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我國植保無人機的研究與發展應用淺析
作者:中國農業大學藥械與施藥技術研究中心 何雄奎 更新時間:2019-05-16

    近10年來,植保無人機超低空超低量航空施藥由于其作業效率高、節水省藥、具有航跡規劃尋跡飛行與全地形作業能力等自身獨特優勢,并且特別適合于丘陵、山地等地面拖拉機等農機具難以進地作業區域的農藥噴霧作業,同時由于我國經濟高速發展的大背景下農村勞動力大量轉移造成的農村勞動力不足,特別是自2015年以來強大的資本市場數十億的不斷投入助推等原因,植保無人機在我國迅猛發展。

 

    20世紀60至70年代,歐美、前蘇聯等農業發達國家逐步形成大型農場專業化生產方式,建立了以大型地面植保機械和有人駕駛航空器為主體的防治體系,發展至20世紀80年代中期為頂峰。至80年代中后期,由于大型有人駕駛飛機航空施藥導致的因農藥霧滴飄失引起的環境污染和農藥藥害問題,經嚴格的環境評估,1988年歐盟前身歐洲共同體決定在成員國家內部全面禁用航空施藥裝備與技術,至今仍未開放。而在北美地區,尤其是美國,超大規模經營農場(包括家庭農場)的規模化種植和同種作物大量連片種植的模式決定了美國化學防治以有人駕駛飛機與地面大型噴桿噴霧機為主,二者并駕齊驅,北美的農業航空裝備主要是固定翼飛機和載人直升機。另外,美國政府一直擔憂植保無人機施藥用水量更小、霧滴更細會產生更嚴重的農藥飄失風險,并且考慮到植保無人機相對成本高于有人駕駛航空施藥技術(載藥量太小),所以至今尚未立法允許無人機從事農藥噴灑作業。據統計,美國農業航空對農業的直接貢獻率為15%以上,年處理40%以上的耕地面積,其余60%還主要靠大型噴桿噴霧機來完成植保作業。

 

    在亞洲,日本農民戶均耕地面積較小,地形多山,不適合有人駕駛固定翼飛機作業,因此日本農業航空以有人駕駛與無人駕駛直升機為主。日本是最早將小型無人機用于農業生產的國家,日本20世紀70年代開始經濟騰飛,適齡勞動力大多進城尋找工作機會,農村勞動力極度匱乏,因此,日本在引進的美國軍方無人靶機技術的基礎上,日本山葉公司(YAMAHA)于1990年推出世界第一架用于噴灑農藥的植保無人機“R50”,掛載5 kg的藥箱。此后,無人機在日本農林業方面的應用發展迅速,無人機旋翼和發動機轉速被降低以適應農業作業的要求,無人機施藥參數不斷改進,施藥霧滴分布均勻性降低到30%以下。YAMAHA公司植保無人機除“R50”外,已研發出“R-max”與“FAZER”等新型系列植保無人機,最大藥箱容量32 L。從2005年開始,日本水稻生產中植保無人機使用量已超過載人直升機。目前,采用小型植保無人機進行農業生產已成為日本農業發展的重要趨勢之一,小型植保無人機在日本經歷了40余年的歷史,至2018年5月,日本植保無人機市場裝機總容量(獲得國家頒發的農業應用證書)是2,788架、植保無人機操作人員獲得國家植保無人機操作證書共10,545人。

 

    中國植保無人機研發起步較晚,自“十一五”期間國家“863計劃”“新型施藥技術與農用藥械”立項研發植保無人機至今已發展近10多年,植保無人機與低空低量航空施藥技術發展迅速。但中國有人駕駛的大型農用航空發展較早,早在上世紀50年代初,我國就建成了黑龍江佳木斯、遼寧沈陽、新疆石河子、湖北天門與廣州5個大型農用航噴站,如發展得最好的佳木斯航噴站至2017年年底有各類有人駕駛農用航空噴霧飛機106架,機型主要有“M-16”“空中拖拉機-畫眉鳥”“Y-5 B(D)”“Y-11”“藍鷹AD200N”“蜜蜂3型”“海燕650B”等固定翼機型以及“Bell”系列直升機。目前,全中國有農林用固定翼飛機1,400架,直升機60余架,無人機8,000余架,使用固定翼飛機和直升機防治農林業病蟲草害和施肥的面積達到200多萬公頃。但是,我國農用飛機擁有量僅占世界農用飛機總數的0.13%左右,農業航空作業面積僅占耕地面積的1.70%,而且噴灑設備性能差,同美國等農用航空發達國家相比差距仍十分巨大。

