农用无人机现状与发展趋势

Ｏ引言

本拥有２３４６架已注册农用无人直升机，操作人员

１４

１６３人，成为世界上农用无人机喷药第一大国。

无人机是一种有动力、可控制、能携带多种任务我国系统研究微小型无人机航空施药喷雾技术开始设备、执行多种任务．并能重复使用的无人驾驶航空于２００８年，由国家资助，开始单旋翼无人机低空低器。它们没有驾驶舱，但安装有自驾仪、飞行姿态控量施药技术的研究。截至２０１２年末，生产航空施药制等设备，以助推、垂直起降、喷射起飞等方式起飞，无人机整机与配套设备的食业达８０余家。

以降落伞、拦阻索、接收网等方式回收，可多次使用。［卫卜．■ｌ［］［］

无人机曾经作为一种作战武器在战场中显示出强大的战斗能力。无人机在民用领域应用主要表现在航［三二习

广曰［卫空摄影、地面灾害评估、航空测绘、交通监视、消防、然

人工增雨等方面。无人机在农田中的应用逐渐开始出现，主要集中在农田信息遥感、灾害预警、施肥喷［］卜ｊ：‘Ｉ＼一［］

Ｅ］药等领域。

图１无人机构成简图

［三］

１．１无人机结构种类

ｌ无人机发展概况

农用无人机有多种分类方法：如按照动力来源，世界上第一架无人机是由英国人于１９１７年研制分为电动和油动；按机型结构，分为固定翼、单旋翼、的。这是一架无线电操纵的小型单翼机，由于受到当时多旋翼和热动力飞行器；按起飞方式可分为助跑起许多技术问题的制约，所以试验失败。而后终于在２０飞、垂直起飞垂直降落；等等。以下按照其主要结构世纪３０年代初研制成功无线电操纵的无人靶机，直到进行分类。

８０年代，美国将无人机应用于越战和海湾战争。一般１．１．１固定翼无人机

来说，无人机主要由如图１所示部分构成。

固定翼无人机是由动力装置（如燃油发动机、电世界上第一台农用无人机出现在１９８７年日本，机等）产生推力或者拉力，由机翼产生升力，机翼位Ｙａｍａｈａ公司受日本农业部委托，生产出２０ｋｇ级喷置和掠角等参数在飞行过程中保持不变的飞行器，药无人机“Ｒ一５０”，经过将近２０多年的发展，目前日

图２为浙江大学研制的小型农田信息遥感无人机。

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固定翼无人机具有滑翔性能好，续航长，航程远，飞行高度高，飞行速度快等优点，适合应用于农田营养信息获取、灾害预警、成熟度估测等。然而固定翼受天气影响大，气流变化剧烈的时候不宜飞行。

后退、左右运动，以螺旋桨转速次序变化实现自转，垂直起飞降落，场地限制小，可空中稳定悬停。多旋翼飞行器出现后，以优越的飞行稳定性、简单的动力学结构和低廉的价格迅速获得广泛的关注和使用。多旋翼无人机采用锂聚合物电池供电，自动化程度高，飞行平稳，操作技术要求低。同时由于结构所限，载质量一般不高（１０ｋｇ左右），续航时间较短（１５－

２０

碧曼粤舅嗲。＋

厂

ｍｉｎ）。图４为浙江大学与浙江得伟有限公司联合

开发的中型八轴多旋翼农田信息遥感平台。

图２固定翼无人机

１．１．２单旋翼直升机

单旋翼直升机（如图３所示）通过主桨切割空气产生推力，尾桨保证平衡，无需跑道助跑，可垂直起降和稳定悬停，飞行灵活性和可靠性相对于固定翼要高很多。在农业中有很多应用：如刘小龙采用嵌

图４多旋翼飞行器

入式主板设计无人机图像采集系统…；李冰等采用京商２６０和ＡＤＣ多光谱相机通过测定冬小麦覆盖度变化，对冬小麦生长过程中的５个主要生育期进行监测，分析了空间尺度变化对结果的影ＩＩ向ｒ４；ＴｉａｎＬｅｉ等人通过收集机载导航系统对飞行高度和位置的估测数据，采用一定的变形模型对遥感所得图片进行几何校正，而无需控制点１３］。日本“ＲＭＡＸ”系列无人机、中国总参谋部六十所的“Ｚ”系列无人机都属于这种结构。

