我国农用无人机发展概况与展望

杨陆强，果 霖，朱加繁，高志超，周体全，喻自荣，彭继文，张汝坤

(1.云南农业大学 机电工程学院，昆明 650201；2.云南省大理州祥云县农机推广站，云南 祥云 672100)



我国农用无人机发展概况与展望

杨陆强1，果 霖1，朱加繁1，高志超1，周体全2，喻自荣1，彭继文1，张汝坤1

(1.云南农业大学 机电工程学院，昆明 650201；2.云南省大理州祥云县农机推广站，云南 祥云 672100)

近年来，随着我国农业结构的转变与调整，农业生产对农业机械的需要也从普遍的耕作机械、收获机械、农副产品加工机械等方面扩展到了农用无人机。无人机在有动力源的情况下，能通过操控来执行多种作业任务，可广泛应用于农业生产，主要用途体现在植保作业、林业监测、作物授粉及牧群定位等方面。为此，介绍了农用无人机的分类、国内外农用无人机的技术发展概况和现状，以及其在农业领域的应用，阐明了其在我国的发展前景，指出了其在发展过程中存在的一些问题，并提出了相应的发展建议。

农用无人机；现状；用途；建议

0 引言

无人驾驶飞机简称“无人机”，英文缩写为“UAV”(Unmanned Aerial Vehicle)，是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵的不载人飞机[1]。无人机作业具有节省劳力、效率高、效果好等特点，相比人工作业有特别明显的优势。一般飞行员的极限飞行时间是8h，但是无人机在动力充足的情况下可连续飞行100h多[2]。在20世纪20年代至今的近100年间，无人机经历了从无到有、从普通到高端的阶跃变化，但因受到政策及技术等因素的制约，其用途主要还是体现在军事方面。近几年，农用无人机的发展迎来了它的黄金时期。

农用无人机不仅作业效果优于人工作业，且在作业效率、安全性保障等方面也有较大优势。我国现阶段农业机械化的发展正处于中级阶段，农业机械化的发展方向正朝着全面机械化转变。党的“十八大”报告提出：转变农业发展方式，推进农业现代化进程，对于保障我国家的粮食安全具有十分重要的作用。伴随着这种转变，农业生产对农业机械的需要也从普遍的耕作机械、收获机械、农副产品加工机械等方面扩展到了农用无人机。

目前，农用无人机在农业生产中的应用主要体现在植保作业、林业监测、作物授粉及牧群定位等方面。世界上第1台农用无人机出现在1987年的日本，经过将近 20 多年的发展，目前日本拥有 2 400多架已注册农用无人直升机，操作人员14 000多人，成为世界上农用无人机喷药第一大国[3]。除此之外，美国、俄罗斯、加拿大及韩国等国的农用无人机发展也较为迅速，技术体系也较为完善。我国农用无人机发展起步较晚，起初主要是依靠国家资助，一些科研院所、高校进行农用无人机的研究[4]，但我国已日益重视农用无人机的发展及研究。截至2015年底，我国已有3 000多台农用无人机投入农业生产，飞控手的人数已超过2 500人，相关产业的生产企业有400多家，加之农用无人机的各种作业优势，我国农用无人机的发展前景很好。但我国农用无人机发展过程中也有技术不成熟、存在安全隐患、市场需求难以契合、操作人员相对缺乏、社会化服务体系不健全等问题，相信经过各方的协调统筹和共同努力，21世纪必然是农用无人机市场的春天。

1 农用无人机发展概况与现状

1.1 农用无人机的分类

农用无人机按照动力系统的不同可分为：电池动力和燃油动力两类[5]。以电力为动力的无人机能起降迅速，并具有操作灵活的优点，但单次飞行时间一般只有 10～15min；燃油动力系统无人机以燃油发动机为动力，机身大，灵活性相对较差，需要一定的起降时间，且维护较为复杂，但单次飞行时间可超过1h[6]。

