植保無人機

植保無人機是一種用于農(nóng)林植物保護的無人駕駛飛行器主要通過地面遙控或GPS飛控噴灑化學(xué)藥劑、種子、粉等作業(yè)是無人機的重要組成部分。植保無人機又稱無人機，由飛行平臺組成、導(dǎo)航飛行控制系統(tǒng)和噴灑裝置 3 。根據(jù)動力來源，植保無人機分為燃油和電池兩大類根據(jù)飛機結(jié)構(gòu)，植保無人機分為固定翼、單旋翼、多旋翼無人機。

植保無人機最早出現(xiàn)在美國和日本，80年代開始使用植保無人機進行飛防作業(yè)。日本雅馬哈公司制造了世界 1987年美國第一架農(nóng)業(yè)植保無人機（R-50）我國在農(nóng)業(yè)植保無人機領(lǐng)域起步較晚，處于快速發(fā)展的前期。2004年，農(nóng)業(yè)部、地方農(nóng)科院和少數(shù)科研機構(gòu)在科技部“計劃863 ”植保無人機的研究和推廣始于。到2007年，我國開始探索植保無人機產(chǎn)業(yè)化。2010年，漢和航空制造出第一架植保無人機并交付市場，正式拉開了我國農(nóng)業(yè)植保無人機產(chǎn)業(yè)化的序幕。 截至2020年底，我國植保無人機保有量突破10萬架，居世界第一。

第一架由無線電控制的無人駕駛飛行器于1910年左右在美國秘密測試。斯佩里出生于1717年（Sperry)空中魚雷號（Unmanned   air vehicle, referred to as  UAL）可攜帶136公斤炸藥，飛行約80公里。1918年，美國首次嘗試用飛機給棉花噴灑農(nóng)藥進行植保。1922年，美國將JN-軍用飛機改進了，植物裝上農(nóng)藥后噴灑。同年，蘇聯(lián)用飛機噴灑來控制蝗蟲。

20世紀(jì)50年代，發(fā)達國家開始大量研發(fā)植保無人機。其中美國的技術(shù)是最先進的。  By  2016 美國有超過20003356家農(nóng)業(yè)航空公司，大約有40003356架無人機在使用，超過 30003356名注冊飛行員，每年防治近5的耕地.1億畝，占美國全年控制面積的40%以上。加拿大、俄羅斯地廣人稀，航空運營規(guī)模巨大無人機控制的面積占其總耕地的三分之一以上2003年，韓國開始引進無人機和航空運營技術(shù)，發(fā)展迅速。

日本用第一架研制的無人直升機R50進行農(nóng)藥噴灑，雅馬哈公司研制的無人植保機為日本農(nóng)業(yè)航空的發(fā)展做出了重要貢獻從1995年到2015年，日本的植保無人機從307架增加到2668架。到2010年底，日本無人機管制的面積達到96.30000h㎡，占航空運營總面積的385%注冊無人機飛行員1416 人。

2006 年，南京農(nóng)業(yè)機械化研究所開始嘗試研究植保無人機。2010年，首次研發(fā)出植保油動無人機。同時，中國農(nóng)業(yè)大學(xué)研發(fā)出首架電動多旋翼植保無人機。據(jù)2014年統(tǒng)計，國內(nèi)植保無人機僅695 架，作業(yè)面積426萬畝。  2015年，全國共有植保無人機 2524架，作業(yè)面積100033560畝。

2014年中央一號文件明確要求“加強農(nóng)業(yè)航空建設(shè)”2016年，農(nóng)村事務(wù)部成立“農(nóng)業(yè)航空植?？萍紕?chuàng)新聯(lián)盟”2017年3月，農(nóng)業(yè)部首次將植保無人機納入試點農(nóng)機補貼；9月農(nóng)業(yè)部、財政部民航局聯(lián)合發(fā)布《關(guān)于開展農(nóng)機購置補貼引導(dǎo)植保無人飛機規(guī)范應(yīng)用試點工作的通知》。12月，工信部發(fā)布《關(guān)于促進和規(guī)范民用無人機制造業(yè)發(fā) 展的指導(dǎo)意見》。

