閔南燕,鄧小明,胡小鹿,劉利軍,柏雨岑,齊江濤
(1.中國技術(shù)交易所,北京 100080; 2.中國農(nóng)村技術(shù)開發(fā)中心,北京 100045;3.吉林大學工程仿生教育部重點實驗室,吉林 長春 130022)
現(xiàn)代農(nóng)業(yè)對農(nóng)業(yè)航空的需求日益旺盛,尤其是用于農(nóng)業(yè)植保的微小型農(nóng)用無人機產(chǎn)業(yè)在我國快速發(fā)展。農(nóng)用無人機可提供便捷、智能和可靠的農(nóng)業(yè)植保解決方案,作業(yè)質(zhì)量好、成本低且適應能力強,作業(yè)效率較人工作業(yè)可提升60~90倍,因而在工業(yè)級無人機市場中占有著極為重要的產(chǎn)業(yè)地位和商業(yè)價值[1]。
從用途來看,農(nóng)用無人機主要可分為3種。
一是植保無人機,用于植物保護。保護手段主要是通過地面遙控飛行器實現(xiàn)農(nóng)藥噴灑[1-3]。主要優(yōu)勢在于,噴灑作業(yè)效率高;遠距離遙控操作避免農(nóng)藥中毒危險;低空作業(yè)使得霧滴從噴灑器噴出時被旋翼的向下氣流加速形成氣霧流,增加藥液霧滴對農(nóng)作物的穿透力,減少農(nóng)藥飄失,因而防治效果比傳統(tǒng)噴施更好,還能夠降低農(nóng)藥滲透土壤導致的污染問題[4-5]。
二是農(nóng)田監(jiān)測無人機,用于獲取農(nóng)田信息,通常搭載有多種任務負荷。如成像光譜儀等非接觸式監(jiān)測設備,以獲取有關(guān)農(nóng)田和作物的遙感數(shù)字信息,進而通過數(shù)據(jù)處理、分析,獲取農(nóng)作物長勢、農(nóng)田環(huán)境等信息[6]。農(nóng)田監(jiān)測無人機可以精準實時監(jiān)測作物生長參數(shù),如植被覆蓋度、葉面積指數(shù)、株高及這些參數(shù)與產(chǎn)量間的相關(guān)性;有助于農(nóng)作物生長決策,如診斷作物營養(yǎng)狀況和田間墑情信息,對于病蟲害的監(jiān)控也有較高的準確性;還可以快速獲取農(nóng)田空間位置信息,獲取不同階段的作物和土壤信息,劃分土地利用類型、定位農(nóng)田邊界和基礎設施及量算種植面積等[7-8]。與傳統(tǒng)田間定位監(jiān)測相比,農(nóng)業(yè)無人機監(jiān)測具有信息采集快捷、空間覆蓋率高等特點[9-10]。
三是播種施肥無人機,用于播種、施肥和施藥作業(yè)。作業(yè)時利用無人機螺旋槳旋起的氣流將植株吹開,從噴灑裝置中噴射出來的肥液在氣流的作用下,被均勻地噴灑到農(nóng)作物葉片上,具有施肥精準度和作業(yè)效率高、利于規(guī)?;a(chǎn)的特點[11-12]。
在全球高新技術(shù)飛速發(fā)展、專利申請量持續(xù)快速增長的形勢下,本文針對農(nóng)用無人機技術(shù)領域,檢索2009—2019年全部農(nóng)用無人機專利申請,對農(nóng)用無人機技術(shù)全球?qū)@暾埱闆r、我國專利申請情況、主要申請人及技術(shù)構(gòu)成等內(nèi)容進行宏觀統(tǒng)計和定量分析,得出該技術(shù)領域的整體態(tài)勢和發(fā)展狀況。
采用的專利文獻數(shù)據(jù)主要來自incoPat科技創(chuàng)新情報平臺、國家知識產(chǎn)權(quán)局中國專利文獻數(shù)據(jù)庫(CNPAT)及歐洲專利局專利文獻數(shù)據(jù)庫(EPODOC)。
針對中國專利數(shù)據(jù)庫和全球?qū)@麛?shù)據(jù)庫檢索的截止時間為2019年9月。側(cè)重無人機技術(shù)在農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)中的應用,確定的研究邊界是與農(nóng)業(yè)作業(yè)場景密切相關(guān)的農(nóng)用無人機技術(shù),未涉及無人機技術(shù)領域中的通用技術(shù)。