农用无人机按旋翼的不同可分为固定翼式、单旋翼式及多旋翼式[7]。固定翼无人机由机翼产生升力，机翼位置和掠角等参数在飞行过程中保持不变[8]；单旋翼无人机由主桨切割空气产生推力，尾桨保证平衡，可垂直起降和稳定地悬停[3]；多旋翼无人机以3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、后退和左右运动，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，可在空中稳定地悬停[8]。

按照农用无人机功能的不同,可将其分为农事操作及农田信息搜集两大类。农事操作即利用无人机来代替一些人力的农事作业,来解决人工作业在质量、效率和劳力上的的不足,以及作业的安全问题等。农田信息搜集即利用遥感探测技术及时、准确地收集田间信息,包括光合作业质量、土壤湿度和作物群体生长情况等。

1.2 国外农用无人机技术发展

1.2.1 美国

1949年，美国开始研制专门用于农业的农用飞机[9]。据统计，美国农业航空对农业的直接贡献率为15%以上，水稻施药作业100%采用航空作业方式。此前，美国因农业劳动人工成本太高一度放弃国内的水稻种植，大米全部依靠进口；使用农用航空作业后，到20世纪70年代末，已一跃而成为了全球主要的稻米出口国之一[10]。麻省理工学院在《科技评论》杂志中评选出了“2014年十大最具突破性的科技创新”，其中农用无人机排在了第1位。2015年1月，美国的联邦航空管理局(FAA)则正式批准、确定了无人机的农业应用—农作物监测[11]。

美国的农业生产规模及科技水平已经并长期处于全球领先地位，也是世界上农用航空技术及应用最发达的国家。在美国，农用无人机已广泛应用于播种、施肥和施药等农事生产过程中，其自动导航、精量控制技术及各种作业模型已步入实用阶段，作业环节优质高效，对环境的污染较低。

1.2.2 日本

世界上第1台农用无人机出现在日本，目前日本也是世界上无人机飞防最为成熟的国家。因为日本是一个典型的人多地少的国家，加之农户的平均耕地拥有量和种植规模均较小，所以日本的作物施药方式主要还是小型机动喷雾和直升飞机航空喷雾[4]。最近几年，轻型超低空的农用无人机凭其在作业效率、单位面积需药量和农药聚附等方面的优势，在日本迅速地发展了起来。目前，日本有近3 000多架的农用无人机应用在农业生产中，飞手的数量达 14 000多人，农林航空作业面积占总耕地面积54%。日本的航空植保操作规范完善，且专用航空药剂多，仅无人机水稻施药专用登记农药就有133种[5]。

1.2.3 韩国

韩国国土面积993.9万hm2，耕地面积203.3万hm2，占比20.45%；农业人口占全国总人口的10.9%，户均耕地1.3hm2，农业发展模式以小农体制下的家庭农业为主。到2010年底，韩国的农用无人机数量达131架，每年可解决4.35万hm2耕地的植保作业需要；截至2013年，农用无人机数量升至500架[12]。在户均耕地面积较少的大背景下，将农用无人机应用于农业生产，正逐渐被韩国越来越多的农户所认可并采纳。

1.3 我国农用无人机发展概况

我国对无人机的研究始于20世纪 50年代后期，60年代中后期投入无人驾驶飞机的研制。前期的无人机研究主要涉及军事领域，研制经费以国家投入主[4]。1951年5月22日，一架C-46型飞机连续2天在广州市上空执行了41架次的灭蚊蝇飞行任务，揭开了我国农业航空发展的历史篇章[6]。虽然农用无人机在我国的发展、起步较晚，但是随着我国对农用航空的重视及投入的加大，我国农用无人机的研究及发展也进入了新的阶段，发展最快的是小型农用植保无人机[4]。目前，我国的小型农用无人机正逐渐推广应用于作物授粉等农业生产领域。

