无人机播种的研究现状与发展趋势

李江涛，李国亮，杨晓炼，陆奇伟

（1 湖州市农业科学研究院，313000，浙江湖州；2 湖州信博植保服务有限公司，313001，浙江湖州）

在农业全程机械化的大背景下，农业机械会逐步代替人工劳动。水稻作为我国的主要粮食作物，其种植方式也随着机械的加入逐渐变得省时省力。水稻的传统种植方式劳动力投入大，人工成本高，随着农业机械化的普及，以利用水稻直播机为主的水稻直播方式也得到了推广应用。水稻直播方式省去了育秧、移秧、插秧等工序，但是人工驾驶直播机成本高、效率低、农艺性差，对地形要求高。因此，由飞机直播方式演变而来的无人机直播，既减少了人工成本，又能避免传统机械直播的各种难题。农用无人机与传统农机相比，能集合施药、播种、撒肥等多种功能于一体，不仅省时省力省成本，而且操作也简单。

目前我国水稻种植方式还是以机械化育插秧为主，移栽稻在抗倒伏、防虫害、产量上具有更大的优势，但是无人机直播所带来的节省时间、节约人工成本等优势是机械化育插秧无法相比的。随着人们对无人机直播技术的改进，在产量上无人机直播几乎与人工插秧没有明显差异。利用无人机直播可以精准、均匀地播种，保障水稻种植的产量，这是目前研究者们追求的目标。无人机在添加了人工智能系统以后，从播种、施肥、撒药、田间病害检测到信息搜集、日常监测管理都可由一机完成，大大节约了人工和时间成本，同时提高了人员的安全性。本文就目前无人机直播的类型及无人机的发展进行探讨总结，为无人机的改进提供思路，供读者了解无人机直播的发展进程。

1 水稻无人机播种技术的发展

美国和日本首先将无人机用于农业生产。美国以大型农场专业化生产方式为主，建立了以大型地面植保机械和有人驾驶航空器为主体的防治体系。目前美国农用无人机主要应用在种子撒播、施药和施肥等生产中。在无人机技术方面，目前美国的研究热点主要集中在图像实时处理系统、变量喷洒系统和多传感器数据融合技术上。日本20 世纪初将无人机技术主要应用在水稻、蔬菜、果树的病虫害防治上，目前日本无人机防治的使用率超过45%。日本主要是山地与丘陵地形，耕地呈零星分布，因此日本的水稻种植主要使用轻便型机械。

2014 年以后，我国政府大力推进农业机械化，加强农业航空建设，国内无人机行业便蓬勃发展。目前我国农用无人机播种主要应用在飞播造林和飞播牧草作业上。珠海羽人推出了3WDM8-20 型多功能无人机，可以实现固体肥料、种子播撒和粉剂喷撒，且推出了全球第一台5～10 行精量播种无人机。2019 年以后我国无人机直播技术的研究与应用有了明显提升。

2 水稻无人机播种技术分类

水稻直播无人机按播种方式可以分为撒播型、条播型两类。撒播型水稻直播无人机利用圆盘高速转动将稻种撒播出去，种子在田间呈现无序、均匀分布。飞播前需要将种子催芽至“露白”才可播种，目前大部分无人机使用的是离心甩盘设计，喂入角的大小决定了喂入料的多少，开角越大，喂入颗粒量越多，缺点是无法精准控制单位面积播种量、撒播均匀度不够以及容易对胚芽造成损伤。实际撒播作业中，有芒作物的种子经常会出现钩挂、粘连现象，或者颗粒肥板结成块等。条播型水稻直播无人机采用一个或多个播种器利用风机将下落稻种排入定位管道并吹出，种子在田间有序成行、均匀分布。

2.1 撒播型水稻无人机主要问题及研究进展

为提高无人机播撒效率，彭冬星[1]设计了一款基于六旋翼的水平圆盘撒播机，在种箱出口处设置了L 型搅种棒用于均匀流速，并研究了水稻种子落种点位置、落种口大小及撒播圆盘的转速对撒播效果的影响，在确定的落种点位置、落种开口大小为759.88 mm2、撒播圆盘转速为1 077 r/min、搅种棒转速为50 r/min、飞行高度为2 m、飞行速度为3 m/s、两相邻轨迹距离为3.6 m 的条件下，能够满足大田内早稻直播的生产需求，工作效率达到0.065 hm2/min，较人工撒播效率有显著增加。但此撒播机载质量有限，后续研究可考虑增加无人机载质量，以提高工作效率，并且可以增加路径规划分析功能。

针对种子在下落过程中，容易受旋翼风场的干扰，导致落种位置不可控、播种均匀性不佳等问题，邓浩等[2]设计了一款以大疆T16 六旋翼无人机为基础的甩盘水稻撒播装置，对野香优稻种进行了物理特性参数的测定，并且采用了EDEM-FLUENT 耦合仿真对水稻种子在无人机运动风场中的运动规律进行分析，采用单因素试验和响应面试验探究了挡环角度、甩盘叶片弧长和甩盘叶片数量对撒播均匀性的影响。在野香优稻种的最大容量为12 kg 的条件下对样机进行试验，无人机直播的水稻成熟后产量测定为8 615.81 kg/hm2，与该品种平均产量8 706.45 kg/hm2基本持平。此试验研究了播种时无人机运动风场对种子撒播的影响，但并未对侧风场的影响进行分析。