截至檢索日,全球范圍農(nóng)用無人機專利申請共4 483件,全球/中國農(nóng)用無人機專利申請趨勢如圖1所示。由圖1可以看出,近10年農(nóng)用無人機總體申請量為上升趨勢,2012年前專利申請增長緩慢,年申請量不足100件,以海外專利申請為主。2013年開始申請數(shù)量超過100件,并在2016年出現(xiàn)飛速增長態(tài)勢。自2013年開始,中國在該領域的專利申請量快速增長,2016年開始呈現(xiàn)爆炸式增長,中國后來居上引領全球申請量的高速增長。
圖1 全球中國農(nóng)用無人機專利申請趨勢Fig.1 GlobalChinese agricultural UAV patent application trend
農(nóng)用無人機全球?qū)@麌?組織分布如圖2所示??梢钥闯?,中國的農(nóng)用無人機產(chǎn)業(yè)的銷售量近幾年都占有全球農(nóng)用無人機市場較大市場份額[13-14]。
圖2 農(nóng)用無人機專利國家組織分布Fig.2 Distribution of patent countriesorganizations for agricultural UAV
在專利申請量上,從全球?qū)@植记闆r來看,農(nóng)用無人機技術(shù)領域中,以國別來看,中國專利申請量占全球?qū)@暾埧倲?shù)量的56%,成為這一領域的主要申請國。其次,美國專利申請量占全球?qū)@暾埧倲?shù)量的10%,日本專利申請量占全球?qū)@暾埧倲?shù)量的7%。以區(qū)域申請情況來看,來自歐洲的專利申請占比5%(指在歐洲專利局EPO申請的EP類專利申請量,不包括向歐洲各國單獨申請的專利申請量)。從全球申請范圍來看,中國、美國、日本和歐洲等都是農(nóng)用無人機領域的重點布局國家或區(qū)域。中國自2013年以來申請量呈現(xiàn)持續(xù)高升趨勢,遠超美、日等國。說明國內(nèi)申請人已在中國積極布局農(nóng)用無人機,對這一領域投入了較高的研發(fā)力度,具備了一定的競爭力和創(chuàng)新能力。
農(nóng)用無人機技術(shù)專利申請量位居前10的申請人均為中國申請人,以企業(yè)與高校遙遙領先,全球?qū)@暾埲伺琶鐖D3所示。日本的老牌農(nóng)用無人機企業(yè)雅馬哈發(fā)動機株式會社及美國航空環(huán)境公司(Aero Vironment, Inc.)等有30件左右的申請量。此外,國際傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)機械廠商如久保田、井關(guān)農(nóng)機和迪爾等在農(nóng)用無人機領域的專利量較少。從申請人成分構(gòu)成來看,從事農(nóng)用無人機研發(fā)和創(chuàng)新的主力軍是傳統(tǒng)的工業(yè)級或消費級無人機的生產(chǎn)廠商,傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)機械廠商參與不多。在排名前10的申請人中,高校、科研院所占3席,分別是排名第2位的華南農(nóng)大、排名第5位的浙江大學和排名第10位的南京農(nóng)業(yè)機械化研究所。極飛科技(390件)、華南農(nóng)大(205件)和大疆創(chuàng)新(147件)是申請量最多的3位申請人。
圖3 全球?qū)@暾埲伺琶鸉ig.3 Ranking of global patent applicants