2018年3月，農(nóng)業(yè)部、財政部聯(lián)合發(fā)布《關(guān)于做好2018~2020年農(nóng)機新產(chǎn)品購置補 貼試點工作的通知》，明確表示鼓勵植保領(lǐng)域無人機發(fā)展創(chuàng)新，促進植保無人機產(chǎn)業(yè)發(fā)展。經(jīng)過10年的探索，中國植保無人機在電力系統(tǒng)、飛控系統(tǒng)、飛芳藥 劑量助劑、施藥裝備及技術(shù)、機器與藝術(shù)的融合已經(jīng)取得了很大的進步。 利用 GPS 全球定位系統(tǒng)和遙控終端 的 App，通過簡單的操作實現(xiàn)無人機的自動起降、 自動路線規(guī)劃和噴灑作業(yè)， 全程基本都是自動 。 地面仿雷達和防撞雷達也已裝備在部分植保無人3356機型上并投入實際應(yīng)用，防撞能力大幅提升。相關(guān)領(lǐng)域的學(xué)術(shù)論文和專利數(shù)量也在快速增長，專著、魯三三三五六一書繼續(xù)出版到 2018 ，國內(nèi)發(fā)表農(nóng)業(yè)無人機學(xué)術(shù)論文 2803356篇，授權(quán)專利 692 項，分別是2014年的14倍和69倍，無人機數(shù)量達到3架.15萬架飛機，工作面積2.67億畝。

2019年10月，所有權(quán)為5.超過50，000個單位，工作面積為4.5億余畝。無人機總裝備和作業(yè)面積世界第一，植保無人機的廣泛應(yīng)用從單純的水稻變成了、棉花逐漸推廣到各種作物。

單旋翼植保無人機：單旋翼植保無人機又稱單軸無人機或單旋翼無人機，外形與常見直升機相似，通常指只有一個旋翼的無人機。單旋翼植保無人機結(jié)構(gòu)簡單，平行性好，操作靈活由于它的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動較慢，所以產(chǎn)生的噪音較小，適合在農(nóng)田等場合使用。

多旋翼植保無人機：多旋翼植保無人機有多個旋翼動力臂，飛行高度低、機身震動小，可以配備精密儀器，噴灑農(nóng)藥可以更精準(zhǔn)。具有機動靈活、操作簡單、成本低等優(yōu)點。

共軸無人直升機：同軸無人直升機是指兩個或兩個以上旋翼軸同軸布置的無人飛行器。與單旋翼植保無人機相比，共軸式無人直升機具有更高的穩(wěn)定性和機動性，可以實現(xiàn)更高的飛行高度和更寬的工作范圍。

燃料動力植保無人機：燃油動力植保無人機是一種由燃油驅(qū)動的植保無人機，通常使用汽油、柴油等。它的特點是負載大，15-可以用120L，續(xù)航時間長，單車作業(yè)范圍大。但缺點是噪音大，污染環(huán)境。

電動植保無人機：電動植保無人機是指以電池為動力源的無人機目前市面上比較好的無人機電池品牌是Geiger、世豹、花牌、達普、獅子、高能、富力等。電動植保無人機與燃油動力植保無人機相比，更環(huán)保，操作維護方便，但載荷小，續(xù)航時間短，單次飛行作業(yè)時間一般為10-30分鐘。

油電混合植保無人機：油電混合式植保無人機結(jié)合了傳統(tǒng)燃油動力和電力動力的優(yōu)點，既保留了燃油的高能量，又保留了電驅(qū)動靈活穩(wěn)定運行的特點。

構(gòu)造

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用植保無人機是從多旋翼無人機技術(shù)發(fā)展而來，將多旋翼無人機的主體結(jié)構(gòu)與植保噴桿的噴灑技術(shù)有機結(jié)合，利用電氣控制技術(shù)實現(xiàn)無人機飛行狀態(tài)和農(nóng)藥噴灑狀態(tài)的精確控制，從而實現(xiàn)高效的農(nóng)業(yè)植保智能噴灑作業(yè)。農(nóng)業(yè)智能植保無人機的主要結(jié)構(gòu)包括：多旋翼飛機主體、噴霧機構(gòu)總成、藥液箱、輸藥管路、藥液泵、電氣控制系統(tǒng)、傳感器總成、衛(wèi)星定位模塊等。

植保無人機控制系統(tǒng)的核心是PLC主芯片，用于數(shù)據(jù)采集和處理主芯片承擔(dān)接收 GPS  GPS  定位和各種傳感器的信息，并對信息進行分析的任務(wù)、存儲、傳輸；根據(jù) PLC的預(yù)設(shè)程序進行飛行控制和噴藥控制；接收并執(zhí)行遙控器輸入的指令。飛機控制系統(tǒng)除了主芯片外，還通過主板和擴展的電源和通信線路與無刷電機相連、藥液泵、管道電控開關(guān)等，實現(xiàn)各功能部件與主芯片的有效連接。此外，飛控系統(tǒng)的硬件也配備了 PWM 、CAN、IIC、UART等接口可以實現(xiàn)人機交互。

