何 龍，甄世嬋，張 成

(1.新疆工程學(xué)院機(jī)電工程系，新疆 烏魯木齊830023； 2.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程系，新疆 烏魯木齊830052)

0 引言

根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國植保農(nóng)藥的利用率僅有20%，大部分都流失到環(huán)境中，造成嚴(yán)重的環(huán)境污染和資源浪費(fèi)，因此亟需先進(jìn)的施藥技術(shù)和施藥器械[1]。從現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)發(fā)展需求來看，使用無人機(jī)施藥是目前較為高效的施藥手段。無人機(jī)施藥可及時(shí)有效地防控大范圍的病蟲害，與傳統(tǒng)施藥植保器械相比，具有高效、不受地形因素影響、施藥均勻、穿透性好、提高藥物利用率和減少對環(huán)境的危害等優(yōu)點(diǎn)，且在施藥過程中人機(jī)分離的狀態(tài)可避免藥物對農(nóng)業(yè)工作者的傷害。

1 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)實(shí)力和科學(xué)力量的快速發(fā)展，農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)也穩(wěn)步向前推進(jìn)，植保無人機(jī)作為農(nóng)業(yè)機(jī)械的重要組成部分，在國家的大力支持下也得到了快速的發(fā)展。在我國眾多的植保無人機(jī)品牌中，極飛系列和大疆系列等具有代表性的農(nóng)業(yè)植保無人機(jī)的研制技術(shù)已經(jīng)較為成熟。我國植保無人機(jī)行業(yè)正在逐漸朝著產(chǎn)學(xué)研相互合作的方向快速發(fā)展，5G技術(shù)和北斗系統(tǒng)也逐漸在植保無人機(jī)上得以應(yīng)用和推廣。雖然近年來我國的植保無人機(jī)行業(yè)整體上發(fā)展迅速，但目前仍然存在應(yīng)用范圍小、普及率低、藥箱容量小、續(xù)航時(shí)間短及服務(wù)體系尚不健全等亟需解決的問題，因此對于我國這樣的農(nóng)業(yè)大國來講，推動植保無人機(jī)的快速發(fā)展，解決現(xiàn)階段存在的技術(shù)壁壘至關(guān)重要。

1.1極飛XP2020型農(nóng)業(yè)無人機(jī)

極飛XP2020型農(nóng)業(yè)無人機(jī)如圖1所示，集智能播撒、精準(zhǔn)噴灑于一體，可靈活搭載不同容量的作業(yè)箱，通過手機(jī)或智能遙控器，在所有地形條件下輕松高效地開展播種、撒肥、施藥和投飼工作，相比遙控植保無人機(jī)，高度智能化的XP系列可以節(jié)省一半以上的人力成本，并且大幅度減少因人工操作失誤導(dǎo)致的重噴、漏噴甚至飛行事故。XP系列依舊采用高效能4旋翼設(shè)計(jì)，作業(yè)載荷達(dá)到20 kg，全新動力系統(tǒng)配合101.6 cm螺旋槳讓風(fēng)場更穩(wěn)定，噴灑更廣更均勻，螺旋槳產(chǎn)生的垂直氣流可以攜帶藥物穿透農(nóng)作物葉片，進(jìn)一步提高著藥率和吸收效果，智能離心霧化噴灑系統(tǒng)，噴灑流量大，霧化顆粒范圍更廣。以水稻飛播為例，一臺極飛XP農(nóng)業(yè)無人機(jī)能夠完成超過6.67 hm2h的水稻播種，是人工播種效率的80倍。極飛XP2020款植保無人機(jī)具體技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 極飛XP2020型農(nóng)業(yè)無人機(jī)技術(shù)參數(shù)

1.2大疆T20型植保無人機(jī)