極飛科技(廣州極飛科技有限公司)成立于2007年,專注于民用農(nóng)用無人機和飛行控制系統(tǒng)的研發(fā)和制造,是國內(nèi)領先的農(nóng)用無人機研發(fā)企業(yè)[15]。極飛科技于2015年發(fā)布第1代P20型植保農(nóng)用無人機系統(tǒng),2016年發(fā)布P20 2017款植保農(nóng)用無人機系統(tǒng),2017年發(fā)布3款全新植保農(nóng)用無人機系統(tǒng)(P10 2018款、P20 2018款、P30 2018款)和極飛地理智能測繪農(nóng)用無人機C2000,2018年發(fā)布P系列2019款植保農(nóng)用無人機系統(tǒng)和極俠(XMission)多功能農(nóng)用無人機系統(tǒng)。市場占有率方面,據(jù)統(tǒng)計,截至2018年11月30日,極飛科技全球運營的植保農(nóng)用無人機數(shù)量為21 731架。截至2019年9月21日,極飛科技植保農(nóng)用無人機全球累計作業(yè)面積已超過2 000 hm2,累計節(jié)省429萬t農(nóng)業(yè)噴灑用水,減少了1.86萬t農(nóng)藥與化肥的濫用。
華南農(nóng)大(華南農(nóng)業(yè)大學)擁有“國家精準農(nóng)業(yè)航空施藥技術(shù)國際聯(lián)合研究中心”,該研究中心是科技部認定的國家級研究中心,針對國內(nèi)典型糧食作物、經(jīng)濟作物航空植保施藥,聯(lián)合美國農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)研究服務署航空應用技術(shù)中心(USDA-ARS-AATRU)、澳大利亞昆士蘭大學(University of Queensland)農(nóng)藥應用和安全中心等國外先進的農(nóng)業(yè)航空應用技術(shù)研究機構(gòu),圍繞精準農(nóng)業(yè)航空,共同開展農(nóng)業(yè)航空遙感、航空精準變量噴霧等相關(guān)技術(shù)及裝備的創(chuàng)新研究關(guān)鍵技術(shù)和共性問題、推廣精準農(nóng)業(yè)航空技術(shù)。華南農(nóng)大依托研究中心,在精準農(nóng)業(yè)航空、航空施藥技術(shù)和航空遙感技術(shù)的開發(fā)與研究應用、農(nóng)用無人機航空施藥霧滴沉積分布規(guī)律、農(nóng)用無人機低空遙感的農(nóng)情信息獲取與解析、農(nóng)用無人機智能控制系統(tǒng)、農(nóng)用無人機精準施藥關(guān)鍵部件、控制技術(shù)與控制裝備及農(nóng)用無人機性能檢測平臺等關(guān)鍵技術(shù)方面產(chǎn)出了較多的專利成果。
大疆創(chuàng)新(深圳市大疆創(chuàng)新科技有限公司)成立于2006年,是全球領先的無人飛行器控制系統(tǒng)及農(nóng)用無人機解決方案的研發(fā)和生產(chǎn)商。2015年12月,大疆創(chuàng)新推出一款智能農(nóng)業(yè)噴灑防治農(nóng)用無人機——大疆MG-1型農(nóng)業(yè)植保機,標志著大疆創(chuàng)新正式進入農(nóng)用無人機領域[16]。
總體來看,在農(nóng)用無人機技術(shù)領域,高校和科研院所是我國農(nóng)用無人機技術(shù)發(fā)展中不可忽視的重要力量。產(chǎn)學研的有效合作將會加快中國在農(nóng)用無人機領域的技術(shù)發(fā)展速度,有效提升和促進我國農(nóng)用無人機在全球的市場份額。
農(nóng)用無人機技術(shù)可分為無人機在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)各類場景中的應用技術(shù)及無人機為適應農(nóng)業(yè)應用場景進行的性能方面的改進技術(shù)。因此,將農(nóng)用無人機技術(shù)分為如圖4所示技術(shù)構(gòu)成。
從圖4的歷年申請趨勢可知,作業(yè)管理(2 212件)分支的專利文獻最多,占據(jù)了農(nóng)用無人機總體專利文獻數(shù)量的約50%。由于農(nóng)用無人機專利其所保護的技術(shù)方案很多并不是對農(nóng)用無人機系統(tǒng)自身的改進,而是聚焦在農(nóng)業(yè)的應用場景下對農(nóng)用無人機的作業(yè)行為進行技術(shù)創(chuàng)新,如向農(nóng)田噴灑農(nóng)藥、藥粉和施撒種子等作業(yè)行為[2-4]。因此,像作業(yè)管理這種應用類型的專利占比較大,這與農(nóng)用無人機主要應用于植保作業(yè)、農(nóng)田監(jiān)測和播種施肥的用途也是相對應的[17-19]。
