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中国植保无人机的研究与发展!

2017-12-05 14:49:09 | 来源:中国农业机械网 | 编辑:张梦菲
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  近10多年来,植保无人机低空低量航空施药由于其作业效率高、具有全地形作业能力和节水省药等自身独特优势,同时由于我国经济的高速发展导致农村劳动力的大量转移而造成的农村劳动力不足等原因,植保无人机在我国迅猛发展。

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  1911年,德国林务官阿尔福莱德•齐梅尔曼在世界上首次利用有人驾驶的飞机喷洒液体和粉末农药,以防治森林病虫害。1918年,美国第一次使用有人驾驶飞机喷施农药灭杀棉花虫害。自此,有人驾驶的航空施药拉开了历史序幕。

  从全球来看,航空施药装备与技术的发展得益于高效农药的创制生产及应用与发展,20世纪40年代中期至今,农药进入有机合成高速发展的时代。大量有机合成品种,如雨后春笋般纷纷涌现,它们具有类型多、药效高、对作物安全、应用范围宽等特点。这个时期可以分为前期(40年代中期至60年代末期)和当代(60年代末期至今)两个发展阶段。有机合成农药前期,有机氯、有机磷和氨基甲酸酯三类神经毒剂先后被开发出来并形成系列产品;保护性杀菌剂的应用,使玉米、大豆、水稻、小麦等大田作物的部分病害有药可治。这个阶段,杀虫剂和杀菌剂占世界农药市场份额的近70%。

  20世纪60年代末期以后,有机农药向高效化方向发展,人们越来越重视农药对生态环境的影响与农药残留导致的农产品的安全问题并强化对农药的全程管理。这一时期,除草剂出现了多种活性高、对作物有选择性但高毒、高残留的品种,采用航空施药会因细小的农药雾滴极易造成飘移,从而污染非靶标作物及水源、土壤。20世纪60-70年代,农业发达欧洲国家逐步形成大型农场专业化生产方式,建立了以大型地面植保机械和有人驾驶的航空植保为主体的防治体系。发展至20世纪80年代中后期,由于大型有人驾驶的航空施药导致的因农药雾滴飘失引起的环境污染和农药药害问题,欧洲共同体决定在欧盟国家内部禁止使用航空施药,至今只允许地面机械按非常严厉的欧盟标准进行农药喷洒作业。

  而在美国超大规模经营农场的规模化种植和同种作物大区连片种植的种植方式决定了美国有人驾驶的农业航空主要使用作业效率较高的大型固定翼飞机和载人直升机。另外,美国政府也一直担忧植保无人机施药产生的农药飘失污染,尚未立法规定允许无人机从事农药喷洒作业。美国是农业航空应用技术最成熟的国家之一,已形成较完善的农业航空产业体系、政策法规以及大规模的运行模式。据统计,美国农业航空对农业的直接贡献率为15%以上,年处理40%以上的耕地面积,全美65%的化学农药采用飞机作业完成喷洒,其中水稻施药作业100%采用航空作业方式。

  在亚洲,日本农民户均耕地面积较小,地形多山,不适合有人驾驶固定翼大飞机作业,因此日本农业航空以直升机为主。日本是最早将小型单旋翼直升无人机用于农业生产的国家之一,日本20世纪70年代开始经济腾飞,适龄劳动力大多进城寻找工作,农村劳动力极度匮乏,因此在引进的美国军方无人靶机技术的基础上,日本山叶公司(YAMAHA)于1985年推出世界第一架用于喷洒农药的植保无人机“R50”,如图1所示,挂载5kg药箱。此后,单旋翼植保无人机在日本农林业方面的应用发展迅速,在日本无人机旋翼和发动机转速被大大降低以适应农业植保作业的要求,植保无人机施药技术参数不断改进,施药雾滴分布均匀性降低到30%以下。从2005年开始,日本水稻生产中单旋翼植保无人机使用量已超过载人直升机。目前,采用小型单旋翼植保无人机进行农业喷雾已成为日本农业发展的重要趋势之一;发展至今,小型植保无人机在日本经历了40余年的发展历史。