２无人机生产单位

无人机植保作业相对于传统的人工喷药作业和机械装备喷药有很多优点：作业高度低，飘移少，可空中悬停，无需专用起降机场，旋翼产生的向下气流有助于增加雾流对作物的穿透性，防治效果好，远距离遥控操作，喷洒作业人员避免了暴露于农药的危险，提高了喷洒作业安全性等。无人直升机喷洒技术采用喷雾喷洒方式至少可以节约５０％的农药使用量，节约９０％的用水量，这很大程度上降低了资源成本。

在我国，作为农业用途的无人驾驶轻型直升机目前处于初级研究阶段。国内通用轻型农用无人直升机主要有中国人民解放军总参第六十研究所开发的“Ｚ－３”无人直升机，南京农业机械化研究所开发的喷药无人机，浙江大学和浙江得伟工贸公司开发

图３单旋翼直升机

的“ＤＷＨ－１”等无人机。相对于军事及其他行业，农业作业对无人机性能要求更高，上述机型应用于农业还有许多技术难点需要攻克，农业航空发展还任重道远；但相对于需求，其发展空间很大。

目前我国生产航模的企业有近２００家（包括旋冀和固定冀无人机），具有自主研发能力，并已进人

１．１．３多旋翼飞行器

多旋翼飞行器原型出现于１９２２年，然而直到１９９９年才出现多旋翼无人机。多旋翼无人机以三个或者偶数个对称非共轴螺旋桨产生推力上升，以各个螺旋桨转速改变带来的飞行平面倾斜实现前进、

２

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农业市场的单位和企业１０余家；相关无人机农业装目前我国生产航模的企业已有２００多家，航模备技术研究院所２０余家。按技术水平、生产能力和无人机没有地面终端，需要操作人员使用手持遥控单位类型可分为：

器控制飞行，遥控距离一般在目视距离以内，此类无２．１无人直升机农业航空技术研究单位

人机多以电池提供动力，载质量在１０ｋｇ以内，在国内自２００８年起，以“浙江大学”“农业部南京农业已具备大批量生产能力。其优点是轻便、灵活、能效高、机械化研究所”“华南农业大学”等单位为代表开展起降方便、价格低；缺点是载质量低，续航时间短，飞行了航空施药技术、ＧＰｓ自动导航技术、农用无人机平高度、速度与航线易受操控手目测判断差异的影响而台技术、航空施药污染评价技术、低空遥感平台等技产生一定的偏差，对施药效果造成一定的影响。术的研究，并取得了多项技术成果。包括无人驾驶２．３农机农药生产厂家与农机服务组织

自动导航低空施药技术、低量低飘移施药技术研究，

以浙江得伟等农机农药生产厂家为代表的无人在高精度ＧＰＳ的无人驾驶自动导航低空施药技术

机研发、生产和销售为一体的高新技术企业，目前与研究方面取得突破性进展，精确的航路规划解决了浙江大学合作研制农用型无人直升机、多旋翼等农航空喷雾作业喷幅的精确对接，提高作业质量。田变量精准喷药等系列产品，所生产产品在义乌博２．２无人机生产企业

览会上展出，得到广大农民朋友一致好评，并设计研以“解放军总参六十所”“沈阳自动化所”等单位发出太阳能全自动农田信息遥感无人机，全身硅片为代表的无人机生产企业，研究开发了一批具有较太阳能板贴合，质量轻动力足，只要太阳充足，就可高自主水平，能够在空中自主飞行（或进行远程引以全天飞行，节能环保，续航充足。“河南田秀才”等导）并执行任务的旋翼无人飞行器。其系统一般包其他生化农药企业各自在无人机研发和应用上进行括无人机平台、测控、任务载荷、综合保障及情报处理探索并取得成效，他们开发的类型各异的植保无人等五大部分，配备地面控制终端，工程涉及航空理论、机，特别是多旋翼机，已在多个省市的实地应用中展计算机、控制、电子、机械、材料和系统工程等多个学现出优势。由农机农药生产企业衍生出来的无人机科，可以在地面站的监控下自主完成多种飞行任务，此生产企业在超高浓度药剂生产、植保服务方面融合类无人机使用燃油发动机提供动力，载质量可达１５－

