徐 陽(yáng)，孫 竹，薛新宇

（農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，南京 210014）

我國(guó)每年主要農(nóng)作物病蟲害發(fā)生面積巨大，近5年的年均發(fā)生面積為3.667億hm2次。目前化學(xué)防治仍是防治病蟲草害最主要和最有效的方式[1-2]。近年來，伴隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化建設(shè)進(jìn)程的加快，農(nóng)村勞動(dòng)力短缺與農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力需求的矛盾日益嚴(yán)峻，亟需高效作業(yè)機(jī)具服務(wù)于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)[3-4]。植保無人飛機(jī)施藥作業(yè)具有快速高效、適應(yīng)性廣等顯著特征，克服了傳統(tǒng)植保機(jī)械作業(yè)效率低、下地難、轉(zhuǎn)場(chǎng)難和勞動(dòng)力投入大的問題，已逐漸成為我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)不可或缺的一部分[5-7]。當(dāng)前植保無人飛機(jī)的市場(chǎng)潛力巨大，是科技下鄉(xiāng)解決三農(nóng)問題的代表性成果。

1 植保無人飛機(jī)發(fā)展及應(yīng)用現(xiàn)狀

農(nóng)業(yè)航空的發(fā)展已有100多年歷史。美國(guó)是農(nóng)業(yè)航空應(yīng)用技術(shù)最成熟的國(guó)家之一[8]，所采用的農(nóng)用有人駕駛飛機(jī)有20多個(gè)品種。根據(jù)機(jī)型劃分，可分為固定翼飛機(jī)和直升飛機(jī)2大類：目前美國(guó)具有農(nóng)業(yè)航空相關(guān)企業(yè)2 000多家，有完善的協(xié)會(huì)管理制度。日本是最早將單旋翼無人飛機(jī)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的國(guó)家[9]，自20世紀(jì)80年已經(jīng)開始飛防作業(yè)，是植保無人飛機(jī)作業(yè)技術(shù)發(fā)展最成熟的國(guó)家之一。

我國(guó)植保無人飛機(jī)起步較晚，但是近年來在政府、科研單位、高校、企業(yè)以及服務(wù)組織的探索下，植保無人飛機(jī)作業(yè)技術(shù)發(fā)展迅速[10]。自2015年起，隨著以飛控技術(shù)為核心的高科技企業(yè)極飛科技有限公司、大疆創(chuàng)新科技有限公司進(jìn)入農(nóng)業(yè)，產(chǎn)業(yè)規(guī)模呈現(xiàn)逐年翻番的高速發(fā)展?fàn)顟B(tài)，已形成了集研發(fā)、生產(chǎn)、銷售、服務(wù)一條龍的完整產(chǎn)業(yè)鏈，產(chǎn)品的市場(chǎng)保有量、作業(yè)量、駕駛員人數(shù)逐年遞增。截至2022年，全國(guó)的植保無人飛機(jī)保有量已達(dá)到16萬臺(tái)，作業(yè)面積為0.933億hm2次，占我國(guó)病蟲害防治面積的20%左右。植保無人飛機(jī)研發(fā)及組裝的生產(chǎn)企業(yè)100多家，其中龍頭企業(yè)10余家，產(chǎn)品覆蓋單旋翼、多旋翼以及油動(dòng)、電動(dòng)等多個(gè)品種。行業(yè)帶動(dòng)了超過8 000家飛防專業(yè)社會(huì)化服務(wù)組織的發(fā)展。

目前植保無人飛機(jī)的作業(yè)對(duì)象幾乎覆蓋了全部農(nóng)作物，包括水稻[11-13]、小麥[14-15]和玉米[16-17]等主要糧食作物，各種經(jīng)濟(jì)作物棉花[18]、油菜[19]、果樹[20-21]和瓜果蔬菜如蘋果、葡萄、柑橘、豇豆、小白菜等，并且獲得了理想的防治效果和防治經(jīng)驗(yàn)。經(jīng)過幾年來的發(fā)展，在關(guān)鍵技術(shù)、裝備及飛防藥劑的不斷升級(jí)推動(dòng)作用下，施藥作業(yè)質(zhì)量有了長(zhǎng)足進(jìn)步，當(dāng)前植保無人飛機(jī)的病蟲害防治效果已接近地面大型噴桿噴霧機(jī)具的水平，作業(yè)類型也從植保施藥延伸至授粉、播種、施肥、投料等，且實(shí)現(xiàn)了一機(jī)多用的功能拓展。