植保無人機的動力系統(tǒng)是飛行噴霧作業(yè)的基礎(chǔ)飛行動力能源利用電池動力，帶動無刷電機運轉(zhuǎn)，帶動葉片旋轉(zhuǎn)，利用多個葉片同時切割空氣，形成穩(wěn)定升力，推動植保無人機飛行。在飛行過程中，可以通過控制電子調(diào)速器來調(diào)節(jié)各個無刷電機的轉(zhuǎn)速，從而控制飛機的飛行狀態(tài)。農(nóng)藥噴灑系統(tǒng)以噴桿噴灑的形式實現(xiàn)，噴灑系統(tǒng)包括藥箱、藥液泵、輸藥管路、過濾裝置、噴桿、噴嘴等，植保無人機使用濃縮藥液降低飛機載重。噴灑作業(yè)時，農(nóng)藥在藥液泵的驅(qū)動下在輸藥管道內(nèi)流動，當(dāng)管道內(nèi)形成足夠的壓力時，由高霧化的噴嘴噴出。

原理

植保無人機的飛行控制原理如下：當(dāng)沒有外力，重量分布均勻時，八個螺旋槳同速旋轉(zhuǎn)當(dāng)螺旋槳向上的拉力大于整機重量時，八個旋翼就會向上升起，當(dāng)拉力等于重量時，八個旋翼就可以懸停在空中。當(dāng)八旋翼的前部受到向下的外力時，前置電機加速以抵消外力的影響，保持水平同樣，八旋翼在其他方向受外力時也能保持水平。當(dāng)需要控制八個旋翼向前飛的時候，前置電機減速，后置電機加速，這樣八個旋翼就會相應(yīng)地前傾向前飛，同樣的，也需要向后飛、向左、也正是通過這種控制，八個旋翼才能按照我們想要控制的方向飛行。當(dāng)我們要控制八轉(zhuǎn)子的頭部方向順時針旋轉(zhuǎn)時，八轉(zhuǎn)子會加速逆時針電機的轉(zhuǎn)速，同時降低順時針電機的轉(zhuǎn)速，因為左右電機逆時針旋轉(zhuǎn)，左右電機轉(zhuǎn)速相同，所以左右平衡。前后電機順時針旋轉(zhuǎn)，但前后電機轉(zhuǎn)速相同，所以可以平衡前后左右，保持飛行高度，但逆時針旋轉(zhuǎn)的力大于順時針旋轉(zhuǎn)的力，所以機身會反方向旋轉(zhuǎn)，從而控制機身方向。

衛(wèi)星定位技術(shù)：衛(wèi)星定位技術(shù)可以保證植保無人機準(zhǔn)確獲取田間位置信息進行自動噴灑作業(yè)。植保無人機的衛(wèi)星定位功能主要通過植保無人機上的衛(wèi)星定位模塊來實現(xiàn)衛(wèi)星定位芯片與衛(wèi)星地面基站相結(jié)合，修正無人機的定位精度，保證無人機的作業(yè)精度達到厘米級，使無人機更好地利用衛(wèi)星導(dǎo)航，在電池電量不足或農(nóng)藥殘留不足時，實現(xiàn)自動返回和精確斷點連續(xù)噴灑，有效減少重復(fù)噴灑、漏噴問題的發(fā)生。

智能控制技術(shù)：智能控制系統(tǒng)是植保無人機飛行和噴灑的常規(guī)控制，智能匹配飛行速度和噴灑量，通過環(huán)境感知技術(shù)獲取環(huán)境信息，實現(xiàn)針對性作業(yè)，能根據(jù)風(fēng)力調(diào)整噴灑方式，遇大風(fēng)天氣自動返回、異常氣流懸停、自動避障等。同時可以實現(xiàn)對各功能設(shè)備和飛行速度的監(jiān)控、電池電量、藥液的剩余量等，并實現(xiàn)電池的低電壓保護、無人機異常預(yù)警等功能。