大疆T20型植保無人飛機(jī)如圖2所示，藥箱容量20 L，作業(yè)效率可達(dá)12 hm2h；4通道獨(dú)立流量控制，噴灑更均勻；智能泄壓閥，排氣更便捷；全向數(shù)字雷達(dá)可360°重建三維場景，識別電線、樹枝等障礙物，不受灰塵水霧影響，自主避障繞行；無論白天黑夜，保障作業(yè)安全。搭載高精度定位模塊的智能遙控器，可厘米級精度規(guī)劃地塊；一鍵起飛，全自主噴灑作業(yè)；一控多機(jī)，效率翻倍。搭配全新播撒系統(tǒng)，可均勻播撒種子、肥料等固態(tài)顆粒，流量高達(dá)15 kgmin。采用IP67防護(hù)設(shè)計(jì)，可全身沖洗，機(jī)身折疊，方便搬運(yùn)。配合精靈4多光譜版，自主采集圖像，通過大疆智圖生成農(nóng)田處方圖，可依據(jù)作物生長狀態(tài)針對性作業(yè)，節(jié)水省藥。搭配精靈4RTK與大疆智圖，對農(nóng)田場景進(jìn)行三維建模及AI識別后，可進(jìn)行多場景自主作業(yè)。面對厚冠層的果樹，可定點(diǎn)噴灑作業(yè)，提升滲透效果；針對等高線分布的果樹，可自由航線作業(yè)，節(jié)電省藥；對于樹高林密的山林，可連續(xù)噴灑作業(yè)，安全省心。T20植保無人機(jī)具體技術(shù)參數(shù)如表2所示。

表2 大疆T20型植保無人飛機(jī)技術(shù)參數(shù)

1.3TTA天途M8A-PRO型植保無人機(jī)

天途M8A-PRO型植保無人機(jī)如圖3所示，其相對于業(yè)內(nèi)普遍的10 kg載荷而言，凈載荷達(dá)20 kg，適用于中大型地塊。采用RTK差分系統(tǒng)全面支持全智能作業(yè)模式，使操作更簡單；無刷電機(jī)、無線遙控啟動；8點(diǎn)定位，起飛穩(wěn)定；整機(jī)可折疊，便于運(yùn)輸，適用于多種施藥環(huán)境(-10～40 ℃)；采用微型潛水泵，輸出流量穩(wěn)定，6噴頭聯(lián)合噴灑，流量1.8～2.2 Lmin可調(diào)；機(jī)身質(zhì)量小，飛行穩(wěn)定靈活。

在操作使用方面，M8A-PRO擁有全智能自主起降、航線規(guī)劃及自主噴灑等特點(diǎn)。具備航線斷點(diǎn)智能記憶功能，無藥時(shí)自動記憶坐標(biāo)點(diǎn)，一鍵返回繼續(xù)噴灑作業(yè)，確保作業(yè)的連續(xù)性，提高了作業(yè)效率。

在整體機(jī)身設(shè)計(jì)上，為了讓飛機(jī)在大載荷下最大程度節(jié)約能耗，依舊擁有穩(wěn)定的飛行，M8A-PRO分別擁有4個向上電機(jī)和槳葉機(jī)，4個向下電機(jī)和槳葉?？烧郫B的機(jī)臂和噴管，整機(jī)模塊化的設(shè)計(jì)，讓用戶在田間地頭即可快速維修。天途M8A-PRO植保無人機(jī)具體參數(shù)如表3所示。

表3 天途M8A-PRO型植保無人機(jī)技術(shù)參數(shù)

1.4遼寧壯龍CT300-60P型植保無人機(jī)

遼寧壯龍CT300-60P型植保無人機(jī)如圖4所示，具備超長續(xù)航力，續(xù)航時(shí)間為1～4 h；具有超強(qiáng)承載力，商業(yè)載荷可達(dá)到60 kg；作業(yè)率為0.27～0.53 hm2min。采用一鍵式起降模式，操控簡單，地面站規(guī)劃航線可實(shí)現(xiàn)全自主作業(yè)；具有地形跟蹤功能，適用于所有地形作物。采用旋翼下吹氣流形式，穿透能力強(qiáng)，霧化效果好，噴灑物到達(dá)率高；購機(jī)首年可提供飛手培訓(xùn)及維修培訓(xùn)，專業(yè)支持高。遼寧壯龍CT300-60P植保無人機(jī)技術(shù)參數(shù)如表4所示。

表4 遼寧壯龍CT300-60P型植保無人機(jī)技術(shù)參數(shù)