针对种子直播到稻田表面，容易被鸟类虫鼠取食，并且水稻扎根浅容易倒伏等问题，周龙[3]以双螺旋式水稻直播机为模型，以籼稻F 优498 为研究试材，研究无人机撒播的水稻植株的抗倒伏特性，试验设置了育秧手插、机插、无人机撒播3 种方式，结果表明无人机撒播的水稻在茎秆主要物理特性上的显著差异表现为基部第2、3 节间茎秆细，且植株较高，抗折力较小，倒伏指数较高，这是抗倒伏能力较差的主要原因。水稻倒伏的原因有很多，无人机撒播应在播种深度、撒播密度的控制上作进一步研究，从而为无人机撒播在丘陵地区的推广打下理论基础。

极飞农业无人机在不断更新后，智能化程度、作业效率更高，其更新了极飞RTK 厘米级精准定位、滚轴定量和高速气流喷射技术。在设定好相关参数后，通过手机就能控制无人机进行全自主撒播作业，一架无人机作业效率可达5.3 hm2/h，一天作业8 h 可完成42.4 hm2田地的播种，是人工撒播效率的50～60 倍。极飞农业无人机可以将种子精准、均匀地喷射进泥土浅表层，与人工和传统直播机械相比，极飞农业无人机撒播的种子扎根更深，出芽率更高(高达98%以上)，根系更发达，抗倒伏能力更强，水稻生长更均匀，利于透风采光，减少病虫害的发生，水稻产量与质量比传统人工和机械播撒高。

2.2 条播型水稻无人机主要问题及研究进展

针对撒播落种杂乱无章，难以达到成行成穴的播种效果，作物在后期生长时通风透气性较差，易滋生病虫害，且不便于田间管理的问题，陈博[4]设计了一种用于无人机条播的机载吹射式种子精量直播装置，作业时利用风机气流将种子吹出，实现成行落种，播种作业均匀。这种方式对种子的加速能力有限，为减少旋翼风场的干扰以保证条播效果，作业时播种装置的出种口需靠近地面(通常为0.5 m 以内)，存在较大的安全风险。

周志艳等[5]设计了一种农用无人机条播装置，该装置工作时利用电磁铁、弹簧和永磁体来构成弹性势能积累和释放的循环系统，从而通过弹力将种子弹出，达到种子加速的效果。该装置虽然能提高种子的下落初速度，但加速能力仍然有限，种子下落时仍易受旋翼风场等外部风力的干扰，且装置的运作方式复杂，播种速度易受限制。

为了解决上述问题，一种点射式水稻播种装置出现了，何伟灼[6]等发明了一款结合点射式水稻播种装置和飞行控制器的播种控制系统，开发了配套的地面站航线规划和断点续航等功能。经过播种量准确性、播种成行性和均匀性试验，结果显示：样机在模拟飞行时，在1.5 m 的高度下作业，种子分布在12 cm 行宽度内的平均概率超过80%，成行性较好，考虑安全因素，优选样机适宜的作业高度为1.5 m；在3 倍丸粒化稻种的播种量设置为90～150 kg/hm2(裸种的播种量为22.5～37.5 kg/hm2)，作业速度设置为0.5～2.0 m/s 时，平均播种均匀性变异系数为20.51%～35.52%。播种控制系统具有较好的控制精度。试验中摩擦轮电机转速为经验值，未考虑影响种子入泥深度的因素，种子入泥深度与土壤软硬度、摩擦轮电机转速、风场干扰等因素相关，后续需结合农艺和播种作业参数进一步开展试验研究。

3 展望

无人机播种方法的崛起，为传统种植业提供了新的思路，但无人机撒播模式下产量显著低于机械穴直播。机械穴直播模式下水稻间距合适，促进了田间有效穗的形成，提高了产量。这种产量的差异也可能与种子选择以及后期的水肥、虫害、杂草管理相关。水稻无人机播种的方法还需要因地制宜进一步改进。对于无人机的改进方向笔者提出一些思路。

首先是加强无人机续航能力研发及管理系统优化，提高单架次作业覆盖面积。目前无人机主要使用油动系统和电动系统，油动系统巡航速度高、航时长，电动系统姿态控制精准、噪声低。无论是油动还是电动无人机系统，提升续航能力的本质在于材料设计、重量等方面的优化改进。电动系统的无人机还可从电池本身优化及电池管理系统优化方面入手。

其次是增加无人机荷载能力。无人机的容量箱容积一般在5～30 L，需要提高单次作业时间和效率，当需要大面积作业时，还需实现中途加料和断点续飞精准对接，避免重复播种或者漏播。

最后是提升无人机智能化。随着科技的发展，人们对无人机智能化的要求越来越高，不仅要实现自主充电续航、自主添料，还需要实现自主规划路径，特别是在一些丘陵山区作业时，自主避障能力必不可少。

近年来，无人机播种技术在不断地提升，发展农用无人机需要社会各方面力量一起努力，尤其是需要政府大力支持，出台相关政策，更加规范指导无人机的使用，加快农业现代化的步伐。