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  中国的农用航空始于20世纪50年代初,运用的机型主要有“Y-5B(D)”、“Y-ll”、“蓝鹰AD200N”、“蜜蜂3型”、“海燕650B”等固定翼有人驾驶机型。20世纪90年代专为超轻型飞机配套设计的3WQF型农药喷洒设备,可广泛用于水稻、小麦、棉花等大田农作物的病虫害防治、化学除草、草原灭蝗、森林害虫防治等。

  1995年由北京科源轻型飞机实业有限公司生产的蓝鹰AD200N型飞机主要用于农田、林带病虫害防治、卫生防疫及静化水源等,有效喷幅达22~30m,作业速度110km/h,单日每架次作业量可达万亩,而施药量仅0.10~0.25kg/亩,防效达90%以上。1999年由中国林业科学研究院研制的HU2-HWl型超低容量喷洒设备及NT100GPS导航系统与“海燕650B”飞机配套技术,应用在广西武鸣林区防治病虫害,并进行了相关试验研究。

  目前,中国有农林用固定翼飞机1400架,直升机60余架,植保无人机10000余架,使用固定翼飞机和直升机防治农林业病虫草害和施肥的面积达到200多万公顷。但和农用航空发达国家相比差距仍十分巨大:我国农用飞机拥有量仅占世界农用飞机总数的0.13%左右;农业航空作业面积占耕地面积的1.70%;喷洒设备性能差。

  在我国自“十一五”期间国家“863”计划“新型施药技术与农用药械”立项研发植保无人机至今已发展近10多年,植保无人机与低空低量航空施药技术发展迅速。早在2000年,北京必威易创基科技有限公司从日本陆续进口了6架日本雅马哈YAMAHA-R50型植保无人机用于农药喷洒,必威易创基科技有限公司是我国首个应用植保无人机的农业服务公司。2005年12月,当雅马哈公司准备将第10架同类型飞机出口给北京必威易公司时,被名古屋海关扣押,日本政府以植保无人机可能被用于军事用途为由禁止雅马哈公司继续将植保无人机销售到中国。

  2005年至2006年,中国农业大学、中国农业机械化研究院、农业部南京农业机械化研究所等科研机构开始向科技部、农业部、教育部等相关部门提议立项进行植保无人机的研制工作。经过前期准备和申报工作,2008年由农业部南京农业机械化研究所、中国农业大学、中国农业机械化研究院、南京林业大学、总参谋部第六十研究所等单位共同承担的科技部国家“863”计划项目“水田超低空低量施药技术研究与装备创制”正式启动实施,这一项目的实施,标志着国内科研机构正式开始探索植保无人机航空施药技术与装备研发。该项目研制出基于总参谋部第六十研究所已研发出的“Z-3”飞行平台的油动单旋翼植保无人机,装配10kg药箱,搭载2个超低量离心雾化喷头。

  2008年,中国农业大学植保机械与施药技术研究中心与山东卫士植保机械有限公司、临沂风云航空科技有限公司开始合作进行低空低量遥控多旋翼无人施药机的研发工作,于2010年研制出国内也是世界上第一款多旋翼电动植保无人机,包括搭载10L药箱的8旋翼机和搭载15L药箱的18旋翼机2种机型(图3),装配专为多旋翼植保无人机研发的专用变量离心喷头,此后几年里这种机型在全国10多个省市进行了示范和推广。2013年山东省科技厅组织的由罗锡文院士作为主任的鉴定委员会对该成果的鉴定结论为:“项目取得了多项创新,在低空低量遥控多旋翼无人施药技术方面,该项目综合性能达到国际先进水平。”同年,该“低空低量遥控多旋翼无人施药机”获得山东省科学技术进步奖二等奖。

  2010年,中国农业大学植保机械与施药技术研究中心与珠海银通公司开始合作进行低空低量遥控电动单旋翼植保无人机的研发合作,于2012年研制出国内第一款电动单旋翼植保无人机,可搭载10L药箱的药箱,装备4个扇形喷头的国内首款电动单旋翼无人机机型。

  我国油动单旋翼植保无人机的民间开发可能较国家“863”项目更早,2010年无锡汉和航空技术有限公司生产的“3CD-10”型单旋翼油动植保无人机开始首次在郑州全国农机博览会上亮相(图5),这是国内首款在市场上销售的油动单旋翼植保无人机,开启了中国植保无人机商业化的第一步。2011年,汉和植保无人机再次亮相北京国际现代农业博览会,进一步引起强烈反响。

