徐 陽，孫 竹，薛新宇

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

我國每年主要農(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，伴隨著我國城鎮(zhèn)化建設進程的加快，農(nóng)村勞動力短缺與農(nóng)業(yè)勞動力需求的矛盾日益嚴峻，亟需高效作業(yè)機具服務于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)[3-4]。植保無人飛機施藥作業(yè)具有快速高效、適應性廣等顯著特征，克服了傳統(tǒng)植保機械作業(yè)效率低、下地難、轉(zhuǎn)場難和勞動力投入大的問題，已逐漸成為我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)不可或缺的一部分[5-7]。當前植保無人飛機的市場潛力巨大，是科技下鄉(xiāng)解決三農(nóng)問題的代表性成果。

1 植保無人飛機發(fā)展及應用現(xiàn)狀

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

我國植保無人飛機起步較晚，但是近年來在政府、科研單位、高校、企業(yè)以及服務組織的探索下，植保無人飛機作業(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)展狀態(tài)，已形成了集研發(fā)、生產(chǎn)、銷售、服務一條龍的完整產(chǎn)業(yè)鏈，產(chǎn)品的市場保有量、作業(yè)量、駕駛員人數(shù)逐年遞增。截至2022年，全國的植保無人飛機保有量已達到16萬臺，作業(yè)面積為0.933億hm2次，占我國病蟲害防治面積的20%左右。植保無人飛機研發(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、電動等多個品種。行業(yè)帶動了超過8 000家飛防專業(yè)社會化服務組織的發(fā)展。

目前植保無人飛機的作業(yè)對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。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推動作用下，施藥作業(yè)質(zhì)量有了長足進步，當前植保無人飛機的病蟲害防治效果已接近地面大型噴桿噴霧機具的水平，作業(yè)類型也從植保施藥延伸至授粉、播種、施肥、投料等，且實現(xiàn)了一機多用的功能拓展。

2 植保無人飛機機型演變

2.1 日本無人飛機發(fā)展

日本的植保無人飛機機型以油動單旋翼為主。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)實踐和改進，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新機型（圖1b）；2017年投入市場的FAZERR G2型無人直升機，載藥質(zhì)量為40 kg，續(xù)航距離為90 km（圖1c）。2020年發(fā)布的油動單旋翼FAZER R AP，有效載荷為32 kg，增加了自動飛行功能，無需手動遙控進行自動起降。

圖1 日本雅馬哈公司推出3 種以單旋翼為主的農(nóng)用無人飛機示意圖

截至2012年，日本農(nóng)用無人直升機作業(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保有量為2 668臺。雅馬哈公司在日本植保無人飛機市場占有率達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，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)用無人飛機示意圖

2.2 國內(nèi)無人飛機發(fā)展

我國植保無人飛機科研起步自2008年，在國家“863”計劃項目“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)機械化研究所牽頭，中國農(nóng)業(yè)大學、中國農(nóng)業(yè)機械化研究院、南京林業(yè)大學、總參謀部第六十研究所等單位參加。與日本植保無人飛機手動操控技術(shù)路線不同，我國植保無人飛機是全新的自主飛行模式無人飛機，科研產(chǎn)品“N-3”油動單旋翼植保無人飛機配備基于GPS導航施藥作業(yè)系統(tǒng)，藥箱有效載荷20 kg，搭載2個超低量離心霧化噴頭[22]（圖3）。

圖3 N-3 油動單旋翼植保無人飛機

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

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

2015年，廣州極飛科技有限公司開始發(fā)布電動四旋翼植保無人飛機P20，采用全自主作業(yè)模式，并在2016年將植保無人飛機加入了RTK定位技術(shù)，P20載藥量達10 kg（圖5a）。P系列作為廣州極飛科技有限公司主流機型，當前已發(fā)展到P100，載重達50 kg。2021年，極飛又推出新系列，即電動雙旋翼V系列植保無人飛機，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，作物對象主要為大田作物與果園。

圖5 廣州極飛推出電動四旋翼和電動雙旋翼植保無人飛機示意圖

2015年底，深圳大疆創(chuàng)新科技有限公司發(fā)布了電動八旋翼MG-1植保無人飛機，載藥量在10 kg（圖6a）。至今，該公司陸續(xù)推出電動八旋翼MG-1S、MG-1P，載藥量均為10 kg，在2019年后陸續(xù)推出電動四旋翼T系列植保無人飛機T20與T25，并在2021年發(fā)布了電動八旋翼植保無人飛機T50（圖6b），其采用共軸雙旋翼動力系統(tǒng)，載藥量分別為40 kg和50 kg，集航測與飛防于一體，面向大田與果園作業(yè)。