 

    早在2000年開始,北京必威易創基科技有限公司從日本陸續進口了6架日本雅馬哈R50型植保無人機用于農藥噴灑,必威易公司是我國首個應用植保無人機的農業服務公司。2005年12月,當雅馬哈公司準備出口第10架同類型飛機時,被名古屋海關扣押,日本政府以植保無人機可能被用于軍事用途為由禁止雅馬哈公司繼續將植保無人機銷售到中國。

 

    2005年至2006年,中國農業大學、中國農業機械化研究院、南京農業機械化研究所等科研機構開始向農業部、科技部、教育部等相關部門提議立項進行植保無人機的研制工作。經過前期準備和多次申報,2008年農業部南京農業機械化研究所、中國農業大學、中國農業機械化研究院、南京林業大學、總參謀部第六十研究所等單位共同承擔的科技部國家“863”計劃項目“水田超低空低量施藥技術研究與裝備創制”進入執行,標志著國內科研機構正式開始探索植保無人機航空施藥技術。該項目研制出基于中航集團六十所研發的“Z-3”型油動單旋翼直升機作為飛行平臺與控制系統的油動單旋翼植保無人機,裝配10 kg藥箱,搭載由山東衛士植保機械有限公司與中國農業大學植保機械與施藥技術研究中心(以下簡稱“中心”)合作研發的2個超低量離心霧化噴頭。

 

    2008年,中心與山東衛士植保機械公司、臨沂風云航空科技公司開始合作進行低空低量遙控多旋翼無人機施藥機的研發工作,于2009年研制出國內外第一款多旋翼植保無人機,包括搭載10 L藥箱的8旋翼機和搭載15 L藥箱的18旋翼機2種機型,此后幾年在全國13個省市進行了示范和推廣。山東省科技廳組織的由羅錫文院士作為主任的鑒定委員會對該成果的鑒定結論為:“項目取得了多項創新,在低空低量遙控多旋翼無人施藥技術方面,該項目綜合性能達到國際先進水平。”2013年,該型植保無人機獲得山東省科學技術進步獎二等獎。

 

    2010年,中心與珠海銀通公司開始合作進行低空低量遙控電動單旋翼植保無人機的研發合作,于 2012年研制出國內第一款電動單旋翼植保無人機,可搭載10 L藥箱,裝備4個扇形噴頭。

 

    我國油動單旋翼植保無人機的民間開發可能較國家“863”項目更早,2010年無錫漢和航空技術有限公司生產的“3CD-10”型單旋翼油動植保無人機首次在鄭州全國農機博覽會上亮相,這是國內首款在市場上銷售的油動單旋翼植保無人機,開啟了中國植保無人機商業化的第一步。2012年4月,全國首次“低空航空施藥技術現場觀摩暨研討會”在北京召開,由中心與全國農技推廣中心聯合主辦,廣西田園公司等協辦。油動和電動、單旋翼和多旋翼等類型植保無人機共12種以及人駕動力傘植保飛行器共同亮相現場觀摩會。以此為起點,低空低量航空施藥技術研究逐漸成為熱點。

 

    根據發展需要,2012年中國農業部國際合作司發起并組織了為期2年的中日韓植保無人機國際合作研究項目“植保無人機水稻航空施藥技術研究”,中心為中方項目的主持方,負責項目實施,中日韓三方研究人員在項目執行期內不同時期在三個國家分別進行了大量的人員交流和植保無人機施藥田間試驗,三方所有參與成員共享無人機施藥技術研究成果和信息,撰寫了題為“日本和韓國水稻田間植保機械應用考察”的項目總結報告。

 