随着我国农业结构的调整，农民在农业生产中对适用的农业机械化新技术和各种配套机具的需求越来越迫切，农用无人机以其在农林植保喷药、风力授粉、农田遥感等方面独特的作业优势受到广泛关注。面对农业上的巨大需求，不少科研机构和企业已投入大量人力物力进行农用无人机的相关研究和生产。自2013年中国农用航空产业创新联盟在海南成立到现在，已有33家理事单位在协调技术创新、统一产品标准及促进技术交流方面做出了积极贡献[13]。

截至2012年末，生产航空施药无人机整机与配套设备的企业达80余家。在林业应用方面，2013年6月3日，我国自主研发的Z5型无人直升机在内蒙古大兴安岭林区根河航空护林站首航成功，这也是中型无人机首次应用于林业系统。该机最大巡航速度为160km/h，续航时间为4～6h，最大起飞质量450kg，可以弥补有人机飞行受日出日落和能见度限制的不足，实现高危环境下作业。该机搭载防火智能遥感监控系统，可实现探测数据的实时回传，为森林火灾的快速探测定位与综合指挥调度提供依据[14]。

图1为深圳市大疆创新科技有限公司于2015年11月推出的一款智能农业喷洒防治无人机—大疆MG-1农业植保机。该机为八旋翼农用无人机，最大作业飞行速度为8m/s，标准载荷为10kg,最大有效起飞质量为24.5kg,外形尺寸为1 471mm×1 471mm×482mm，1h的作业量可达2.6～4hm2，是人工作业的40～60倍。其防尘、防水雾的效果较好，可依靠内循环系统保持机电系统的及时冷却，精准控制的药剂喷洒泵能有效调整喷洒的方案，应对不同地形时可选择智能、手动及增强型手动的不同操作模式。该机能在无药时自动记忆中断坐标点，补充药液后可返回中断坐标点继续作业，数据保护功能可有效保障飞控系统等不受断电的影响，并能自动保持与农作物的间距，其Y型折叠机臂设计也给安装、运输带来了便利。

图1 大疆(MG-1)农业植保机

图2为北京市零度智控智能科技有限公司于2015年12月推出的“守护者-Z10”农业植保无人机。该机采用了大扭矩动力电机和30英寸碳纤维螺旋桨，能提供强劲动力及强大的下压风场，还能轻松规划不规则喷洒区域，并计算喷洒面积。面对复杂地形时，双目测距自动避障系统可以轻松应对复杂地形，定方式为GPS差分技术。该机的额定载荷为10kg，作业速度为6～8m/s，有效起飞质量约24kg，外形尺寸为1 300mm×1 300mm×450mm，单次作业量约为1hm2，效率高于人工作业数10倍。该机为四轴“十”字型机体，环抱式的机体结构设计为运输、携带提供便携，中心盘的一体化设计，保证了机身具备较强的防尘、防水和防腐蚀能力。

图3为无锡汉和航空技术有限公司推出的一款农用无人机—无锡汉和CD-15型油动植保无人机。该机为汉和CD-10的升级换代产品，载药量可达15kg，喷洒飞行速度为3～6m/s，工作12～15min可喷洒田地1.3～2hm2，有效起飞质量为35kg，若全部载荷用于装载燃料，可连续飞行150min。该机采用翘尾设计加无副翼设计，具有较好的操控性能及喷洒效果。其采用GPS、气压和加速度多参数定位技术，可实现自动航路规划、定高、紧急悬停等各种控制功能，也可进行半自动和全自动飞行，并在空中实现两种模式的自由切换。

图3 无锡汉和CD-15型油动植保无人机

农用无人机的生产应用在国内还处于起步阶段，产品主要从美国、德国等国家进口，不仅成本高，售后也存在一定的难题。河南省已将农业机械中用于植保的农用航空器列入2015-2017年农机购置补贴机具类型，对于不同生产企业、不同型号及不同配置参数的农用航空器，均有与其相对应的省级补贴额度，且最高补贴额度为8.33万元。随着绿色农业、有机农业、精准农业技术革命的不断发展，采用农用无人机进行农业生产作业已成为我国农业的发展趋势[11]。据相关行业的专家预测，到2020年农用无人机在我国的市场需求量将增至1万余台。