圖6 深圳大疆推出電動八旋翼植保無人飛機示意圖

2015年至今，無錫漢和、安陽全豐、深圳高科、北京韋加等公司陸續(xù)發(fā)布了電動單旋翼、油動單旋翼、電動四旋翼與電動八旋翼的植保無人飛機產(chǎn)品（圖7a～e）?？倕⒌诹芯克?、中科院沈陽自動化研究所、北京航空航天大學等科研機構(gòu)也研制出一批油動大載荷單旋翼植保無人飛機產(chǎn)品或者樣機（圖7f～h）。

圖7 2015 年至今國內(nèi)部分企業(yè)和科研機構(gòu)研發(fā)的植保無人飛機示意圖

國內(nèi)植保無人飛機的發(fā)展不斷吸引科技公司的加入，如拓攻機器人與蘇州極目機器人等公司。2020年，拓攻機器人發(fā)布了電動四旋翼植保無人飛機F系列，并之后陸續(xù)推出電動六旋翼TG系列，最新的電動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，蘇州極目機器人科技有限公司開始發(fā)布電動四旋翼植保無人飛機EA2021，目前已發(fā)布了5種機型，其中EA-30XP植保無人飛機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)，可實時檢測障礙物超低仿地飛行，進行丘陵山地全場景作業(yè)，藥箱容量達到30 L（圖7J）。

目前國內(nèi)市場已擁有一批操作簡單、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產(chǎn)品，適合我國不同農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)經(jīng)營模式和地貌特點。比如，適合丘陵和小規(guī)模植保與輔助授粉作業(yè)的電動單旋翼無人飛機、適合復雜地形植保與遙感作業(yè)的電動多旋翼無人飛機、適合平原大規(guī)模種植區(qū)植保作業(yè)的大載荷油動無人飛機、適合多種作物混植區(qū)植保作業(yè)的輕型油動無人飛機。

3 技術(shù)發(fā)展

3.1 機體平臺技術(shù)發(fā)展

2008—2015年，植保無人飛機產(chǎn)品的多數(shù)機型仍然是由航?；蛘吆脚南到y(tǒng)改制而成，自動化程度和技術(shù)水平不足，存在飛不穩(wěn)、飛不低、飛不準、復雜農(nóng)田環(huán)境適應性低等問題，導致作業(yè)質(zhì)量較差，墜機問題突出，相關(guān)機具多以演示和田間示范為主，尚無法進行規(guī)?；鳂I(yè)。2015年開始，國內(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]，全面實施“航路規(guī)劃、自主飛行、定點噴灑、斷點續(xù)噴”自主飛行作業(yè)模式，融合GNSS-RTK（全球定位導航-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]。

在機體方面，加強了產(chǎn)品模塊化、工業(yè)化，其中具代表性的有：①整機模塊化技術(shù)，使得農(nóng)業(yè)無人飛機框架強度提高30%，田間作業(yè)能夠通過易損配件更換快速修復，無人飛機抗風險能力提升；②高效電池技術(shù)：提高了充電速度，水冷和散熱加持延長電池使用壽命，提升電池耐用度；③防水技術(shù)：機身采用防水密隔艙設計，最高整機防水等級達IP67，實現(xiàn)了全身水洗。

3.2 附屬作業(yè)部件技術(shù)發(fā)展

針對植保無人飛機施藥可能造成的環(huán)境污染問題，國內(nèi)學者構(gòu)建了植保專用風洞[28-29]、流場專用模擬平臺[30-32]，對噴灑霧滴的運動進行了定量描述，以用于植保無人飛機施藥系統(tǒng)布局優(yōu)化[33]；創(chuàng)制了植保無人飛機專用的窄霧滴譜的噴頭[34-36]，實現(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，植保無人飛機的變量噴灑系統(tǒng)得到廣泛的應用，作業(yè)對象從傳統(tǒng)的大田作物延伸至果園、蔬菜及茶園等經(jīng)濟作物，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 標準化發(fā)展

