植保无人机的应用及发展

成子怡，吴阿敏，王政浩，何杭瑜

(江苏农林职业技术学院，江苏 句容 212400)

0 引言

2014年，《麻省理工科学评论》杂志将农用无人机评为年度十大突破性科技之首[1]。的确，无论是拥有最先进的航空植保机械及完善的农业航空组织体系的美国，还是最先将无人直升机用于农业生产的日本，以及在2010年左右才开始发展植保无人机的我国，无不大力研究发展无人机植保，进一步推动植保机械化、智能化。“飞防”成为近年来我国植保行业的热词。植保无人机也已经成为田间地头的寻常风景。

1 植保无人机的类型

1.1 按动力分类

1.1.1 电动植保无人机

电动植保无人机采用电池作为动力源，特点是结构比较简单，飞手通过遥控操纵飞机，设置好飞行区域后，自动规划路线，整个飞行过程对操作水平的要求不高;机器整体重量轻便，方便转场，并可适应坡地、山区、有障碍等各种复杂地形的作业。缺点是电池续航时间较短，抗风能力比较弱。

1.1.2 油动植保无人机

油动植保无人机采用燃油作为动力源，特点是燃料可快速添加，无人机可持续工作，载重能力大，在同等载荷情况下，油动植保无人机工作时形成的风场下压效果更明显，抗风能力较强。缺点是结构较电动机型复杂，不易掌控，对飞手的操作技术要求高，且控制精准度较电动无人机低。

1.2 按旋翼数量分类

1.2.1 单旋翼植保无人机

单旋翼植保无人机大多数是油动机型。单旋翼植保无人机有双桨、三桨两种。单旋翼植保无人机通过调整主桨的角度可控制前进、后退、上升、下降四个飞行动作，通过调整尾部的尾桨实现无人机的转向，且主桨和尾桨的风场基本不会相互干扰。其优点是：旋翼大，飞行稳定，抗风能力好；风场下压效果好，下旋气流大，雾滴穿透力强，可以穿过植物冠层，渗透到根茎部位，植保效果好；作业周期长。但存在价格高、操控难度比较大，对飞手操作技术要求较高的缺点。

1.2.2 多旋翼植保无人机

多旋翼植保无人机大多数是电动机型。多旋翼植保无人机有四旋翼、六旋翼、八旋翼、十二旋翼等机型。多旋翼植保无人机通过调整不同桨叶的转速来实现前进、后退、横移、转向、升高、降低的各种动作，但在飞行中相邻的两个桨叶旋转方向是相反的，所以存在风场相互干扰的问题，会造成一定的风场紊乱。多旋翼植保无人机自动化程度较高，且造价相对便宜；技术门槛低，操控简单、飞手短时间培训后即可上手作业；操控灵活，对起降场地要求不高，能实现垂直起降、空中悬停。但由于无人机重量轻，所以存在抗风性能较弱，连续作业能力较差，效率不高的缺点。

2 植保无人机的应用优势

植保无人机因具有安全高效、操作简便、成本低廉、环保性能优异的特征，在现代农业发展中得以有效的推广应用[2]。以大疆T20为例，T20最大载重提升至 20 kg，配合 7 m宽喷幅，单架次作业效率提升至1.67 hm2，每小时作业效率提升至12 hm2，远远高于人工效率，与大喷幅的高地隙大型植保器械效率相当。植保无人机飞行时旋翼转动产生下旋气流，扰动作物叶片，药液雾滴更容易渗入作物内部，且雾滴直径很小，依附叶片能力强，可减少20%以上的农药用量，不仅节约药量，而且能有效实现杀虫效果。同时，通过远距离遥控无人机进行植保作业，植保作业过程中飞手无需直接接触农药，大大减少了人身伤害，有效保障农民健康和生命安全。农用无人机在使用过程中，不会受到农作物高度及地形的限制，只要将其飞行的高度及信号控制在合理的范围内，就可以通过遥控操作使农用无人机按照预先设定好的轨迹实施飞行喷洒作业，减少了人工喷洒农药中存在的一些问题[3]。植保无人机适用于多种农作物，如水稻、小麦、玉米、棉花等，同时利用其仿地飞行功能，还适用于丘陵山区作业，因此在果树及林木防治方面的应用也日趋增多。

3 植保无人机发展中存在的问题

3.1 续航时间短，载荷小

植保无人机由于个体相对较小，普遍存在载药量偏小的问题，普通的植保无人机一次载药量大多为5～25 kg，而一组电池只能够保持无人机飞行8～20 min[4]。因此，在使用过程中，需要频繁更换电池和补充药剂。为保证植保作业的连续性，如在喷洒工作量大的情况下，还需携带发电机和燃油，及时对更换下的电池进行充电。以目前的充电技术和速度，按照一块电池充满至少需要3 h计算，一架植保无人机需要配置10块以上的电池才能保证连续工作。一块电池的价格大约在2 000元，这也成为植保无人机使用过程中的一笔较大投入。