2 國外發(fā)展現(xiàn)狀

2.1美國

美國是農(nóng)業(yè)航空應(yīng)用技術(shù)較為成熟的國家之一，已形成較完善的農(nóng)業(yè)航空產(chǎn)業(yè)體系，據(jù)統(tǒng)計(jì)，美國農(nóng)業(yè)航空對農(nóng)業(yè)的直接貢獻(xiàn)率為15%以上[2]。目前美國擁有農(nóng)用航空相關(guān)企業(yè)2 000多家，年處理40%以上的耕地面積，全美65%的化學(xué)農(nóng)藥采用飛機(jī)作業(yè)完成噴灑，其中水稻施藥作業(yè)100%采用航空作業(yè)方式[3]。國家大力扶持農(nóng)業(yè)航空產(chǎn)業(yè)的發(fā)展是美國農(nóng)業(yè)航空發(fā)達(dá)的重要原因之一[4]。美國從20世紀(jì)70年代就開始研究航空噴施作業(yè)技術(shù)參數(shù)的優(yōu)化模型，美國國會通過了豁免農(nóng)用飛機(jī)每次起降100美元的機(jī)場使用費(fèi)的議案，2014年白宮的預(yù)算中繼續(xù)投入73億美元支持該議案，以降低農(nóng)業(yè)航空作業(yè)的成本；在NASA的推動下，自2002年以來已投入約700萬美元用于農(nóng)業(yè)航空技術(shù)研發(fā)，參議院已通過議案將繼續(xù)大力支持開發(fā)更高效、使用成本更低的農(nóng)業(yè)航空相關(guān)技術(shù)[5]。

2.2日本

日本糧食作物以水稻為主，不同于旱地，稻田特殊的環(huán)境使得地面裝備行走困難，加之地形結(jié)構(gòu)原因，無人機(jī)在日本占盡了優(yōu)勢。日本植保無人機(jī)的研制工作始于20世紀(jì)80年代。到了1991年，日本農(nóng)林水產(chǎn)省出臺政策，推廣植保無人機(jī)在稻田中的應(yīng)用，植保無人機(jī)在日本迎來了有利的大環(huán)境，大量植保無人機(jī)企業(yè)誕生[6]。日本耕地面積小，對無人機(jī)依賴性大，無人機(jī)民用化水平更高，普及率也更廣，擁有成熟的機(jī)型和健全的市場，同時(shí)服務(wù)體系完善，其代表機(jī)型RMax能夠完成定高飛行和定速飛行，傻瓜式操作，降低了操作難度，質(zhì)量安全可靠。Yamaha公司產(chǎn)品是世界上出貨量最大，市場份額最高的農(nóng)用無人機(jī)，如圖5所示。飛行員培訓(xùn)15 d，使用成本2 400元hm2，市場占有率達(dá)到60%以上。日本無人機(jī)重要技術(shù)參數(shù)如表5所示。

表5 日本無人機(jī)重要技術(shù)參數(shù)

2.3澳大利亞

澳大利亞是農(nóng)業(yè)強(qiáng)國，對精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的重視程度高，且地廣人稀，擁有豐富的耕地和草地資源。2013年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，澳大利亞人均天然草場近20 hm2，人均耕地超過2 hm2，分別約是中國的4倍和23倍。作為農(nóng)牧業(yè)高度發(fā)達(dá)的國家，澳大利亞早在20世紀(jì)60年代就實(shí)現(xiàn)了農(nóng)業(yè)機(jī)械化，更是早在1947年，已經(jīng)開始首次將飛機(jī)用于農(nóng)業(yè)噴撒。在無人機(jī)的使用上，澳大利亞近來有放寬監(jiān)管的趨勢。2016年，澳大利亞民航局修改了原來相對比較嚴(yán)苛的商用無人機(jī)規(guī)定，從9月29日開始，無人機(jī)質(zhì)量<2 kg的商業(yè)無人機(jī)操作者只需要無人機(jī)操作員證書(ReOC)并通知民航局[7]。在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，當(dāng)?shù)仃P(guān)于無人機(jī)報(bào)道大多是圍繞精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)展開。澳大利亞是一個注重發(fā)展精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的國家，無人機(jī)在農(nóng)業(yè)遙感和精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)方面已經(jīng)得到認(rèn)可和應(yīng)用。據(jù)悉，澳大利亞全國有30%的農(nóng)業(yè)用地實(shí)現(xiàn)了從耕種、播種到施藥、灌溉等全過程的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)作業(yè)[8]。在這樣的大環(huán)境下，隨著精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的進(jìn)一步推進(jìn)，澳大利亞無人機(jī)在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)領(lǐng)域還有很大的潛在市場。