    至此,植保無人機施藥技術在中國已呈漸起之勢,無人機施藥到底能不能用、管不管用是管理部門、研究人員、生產廠家和農民都密切關心的問題。為了評估植保無人機的工作性能和作業效果,受農業部委托,中心2013年1月在海南水稻種植區對13種國產植保無人機進行了田間施藥測試,測試結果表明參試的所有國產無人機噴霧作業均可以對水稻病蟲害有明顯的防治效果。以此結果為基礎,農業部從2013年起開始在全國范圍內推廣無人機航空植保技術。2014年5月,由中國工程院院士、華南農業大學教授羅錫文擔任理事長的“中國農用航空產業創新聯盟”在黑龍江佳木斯正式成立,在成立會上羅錫文理事長提議起草一份建議大力促進植保無人機和農業航空發展的報告提交給國務院有關部門,建議國家大力推動農業航空事業的發展。2014年7月18日在中心會議室由羅錫文院士主持,趙春江研究員、何勇教授、薛新宇研究員、袁會珠研究員等十多位專家共同參加討論了由我起草的“關于建議大力促進植保無人機和農業航空發展的報告”,此報告先后經5次修改成稿上呈國務院、科技部,得到汪洋副總理的批示,農業部根據汪洋副總理的批示安排2015年在湖南與河南兩省開始試點補貼植保無人機,自此植保無人機在我國的推廣應用步入了快車道。2015年“十三五”規劃實施以來,國家層面也對植保無人機的發展給予了大力支持,在2016年的首批國家“農藥肥料雙減”計劃專項、2017年的科技部“智能農機研發”專項、2018年國家自然科學基金委的重點項目“植保無人機農藥霧化沉積與高效利用”中都對植保無人機、關鍵工作部件與施藥技術給予了重點支持。

 

    2015年是各類資本進入植保無人機領域的元年,社會資本的進入也是助推植保無人機在我國高速發展的主要與重要因素之一,資本市場尤其看好在應用領域除消費級無人機外的植保無人機市場,在資本市場的大力推動下,各類無人機得到了迅速發展,尤其是植保無人機在我國得到了高速的發展。

 

    2015年深圳大疆創新以自有資金投入研發,消費級無人機占有全球消費市場的70%以上,全球銷售額高達100億元人民幣,年底在北京推出MG-1型電動多旋翼農業植保無人機,正式進軍農用無人機領域;2017年達180億元的全球銷售額,其中銷售植保無人機5,000多臺。截至2018年7月,極飛已經完成二輪商業融資,累計金額超過1億美金。農田管家自2015年成立兩年以來,已獲得4輪融資:2016年3月創建初期獲得小米創始人雷軍為資本的100萬美元天使投資;2016年7月,完成300萬美元的Pre-A輪融資,由GGV紀源資本領投,順為資本、真格資本跟投;2017年4月,完成700萬美元的A輪融資,由戈壁創投領投,云啟資本、GGV紀源資本、順為資本、真格基金跟投;2018年1月,完成千萬美元的Pre-B輪融資,執一資本領投,順為資本、GGV紀源資本、戈壁創投、云啟資本、真格基金跟投。

 

    在各方力量的助推下,到2015年底,全國植保無人機生產廠商已達60余家。2016年5月28日,國家航空植保科技創新聯盟在河南安陽成立,安陽全豐航空植保科技有限公司為理事長單位,中國農業大學、華南農業大學等7家單位為副理事長單位,共同助推植保無人機產業發展。2016年8月,由中國農業電影電視協會(CCTV-7)和中國農業大學聯合主辦的首屆中國無人機與機器人應用大賽在江蘇蘇州正式啟動;10月,在江西南昌舉辦了大賽初賽——“農業植保無人機應用賽”,對23個參賽隊伍植保無人機的飛行穩定性、噴霧質量等性能進行了考核,并賽出前18家進入決賽;2017年9月,大賽植保無人機決賽在湖北武穴正式開賽,來自國內18家知名品牌的植保無人機企業和服務隊參賽,全方位展示產品成果和飛防技術,決賽決出了全國植保無人機十強。

 