更充分，并在销售渠道拓展、驾驶员培训、售后服务８０

ｋｇ，具体机型有：Ｚ－３、Ｚ－５（总参六十所），ＳｅｒｖｏＨｅｌｉ一

等方面初步探索出较为成功的经验。

１２０（沈阳自动化所），ＡＲ—１００姨Ｆ８１１（中航工业自控３农用航空产业技术创新联盟的成立

所）。由于受到技术、市场等因素限制，此类无人机没有形成大批量生产，很多还处于样机阶段。其优点是载质无论大型的还是小型的农场都有望受益于无人量大、飞行精度高，适合精准农业作业；然而价格高，系机。在无人机的帮助下，小型农场能够提高农业精度，统复杂，不易维护，低空作业安全性也有待提高。

节省资金和资源；大型农场能够轻松绘制和确定大面以“无锡汉和”等企业为代表在引进国外微小型积作物的健康状况和收成，此前这类土地监测完全依无人机型的基础上，开发了电动航拍系列和农业植靠人力，农民需要亲自查看哪块田地需要更多的水和保系列无人机型，目前已基本定型，任务载荷在ｌＯ、

肥料。伴随精确农业的出现，遥感对很多大型农场的运１５、２０

ｋｇ，产品已经进入小批量生产。此类无人机，

作来说变得必不可少。卫星和飞机能够拍摄红外照片由于受机体和载质量限制，田间作业时无法完全实以确定水资源的分布运动及杂草的覆盖情况；热红外现自动驾驶而采用了半自驾的方式，经济性较好；然传感器可以测量热量，从远处确定作物健康状况。

而缺乏对喷药装备的开发，不便于更快更好地在农２０１３年１月，农用航空产业技术创新联盟在海业喷药上应用。

南三亚成立，罗锡文院士担任理事长，联盟由积极投

３

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身于农业航空产业技术进步，从事相关技术与产品的研究、开发、生产、制造、服务的企业、科研单位和大专院校，以及农业航空市场管理、产品检测鉴定及技术推广等相关机构自愿组成，以“推动技术创新、引导产业发展”为宗旨，为推动无人机长足发展提供了组织保证和技术交流平台，对农用无人机最终成为广大农民使用的农机具有着深远的影响。

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理部门实施管理，这也导致了目前无人机技术市场良莠不齐。

５未来发展方Ｉ幻

认清差距才能更好地改进产品。向日韩农用航空设备学习经验，弥补不足，

１日内外无人机应用情况

日本雅马哈无人机公司有３０年的历史，是农用

可以迅速提升自己的水平。

（１）提升农用无人机自动化水平，降低飞行中人为因素。开发离地高度锁定技术，降低对操作人员的操作要求。去除与作业

无关的功能，做好作业机械一体化设计，使得飞行器与作业机械成为一个有机组合农业机具。

（２）科学规划农用无人机作业流程，切实提升作业效率。改变人机协作方式，减少中间无谓的等待，能够明显提升作业效率。

（３）优化飞行算法，提升飞行稳定性和抗风险能力。由于农用无人机载质量较大，惯性大，存在控制响应滞后的问题，如何优化算法，实现飞行器平稳控制，如何提升飞行器的安全性，降低农民所承担的风险，都是农业工程师要解决的问题。

（４）开发变量作业农机具，降低损耗和污染。依据精细农业的要求，按照农田需求处方图进行变量耕作，是农业自动化与生态农业发展的新要求。

（５）提升产品服务质量。卖一台飞机并不等于满足了农民对农田喷药的需求，产品销售方要建立完善的售后服务网络，为农民提供技术咨询服务，提供及时的技术保障与故障维修服务。

（６）开发低碳环保、环境友好的新能源无人机。现在无人机多选用石油燃料或者电池作为动力来源。石油燃料碳排放很大，而且燃油危险性高；电池的生产过程和废弃回收都会浪费资源，造成环境污染。太阳能无人机已经在美国出现，它以太阳能作为能量来源，在太阳稍微充足情况下，即可做到全天候飞行同。

无人机领域公认做得很好的公司１４１，他们的产品可以实现短时间内更换油箱，补充药剂，定高飞行，完全傻瓜式操作，用户只需拨下开关键，飞机将自主起飞，飞到定高后悬停，用户可以方便地操纵飞机的前进后退，大大降低了对农民的技术要求，飞机的稳定性、作业效率和安全性大大提高。