人工遙控技術(shù)：手動遙控技術(shù)是通過遙控器或智能手機來控制無人機，利用手動控制來完成農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中無人機難以自動完成的任務(wù)。智能植保無人機在一些特定情況下難以獨立完成任務(wù)，比如作業(yè)開始前利用無人機獲取并定位農(nóng)田的邊界信息，飛行員操作植保無人機飛到指定位置后記錄定位信息，通過多點記錄生成作業(yè)范圍用于植保無人機的自動作業(yè)，或者在衛(wèi)星定位信號較差的地區(qū)，可以通過手動控制飛機飛行配合自動噴灑農(nóng)藥實現(xiàn)半自動作業(yè)。無人機的使用者還可以駕駛無人機自主進行植保作業(yè)，實現(xiàn)果園、山區(qū)等復(fù)雜農(nóng)田的植保噴灑作業(yè)。

植保無人機

生產(chǎn)企業(yè)分類：中國從事植保無人飛機的研發(fā)、生產(chǎn)、銷售等整個產(chǎn)業(yè)鏈上的企業(yè)，可以分為：有軍工背景的企業(yè)，依托軍用無人機的技術(shù)基礎(chǔ)，實現(xiàn)“軍轉(zhuǎn)民”過渡；新興科技企業(yè)可以快速將最新的前沿技術(shù)應(yīng)用到植保無人飛機上，提高機器性能的穩(wěn)定性、智能化程度處于行業(yè)一流水平；農(nóng)藥生產(chǎn)企業(yè)的子公司，以農(nóng)藥支柱產(chǎn)業(yè)為支撐成立的植保無人飛機企業(yè)；由傳統(tǒng)植保機械企業(yè)轉(zhuǎn)型而來的企業(yè)，有了植保機械生產(chǎn)銷售的市場基礎(chǔ)；科研院所改制的企業(yè)有一定的新技術(shù)、新產(chǎn)品的研發(fā)能力，并能迅速轉(zhuǎn)化為市場上的產(chǎn)品；其他小規(guī)模企業(yè)通過組隊的方式購買飛控系統(tǒng)、模仿現(xiàn)有產(chǎn)品的外形，推出自己的產(chǎn)品。

機型分類：按動力分類，可分為油動植保無人機和電動植保無人機；按旋翼數(shù)量可分為單旋翼植保無人機和多旋翼植保無人機。其中，油動植保無人機以單旋翼機型為主，電動植保無人機有單旋翼和多旋翼兩種，多旋翼機型居多。

噴灑作業(yè)：農(nóng)業(yè)植保無人機可以實現(xiàn)農(nóng)藥自動定量、通過少量控制噴灑，工作效率是傳統(tǒng)背噴式和懸掛式噴霧機的8 ~ 10 倍。農(nóng)業(yè)植保無人機噴灑農(nóng)藥時，旋翼產(chǎn)生的向下氣流有助于增加農(nóng)藥對農(nóng)作物的滲透，節(jié)省30%～50%殺蟲劑，節(jié)省90%用水量，減少農(nóng)藥污染對土壤和環(huán)境的影響。

農(nóng)作物種植：農(nóng)業(yè)植保無人機播種技術(shù)可以將種子和生長所需的所有養(yǎng)分注入土壤中，在施肥和播種方面有很大優(yōu)勢與傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)機械相比，農(nóng)業(yè)植保無人機播種施肥程度高、效率高，不受地形條件限制。

農(nóng)田灌溉：農(nóng)民和生產(chǎn)工人利用農(nóng)業(yè)植保無人機航拍獲得的信息，觀察農(nóng)田上方不同濕度下農(nóng)田土壤的顏色變化，對數(shù)據(jù)庫中存儲的信息進行識別和比對，是科學(xué)的、合理、高效、準(zhǔn)確實施農(nóng)業(yè)灌溉； 農(nóng)業(yè)植保無人機還可以用來觀察農(nóng)田土壤水分不足導(dǎo)致的植物葉片、莖、以嫩枝枯萎現(xiàn)象作為判斷農(nóng)田作物定額灌溉的參考，實現(xiàn)農(nóng)田灌溉的高效節(jié)水。

農(nóng)田信息監(jiān)測：農(nóng)業(yè)植保無人機農(nóng)田信息監(jiān)測主要包括蟲害監(jiān)測、農(nóng)田灌溉監(jiān)測、作物生長監(jiān)測等，以遙感技術(shù)為基礎(chǔ)，對大面積農(nóng)田和土地進行高空航拍，從航拍照片和影像資料中，、全面了解農(nóng)作物的生長環(huán)境、期等指標(biāo)，及時發(fā)現(xiàn)病蟲害、細菌入侵等問題，及時防控，減少病蟲害的傳播和蔓延，是常規(guī)的傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)監(jiān)測手段無法比擬的。