植保無人飛機在國內(nèi)的標準化工作曾一度滯后于技術(shù)發(fā)展速度，最早的行業(yè)標準發(fā)布于2018年，NY/T 3213—2018《植保無人飛機質(zhì)量評價技術(shù)規(guī)范》[44]由農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機械化研究所起草。該標準規(guī)定了植保無人飛機的基本要求、質(zhì)量要求、檢測方法和檢驗規(guī)則，對植保無人飛機行業(yè)的健康發(fā)展具有顯著的推動作用。此后，中國農(nóng)業(yè)機械化協(xié)會從基礎、技術(shù)、應用、管理4個方面設計一套植保無人飛機的標準體系，制定了9項具有影響力的團體標準，進一步保證植保無人飛機安全高效作業(yè)。截至2022年12月，該協(xié)會已頒布植保無人飛機相關(guān)的行業(yè)標準6項，團體標準32項。行業(yè)在售的絕大多數(shù)機具都通過了省/部級質(zhì)量檢測，機具質(zhì)量和可靠性顯著提升，產(chǎn)品墜機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，植保無人飛機的智能化水平進一步提高，部分企業(yè)在機具端開發(fā)出了4D雷達成像、自主避障[45]、多機協(xié)同[46-49]、夜間飛行[50]、快速裝藥等技術(shù)，使機具的田間適應性增強，操控簡單化。

圍繞植保無人飛機，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)字基礎設施，在產(chǎn)品上推出了智慧農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的操作系統(tǒng)，實現(xiàn)測繪輔助＋自主作業(yè)的新型作業(yè)模式，可以自主決策和自動執(zhí)行田間作業(yè)，不再需要專門的農(nóng)機手，新老農(nóng)人都可以通過系統(tǒng)來操作機具，使得植保無人飛機的理論作業(yè)效率從平均不足6.67 hm2/h提升至16.67 hm2/h。

目前，我國的植保無人飛機產(chǎn)品的智能化水平明顯提升，表1列舉了中日兩國植保無人飛機產(chǎn)品的性能參數(shù)對比結(jié)果。在飛行控制方面，國內(nèi)植保無人飛機產(chǎn)品采用自主作業(yè)模式，具備自主避障、仿地飛行與多機協(xié)同的作業(yè)功能，而日本植保無人飛機產(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、多機協(xié)同作業(yè)能力。在噴頭性能方面，2018年我國植保無人飛機產(chǎn)品標準規(guī)定在室內(nèi)測試中噴霧均勻性變異系數(shù)小于或等于40%，2023年標準修訂后，變異系數(shù)提升至小于或等于35%，而我國植保無人飛機產(chǎn)品在日本使用，認證要求比較高，噴霧均勻性變異系數(shù)小于等于30%以下。日本植保無人飛機產(chǎn)品采用快速插拔、防顛簸的藥箱電池設計，國外植保無人飛機產(chǎn)品采用分體藥箱設計。

表1 中日兩國植保無人飛機產(chǎn)品的性能參數(shù)對比

4 我國植保無人飛機的發(fā)展建議

植保無人飛機產(chǎn)品保有量、作業(yè)量和培訓人次不斷提升，為進一步促進農(nóng)用植保無人飛機產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展，提出如下建議。

在作業(yè)機具方面，當前我國植保無人飛機載藥量低、續(xù)航時間短，反復起降充電換藥導致作業(yè)效率、效果和經(jīng)濟性難以滿足大規(guī)模統(tǒng)防統(tǒng)治需求。因此，市場亟需大載荷植保無人飛機產(chǎn)品，發(fā)揮機具在大田規(guī)?；y(tǒng)防統(tǒng)治中的效率優(yōu)勢。

在產(chǎn)品研發(fā)方面，需要持續(xù)提升植保無人飛機智能化水平，降低操控難度，進一步改善植保無人飛機安全性、高效性和作業(yè)質(zhì)量，提升作業(yè)服務質(zhì)量，促進行業(yè)的健康發(fā)展。

在管理方面，強化植保無人飛機管理能力，保障行業(yè)安全運行，掌握行業(yè)發(fā)展動態(tài)，提高用戶運營效率；充分發(fā)揮已有的遠程監(jiān)管平臺，加強年度季節(jié)性植保施藥數(shù)據(jù)分析，把握病蟲害發(fā)生規(guī)律，精準引導植保施藥；規(guī)范植保無人飛機駕駛員資質(zhì)要求，制定培訓流程和資質(zhì)認定方法，提高植保無人飛機駕駛員整體素質(zhì)與農(nóng)業(yè)服務質(zhì)量。