    在植保無人機標準建設方面,2016年我國首個植保無人機標準江西省地方標準——植保無人機(DB 367T 930—2016)出臺,這是我國第一個關于植保無人機的地方標準。緊隨江西省之后廣西、湖南、山東等省相繼出臺省級地方標準,2018年農業部正式出臺了我國首個行業標準《植保無人飛機質量評價技術規范》(NY/T3213—2018),并于今年6月1日起正式實施。

 

    經10多年的發展,植保無人機低空低量作業從零開始逐漸興起,到今天的迅猛發展,成就非凡。據農業部相關部門統計,截至2017年底,全國在用的農用無人機共25 3種,生產植保無人機的工廠300余家,全國植保無人機裝機量達到14,000余架,已經在包括水稻、小麥、玉米、甘蔗、果樹、棉花等多種作物上進行了病蟲害防治作業,實際效果證明已經能夠達到實用水平,正處于迅速發展階段。

 

    當前,國內植保無人機按結構主要分為單旋翼和多旋翼兩種,按動力系統可以分為電池動力與燃油動力兩種,各種型號達200多種,一般空機重量10~50 kg,藥箱容積5~30 L不等,作業高度1.5~5 m,作業速度<8 m/s。電池動力系統的核心是電機,電動無人機操作靈活,起降迅速,單次飛行時間一般為10~15 min;燃油動力系統的核心是發動機,油動無人機靈活性相對較差,機身大,需要一定的起降時間,單次飛行時間可超過1 h,維護較復雜。單旋翼無人機藥箱載荷多為10~30 L,部分機型載荷可達30 L以上;多旋翼無人機多以電池為動力,較單旋翼無人機藥箱載荷少,多為5~20 L,其具有結構簡單、維護方便、飛行穩定等特點,噴霧作業效率高達3畝/min。

 

    植保無人機在我國已取得了長足的進步,但由于中國面臨著人口老齡化和人口縮減的嚴峻形勢,農業勞動力短缺的趨勢未來會愈發明顯,為了保障中國農業的穩定和可持續發展,加快實現農業機械化已經成為國家層面的發展戰略之一。無人機低空低量航空施藥技術的應用符合當前中國小戶型農業發展的要求,以省時、省力、高效的方式進行施藥作業,提升了中國植保機械化水平。但在植保無人機快速且迅猛發展的過程中,既充滿機遇又面臨許多挑戰,主要表現如下:

 

    (1)無人機低空低量施藥在中國已應用在玉米、水稻、小麥等作物以及丘陵地帶,田間實際植保作業表明,無人機載荷并不是主要障礙,而植保無人機的作業質量與防效、續航時間與可靠性、尤其是農藥飄移對環境的污染與周圍敏感作物的藥害等則更需關注,是無人機應用與發展過程中的極大挑戰。

 

    (2)考慮到無人機技術的新穎性和復雜性,植保無人機專用噴霧系統及其低空低量的航空施藥技術的研發應放在首要地位,但目前植保無人機生產廠家大多把精力放在噴霧系統的載體——飛行平臺及飛行控制系統的研發上,以次代主,偏離了植保無人機是執行農藥噴霧機器的這一主題。中國目前缺乏適用于低空低量航空施藥的專業霧化系統及其關鍵工作部件與施藥技術,噴霧系統的主要工作部件大多借鑒地面現有零部件,沒有穩壓調壓裝置,無法實現均勻穩壓噴霧,更談不上精準噴霧。急需通過專用霧化裝置、調壓穩壓裝置、藥箱、加藥系統等研發與優化來改善農藥霧化與沉積狀態,降低飄失風險,實現農藥安全使用。

 

    (3)無人機施藥技術在噴霧質量、防治效果,尤其是環境安全性方面的評價是對植保無人機安全使用、環境保護、政府管理的主要與關鍵內容。植保無人機采用超低容量噴霧技術,生產中采用畝用噴量1 L的情況下,對應的霧滴大小在80~120 μm,這樣細小的霧滴在風速2~3 m/s的情況下,如果飛行噴霧高度距離作物冠層表面在2 m到4 m之間可以飄失至數十米甚至上百米以外的距離,這在施用除草劑與生長調節劑等藥劑時,極易造成周圍非靶標區敏感作物的藥害與環境污染。因此,使用過程中除農藥霧滴在作物冠層中的穿透性、霧滴沉積量、覆蓋率等評價內容以外,植保無人機的農藥霧滴飄移控制與環境評估是在評價無人機施藥效率和防治效果時需要優先考慮。