  至2012年,我国植保无人机已成类成型,按结构主要分为单旋翼和多旋翼两种,按动力系统可以分为电池动力与燃油动力两种,如图1、2、3、4、5所示,种类达10多种,一般空机重量10~50kg,作业高度1.5~5m,作业速度小于8m/s。以电池为动力的电动植保无人机核心是电机,操作灵活,起降迅速,单次飞行时间一般为10~15min。以燃油发动机为动力系统的油动植保无人机核心是发动机,结构相对复杂,机身重,需要一定的起降时间,单次飞行时间可超过1h(取决于油箱大小),维护较复杂。单旋翼无人机(电动与油动)药箱载荷多为5~20L,部分油动机型载荷可达30L以上。多旋翼无人机多以电池为动力,较单旋翼无人机药箱载荷少,多为5~10L,其具有结构简单、维护方便、飞行稳定等特点,喷雾作业效率高达1-2亩/min。

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  自2012年植保无人机的应用推广在我国已拉开序幕,2012年4月,全国首场低空航空施药技术现场观摩暨研讨会在北京市小汤山某空军飞行俱乐部召开(图6),由中国农业大学植保机械与施药技术中心、中国农科院植保所与全国农技推广中心联合主办,广西田园公司协办;油动和电动、单旋翼和多旋翼等多种类植保无人机共12种、还有有人驾驶的3款动力伞植保飞行器共同亮相现场观摩会;参加的植保无人机公司有北京天途、无锡汉和、山东卫士、广西天途、北京圣明瑞共15家公司、参会的还有来自黑龙江农垦农业局、湖南、湖北、辽宁、宁夏与广西省的植保站站长与部分省市植保站药械科科长共80余人。全国农技推广中心陈生斗主任与中心首席专家张跃进研究员、黑龙江农垦农业局马德全局长、中国农业大学李召虎副校长、农科院植保所陈万全副所长、农业部农机化司刘云泽处长、种植业司植保处王建强处长等参加了上午的现场观摩会与下午的专门研讨会议。以此为起点,低空低量航空施药技术研究开始在我国逐渐成为热点。

  根据发展需要,2012年至2013年中国农业部国际合作司发起,组织了为期2年的中日韩植保无人机国际合作研究项目“植保无人机水稻低空施药技术研究”,如图7所示,中国农业大学植保机械与施药技术中心为中方项目的主持方,负责项目实施,中日韩三方研究人员在项目执行期内不同时期在三个国家分别进行了大量的人员交流和植保无人机施药田间试验,三方所有参与成员共享无人机施药技术研究成果和信息,撰写了题为“中日本和韩国水稻田间植保机械应用研究”的项目总结报告。

  至此,植保无人机施药技术在中国已呈渐起之势,无人机施药到底能不能用、管不管用是管理部门、研究人员、生产厂家和农民都密切关心的问题。为了评估植保无人机的工作性能和作业效果,受农业部委托,中国农业大学药械与施药技术研究中心2013年1月在海南水稻种植区与华南农业大学罗锡文院士团队一起合作,中国农业大学团队负责对13种国产植保无人机进行了田间施药沉积特性及施药效果测试、华南农业大学负责植保无人机空间流畅测试(图8),测试结果表明参试的所有国产无人机喷雾作业均可以对水稻病虫害有明显的防治效果。以此实验结果为基础,测试团队向农业部种植业司及农机化司提交了总结报告,农业部据此从2013年起开始在全国范围内推广植保无人机低空低量航空施药技术。

  2014年5月25日由中国工程院院士、华南农业大学教授罗锡文作为理事长在黑龙江佳木斯正式成立“中国农用航空产业创新联盟”,在成立会上罗锡文理事长安排起草一份关于建议“大力促进植保无人机和农业航空发展的报告”提交给国务院有关部门,建议国家大力推动农业航空事业的发展。2014年7月18日在我们中国农业大学植保机械施药技术中心会议室由罗锡文院士主持、赵春江研究员、何勇教授、薛新宇研究员、袁会珠研究员等10多位国内专家共同参加讨论了由我起草的“大力促进植保无人机和农业航空发展的报告”,此报告先后经5次修改成稿最后上呈国务院,得到汪洋副总理的批示;农业部根据汪洋副总理的批示安排2015年在湖南与河南2个省开始首次试点补贴植保无人机;自此开始植保无人机在我们的推广应用步入了快速发展的轨道。

