何勇 張艷超

作者信息：1教授、博士生導(dǎo)師；2：浙江大學(xué)生物系統(tǒng)工程與食品科學(xué)學(xué)院，310058，杭州

0 引言

無人機(jī)是一種有動力、可控制、能攜帶多種任務(wù)設(shè)備、執(zhí)行多種任務(wù)，并能重復(fù)使用的無人駕駛航空器。它們沒有駕駛艙，但安裝有自駕儀、飛行姿態(tài)控制等設(shè)備，以助推、垂直起降、噴射起飛等方式起飛，以降落傘、攔阻索、接收網(wǎng)等方式回收，可多次使用。無人機(jī)曾經(jīng)作為一種作戰(zhàn)武器在戰(zhàn)場中顯示出強(qiáng)大的戰(zhàn)斗能力。無人機(jī)在民用領(lǐng)域應(yīng)用主要表現(xiàn)在航空攝影、地面災(zāi)害評估、航空測繪、交通監(jiān)視、消防、人工增雨等方面。無人機(jī)在農(nóng)田中的應(yīng)用逐漸開始出現(xiàn)，主要集中在農(nóng)田信息遙感、災(zāi)害預(yù)警、施肥噴藥等領(lǐng)域。

1 無人機(jī)發(fā)展概況

世界上第一架無人機(jī)是由英國人于1917年研制的。這是一架無線電操縱的小型單翼機(jī)，由于受到當(dāng)時許多技術(shù)問題的制約，所以試驗失敗。而后終于在20世紀(jì)30年代初研制成功無線電操縱的無人靶機(jī)，直到80年代，美國將無人機(jī)應(yīng)用于越戰(zhàn)和海灣戰(zhàn)爭。一般來說，無人機(jī)主要由如圖1所示部分構(gòu)成。

世界上第一臺農(nóng)用無人機(jī)出現(xiàn)在1987年日本，Yamaha公司受日本農(nóng)業(yè)部委托，生產(chǎn)出20 kg級噴藥無人機(jī)“R-50”，經(jīng)過將近20多年的發(fā)展，目前日本擁有2346架已注冊農(nóng)用無人直升機(jī)，操作人員14163人，成為世界上農(nóng)用無人機(jī)噴藥第一大國。我國系統(tǒng)研究微小型無人機(jī)航空施藥噴霧技術(shù)開始于2008年，由國家資助，開始單旋翼無人機(jī)低空低量施藥技術(shù)的研究。截至2012年末，生產(chǎn)航空施藥無人機(jī)整機(jī)與配套設(shè)備的企業(yè)達(dá)80余家。

1.1 無人機(jī)結(jié)構(gòu)種類

農(nóng)用無人機(jī)有多種分類方法：如按照動力來源，分為電動和油動；按機(jī)型結(jié)構(gòu)，分為固定翼、單旋翼、多旋翼和熱動力飛行器；按起飛方式可分為助跑起飛、垂直起飛垂直降落；等等。以下按照其主要結(jié)構(gòu)進(jìn)行分類。

1.1.1 固定翼無人機(jī)

固定翼無人機(jī)是由動力裝置(如燃油發(fā)動機(jī)、電機(jī)等)產(chǎn)生推力或者拉力，由機(jī)翼產(chǎn)生升力，機(jī)翼位置和掠角等參數(shù)在飛行過程中保持不變的飛行器，圖2為浙江大學(xué)研制的小型農(nóng)田信息遙感無人機(jī)。固定翼無人機(jī)具有滑翔性能好，續(xù)航長，航程遠(yuǎn)，飛行高度高，飛行速度快等優(yōu)點(diǎn)，適合應(yīng)用于農(nóng)田營養(yǎng)信息獲取、災(zāi)害預(yù)警、成熟度估測等。然而固定翼受天氣影響大，氣流變化劇烈的時候不宜飛行。

1.1.2 單旋翼直升機(jī)