2 植保無人飛機(jī)機(jī)型演變

2.1 日本無人飛機(jī)發(fā)展

日本的植保無人飛機(jī)機(jī)型以油動(dòng)單旋翼為主。1985年，日本雅馬哈公司率先推出世界第一架農(nóng)用無人飛機(jī)Yamaha-R50型，其有效載荷為5 kg，主要用于農(nóng)藥的噴灑（圖1a）。經(jīng)過10年的作業(yè)實(shí)踐和改進(jìn)，日本于1997年研發(fā)出了具有飛行姿態(tài)控制系統(tǒng)且性能大幅提升的RMAX新機(jī)型（圖1b）；2017年投入市場(chǎng)的FAZERR G2型無人直升機(jī)，載藥質(zhì)量為40 kg，續(xù)航距離為90 km（圖1c）。2020年發(fā)布的油動(dòng)單旋翼FAZER R AP，有效載荷為32 kg，增加了自動(dòng)飛行功能，無需手動(dòng)遙控進(jìn)行自動(dòng)起降。

圖1 日本雅馬哈公司推出3 種以單旋翼為主的農(nóng)用無人飛機(jī)示意圖

截至2012年，日本農(nóng)用無人直升機(jī)作業(yè)面積為96.3萬hm2/年，占種植面積的50%～60%；截至2015年，日本植保無人直升機(jī)保有量為2 668臺(tái)。雅馬哈公司在日本植保無人飛機(jī)市場(chǎng)占有率達(dá)90%。從2015年開始，一些日本企業(yè)開始推出四旋翼、六旋翼等多旋翼植保無人飛機(jī)，如Yamaha Nile-JZ（圖2a）與SkymatiX X-F1（圖2b）等。

圖2 日本雅馬哈公司推出2 種以多旋翼為主的農(nóng)用無人飛機(jī)示意圖

2.2 國(guó)內(nèi)無人飛機(jī)發(fā)展

我國(guó)植保無人飛機(jī)科研起步自2008年，在國(guó)家“863”計(jì)劃項(xiàng)目“水田超低空低量施藥技術(shù)研究與裝備創(chuàng)制”的支持下，由農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所牽頭，中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)、中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究院、南京林業(yè)大學(xué)、總參謀部第六十研究所等單位參加。與日本植保無人飛機(jī)手動(dòng)操控技術(shù)路線不同，我國(guó)植保無人飛機(jī)是全新的自主飛行模式無人飛機(jī)，科研產(chǎn)品“N-3”油動(dòng)單旋翼植保無人飛機(jī)配備基于GPS導(dǎo)航施藥作業(yè)系統(tǒng)，藥箱有效載荷20 kg，搭載2個(gè)超低量離心霧化噴頭[22]（圖3）。

圖3 N-3 油動(dòng)單旋翼植保無人飛機(jī)

2010—2015年，全國(guó)涌現(xiàn)了一批植保無人飛機(jī)企業(yè)，其中包括無錫漢和、安陽(yáng)全豐、高科新農(nóng)、珠海羽人，作業(yè)面積達(dá)66.667萬hm2次。市場(chǎng)上主要機(jī)型包括油動(dòng)與電動(dòng)單旋翼、電動(dòng)多旋翼（圖4），但機(jī)具以手動(dòng)遙控為主，載藥量在10～15 kg。

圖4 2010—2015年國(guó)內(nèi)部分企業(yè)研發(fā)植保無人飛機(jī)示意圖

2015年，廣州極飛科技有限公司開始發(fā)布電動(dòng)四旋翼植保無人飛機(jī)P20，采用全自主作業(yè)模式，并在2016年將植保無人飛機(jī)加入了RTK定位技術(shù)，P20載藥量達(dá)10 kg（圖5a）。P系列作為廣州極飛科技有限公司主流機(jī)型，當(dāng)前已發(fā)展到P100，載重達(dá)50 kg。2021年，極飛又推出新系列，即電動(dòng)雙旋翼V系列植保無人飛機(jī)，最新的V50具備20 kg的有效載重（圖5b）。除植保作業(yè)功能外，極飛的P系列與V系列還支持種子、肥料等固體顆粒的播撒作業(yè)功能，作物對(duì)象主要為大田作物與果園。