  2015年11月,深圳大疆创新在北京推出MG-1型电动多旋翼植保无人机,正式进军农用无人机领域。到2015年底,全国植保无人机生产厂商已达100余家。2016年5月28日,国家航空植保科技创新联盟在河南安阳成立,安阳全丰航空植保科技有限公司为理事长单位,华南农业大学为常务副理事长单位,中国农业大学与中国农科院等其他7家单位为副理事长单位,共同助推植保无人机产业发展。

  2016年,由中国农业大学作为主要起草单位之一的我国首个正式合法标准—江西省地方标准《植保无人机(DB 36/T 930-2016)》出台,这是我国第一个关于植保无人机的地方标准。2016年8月,由中国农业电影电视协会(CCTV-7)和中国农业大学联合主办的首届中国无人机与机器人应用大赛在江苏苏州正式启动,10月,在江西南昌举办了大赛初赛—农业植保无人机应用赛,对23个参赛队伍植保无人机的飞行稳定性、喷雾质量等性能进行了考核。2017年9月,本次大赛的决赛在湖北武穴正式开赛,来自国内18家知名品牌的植保无人机企业和服务队参赛,全方位展示产品成果和飞防技术,决赛决出了全国植保机械10强。

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  经10多年的发展,我国植保无人机低空低量航空作业从0开始至逐渐兴起,到今天的发展迅猛,成就非凡。据农业部相关部门统计,截至2016年5月,全国在用的农用无人机共178种,生产厂家300余家,可挂载5~20L的药箱,喷幅在5~20m之间,可适用于不同的施药条件,喷雾作业效率高达6ha/h,能有效及时防治水稻病虫草害。至2017年9月,不完全统计,全国植保无人机装机量达到近10000架,已经在包括水稻、小麦、玉米、甘蔗、果树、棉花等多种作物上进行了病虫害防治作业,实际效果证明已经能够达到实用水平,正处于迅速发展阶段。

  植保无人机及其施药技术在我国取得了长足的进步,随着经济的发展,中国与亚洲其他很多国家诸如日本等一样都面临着人口老龄化和人口缩减的严峻形势,农业劳动力短缺的趋势未来会愈发明显,加之一家一户的小规模生产模式的长期存在,为了保障我国农业的稳定和可持续发展,加快实现农业机械化,特别是山区与水田的全程机械化作业水平已经成为中国国家层面的发展战略,植保无人机低空低量高效航空施药技术取代人力背负手动喷雾作业的确顺应符合当前中国农业现代化发展的要求,提升了中国植保机械化水平。但在农用植保无人机快速且迅猛发展的过程中,既充满机遇又面对挑战。

  首先,使用植保无人机进行农药喷洒作业相对于传统人工施药方式作业效率优势明显。植保无人机低空低量施药在中国已应用在玉米、水稻、小麦等作物上以及丘陵地带,植保无人机独特的优势还在于易于部署和使用,特别是适用于在小地块、复杂地形等人工或地面与拖拉机配挂的地面大型植保机具难以进地作业的丘陵、山地、水田等区域。在中国大部分小地块农田的植保作业中,无人机载荷和电池连续使用时长的局限性并不是无人机施药的主要障碍,但是植保无人机的市场占有偏重于那些施药更加均匀、作业可靠且续航时间长,坚固耐用的无人机。

  其次,考虑到植保无人机及其施药技术的新颖性和复杂性,植保无人机解决了高效作业的效率问题,但施药的均匀性对植保无人机来讲是一个很大的挑战,植保无人机的均匀施药技术的研发应放在首要地位。低空低量无人机喷雾与传统的有人驾驶航空施药和地面机具施药不同,气象条件的影响十分明显,实现均匀施药的各种施药参数有必要进行进一步研究。中国目前缺乏适用于低空低量无人机航空施药的施药技术,也没有针对植保无人机专用的专业喷雾系统,急需通过合适的喷头的研发与选择、喷头与喷雾流场的匹配、药箱设计、加药系统等的系统化的研发来优化雾化与雾滴沉积状态。至目前为止,也没有科学合理的行业标准规范进入生产与应用市场,亟待专业的标准与规范能为不同天气和地面条件下无人机植保作业合理施药参数的确定提供可靠地指导。