圖4 農(nóng)用無人機各技術(shù)構(gòu)成申請趨勢Fig.4 Application trend of agricultural UAV technologies
其次,占比較大的是機體方向的專利1 658件,占農(nóng)用無人機總申請量的37%,這其中主要貢獻量來自于中國專利的中國申請人。我國專利制度開始于1985年,我國專利申請人對于專利的撰寫水平還處在初級階段,涉及到結(jié)構(gòu)類的專利方案撰寫,通常會從被保護產(chǎn)品的整體結(jié)構(gòu)入手進行撰寫,這就使得在農(nóng)用無人機的專利申請中,對農(nóng)用無人機機體及機體各個部件間的連接結(jié)構(gòu)等方面的專利申請量較多。
飛行控制技術(shù)和動力/驅(qū)動技術(shù)方向的專利申請較少,分別占比10%和3%。兩個技術(shù)方面都屬于無人機技術(shù)的基礎支撐型技術(shù),在專利申請中聚焦在農(nóng)業(yè)場景中進行技術(shù)改進的專利相對較少[20]。飛行控制技術(shù)的專利申請主要集中在軌跡控制和控制系統(tǒng)控制方法方向[6]。軌跡控制主要包括路徑/航線規(guī)劃技術(shù)和無人機避障技術(shù)[21-22]。這兩個方向的專利布局從2016年開始有了較明顯的漲勢,預計未來一段時間該領域仍會有較大發(fā)展空間(由于專利從申請到公開至少需要18個月的時間,2018年和2019年專利申請數(shù)據(jù)覆蓋不完全)。對于飛行控制的控制系統(tǒng)控制方法,存在不少專利是將人工智能技術(shù)應用于無人機,用于準確識別作業(yè)場景的數(shù)據(jù)信息,再基于專家系統(tǒng)利用規(guī)則為無人機的飛行提供線路規(guī)劃決策。人工智能、機器學習和深度學習等技術(shù)與無人機技術(shù)在農(nóng)業(yè)場景下融合,進一步提高了農(nóng)用無人機飛行控制的自動化和智能化水平。動力/驅(qū)動技術(shù)中,動力系統(tǒng)性能的改變或提升受應用場景變化的影響不大,所以專門針對無人機在農(nóng)業(yè)場景下的動力/驅(qū)動系統(tǒng)的改進并不常見,根據(jù)無人機的動力來源,動力/驅(qū)動技術(shù)主要包括燃油/燃氣驅(qū)動、電動驅(qū)動、太陽能驅(qū)動和油電混合驅(qū)動等。其中以電動和燃油驅(qū)動為主,且國內(nèi)申請更趨向于電池驅(qū)動為主的空機質(zhì)量輕量化設計。
結(jié)合各個技術(shù)分支中的代表性專利對農(nóng)用無人機在植保作業(yè)、農(nóng)田監(jiān)測作業(yè)及播種授粉作業(yè)等應用場景中的創(chuàng)新型技術(shù)進行分析。綜合對申請日期、被引證頻率、同族情況及技術(shù)內(nèi)容的綜合考慮,確定了如圖5所示的代表性專利示意圖,反映該技術(shù)領域的研究熱點和研究動態(tài)。
從代表性專利的申請年份來看,2015—2017年取得的技術(shù)成果較多,且聚焦在作業(yè)管理技術(shù)領域和機體改進技術(shù)領域。作業(yè)管理技術(shù)領域中,遙感監(jiān)測細分技術(shù)領域的重要專利居多,其次是有關(guān)噴灑施藥的植保作業(yè)方法專利。其中,在農(nóng)田監(jiān)測作業(yè)方向,2017年大疆創(chuàng)新提出的用于機器視覺的低輪廓多波段高光譜成像(CN110476118A),提供了可用于機器視覺系統(tǒng)的高光譜成像系統(tǒng),該成像系統(tǒng)因其在對不同光譜波段中的圖像進行濾波時可以使用相機的所有傳感器像素而具有更高的空間分辨率,同時提供比傳統(tǒng)RGB相機系統(tǒng)更好的光譜分辨率[23]。大疆創(chuàng)新在2017年還提出了輸出影像生成方法、設備及無人機(CN109076173A),該專利方案側(cè)重保護如何提升無人機拍攝影像的準度和精度[24]。此外,最高溫度點跟蹤方法、裝置和無人機(CN109154815A)專利,其無人機上搭載的紅外相機可以感測其拍攝到的畫面中各物體的熱力學溫度,實現(xiàn)對最高溫度點的跟蹤拍攝,使得最高溫度點位于圖像的目標位置[25]。