單旋翼直升機(jī)(如圖3所示)通過主槳切割空氣產(chǎn)生推力，尾槳保證平衡，無需跑道助跑，可垂直起降和穩(wěn)定懸停，飛行靈活性和可靠性相對于固定翼要高很多。在農(nóng)業(yè)中有很多應(yīng)用：如劉小龍采用嵌入式主板設(shè)計無人機(jī)圖像采集系統(tǒng)[1]；李冰等采用京商260和ADC多光譜相機(jī)通過測定冬小麥覆蓋度變化，對冬小麥生長過程中的5個主要生育期進(jìn)行監(jiān)測，分析了空間尺度變化對結(jié)果的影響[2]；Tian Lei等人通過收集機(jī)載導(dǎo)航系統(tǒng)對飛行高度和位置的估測數(shù)據(jù)，采用一定的變形模型對遙感所得圖片進(jìn)行幾何校正，而無需控制點(diǎn)[3]。日本“RMAX”系列無人機(jī)、中國總參謀部六十所的“Z”系列無人機(jī)都屬于這種結(jié)構(gòu)。

1.1.3 多旋翼飛行器

多旋翼飛行器原型出現(xiàn)于1922年，然而直到1999年才出現(xiàn)多旋翼無人機(jī)。多旋翼無人機(jī)以三個或者偶數(shù)個對稱非共軸螺旋槳產(chǎn)生推力上升，以各個螺旋槳轉(zhuǎn)速改變帶來的飛行平面傾斜實現(xiàn)前進(jìn)、后退、左右運(yùn)動，以螺旋槳轉(zhuǎn)速次序變化實現(xiàn)自轉(zhuǎn)，垂直起飛降落，場地限制小，可空中穩(wěn)定懸停。多旋翼飛行器出現(xiàn)后，以優(yōu)越的飛行穩(wěn)定性、簡單的動力學(xué)結(jié)構(gòu)和低廉的價格迅速獲得廣泛的關(guān)注和使用。多旋翼無人機(jī)采用鋰聚合物電池供電，自動化程度高，飛行平穩(wěn)，操作技術(shù)要求低。同時由于結(jié)構(gòu)所限，載質(zhì)量一般不高(10 kg左右)，續(xù)航時間較短(15～20 min)。圖4為浙江大學(xué)與浙江得偉有限公司聯(lián)合開發(fā)的中型八軸多旋翼農(nóng)田信息遙感平臺。

2 無人機(jī)生產(chǎn)單位

無人機(jī)植保作業(yè)相對于傳統(tǒng)的人工噴藥作業(yè)和機(jī)械裝備噴藥有很多優(yōu)點(diǎn)：作業(yè)高度低，飄移少，可空中懸停，無需專用起降機(jī)場，旋翼產(chǎn)生的向下氣流有助于增加霧流對作物的穿透性，防治效果好，遠(yuǎn)距離遙控操作，噴灑作業(yè)人員避免了暴露于農(nóng)藥的危險，提高了噴灑作業(yè)安全性等。無人直升機(jī)噴灑技術(shù)采用噴霧噴灑方式至少可以節(jié)約50%的農(nóng)藥使用量，節(jié)約90%的用水量，這很大程度上降低了資源成本。

在我國，作為農(nóng)業(yè)用途的無人駕駛輕型直升機(jī)目前處于初級研究階段。國內(nèi)通用輕型農(nóng)用無人直升機(jī)主要有中國人民解放軍總參第六十研究所開發(fā)的“Z-3”無人直升機(jī)，南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所開發(fā)的噴藥無人機(jī)，浙江大學(xué)和浙江得偉工貿(mào)公司開發(fā)的“DWH-1”等無人機(jī)。相對于軍事及其他行業(yè)，農(nóng)業(yè)作業(yè)對無人機(jī)性能要求更高，上述機(jī)型應(yīng)用于農(nóng)業(yè)還有許多技術(shù)難點(diǎn)需要攻克，農(nóng)業(yè)航空發(fā)展還任重道遠(yuǎn)；但相對于需求，其發(fā)展空間很大。