2.4韓國

韓國是一個多山國家，耕地資源相對緊缺，據(jù)大田農(nóng)社報(bào)道，韓國現(xiàn)有農(nóng)民約420萬，占總?cè)丝诘?%，農(nóng)業(yè)用地面積約為169.8萬hm2，占韓國國土面積的17%，其中23的耕地為水田，主要是種植水稻[9]。韓國于2003年首次引進(jìn)直升機(jī)用于農(nóng)業(yè)航空作業(yè)，農(nóng)業(yè)航空作業(yè)面積逐年增加，截至2010年，全國共有農(nóng)用直升機(jī)121架，約80%的飛機(jī)歸地方的農(nóng)協(xié)所有。韓國農(nóng)林水產(chǎn)食品部和農(nóng)協(xié)中央會曾計(jì)劃2013年將飛機(jī)數(shù)量增至500架。相比于其他國家對于無人機(jī)謹(jǐn)慎的態(tài)度，近年來韓國對于民用無人機(jī)發(fā)展是相對支持的。Meta Robotics以農(nóng)業(yè)的尖端化及精密化為目標(biāo)正在展開“VANDI研究計(jì)劃”。VANDI是一種價(jià)格合理的農(nóng)藥噴灑無人機(jī)，可以保護(hù)農(nóng)民免受噴藥引起的農(nóng)藥中毒危害，減輕防治工作的負(fù)擔(dān)，如圖6所示。通過多次測試，改善了部件之間的互換性，并進(jìn)行了精確設(shè)計(jì)，以確保機(jī)體不會被化學(xué)制品污染[10]。通過長期的調(diào)整作業(yè)，易于飛行，安全穩(wěn)定。它還具有耐久性，可承受高溫和高濕度條件。VAN-A1植保無人機(jī)技術(shù)參數(shù)如表6所示。

表6 韓國VAN-A1型植保無人機(jī)技術(shù)參數(shù)

3 存在的問題及建議

3.1存在的問題

(1)近年來，雖然我國的植保無人機(jī)發(fā)展較為迅速，但與國外相比，我國的植保無人機(jī)在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用普及率較低，未能在全國范圍內(nèi)推廣使用，植保無人機(jī)載藥量少，續(xù)航時(shí)間短。

(2)我國的植保無人機(jī)市場體系和服務(wù)體系尚不健全。我國的植保無人機(jī)行業(yè)起步較晚，因此在產(chǎn)品售后服務(wù)維修及對無人機(jī)用戶的培訓(xùn)方面缺少專業(yè)性人才，阻礙了植保無人機(jī)行業(yè)的快速發(fā)展。

(3)民用化程度低，農(nóng)民無人機(jī)專業(yè)操控人員較少。雖然我國的植保無人機(jī)發(fā)展迅速，但專業(yè)的農(nóng)民無人機(jī)操作人員較少，在植保作業(yè)中往往有機(jī)無人，并且由于無人機(jī)操作手的專業(yè)知識欠缺，在進(jìn)行無人機(jī)植保作業(yè)時(shí)，事故時(shí)常發(fā)生。

3.2相關(guān)建議

完善市場發(fā)展體系和服務(wù)培訓(xùn)體系，加強(qiáng)對農(nóng)民無人機(jī)操作員的系統(tǒng)培訓(xùn)，在國家的推動下，加大對更加智能化、簡易化的植保無人機(jī)的研究，推動我國農(nóng)業(yè)向著更加現(xiàn)代化的方式發(fā)展，形成一條植保無人機(jī)產(chǎn)業(yè)產(chǎn)學(xué)研合作共贏的發(fā)展模式。

4 結(jié)束語

農(nóng)業(yè)航空技術(shù)是現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要組成部分，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用比例不斷加大。目前國內(nèi)無人機(jī)已經(jīng)得到了快速的發(fā)展，列舉主流植保無人機(jī)品牌，并將其主要參數(shù)列表對比，發(fā)現(xiàn)相較于國外，國內(nèi)的無人機(jī)在綜合性能方面較優(yōu)。但目前我國植保無人機(jī)依然存在承載質(zhì)量小、續(xù)航時(shí)間較短以及普及率低等問題，因此在學(xué)習(xí)借鑒國外無人機(jī)先進(jìn)制造技術(shù)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)研發(fā)適應(yīng)我國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展的新型無人機(jī)至關(guān)重要。