 

    目前RTK技術可以進行航線規劃和自主飛行控制,使飛行作業軌跡更精準,但無法保證無人機的噴幅穩定和霧滴在作物上的均勻分布,沒有從根本上解決植保無人機的重噴與漏噴、農藥霧滴飄移等核心問題,亟待研發先進的新型飛控系統、傳感器及系統、軟件平臺。另外,仍需充分研究小型單旋翼及多旋翼無人機霧滴空氣動力學以及其與溫濕度、風速等外界環境因素的相互作用,為針對植保作業的專用無人機設計提供理論指導。基于田間測試的可飄移霧滴風險評估和減飄技術的運用是未來無人機施藥技術發展過程中需要考慮的關鍵研究內容。

 

    (4)我國有關植保無人機的標準嚴重落后于裝備產品的研發,能為不同天氣和地面條件下無人機植保作業合理施藥參數的確定提供可靠的指導以及環評的技術標準準則亟待制定,主要標準的建設包括質量標準、作業規范、防效評價與環評的規范準則等。明確產品質量鑒定與監管、環評部門,盡早制定我國農業植保無人機產品設計、生產、制造的技術標準,建立產品質量檢測標準與質量管理體系;研究制定植保飛行作業管理規范,植保飛行作業操作人員崗位培訓與資質認證體系,實現持證上崗;研究制定航空植保作業質量、防治效果評價和環境風險評估標準規范,促進植保無人機產業的高質量、高效益和安全可控、健康發展。

 

    (5)植保無人機施藥技術的商業化需要政府、研究機構和企業等各利益攸關方的共同參與和合作。專業化組織提供收費合理的無人機病蟲害防治綜合服務,意味著將復雜的無人機技術帶到農民身邊變得切實可行,可以使農民逐漸接受這種農作物病蟲害防治技術。這些專業化組織將會在農藥供銷全程扮演關鍵角色,而且還將負責提供無人機操控手培訓、無人機植保作業、機具維修、保險、產品運送和交付。專業化防治組織會在作業中累積經驗,有利于開發專業化的病蟲害防治體系,可以應對復雜大規模暴發性病蟲害防治。在一項新技術的推廣階段,對價格格外注重的種植戶往往會抱有觀望態度。政府應該推出針對植保服務的采購計劃和鼓勵政策,這會調動農民對無人機植保作業的參與熱情,也會鼓勵專業化組織和生產廠商合作并加大投入。

 

    (6)用于低空低量航空噴灑的農藥新劑型的發展以及傳統農藥產品標簽的改進。農藥劑型是影響農藥實際使用效果非常重要的因素,會改善霧滴霧化過程、減少霧滴飄失、提升農藥霧滴在靶標作物表面的滯留量等。無人機施藥專用商品化農藥制劑迄今尚在研發階段,適用于無人機低空低量農藥噴灑的制劑會提升農藥分布均勻度,降低霧滴飄失潛力。另外,用于無人機施藥的農藥包裝上必須標明監管部門的授權許可標志,但當前的農藥產品包裝上并沒有針對無人機作業的強制說明和推薦使用劑量,需要對農藥產品標簽進行改進或提供額外的專用航空施藥說明書,產品包裝上也要標明無人機噴霧推薦使用劑量和施藥液量。

 

    綜上所述,考慮到無人機施藥的復雜性、農用植保無人機行業的快速發展,深入研究植保無人機低空低量施藥技術、作業質量與環境評價的迫切性不容忽視,更好地認知新興的無人機施藥技術會有助于優化無人機設計,促進農藥的高效、安全使用,為中國農用植保無人機市場的健康、有序發展作出貢獻。    (《農藥科學與管理》2018年第9期)

 

農藥快訊, 2019 (9): 42-45.


tag: 植保無人機  863計劃  飄失風險  超低容量噴霧技術  

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