目前我國生產(chǎn)航模的企業(yè)有近200家 (包括旋冀和固定冀無人機(jī))，具有自主研發(fā)能力，并已進(jìn)入農(nóng)業(yè)市場的單位和企業(yè)10余家；相關(guān)無人機(jī)農(nóng)業(yè)裝備技術(shù)研究院所20余家。按技術(shù)水平、生產(chǎn)能力和單位類型可分為：

2.1 無人直升機(jī)農(nóng)業(yè)航空技術(shù)研究單位

自2008年起，以“浙江大學(xué)”“農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所”“華南農(nóng)業(yè)大學(xué)”等單位為代表開展了航空施藥技術(shù)、GPS自動導(dǎo)航技術(shù)、農(nóng)用無人機(jī)平臺技術(shù)、航空施藥污染評價技術(shù)、低空遙感平臺等技術(shù)的研究，并取得了多項技術(shù)成果。包括無人駕駛自動導(dǎo)航低空施藥技術(shù)、低量低飄移施藥技術(shù)研究，在高精度GPS的無人駕駛自動導(dǎo)航低空施藥技術(shù)研究方面取得突破性進(jìn)展，精確的航路規(guī)劃解決了航空噴霧作業(yè)噴幅的精確對接，提高作業(yè)質(zhì)量。

2.2 無人機(jī)生產(chǎn)企業(yè)

以“解放軍總參六十所”“沈陽自動化所”等單位為代表的無人機(jī)生產(chǎn)企業(yè)，研究開發(fā)了一批具有較高自主水平,能夠在空中自主飛行 (或進(jìn)行遠(yuǎn)程引導(dǎo))并執(zhí)行任務(wù)的旋翼無人飛行器。其系統(tǒng)一般包括無人機(jī)平臺、測控、任務(wù)載荷、綜合保障及情報處理等五大部分，配備地面控制終端，工程涉及航空理論、計算機(jī)、控制、電子、機(jī)械、材料和系統(tǒng)工程等多個學(xué)科，可以在地面站的監(jiān)控下自主完成多種飛行任務(wù)，此類無人機(jī)使用燃油發(fā)動機(jī)提供動力，載質(zhì)量可達(dá)15～80 kg，具體機(jī)型有：Z-3、Z-5(總參六十所)，ServoHeli-120(沈陽自動化所)，AR-100/AF811(中航工業(yè)自控所)。由于受到技術(shù)、市場等因素限制，此類無人機(jī)沒有形成大批量生產(chǎn)，很多還處于樣機(jī)階段。其優(yōu)點(diǎn)是載質(zhì)量大、飛行精度高，適合精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)作業(yè)；然而價格高，系統(tǒng)復(fù)雜，不易維護(hù)，低空作業(yè)安全性也有待提高。

以“無錫漢和”等企業(yè)為代表在引進(jìn)國外微小型無人機(jī)型的基礎(chǔ)上，開發(fā)了電動航拍系列和農(nóng)業(yè)植保系列無人機(jī)型，目前已基本定型，任務(wù)載荷在10、15、20 kg，產(chǎn)品已經(jīng)進(jìn)入小批量生產(chǎn)。此類無人機(jī)，由于受機(jī)體和載質(zhì)量限制，田間作業(yè)時無法完全實現(xiàn)自動駕駛而采用了半自駕的方式，經(jīng)濟(jì)性較好；然而缺乏對噴藥裝備的開發(fā)，不便于更快更好地在農(nóng)業(yè)噴藥上應(yīng)用。