2 农用无人机发展前景与展望

2.1 农用无人机的用途

2.1.1 植保作业

传统的手工、机械式植保作业不仅效率低下、耗时费工，还不能保障较好的作业效果，并且存在着一定的安全问题和安全隐患。农用植保无人机的作业能适应多种地形环境，作业效果优于地面机械和人工作业。当气候、地形变化时，无人机能代替地面机械进行农事生产，对农作物开展施药施肥，保证农作物长势，并有效提高其品质。无人机工作时产生的向下气流，能提高雾流对作物的穿透性，保证正反叶面均能着肥着药，还具有杀除作物生长环境中的病菌和害虫的效果，为作物提高良好的生长环境[15]。

农用植保无人机的飞行作业速度一般为3～6m/s，飞行过程中还能保持与作物1～2m的固定高度，规模作业时能保证5.3～6.7hm2/h的效率，效率时常规喷洒的数十倍[16]。农用无人机的作业不受耕作模式及区域的限制，自动飞控导航作业能有效保证操作人员的安全，并改善了植保机械和人工作业进地难、效果差等不足。

2.1.2 林业监测

无人机通过搭载高分辨率监测、摄像设备，可以解决勘察人员不足、效果差、效率低等问题，有助于林区管理人员精确掌握林区的森林现状。其巡查系统可以对异常、病变、枯死的林木精准定位，通过采集有效的影像资料，可以实施森林资源调查和荒漠化监测、森林病害虫监测及其防治、森林火灾监测和动态管理、火灾救援及人工降雨等工作，最终为林业的时查时管提供科学有效的依据。

2.1.3 作物授粉

传统的杂交稻制种人工牵绳授粉、人工辅助授粉，每个劳力每天可授粉 0.2～0.33hm2，花粉传播距离近，劳动强度大；而电池动力无人直升机辅助授粉每天的有效授粉时间约30min，授粉 2～3 次，可完成约 4hm2制种的授粉作业，异交结实率可达45.1%，产量为193.2kg/0.067 hm2；油动力无人直升机辅助授粉每天有效授粉时间约 30min，授粉 2～3 次，可完成约 4hm2授粉作业，异交结实率可达47.2%，产量为181.7kg/0.067hm2[6]。相比人工授粉而言，无人机辅助授粉能大大降低劳动强度，节约人工成本，并保证授粉的效率和质量。

2.1.4 牧群定位

无人机应用于牧群定位，可在牧区上空驱赶牧群，控制它们的移动方向，并找到脱离群体的个体，还能让各个分散的牧群集中到一个地方。通过装载传感器和摄相机，无人机还可以统计牛羊的数量，借助热力感应器检测动物的身体状况，而不需牧羊人亲自出马进行勘察。

2.2 无人机与我国农业

我国是一个人口大国，也是一个农业大国，粮食历来都是国家长治久安、百姓幸福生活的保障。然而，近年来我国的粮食问题越来越凸显。2014年5月份举办的第三届中国国际农商高峰论坛上，农业部农村经济体制与经营管理司司长张红宇就已经表示，我国的粮食自给率已经跌到了87%，全部农产品的自给率差不多是70%左右，30%左右是需要通过国际市场来调节的[17]，长期以往必将受制于人。现代农业的迅速增长是建立在机械化、化学投入(化肥、杀虫剂、除草剂等)、灌溉等现代农业技术上的。从生态的角度看，现代农业根本是不可持续的。害虫的抗药性、涝灾、土地盐碱化及地下蓄水层的枯竭都给我国现代农业的发展带来了挑战，提高粮食生产效率和保障粮食安全至关重要。