3.2 价格较贵，补贴政策条件要求高，行业进入门槛较高

在2017年，全国多个省市出台了补贴政策(补贴标准见表1)，但政策全国覆盖率不高且补贴条件较高，例如江苏省镇江市规定承包种植面积20 hm2以上，且每66.7 hm2以内只能补贴1台，同一组织上限为5台，补贴对象主要包括农业(农机)专业合作社等，对个人购置植保无人机暂不予补贴。并有以下要求：1)载药量≥10 L；2)电动、多旋翼；3)采用RTK技术或前后自主避障仿地飞行，完全自主起降与飞行；4)配备电池数量≥6组。而一架植保无人机的价格在3万～15万不等，同时加上需配备一定数量的电池，要想从事无人机植保行业，门槛较高。

表1 中国各省市植保无人机补贴政策

3.3 从业人员专业水平、能力急需提升

我国大部分农业从业人员存在专业性不强、文化层次不高问题，这一问题在飞防领域也同样存在[5]。植保无人机作为新兴产业，从业人员未经过长时间的正规培训，只懂得基本操控，对无人机构造不熟悉，一旦无人机作业过程中出现问题，只能到销售点和相关售后部门维修，甚至返还厂家，耽误农时；缺乏农学知识，对药剂的灵活选用及配比无法精确掌控，专业性不强，影响防治效果；在实际使用过程中，存在很多违规操作，不当操作使高速旋转的浆叶存在一定安全隐患。

3.4 航空植保专用药剂品种较少

无人机采用的是超低容量喷雾，油剂型药剂是首选。而目前关于植保无人机的专用药剂较少，传统药剂的喷洒建议药量都是根据人工喷洒速度来计算的，因此大多数植保无人机作业只是将普通农药通过提高药液的浓度来适应无人机的高速飞行速度。甚至有些直接将粉剂和悬浮剂进行简单的水溶解就进行喷施，不仅不便于精确计算药量，还容易堵塞喷头。

4 植保无人机的发展趋势

4.1 植保无人机市场继续扩大

我国是农业大国，有1.33亿hm2的基本农田，每年需要大量的农业植保作业。相对于发达国家，我国农业植保环节的机械化水平较低。据相关统计数据显示，美国、日本等国家植保机械渗透率已经超过50%，而我国尚未达到5%，因此我国的植保机械渗透率有很大的发展空间。同时，随着国家政策的引导和地方政府购置补贴等工作的落实，飞防专用药剂的开发，也能有效推动植保无人机的快速发展。据统计，2019年，全年累计销售植保无人机3万台。而在特殊的2020年，全国植保行业实现了翻倍增长，全年累计销售量达6万台。目前，植保无人机保有量已达11万台。预计在未来2～3年内，植保无人机市场依然将保持50%～60%以上增速，植保无人机保有量将达到20万台。

4.2 补贴政策及行业标准继续完善

2018年农业农村部南京农业机械化研究所联合中国农业机械化协会等单位共同完成了我国首个植保无人机技术规范标准——《植保无人飞机质量评价技术规范》。该规范主要涉及植保无人飞机产品本身的质量要求，重点考虑了人员安全、公共安全和机具安全等因素。2020年9月3日，安徽省地方标准《植保无人飞机农田施药作业技术规范》(DB34/T 3663—2020)实施。规定了植保无人飞机农田施药作业的总体要求、作业人员、选用要求、药剂选择与使用要求、施药作业参数、作业要求、维护要求、安全注意事项及紧急事故处理。2020年11月，甘肃省发布了地方标准《农用植保无人飞机作业操作规范》，于2021年1月1日开始实施。但目前仅有部分几个省份制定相关标准，全国各地将陆续出台并完善植保无人机质量及作业规范标准，引导无人机植保行业实现健康规范的发展。

经过 2017 年的补贴政策试点，截至2021年，全国各主要农业省份(除辽宁、河北、山西、海南)都已将植保无人机纳入补贴范围。补贴政策目前还存在以下几个问题：一是各省补贴政策不一，企业需要投入较大的精力调整产品与政策适应；二是如黑龙江、新疆等重点农业省份购机补贴实施的难度依然较高。在今后的发展中，国家将持续完善补贴政策，让越来越多的合作社甚至个人得到切切实实的补贴，进一步促进植保无人机市场的发展。

4.3 植保无人机持续助力智能农业、精准农业

农村劳动力紧张是植保无人机行业发展必须考虑的问题，所以植保无人机在今后发展中，操作要更智能化，简单培训即可上手操作，适合年纪较大的农民操作。近5年来，植保无人机保有量持续增长，智能化技术成为各大生产厂商的核心竞争力。经过技术更新升级换代，无人机操作已逐渐向“傻瓜机”方向发展。

通过在植保无人机中搭载多光谱技术，作业过程中能够实时监测农田、作物情况，监测地块平整度、作物长势、作物营养分析，然后产生农田处方图进行精准变量喷洒，实现农业生产减药目标，助力精准农业。

5 结语

在10年前，植保无人机在我国还是新鲜事物，一旦出现在田间，就引起众多围观。而如今，无人机的田间作业已成为寻常风景，甚至农户已经开始依赖植保无人机对农田开展施药工作。植保无人机的保有量和作业面积仍然在逐年增加，我国农业机械化的进程在持续加快。但目前还需政府部门加以引导和支持，解决在生产、应用和监管中的各种问题，推进植保无人机健康快速发展。

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