上述3篇專利的申請時間都是在2017年,其所保護的技術(shù)方案較好地對應了大疆創(chuàng)新在2019年9月發(fā)布的精靈4多光譜版無人機(P4 Multispectral),該款無人機是大疆創(chuàng)新首次將多光譜成像系統(tǒng)集成在無人機平臺上,以精確采集多光譜數(shù)據(jù)。多光譜影像相比可見光成像,能提供更多準確的指向性信息,幫助農(nóng)戶和農(nóng)技人員洞察植物生長狀況及健康情況。
Harris Aerial是美國的一家商用無人機生產(chǎn)商,其在2018年推出了一款油電混合無人機Carrier H4 Hybrid,該款無人機的主要特點:一是同時配備電池、汽油發(fā)電機和油缸以實現(xiàn)油電混合長時續(xù)航;二是螺旋槳可折疊,折疊后體積可縮小50%,方便攜帶和收儲,節(jié)省運輸成本[8,26]。其中,Harris Aerial在2016年申請的折疊式重型無人機架(US10266245)就是保護螺旋槳的可折疊結(jié)構(gòu)[27]。此外,圖5中列出的Harris Aerial在2017年申請的重型無人機的模塊化噴霧器系統(tǒng)(US10478841),該專利提供了一種液體儲存箱,及其與安裝單元及泵組件之間的結(jié)構(gòu)和連接關(guān)系,還包括用于確定液體儲罐內(nèi)液位的液位傳感器[28]。US10478841還保護了有關(guān)無人機通訊的內(nèi)容,關(guān)聯(lián)到了通訊標準(ETSI_TS 23.502、ETSI_TS 23.288),成為一篇標準必要專利。標準必要專利是包含在國際標準、國家標準和行業(yè)標準中,且在實施標準時必須使用的專利,也就是說當標準化組織在制定某些標準時,部分或全部標準草案由于技術(shù)上或者商業(yè)上沒有其他可替代方案,無可避免要涉及到專利或?qū)@暾?,通常認為標準必要專利具有較高的價值。農(nóng)用無人機領域的標準必要專利數(shù)量極為罕見。
圖5 農(nóng)用無人機各技術(shù)構(gòu)成代表性專利Fig.5 Representative patents of different technology components
從代表性專利的申請人來看,傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)機械廠商在農(nóng)用無人機領域的專利布局還是側(cè)重在對無人機的田間應用研究。如洋馬在2015年申請的空中撒布裝置,在中國有專利布局,專利被引用方包括大疆創(chuàng)新、井關(guān)農(nóng)機等公司。該專利提供一種空中撒布裝置,能夠?qū)⑷霾剂颗c作物生長和產(chǎn)量偏差情況相對應,實現(xiàn)高效撒布。迪爾在2015年也申請了應用無人機技術(shù)進行產(chǎn)量估算的專利,其農(nóng)用無人機的技術(shù)并未在中國布局,不過農(nóng)機巨頭凱斯紐荷蘭和愛科也都有引用該專利。
從專利布局角度看,植保作業(yè)和農(nóng)田監(jiān)測作業(yè)是當前的研發(fā)熱點,參與研發(fā)的主體類型以無人機廠商和農(nóng)業(yè)機械廠商為主,且國內(nèi)廠商以極飛科技與大疆創(chuàng)新為主,兩家都擁有較多的國際專利布局,布局主要聚焦在歐美、日本和韓國??蒲泄ぷ髦貜脱邪l(fā)的風險較高,技術(shù)創(chuàng)新難度相對較大。飛行控制技術(shù)和動力驅(qū)動技術(shù)參與研發(fā)的主體類型相對不集中,有傳統(tǒng)的飛機制造廠商,也有通信廠商,還有一些對航空事業(yè)有探索性的公司,如谷歌公司在2013和2014年相繼申請了兩篇(US9957037、US9518873)有關(guān)集成太陽能電池的無人機技術(shù)的專利并且都在中國有技術(shù)布局[29-30]。研發(fā)人員可綜合考慮農(nóng)業(yè)場景下的地形、環(huán)境等因素,加強在動力系統(tǒng)和飛行控制方向上的專利布局[31]。