圖5 廣州極飛推出電動(dòng)四旋翼和電動(dòng)雙旋翼植保無人飛機(jī)示意圖

2015年底，深圳大疆創(chuàng)新科技有限公司發(fā)布了電動(dòng)八旋翼MG-1植保無人飛機(jī)，載藥量在10 kg（圖6a）。至今，該公司陸續(xù)推出電動(dòng)八旋翼MG-1S、MG-1P，載藥量均為10 kg，在2019年后陸續(xù)推出電動(dòng)四旋翼T系列植保無人飛機(jī)T20與T25，并在2021年發(fā)布了電動(dòng)八旋翼植保無人飛機(jī)T50（圖6b），其采用共軸雙旋翼動(dòng)力系統(tǒng)，載藥量分別為40 kg和50 kg，集航測(cè)與飛防于一體，面向大田與果園作業(yè)。

圖6 深圳大疆推出電動(dòng)八旋翼植保無人飛機(jī)示意圖

2015年至今，無錫漢和、安陽(yáng)全豐、深圳高科、北京韋加等公司陸續(xù)發(fā)布了電動(dòng)單旋翼、油動(dòng)單旋翼、電動(dòng)四旋翼與電動(dòng)八旋翼的植保無人飛機(jī)產(chǎn)品（圖7a～e）?？倕⒌诹芯克⒅锌圃荷蜿?yáng)自動(dòng)化研究所、北京航空航天大學(xué)等科研機(jī)構(gòu)也研制出一批油動(dòng)大載荷單旋翼植保無人飛機(jī)產(chǎn)品或者樣機(jī)（圖7f～h）。

圖7 2015 年至今國(guó)內(nèi)部分企業(yè)和科研機(jī)構(gòu)研發(fā)的植保無人飛機(jī)示意圖

國(guó)內(nèi)植保無人飛機(jī)的發(fā)展不斷吸引科技公司的加入，如拓攻機(jī)器人與蘇州極目機(jī)器人等公司。2020年，拓攻機(jī)器人發(fā)布了電動(dòng)四旋翼植保無人飛機(jī)F系列，并之后陸續(xù)推出電動(dòng)六旋翼TG系列，最新的電動(dòng)四旋翼豐鵬系列可配備55 kg播撒料箱或者35 L噴灑藥箱（圖7I）。2021年，蘇州極目機(jī)器人科技有限公司開始發(fā)布電動(dòng)四旋翼植保無人飛機(jī)EA2021，目前已發(fā)布了5種機(jī)型，其中EA-30XP植保無人飛機(jī)支持植保噴灑與播撒作業(yè)，具備雙目視覺三維感知技術(shù)，可實(shí)時(shí)檢測(cè)障礙物超低仿地飛行，進(jìn)行丘陵山地全場(chǎng)景作業(yè)，藥箱容量達(dá)到30 L（圖7J）。

目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)已擁有一批操作簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性高、可靠性高、作業(yè)效果較為理想的植保無人飛機(jī)產(chǎn)品，適合我國(guó)不同農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)經(jīng)營(yíng)模式和地貌特點(diǎn)。比如，適合丘陵和小規(guī)模植保與輔助授粉作業(yè)的電動(dòng)單旋翼無人飛機(jī)、適合復(fù)雜地形植保與遙感作業(yè)的電動(dòng)多旋翼無人飛機(jī)、適合平原大規(guī)模種植區(qū)植保作業(yè)的大載荷油動(dòng)無人飛機(jī)、適合多種作物混植區(qū)植保作業(yè)的輕型油動(dòng)無人飛機(jī)。

3 技術(shù)發(fā)展

3.1 機(jī)體平臺(tái)技術(shù)發(fā)展

2008—2015年，植保無人飛機(jī)產(chǎn)品的多數(shù)機(jī)型仍然是由航?；蛘吆脚南到y(tǒng)改制而成，自動(dòng)化程度和技術(shù)水平不足，存在飛不穩(wěn)、飛不低、飛不準(zhǔn)、復(fù)雜農(nóng)田環(huán)境適應(yīng)性低等問題，導(dǎo)致作業(yè)質(zhì)量較差，墜機(jī)問題突出，相關(guān)機(jī)具多以演示和田間示范為主，尚無法進(jìn)行規(guī)模化作業(yè)。2015年開始，國(guó)內(nèi)多家科研院所與企業(yè)開展了超低空自主作業(yè)飛行施藥作業(yè)技術(shù)的聯(lián)合攻關(guān)。