  再者,先进技术的研发与应用对无人机施药技术在喷雾质量、防治效果和安全性方面的评估相当程度上会对无人机发展的进程产生影响,农药在作物冠层中的穿透性、雾滴沉积量、覆盖率和雾滴飘移控制是在评价无人机施药效率和防治效果时需要优先考虑的。为了航线规划和自主飞行更稳定和更精准,RTK仅精确了飞行轨迹,但无法精准作业喷幅、避免重喷与漏喷,亟待研发先进的新型飞控系统、传感系统、软件平台。

  另外,仍需充分研究小型单旋翼及多旋翼植保无人机雾滴沉积与空气动力学以及其与温湿度、风速等外界环境因素的相互作用的基础理论,为针对植保作业的专用无人机及关键工作部件的设计提供理论指导,否则喷雾飘移造成环境污染和非靶标区域外飘失雾滴的沉积会导致相邻作物严重的药害以及对施药人员的损害。尤其是象喷洒除草剂、生长调节剂这样的敏感剂型时,距离作物冠层表面喷雾高度在1m以上很容易造成农药的大量飘移,对施药区域外附近敏感作物的药害是一个很大的挑战。基于田间测试的可飘移雾滴风险评估和减飘技术的运用是未来无人机施药技术发展过程中需要考虑的重要方面。

  对于植保无人机的市场化规模运营,植保无人机施药技术的商业化需要政府、研究机构和企业及用户等各利益攸关方的共同参与和合作。专业化组织可以提供收费合理的无人机病虫害防治综合服务,意味着将复杂的无人机植保技术带到农民身边变得切实可行,可以使农民逐渐接受这种农作物病虫害防治技术。例如,通过政府领导下的直接购买当地农业合作社或植保服务公司的服务,采用无人机航空植保作业可以向农民提供作物病虫害全程专业化快速防治服务。这些专业化组织将会在农药供销与植保作业全程扮演关键角色,而且还将负责提供无人机操控手培训、进行植保作业、机具维修、保险、产品运送和交付。

  专业化飞防组织还拥有不断的飞防作业累积的经验和能力,开发专业化的病虫害防治体系,可以应对复杂的或大规模爆发性病虫害防治。采用基于服务的商业模式会有助于农药销售并促进植保无人机施药的推广应用。在这项新技术的推广阶段,对价格格外注重的种植户往往会抱有观望态度。政府推出的针对植保服务的采购和刺激计划,将会对农民对无人机植保作业的参与热情产生积极影响,政府的采购和支持将会鼓励专业化植保组织和无人机生产厂商更多地进行合作并且对植保服务领域加大投入。但是到目前为止,政策制定者既未发布采购无人机植保服务的相关计划、技术标准与作业规范、也没有对专业化病虫害防治组织的构建提供足够的资金支持。

  同时,无人机植保作业,必须是既懂无人机与植保作业,又懂农药与剂型的系统工程。植保技术与适用于无人机施药的农药新剂型的发展以及传统农药产品标签的改进为施药技术的改善提供了空间。懂得无人机及其操控、植物病虫草害的防治技术是关键的一步,同时也要明确农药剂型是影响农药实际使用效果非常重要的因素,能改善雾滴雾化过程、减少雾滴飘失、提升农药雾滴在靶标作物表面的持留量等。植保无人机施药专用商品化农药制剂迄今尚在研发阶段,适用于无人机低空低量农药喷洒的制剂会提升农药分布均匀度,降低雾滴飘失潜力。另外,用于低空低量无人机施药的农药包装上必须标明监管部门的授权许可标志,但当前的农药产品包装上并没有针对无人机航空施药的强制说明和推荐使用剂量。未来需要对农药产品标签进行改进或在包装中提供额外的专用航空施药说明书,产品包装上也要表明针对无人机喷雾作业的使用剂量和施药液量。

  综上所述,考虑到植保无人机这一新兴行业的快速发展,深入研究植保无人机低空低量施药技术的迫切性不容忽视,更好的认知新兴的无人机施药技术会有助于优化无人机设计、推广与应用,促进农药的高效、安全使用,为中国农用植保无人机市场的健康、有序发展作出贡献。对于植保无人机来讲,我们走出了关键的一步,但“革命尚未成功、同志仍需努力”,谨借此与各位共勉!

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