農(nóng)業(yè)保險調(diào)查：在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，由于不可避免的自然災(zāi)害等因素，會給農(nóng)民帶來巨大的損失對于作物面積較小的農(nóng)戶來說，進行區(qū)域損失調(diào)查并不困難而當(dāng)大面積農(nóng)作物遭受自然災(zāi)害時，很難進行農(nóng)作物面積和損失評估，工作量巨大，難以準(zhǔn)確界定農(nóng)業(yè)生產(chǎn)損失面積。為了更有效地計算實際受災(zāi)面積，農(nóng)業(yè)保險公司可以使用農(nóng)業(yè)植保無人機開展農(nóng)業(yè)保險災(zāi)害損失調(diào)查，并以此作為農(nóng)業(yè)保險理賠的評估標(biāo)準(zhǔn)。有效提高農(nóng)業(yè)保險公司的查勘速度，節(jié)省大量人力物力，提高賠付率和賠付的準(zhǔn)確性。

優(yōu)點

植保無人機作業(yè)時場地適應(yīng)性強由于它體積小，輕便靈活，一兩個人就能控制它完成任務(wù)。日常維護簡單方便，電池可反復(fù)充電使用，電動無人機震動小，易于操控，對飛控人員操作水平要求低使用植保無人機作業(yè)時，工作效率相對較高，是人工作業(yè)的50倍左右植保無人機用于噴灑農(nóng)藥時，噴灑一畝地只需一分鐘。在節(jié)約資源成本方面，植保無人機作業(yè)時可節(jié)約30%的農(nóng)藥，90%的水。根據(jù)作業(yè)程序的設(shè)定，可實現(xiàn)路線規(guī)劃和斷點續(xù)傳，大規(guī)模作業(yè)時可避免或重復(fù)噴灑，節(jié)水省藥?？梢詫崿F(xiàn)人機分離，避免農(nóng)藥與操作人員的接觸，從而保證操作人員的人身安全，避免農(nóng)藥中毒事件的發(fā)生。

缺點

植保無人機體積小，重量輕，抗風(fēng)能力弱（最高可抗4-5級風(fēng)）由于電池壽命有限，續(xù)航時間只有8—20分鐘之間，電池在野外工作時，必須有充電電源。電動植保無人機載荷較小，一般在5—25kg之間。油動無人機的載藥量一般是15—30kg之間。農(nóng)藥需要專門的空中噴灑，以免噴灑時濃度過高對作物造成藥害。噴霧效果有待提高，空氣噴霧存在霧滴附著率不均勻的問題，達不到預(yù)期效果。由于植保無人機價格較高，一般植保無人機從幾萬元到十幾萬元不等。操作失誤或不熟練，墜落，造成重大損失。

中國民航局和農(nóng)業(yè)農(nóng)村部聯(lián)合制定了國家標(biāo)準(zhǔn)《農(nóng)用遙控飛行器通過技術(shù)要求》《遙控飛行噴霧機試驗方法》《農(nóng)用遙控飛行噴霧機安全施藥技術(shù)規(guī)范》《民用無人駕駛航空器系統(tǒng)分類及分級》《民用無人駕駛航空器系統(tǒng)研制單位基本條件及評價辦法》《無人機系統(tǒng)適航性要求》《超低空遙控飛行植保機》等；湖南省、重慶市、江西省、廣西壯族自治區(qū)制定了《農(nóng)用航空器電動多 旋翼植保無人機》《農(nóng)業(yè)植保無人機》《電動旋翼植 保無人機技術(shù)條件》等地方標(biāo)準(zhǔn) 項，用于無人機的研發(fā)、檢測鑒定、推廣應(yīng)用等。  

未來植保無人機會有更多的智能功能，在移動端與智能作業(yè)相結(jié)合是植保無人機應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展趨勢。人們可以通過手機APP直接操作無人機，植保無人機的避障技術(shù)將得到提升，其可操作性可以有效解決植保無人機無法準(zhǔn)確感知的原有問題。植保無人機一般承重較低、航程長度等問題，無法滿足日益增長的土地流轉(zhuǎn)和農(nóng)田施藥需求隨著土地集中度的提高，高運載量高航程的植保無人機成為人們 的需求目標(biāo)。在未來，提高植保無人機的用藥量，增加飛行時長是非常重要的。