總體來看,農(nóng)用無人機技術(shù)正處于技術(shù)發(fā)展期,前景看好。未來幾年,農(nóng)用無人機技術(shù)的相關(guān)專利申請量和申請人數(shù)量仍將保持較高增長趨勢。通過上述專利信息,揭示了農(nóng)用無人機技術(shù)的發(fā)展情況,為科技人員的技術(shù)開發(fā)提供信息基礎。基于以上分析,對農(nóng)用無人機技術(shù)專利布局提出3點建議。
(1)加強農(nóng)用無人機領域的海外專利布局,提升產(chǎn)品在海外市場的競價能力。根據(jù)BlueWeave咨詢公司的數(shù)據(jù),全球農(nóng)用無人機市場規(guī)模預計將從2019年的11億美元增長到2026年年底的47億美元,在2019—2026年的預測期間以31.3%的快速CAGR(Compound Annual Growth Rate,復合年均增長率)增長。技術(shù)創(chuàng)新、創(chuàng)新技術(shù)專利保護和創(chuàng)新技術(shù)產(chǎn)品市場競爭力3者是緊密關(guān)聯(lián)的。在農(nóng)用無人機市場蓬勃發(fā)展的大環(huán)境中,我國的農(nóng)用無人機企業(yè)應該加強國內(nèi)發(fā)明專利的申請量,以追求長久的技術(shù)保護期;同時加強國際專利的申請和布局,為農(nóng)用無人機出海打下堅實的知識產(chǎn)權(quán)基礎,提升農(nóng)用無人機產(chǎn)品在海外市場的競價能力。
(2)提升專利撰寫技巧,加強專利權(quán)利要求的布局意識。極飛科技與大疆創(chuàng)新是國內(nèi)植保無人機的兩家龍頭企業(yè),就農(nóng)用無人機的專利量來說,極飛科技的申請量多于大疆創(chuàng)新,主要原因是極飛科技是以農(nóng)用無人機為主業(yè),而大疆創(chuàng)新是2015年才開始農(nóng)用無人機布局,其大量專利集中在消費類無人機領域。兩家在專利撰寫方面的技巧性操作值得學習(可參考CN110382356A、CN209626259U和CN209080184U等專利)[32-34]。在權(quán)利要求保護方面會以無人機的通用技術(shù)、通用部件進行保護,但是,保護主題中通常會以一個獨立權(quán)利要求對無人機在農(nóng)業(yè)方面的應用給予保護,同時在說明書的實施例中給予在農(nóng)業(yè)方面的應用場景的描述,既保證了專利的保護范圍,又實現(xiàn)了技術(shù)在應用場景中的具象化。這樣的撰寫和權(quán)利要求布局方式,對于專利無效階段的權(quán)利要求解釋及專利侵權(quán)訴訟中專利與侵權(quán)產(chǎn)品的比對對準性都是極有幫助的。
(3)加強專利保護意識的同時,提升對專利市場化運用的能力。專利權(quán)的獲得使得權(quán)利人對自己的專利技術(shù)擁有了獨占性和專有性,那么自然也就擁有了主動出擊主張自己權(quán)利的能力,自2015年以來,在消費類無人機領域已然掀起了一波波的專利戰(zhàn)。據(jù)不完全統(tǒng)計,大疆創(chuàng)新先后就專利侵權(quán)相關(guān)問題起訴了深圳道通、佛山黑馬、廣州華科爾、YUNEEC昊翔和北京零度等多家無人機企業(yè)。極飛科技也有多項專利涉及到專利侵權(quán)訴訟。目前,在農(nóng)用無人機領域尚未大規(guī)模出現(xiàn)知識產(chǎn)權(quán)爭奪狀況,但是隨著農(nóng)用無人機市場的開拓,市場競爭態(tài)勢的增強,農(nóng)用無人機領域的專利戰(zhàn)也會隨之一觸即發(fā)。