目前我國生產(chǎn)航模的企業(yè)已有200多家，航模無人機(jī)沒有地面終端，需要操作人員使用手持遙控器控制飛行，遙控距離一般在目視距離以內(nèi)，此類無人機(jī)多以電池提供動力，載質(zhì)量在10 kg以內(nèi)，在國內(nèi)已具備大批量生產(chǎn)能力。其優(yōu)點(diǎn)是輕便、靈活、能效高、起降方便、價格低；缺點(diǎn)是載質(zhì)量低，續(xù)航時間短，飛行高度、速度與航線易受操控手目測判斷差異的影響而產(chǎn)生一定的偏差，對施藥效果造成一定的影響。

2.3 農(nóng)機(jī)農(nóng)藥生產(chǎn)廠家與農(nóng)機(jī)服務(wù)組織

以浙江得偉等農(nóng)機(jī)農(nóng)藥生產(chǎn)廠家為代表的無人機(jī)研發(fā)、生產(chǎn)和銷售為一體的高新技術(shù)企業(yè)，目前與浙江大學(xué)合作研制農(nóng)用型無人直升機(jī)、多旋翼等農(nóng)田變量精準(zhǔn)噴藥等系列產(chǎn)品，所生產(chǎn)產(chǎn)品在義烏博覽會上展出，得到廣大農(nóng)民朋友一致好評，并設(shè)計研發(fā)出太陽能全自動農(nóng)田信息遙感無人機(jī)，全身硅片太陽能板貼合，質(zhì)量輕動力足，只要太陽充足，就可以全天飛行，節(jié)能環(huán)保，續(xù)航充足?！昂幽咸镄悴拧钡绕渌r(nóng)藥企業(yè)各自在無人機(jī)研發(fā)和應(yīng)用上進(jìn)行探索并取得成效，他們開發(fā)的類型各異的植保無人機(jī)，特別是多旋翼機(jī)，已在多個省市的實地應(yīng)用中展現(xiàn)出優(yōu)勢。由農(nóng)機(jī)農(nóng)藥生產(chǎn)企業(yè)衍生出來的無人機(jī)生產(chǎn)企業(yè)在超高濃度藥劑生產(chǎn)、植保服務(wù)方面融合更充分，并在銷售渠道拓展、駕駛員培訓(xùn)、售后服務(wù)等方面初步探索出較為成功的經(jīng)驗。

3 農(nóng)用航空產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟的成立

無論大型的還是小型的農(nóng)場都有望受益于無人機(jī)。在無人機(jī)的幫助下，小型農(nóng)場能夠提高農(nóng)業(yè)精度，節(jié)省資金和資源；大型農(nóng)場能夠輕松繪制和確定大面積作物的健康狀況和收成，此前這類土地監(jiān)測完全依靠人力，農(nóng)民需要親自查看哪塊田地需要更多的水和肥料。伴隨精確農(nóng)業(yè)的出現(xiàn)，遙感對很多大型農(nóng)場的運(yùn)作來說變得必不可少。衛(wèi)星和飛機(jī)能夠拍攝紅外照片以確定水資源的分布運(yùn)動及雜草的覆蓋情況；熱紅外傳感器可以測量熱量，從遠(yuǎn)處確定作物健康狀況。

2013年1月，農(nóng)用航空產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟在海南三亞成立，羅錫文院士擔(dān)任理事長，聯(lián)盟由積極投身于農(nóng)業(yè)航空產(chǎn)業(yè)技術(shù)進(jìn)步，從事相關(guān)技術(shù)與產(chǎn)品的研究、開發(fā)、生產(chǎn)、制造、服務(wù)的企業(yè)、科研單位和大專院校，以及農(nóng)業(yè)航空市場管理、產(chǎn)品檢測鑒定及技術(shù)推廣等相關(guān)機(jī)構(gòu)自愿組成，以“推動技術(shù)創(chuàng)新、引導(dǎo)產(chǎn)業(yè)發(fā)展”為宗旨，為推動無人機(jī)長足發(fā)展提供了組織保證和技術(shù)交流平臺，對農(nóng)用無人機(jī)最終成為廣大農(nóng)民使用的農(nóng)機(jī)具有著深遠(yuǎn)的影響。