在飛控方面[23]，全面實(shí)施“航路規(guī)劃、自主飛行、定點(diǎn)噴灑、斷點(diǎn)續(xù)噴”自主飛行作業(yè)模式，融合GNSS-RTK（全球定位導(dǎo)航-載波相位差分），利用定高-增穩(wěn)-防地飛行控制方法和自主避障控制策略，將植保無人飛機(jī)從“遙控”作業(yè)轉(zhuǎn)變?yōu)椤白灾鳌弊鳂I(yè)，有效降低重噴與漏噴率，提高作業(yè)效率與作業(yè)質(zhì)量[24]。植保無人飛機(jī)自主作業(yè)模式下全覆蓋路徑規(guī)劃的研究也得到了廣泛的關(guān)注[25-27]。

在機(jī)體方面，加強(qiáng)了產(chǎn)品模塊化、工業(yè)化，其中具代表性的有：①整機(jī)模塊化技術(shù)，使得農(nóng)業(yè)無人飛機(jī)框架強(qiáng)度提高30%，田間作業(yè)能夠通過易損配件更換快速修復(fù)，無人飛機(jī)抗風(fēng)險(xiǎn)能力提升；②高效電池技術(shù)：提高了充電速度，水冷和散熱加持延長(zhǎng)電池使用壽命，提升電池耐用度；③防水技術(shù)：機(jī)身采用防水密隔艙設(shè)計(jì)，最高整機(jī)防水等級(jí)達(dá)IP67，實(shí)現(xiàn)了全身水洗。

3.2 附屬作業(yè)部件技術(shù)發(fā)展

針對(duì)植保無人飛機(jī)施藥可能造成的環(huán)境污染問題，國(guó)內(nèi)學(xué)者構(gòu)建了植保專用風(fēng)洞[28-29]、流場(chǎng)專用模擬平臺(tái)[30-32]，對(duì)噴灑霧滴的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了定量描述，以用于植保無人飛機(jī)施藥系統(tǒng)布局優(yōu)化[33]；創(chuàng)制了植保無人飛機(jī)專用的窄霧滴譜的噴頭[34-36]，實(shí)現(xiàn)了霧滴量精確可調(diào)、沉積均勻與飄移可控；探索了面向不同作物的噴施作業(yè)精量化參數(shù)[37]，解決了無人飛機(jī)施藥技術(shù)與病蟲害防治不匹配的難題[38-40]。

2020年起，植保無人飛機(jī)的變量噴灑系統(tǒng)得到廣泛的應(yīng)用，作業(yè)對(duì)象從傳統(tǒng)的大田作物延伸至果園、蔬菜及茶園等經(jīng)濟(jì)作物，作業(yè)類型也從植保施藥延伸至授粉[41-42]、播種[43]、施肥、投料等。

3.3 標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展

植保無人飛機(jī)在國(guó)內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)化工作曾一度滯后于技術(shù)發(fā)展速度，最早的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布于2018年，NY/T 3213—2018《植保無人飛機(jī)質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范》[44]由農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所起草。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了植保無人飛機(jī)的基本要求、質(zhì)量要求、檢測(cè)方法和檢驗(yàn)規(guī)則，對(duì)植保無人飛機(jī)行業(yè)的健康發(fā)展具有顯著的推動(dòng)作用。此后，中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化協(xié)會(huì)從基礎(chǔ)、技術(shù)、應(yīng)用、管理4個(gè)方面設(shè)計(jì)一套植保無人飛機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)體系，制定了9項(xiàng)具有影響力的團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)一步保證植保無人飛機(jī)安全高效作業(yè)。截至2022年12月，該協(xié)會(huì)已頒布植保無人飛機(jī)相關(guān)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)6項(xiàng)，團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)32項(xiàng)。行業(yè)在售的絕大多數(shù)機(jī)具都通過了省/部級(jí)質(zhì)量檢測(cè)，機(jī)具質(zhì)量和可靠性顯著提升，產(chǎn)品墜機(jī)率和事故率大幅降低。

3.4 智能化作業(yè)技術(shù)發(fā)展

近年來，植保無人飛機(jī)的智能化水平進(jìn)一步提高，部分企業(yè)在機(jī)具端開發(fā)出了4D雷達(dá)成像、自主避障[45]、多機(jī)協(xié)同[46-49]、夜間飛行[50]、快速裝藥等技術(shù)，使機(jī)具的田間適應(yīng)性增強(qiáng)，操控簡(jiǎn)單化。