在林业方面，我国是一个缺林少绿、生态脆弱的国家，森林覆盖率远低于全球31%的平均水平，人均森林面积仅为世界人均水平的1/4，人均森林蓄积只有世界人均水平的1/7，森林资源总量相对不足、质量不高、分布不均的状况仍未得到根本改变，林业发展还面临着巨大的压力和挑战[18]。在我国，加大林业资源管理投入、提高林业储量及其生产力、增强林业生态服务功能的空间还很大。

由于我国农业产业正处于小农生产向农业产业化过渡的阶段，农业的规模化经营处于起步阶段，人员工资的迅速增长，以及人们对作业环境的要求不断提高，这些因素产生了特定的市场需求，节约成本、效率高、可靠性好的适用于中小面积作业的中小型农用无人机的出现恰迎合了这个需要[19]。随着我国农业产业化的不断推进及土地流转进程加快，大量土地向种植大户、合作社组织及农业龙头企业集中，为农用无人机的作业创造了良好条件[20]。

近年来，随着我国粮食安全、生态安全、绿色植保等领域的发展需求，国家对农业航空的发展予以大力扶持，科技部和农业部在“十二五”科研规划中都将农业航空应用作为重要支持方向，如国家 “863计划”立项的“微小型无人机遥感信息获取与作物养分管理技术”项目、农业部行业科研专项立项“主要粮食作物航空植保”项目，科技部也将“全国农业航空产业技术创新战略联盟”列入产业技术创新联盟试点计划[21]。“中国制造2025”提到，新型工业化、信息化、城镇化、农业机械化“四化”要同步推进，保障、食品、生态“三大”安全要同步进行；要转变农业发展方式，实现高产、高效生产、提质增效和可持续发展；到2020年底，实现农机装备产值6 000亿元，支撑主要农作物耕种收综合机械化水平达到70%左右。2016年“中央一号文件”“强化现代农业科技创新推广体系建设”，提出要“统筹协调各类农业科技资源，建设现代农业产业科技创新中心，实施农业科技创新重点专项和工程，重点突破生物育种、农机装备、智能农业、生态环保等领域关键技术,强化现代农业产业技术体系建设[22]。”这为我国农用无人机产业的发展提供了政策支持和保障，也将为我国农用无人机的发展提供良好的发展契机。

在我国，着力保障农用航空体系建设，加大农用无人机的研发和生产力度，对于我国同步推进新“四化”、提高粮食产能、保障粮食安全、推进农业可持续发展、实现农用现代化具有深远意义。

3 总结与建议

我国是一个农业大国，生态、安全、高效的精准农业是现阶段以至未来我国农业的发展方向。农用无人机技术的发展及应用对于推进未来我国农业现代化进程具有重要意义,这也迎合了我国在现代化农业发展过程中对新型高效农业技术装备的迫切需求。随着农业结构的转变与调整，农用无人机变得极具发展机遇，也展现出了作为农机装备领域新秀的无限发展潜力，但在农用无人机发展过程中还面临一些亟待解决的问题。

3.1 技术不成熟，存在安全隐患

由于农用航空法规、制度不够，以及技术不成熟，民用无人机在发展过程中不可避免地会存在着一些安全问题。目前，大部分的无人机没有配备“防撞系统”，当无人机在空中飞行时，存在着与其他飞行物和地面高山、建筑发生碰撞的可能。随着无人机数量的增多，这种情况会越来越严重。另外，部分无人机也存在着对配套的施药设备性能和核心技术研究不够深入和全面、设备使用效果差、喷出的雾滴谱过宽、飞行速度与作业需要不匹配、对靶性能不佳，以及药液沉积难以控制等问题。