4 國內(nèi)外無人機(jī)應(yīng)用情況

日本雅馬哈無人機(jī)公司有30年的歷史，是農(nóng)用無人機(jī)領(lǐng)域公認(rèn)做得很好的公司[4]，他們的產(chǎn)品可以實現(xiàn)短時間內(nèi)更換油箱，補(bǔ)充藥劑，定高飛行，完全傻瓜式操作，用戶只需撥下開關(guān)鍵，飛機(jī)將自主起飛，飛到定高后懸停，用戶可以方便地操縱飛機(jī)的前進(jìn)后退，大大降低了對農(nóng)民的技術(shù)要求，飛機(jī)的穩(wěn)定性、作業(yè)效率和安全性大大提高。

歐美一直在無人機(jī)技術(shù)上處于領(lǐng)先地位，然而由于政策與法律原因，無人機(jī)發(fā)展受到一定限制。在歐洲所有無人機(jī)飛行需要向歐洲航空管理局進(jìn)行飛行申請，執(zhí)飛飛行器與操作人員需要資質(zhì)認(rèn)證，且質(zhì)量不得超過20 kg。而美國由于農(nóng)業(yè)組織方式采用大農(nóng)場為主，大面積噴藥采用載質(zhì)量更大的有人航空噴藥[5]，無人機(jī)噴藥較少，同時美國聯(lián)邦航空管理局在2015年前禁止美國上空出現(xiàn)直接獲取經(jīng)濟(jì)利益的無人機(jī)飛行，個人航模質(zhì)量不得高于20 kg，飛行高度低于140 m(＜500英尺)，導(dǎo)致美國無人機(jī)產(chǎn)業(yè)發(fā)展落后于日本。

我國耕地面積小，平原面積只占國土面積的12%左右，而耕地面積僅為10%，在南方丘陵居多，大量存在小地塊、梯田等不適合大型航空機(jī)械作業(yè)的耕地地形，無人機(jī)無疑成為一個很好的解決方向。采用無人機(jī)進(jìn)行噴藥、施肥的農(nóng)用無人噴藥機(jī)械遠(yuǎn)達(dá)不到這個水平，作業(yè)機(jī)械與飛行器結(jié)合很差，無法體現(xiàn)無人機(jī)高效的作業(yè)能力。還有，目前飛行器操控人員都需要航模操作經(jīng)驗或者至少四個月的培訓(xùn)，限制了農(nóng)用無人機(jī)的普及。而且我國航空管理法律條例并不完善，對農(nóng)用無人機(jī)使用沒有對口管理部門實施管理，這也導(dǎo)致了目前無人機(jī)技術(shù)市場良莠不齊。

5 未來發(fā)展方向

認(rèn)清差距才能更好地改進(jìn)產(chǎn)品。向日韓農(nóng)用航空設(shè)備學(xué)習(xí)經(jīng)驗，彌補(bǔ)不足，可以迅速提升自己的水平。

(1)提升農(nóng)用無人機(jī)自動化水平，降低飛行中人為因素。開發(fā)離地高度鎖定技術(shù)，降低對操作人員的操作要求。去除與作業(yè)無關(guān)的功能，做好作業(yè)機(jī)械一體化設(shè)計，使得飛行器與作業(yè)機(jī)械成為一個有機(jī)組合農(nóng)業(yè)機(jī)具。

(2)科學(xué)規(guī)劃農(nóng)用無人機(jī)作業(yè)流程，切實提升作業(yè)效率。改變?nèi)藱C(jī)協(xié)作方式，減少中間無謂的等待，能夠明顯提升作業(yè)效率。

(3)優(yōu)化飛行算法，提升飛行穩(wěn)定性和抗風(fēng)險能力。由于農(nóng)用無人機(jī)載質(zhì)量較大，慣性大，存在控制響應(yīng)滯后的問題，如何優(yōu)化算法，實現(xiàn)飛行器平穩(wěn)控制，如何提升飛行器的安全性，降低農(nóng)民所承擔(dān)的風(fēng)險，都是農(nóng)業(yè)工程師要解決的問題。