欧美一直在无人机技术上处于领先地位，然而由于政策与法律原因，无人机发展受到一定限制。在欧洲所有无人机飞行需要向欧洲航空管理局进行飞行申请，执飞飞行器与操作人员需要资质认证，且质量不得超过２０ｋｇ。而美国由于农业组织方式采用大农场为主，大面积喷药采用载质量更大的有人航空喷药１５Ｉ，无人机喷药较少，同时美国联邦航空管理局在２０１５年前禁止美国上空出现直接获取经济利益的无人机飞行，个人航模质量不得高于２０ｋｇ，飞行高度低于１４０ｍ（＜５００英尺），导致美国无人机产业发展落后于日本。

我国耕地面积小，平原面积只占国土面积的１２％左右，而耕地面积仅为１０％，在南方丘陵居多，大量存在小地块、梯田等不适合大型航空机械作业的耕地地形，无人机无疑成为一个很好的解决方向。采用无人机进行喷药、施肥的农用无人喷药机械远达不到这个水平，作业机械与飞行器结合很差，无法体现无人机高效的作业能力。还有，目前飞行器操控人员都需要航模操作经验或者至少四个月的培训，限制了农用无人机的普及。而且我国航空管理法律条例并不完善，对农用无人机使用没有对口管

４

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６无人驾驶飞行器产品市场分析及预测

我国地域辽阔，地理及气象条件多样，农业人Ｅｌ众多。截至２００７年底我国农村人口７．３亿，占总人口的５５％。耕地面积约１．２１７

８×１０８

向第二、三产业转移，集约化农业将是我国农业发展的必由之路，航空技术优势在农业中将会得到更加充分的发挥，日益满足我国农业生产发展和环境保护的需要。农用无人机发展前景广阔，市场潜力巨大。

参考文献

ｈｍ２，农作物

病虫害发生面积每年约４．４９ｘ１０８ｈｍ２次。据农业部门统计数据显示，我国手动植保机具约３５个品种，社会保有量约５８０７．９９万台，担负着全国农作物病、虫、草害防治面积的７０％以上；机动植保机械有背负式机动喷雾机及背负式机动喷雾喷粉机约８个品种，社会保有量约２６１．７３万台；担架式机动喷雾机社会保有量约１６．８２万台；小型机动及电动喷雾机社会保有量２５．３５万台；拖拉机悬挂式或牵引的喷杆式喷雾机及风送式喷雾机的社会保有量４．１６万台；航空植保作业装备保有量仅４００架川。地面植保机具防治效率低，对于迁飞性害虫暴发和大区域流行性病害发生不能实现大面积的统防统治。根据新疆地区的使用记录显示，飞机的作业效率是目前地面植保机具中防治效率最高的高架喷雾器

、

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ｆｒｏｍ

ａｎ

ｕｎｍａｎｎｅｄａｅｒｉａｌ

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ａｎ

ａ１．Ｉｍａ舀ｎｇ

ｆｒｏｍ

ｕｎｍａｎｎｅｄ

ａｅｒｉａｌｖｅｈｉｃｌｅ：ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ

ｓｕｒｖｅｉｌｌａｎｃｅａｎｄ

ｄｅｃｉｓｉｏｎ

ｓｕｐｐｏｒｔ［Ｊ］．ＣｏｍｐｕｔｅｒｓａｎｄＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓｉｎＡｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅ．

作业效率的８．３８倍。飞机作业不仅作业效率高，能节省大量人力和农药，且完成同样作业面积的耗油量也比拖拉机等农业机械少。目前，我国城市化进程快速发展，越来越多的劳动力走向城市，大量农业劳动力

２００４，４；４（１）：４９—６１

［７］国家统计局农村社会经济调查司．中国农村统计年鉴：

２０１２［Ｚ】．北京：中国统计出版社，２０１３

作者信息：ｌ教授、博士生导师；２：浙江大学生物系统工程与

食品科学学院，３１００５８，杭州

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农用无人机现状与发展趋势

作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：

何勇， 张艳超

浙江大学生物系统工程与食品科学学院,310058,杭州现代农机

Xiandai Nongji2014(1)

本文链接：http://d.wanfangdata.com.cn/Periodical_xdnj201401001.aspx