农用无人机现状与发展趋势_何勇

农用无人机现状与发展趋势

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0引言

无人机是一种有动力、可控制、能携带多种任务设备、执行多种任务，并能重复使用的无人驾驶航空器。它们没有驾驶舱，但安装有自驾仪、飞行姿态控制等设备，以助推、垂直起降、喷射起飞等方式起飞，以降落伞、拦阻索、接收网等方式回收，可多次使用。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空摄影、地面灾害评估、航空测绘、交通监视、消防、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、施肥喷药等领域。

1无人机发展概况

世界上第一架无人机是由英国人于1917年研制的。这是一架无线电操纵的小型单翼机，由于受到当时许多技术问题的制约，所以试验失败。而后终于在20世纪30年代初研制成功无线电操纵的无人靶机，直到80年代，美国将无人机应用于越战和海湾战争。一般来说，无人机主要由如图1所示部分构成。

世界上第一台农用无人机出现在1987年日本，Yamaha公司受日本农业部委托，生产出20kg级喷药无人机“R￣50”，经过将近20多年的发展，目前日本拥有2346架已注册农用无人直升机，操作人员14163人，成为世界上农用无人机喷药第一大国。我国系统研究微小型无人机航空施药喷雾技术开始于2008年，由国家资助，开始单旋翼无人机低空低量施药技术的研究。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。

1.1无人机结构种类

农用无人机有多种分类方法：如按照动力来源，分为电动和油动；按机型结构，分为固定翼、单旋翼、多旋翼和热动力飞行器；按起飞方式可分为助跑起飞、垂直起飞垂直降落；等等。以下按照其主要结构进行分类。

1.1.1固定翼无人机

固定翼无人机是由动力装置（如燃油发动机、电机等）产生推力或者拉力，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的飞行器，图2为浙江大学研制的小型农田信息遥感无人机。

图1无人机构成简图

图4多旋翼飞行器

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。

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：如刘小龙采用嵌入式主板设计无人机图像采集系统[1]；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响[2]；Tian Lei 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[3]。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。

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、

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~

20min ）。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。

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，并已进入

图2

固定翼无人机

图3单旋翼直升机

农业市场的单位和企业10余家；相关无人机农业装备技术研究院所20余家。按技术水平、生产能力和单位类型可分为：

2.1无人直升机农业航空技术研究单位

自2008年起，以“浙江大学”“农业部南京农业机械化研究所”“华南农业大学”等单位为代表开展了航空施药技术、GPS自动导航技术、农用无人机平台技术、航空施药污染评价技术、低空遥感平台等技术的研究，并取得了多项技术成果。包括无人驾驶自动导航低空施药技术、低量低飘移施药技术研究，在高精度GPS的无人驾驶自动导航低空施药技术研究方面取得突破性进展，精确的航路规划解决了航空喷雾作业喷幅的精确对接，提高作业质量。

2.2无人机生产企业

以“解放军总参六十所”“沈阳自动化所”等单位为代表的无人机生产企业，研究开发了一批具有较高自主水平,能够在空中自主飞行（或进行远程引导）并执行任务的旋翼无人飞行器。其系统一般包括无人机平台、测控、任务载荷、综合保障及情报处理等五大部分，配备地面控制终端，工程涉及航空理论、计算机、控制、电子、机械、材料和系统工程等多个学科，可以在地面站的监控下自主完成多种飞行任务，此类无人机使用燃油发动机提供动力，载质量可达15~ 80kg，具体机型有：Z￣3、Z￣5（总参六十所），ServoHeli￣120（沈阳自动化所），AR￣100/AF811（中航工业自控所）。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。其优点是载质量大、飞行精度高，适合精准农业作业；然而价格高，系统复杂，不易维护，低空作业安全性也有待提高。

以“无锡汉和”等企业为代表在引进国外微小型无人机型的基础上，开发了电动航拍系列和农业植保系列无人机型，目前已基本定型，任务载荷在10、15、20kg，产品已经进入小批量生产。此类无人机，由于受机体和载质量限制，田间作业时无法完全实现自动驾驶而采用了半自驾的方式，经济性较好；然而缺乏对喷药装备的开发，不便于更快更好地在农业喷药上应用。

目前我国生产航模的企业已有200多家，航模无人机没有地面终端，需要操作人员使用手持遥控器控制飞行，遥控距离一般在目视距离以内，此类无人机多以电池提供动力，载质量在10kg以内，在国内已具备大批量生产能力。其优点是轻便、灵活、能效高、起降方便、价格低；缺点是载质量低，续航时间短，飞行高度、速度与航线易受操控手目测判断差异的影响而产生一定的偏差，对施药效果造成一定的影响。

2.3农机农药生产厂家与农机服务组织

以浙江得伟等农机农药生产厂家为代表的无人机研发、生产和销售为一体的高新技术企业，目前与浙江大学合作研制农用型无人直升机、多旋翼等农田变量精准喷药等系列产品，所生产产品在义乌博览会上展出，得到广大农民朋友一致好评，并设计研发出太阳能全自动农田信息遥感无人机，全身硅片太阳能板贴合，质量轻动力足，只要太阳充足，就可以全天飞行，节能环保，续航充足。“河南田秀才”等其他生化农药企业各自在无人机研发和应用上进行探索并取得成效，他们开发的类型各异的植保无人机，特别是多旋翼机，已在多个省市的实地应用中展现出优势。由农机农药生产企业衍生出来的无人机生产企业在超高浓度药剂生产、植保服务方面融合更充分，并在销售渠道拓展、驾驶员培训、售后服务等方面初步探索出较为成功的经验。

3农用航空产业技术创新联盟的成立

无论大型的还是小型的农场都有望受益于无人机。在无人机的帮助下，小型农场能够提高农业精度，节省资金和资源；大型农场能够轻松绘制和确定大面积作物的健康状况和收成，此前这类土地监测完全依靠人力，农民需要亲自查看哪块田地需要更多的水和肥料。伴随精确农业的出现，遥感对很多大型农场的运作来说变得必不可少。卫星和飞机能够拍摄红外照片以确定水资源的分布运动及杂草的覆盖情况；热红外传感器可以测量热量，从远处确定作物健康状况。

2013年1月，农用航空产业技术创新联盟在海南三亚成立，罗锡文院士担任理事长，联盟由积极投