(4)開發(fā)變量作業(yè)農(nóng)機(jī)具，降低損耗和污染。依據(jù)精細(xì)農(nóng)業(yè)的要求，按照農(nóng)田需求處方圖進(jìn)行變量耕作，是農(nóng)業(yè)自動化與生態(tài)農(nóng)業(yè)發(fā)展的新要求。

(5)提升產(chǎn)品服務(wù)質(zhì)量。賣一臺飛機(jī)并不等于滿足了農(nóng)民對農(nóng)田噴藥的需求，產(chǎn)品銷售方要建立完善的售后服務(wù)網(wǎng)絡(luò)，為農(nóng)民提供技術(shù)咨詢服務(wù)，提供及時的技術(shù)保障與故障維修服務(wù)。

(6)開發(fā)低碳環(huán)保、環(huán)境友好的新能源無人機(jī)?，F(xiàn)在無人機(jī)多選用石油燃料或者電池作為動力來源。石油燃料碳排放很大，而且燃油危險性高；電池的生產(chǎn)過程和廢棄回收都會浪費(fèi)資源，造成環(huán)境污染。太陽能無人機(jī)已經(jīng)在美國出現(xiàn)，它以太陽能作為能量來源，在太陽稍微充足情況下，即可做到全天候飛行[6]。

6 無人駕駛飛行器產(chǎn)品市場分析及預(yù)測

我國地域遼闊，地理及氣象條件多樣，農(nóng)業(yè)人口眾多。截至2007年底我國農(nóng)村人口7.3億，占總?cè)丝诘?5%。耕地面積約1.2178×108hm2，農(nóng)作物病蟲害發(fā)生面積每年約4.49×108hm2次。據(jù)農(nóng)業(yè)部門統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，我國手動植保機(jī)具約35個品種，社會保有量約5807.99萬臺，擔(dān)負(fù)著全國農(nóng)作物病、蟲、草害防治面積的70%以上；機(jī)動植保機(jī)械有背負(fù)式機(jī)動噴霧機(jī)及背負(fù)式機(jī)動噴霧噴粉機(jī)約8個品種，社會保有量約261.73萬臺；擔(dān)架式機(jī)動噴霧機(jī)社會保有量約16.82萬臺；小型機(jī)動及電動噴霧機(jī)社會保有量25.35萬臺；拖拉機(jī)懸掛式或牽引的噴桿式噴霧機(jī)及風(fēng)送式噴霧機(jī)的社會保有量4.16萬臺；航空植保作業(yè)裝備保有量僅400架[7]。地面植保機(jī)具防治效率低，對于遷飛性害蟲暴發(fā)和大區(qū)域流行性病害發(fā)生不能實現(xiàn)大面積的統(tǒng)防統(tǒng)治。根據(jù)新疆地區(qū)的使用記錄顯示，飛機(jī)的作業(yè)效率是目前地面植保機(jī)具中防治效率最高的高架噴霧器作業(yè)效率的8.38倍。飛機(jī)作業(yè)不僅作業(yè)效率高，能節(jié)省大量人力和農(nóng)藥，且完成同樣作業(yè)面積的耗油量也比拖拉機(jī)等農(nóng)業(yè)機(jī)械少。目前，我國城市化進(jìn)程快速發(fā)展，越來越多的勞動力走向城市，大量農(nóng)業(yè)勞動力向第二、三產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移，集約化農(nóng)業(yè)將是我國農(nóng)業(yè)發(fā)展的必由之路，航空技術(shù)優(yōu)勢在農(nóng)業(yè)中將會得到更加充分的發(fā)揮，日益滿足我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展和環(huán)境保護(hù)的需要。農(nóng)用無人機(jī)發(fā)展前景廣闊，市場潛力巨大。

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