3.2 市场需求难以契合

目前，我国民用无人机技术尚未成熟，且无人机的实用性不随人愿，难以真正地满足市场需求。目前，农用无人机存在几个缺陷：一是不能适应田间作业时的频繁起降。农用无人机续航时间短，频繁起降将带来机体温度的升高。二是操控难。农用无人机的操作要求傻瓜式，但现有无人机的系统集成度不高，操作上手不易，培训周期为2个月左右，操作不慎会导致无人机失控或坠落[23]。三是价格较高。无人机的飞控技术及动力技术提高了农用无人机的生产成本，其使用、维护和保养均有较高的要求，加上培训的费用，是大多数农民无法承受的。四是无人机品目较少。目前，国内的农用无人机主要是应用于植保作业，应用于林业监测、牧群定位等方面的无人机技术不成熟，类型单一。

3.3 操作人员相对缺乏，社会化服务体系不健全

由于制造商无法提供较好的培训条件，以及受培训群体接受、消化专业知识的能力较弱，致使操作人员变得稀缺。其次，与农用无人机相配套的社会化服务体系也尚未健全，培训、中介、保险、租赁等相关服务均未形成体系，一定程度上阻碍了农用无人机的市场化、规模化发展。另外，无人机在适航认证、分级管理、与有人空域融合等方面还未有明确的规范可循。

农用无人机产业是个新兴的产业，它的出现将有助于推进我国农业可持续发展及农用现代化进程，但还需要更多的支持、关心和呵护，这样才能有效推进我国农用无人机事业的快速进步和发展。

我国农用无人机发展的几点建议：①政府主导与企业联合推广。鉴于农用无人机的特殊性，企业单独推广难度较大，政府应适当引导、支持农用无人机的研究，并联合企业开展农用无人机的推广演示。②建立无人机操作人员培训制度。无人机操作人员对无人机的认识程度和操作水平，直接影响着无人机作业驾驶过程的安全性及其作业的效率，以及农用无人机行业能否的健康、安全、快速地发展。③加大农用无人机的研发投入。无人机的飞行系统及平台已有一定的技术基础，但在其改造、改进及操控作业系统方面还有很大的提高空间和研究意义。④主管部门制定行业标准。目前，下发的关于无人机的法律法规只是一些相关驾驶员的管理规定，但目前关于农用无人机如何安全地使用、相关飞行参数(如飞行高度及速度等)的相关规定还不明确。政府部门应协调无人机公司及合作社等，制定出科学、合理、适用的农用无人机作业标准。

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The Development Situation and Prospect of Agricultural UAV in China

Yang Luqiang1， Guo Lin1， Zhu Jiafan1， Gao Zhichao1， Zhou Tiquan2，Yu Zirong1， Peng Jiwen1， Zhang Rukun1

(1.College of Mechanical and Electrical Engineering，Yunnan Agriculture University，Kunming 650201, China；2.Agricultural Extension Station in Xiangyun County，Dali Prefecture，Xiangyun 672100, China)

In recent years，with the change and adjustment of agricultural structure，the need of agricultural production for agricultural machinery has extended from general tillage machinery， harvesting machinery， agricultural and sideline products processing machinery and so forth to agricultural UAV. With the power source，People could manipulate UAV to perform a variety of tasks，It can be widely used in agricultural production，its main applications are plant protection，forestry monitoring，crop pollination and herd location etc. The classification of agricultural UAV，general situation and current situation of the technical development of agricultural UAV at home and abroad，its application in the field of agriculture were introduced，the prospect of its development in China was clarified，some existed problems in the process of its development was stated，and some suggestions on the development of agricultural UAV were raised in this passage.

agricultural UAV；present situation；applications；suggestions

2016-06-30

云南省科技厅自然科学基金项目(2013FD021)

杨陆强(1993-)，男，云南曲靖人，硕士研究生，(E-mail)1005044517@qq.com。

张汝坤(1960-)，男，云南大理人，教授，硕士生导师，(E-mail)zhangrukun8918@aliyun.com。

S252

A

1003-188X(2017)08-0006-06