圍繞植保無人飛機(jī)，出現(xiàn)了包含高清數(shù)字農(nóng)田、電子圍欄、物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)等周邊數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施，在產(chǎn)品上推出了智慧農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的操作系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)測(cè)繪輔助＋自主作業(yè)的新型作業(yè)模式，可以自主決策和自動(dòng)執(zhí)行田間作業(yè)，不再需要專門的農(nóng)機(jī)手，新老農(nóng)人都可以通過系統(tǒng)來操作機(jī)具，使得植保無人飛機(jī)的理論作業(yè)效率從平均不足6.67 hm2/h提升至16.67 hm2/h。

目前，我國(guó)的植保無人飛機(jī)產(chǎn)品的智能化水平明顯提升，表1列舉了中日兩國(guó)植保無人飛機(jī)產(chǎn)品的性能參數(shù)對(duì)比結(jié)果。在飛行控制方面，國(guó)內(nèi)植保無人飛機(jī)產(chǎn)品采用自主作業(yè)模式，具備自主避障、仿地飛行與多機(jī)協(xié)同的作業(yè)功能，而日本植保無人飛機(jī)產(chǎn)品作業(yè)采用半自主的作業(yè)模式，需要旗手配合完成作業(yè)，不具備避障、仿地飛行、多機(jī)協(xié)同作業(yè)能力。在噴頭性能方面，2018年我國(guó)植保無人飛機(jī)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定在室內(nèi)測(cè)試中噴霧均勻性變異系數(shù)小于或等于40%，2023年標(biāo)準(zhǔn)修訂后，變異系數(shù)提升至小于或等于35%，而我國(guó)植保無人飛機(jī)產(chǎn)品在日本使用，認(rèn)證要求比較高，噴霧均勻性變異系數(shù)小于等于30%以下。日本植保無人飛機(jī)產(chǎn)品采用快速插拔、防顛簸的藥箱電池設(shè)計(jì)，國(guó)外植保無人飛機(jī)產(chǎn)品采用分體藥箱設(shè)計(jì)。

表1 中日兩國(guó)植保無人飛機(jī)產(chǎn)品的性能參數(shù)對(duì)比

4 我國(guó)植保無人飛機(jī)的發(fā)展建議

植保無人飛機(jī)產(chǎn)品保有量、作業(yè)量和培訓(xùn)人次不斷提升，為進(jìn)一步促進(jìn)農(nóng)用植保無人飛機(jī)產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展，提出如下建議。

在作業(yè)機(jī)具方面，當(dāng)前我國(guó)植保無人飛機(jī)載藥量低、續(xù)航時(shí)間短，反復(fù)起降充電換藥導(dǎo)致作業(yè)效率、效果和經(jīng)濟(jì)性難以滿足大規(guī)模統(tǒng)防統(tǒng)治需求。因此，市場(chǎng)亟需大載荷植保無人飛機(jī)產(chǎn)品，發(fā)揮機(jī)具在大田規(guī)?；y(tǒng)防統(tǒng)治中的效率優(yōu)勢(shì)。

在產(chǎn)品研發(fā)方面，需要持續(xù)提升植保無人飛機(jī)智能化水平，降低操控難度，進(jìn)一步改善植保無人飛機(jī)安全性、高效性和作業(yè)質(zhì)量，提升作業(yè)服務(wù)質(zhì)量，促進(jìn)行業(yè)的健康發(fā)展。

在管理方面，強(qiáng)化植保無人飛機(jī)管理能力，保障行業(yè)安全運(yùn)行，掌握行業(yè)發(fā)展動(dòng)態(tài)，提高用戶運(yùn)營(yíng)效率；充分發(fā)揮已有的遠(yuǎn)程監(jiān)管平臺(tái)，加強(qiáng)年度季節(jié)性植保施藥數(shù)據(jù)分析，把握病蟲害發(fā)生規(guī)律，精準(zhǔn)引導(dǎo)植保施藥；規(guī)范植保無人飛機(jī)駕駛員資質(zhì)要求，制定培訓(xùn)流程和資質(zhì)認(rèn)定方法，提高植保無人飛機(jī)駕駛員整體素質(zhì)與農(nóng)業(yè)服務(wù)質(zhì)量。