无人机操作的培训就可以操作使用。

4.3 规范价格

目前，我国农业植保无人机市场还处于发展阶段，市场的价格也不统一。农业植保无人机的价格还处于普遍偏高的状态，这使得无人机难以进入需求量更大的农村地区，影响进一步推广与应用。随着市场的不断发展，农业植保无人机的价格也会逐渐走向稳定。

5 总结与展望

作为一个农业大国，中国每年需要为20亿亩基本农田开展大量的农田保护工作。同时，我国正处于小农生产向农业产业化的过渡阶段，植保技术正是这关键领域之一。和发达国家不一样的是，我国在农业的植物保护方面具备的机械智能化程度不高。通过发展植保领域的智能化应用，能够改善许多问题，加快其在社会的宣传建设和应用，这也是我们保障农业发展的需要。现在，实际应用中已经证明了植保无人机能够极大地提高作物施药效率，降低人工成本费。为了保障我国农业能够稳定的发展，植保无人机其各自特点也非常符合当代中国农业现代化发展的要求，提升了我国农业机械化水平。

这几年，我国植物保护无人机还处于起步阶段，但它带来的新市场需求逐渐增加，其产业基本进入市场教育阶段。植保无人机在我国是一个新事物，为了保证其施药技术、飞行路径规划以及装备不断发展，深入研究其低空喷洒技术将是上述问题的解决途径。