《中国植保无人机发展技术路线及行业趋势》

中国植保无人机发展技术路线及行业趋势温源博士1，薛新宇研究员2，邱白晶教授3，张春雷1，张向东1，沈建文11无锡汉和航空无人机研究院，江苏无锡2141352农业部南京农业机械化研究所，江苏南京，2100143江苏大学现代农业装备与技术重点实验室，江苏镇江，212013摘要：植保无人机技术路线对于行业发展至关重要，植保无人机在整个无人机领域中的位置决定了植保无人机既不能走航模飞机路径，也不能走载人飞机路径。中国植保无人机从2004开始由科技部863计划、农业部南京农机化所等开始无人机植保的研究和推广，到2007年我国第一架工程型植保无人直升机的产业化探索，再到近两年全国范围内的推广试用，其技术路线的发展脉络需要有清晰的把握。本文对技术路线图进行了的总结，对中日植保无人机进行了对比，有助于行业找到适合中国市场的无人机及商业模式。最后，本文提出解开中国无人机植保业的钥匙——“十万天兵计划”，即产、学、研、推广合作培养专业的农民无人机驾驶员，把无人机专业技能和植保专业知识交给下游用户，才能真正普及无人机植保。关键词：植保无人机；载药量；飞行控制系统；“十万天兵”计划1引言使用无人驾驶超低空作业的植保轻型直升飞机（本文简称植保无人机）具有作业效率高、单位面积施药液量小、无需专用起降机场，机动性好等优点。植保无人机可以远距离摇控操作，从根本上避免了作业人员暴露在农药中的危险，改善了操作者的劳动条件。无人机植保在水田作业、高秆作物和应对爆发性病虫害等方面已经表现出突出的优势，而且可以应对农村劳动力减少的问题，近年来发展迅猛。日本等国在植保无人机农药喷洒方面技术已比较成熟，而我国在植保无人机及其施药技术的研究还比较落后。早在2004～2006年，国家农业部、科技部就认识到水稻的病虫害防治任务的艰巨性，尤其在南方，田块比较分散，北方大农场、大规模的固定翼飞机施洒农药的方式不适合，快速、高效防治难度大等问题，开始呼吁并推动我国农业行业重视无人机植保。2006年农业部南京农机化所倡导下举办了第一次中日南京航空植保研讨会，邀请日本专家介绍日本无人机航空植保的经验和作业方式，推动了我国无人机航空植保科研工作。之后，我国开始借鉴日本的航空植保经验，探索适合我国的无人机植保机型和模式。多年来，农业及植保专家展开了大量对无人机植保技术的深入研究［1］［2］[3][4]。2007年我国开始植保无人机的产业化探索，2010年第一架商用的植保无人机交付市场，正式掀开了中国植保无人机产业化的序幕［5］。2013年，全国性的无人机植保展示、表演更是方兴未艾，但营利性的飞防组织还比较少。鉴于此，本文对无人机植保的技术路线图进行了梳理，包括中日植保无人机的对比，无人机载药量等技术参数发展趋势的预测等。根据我国目前的植保现实，启动无人机植保市场的关键问题在于：如何把无人机植保操作的专业知识和技能传递到真正的植保无人机用户—农民手中。针对这一关键问题，本文提出了一套解决方案，其核心概括为“十万天兵”计划，希望对行业健康发展贡献力量。2植保无人机在无人机领域中的位置在分析植保无人机发展的技术路线之前，须先明确它在的在整个无人机领域中的位置。图：植保无人机所处市场为中间市场上图比较直观地描述了整个无人机市场的分类：1）高端市场：即大型无人机、通用航空市场。其推动力是国家力量、大型机构，对应的人才储备也比较丰富，各国的大专院校、科研院所、航空航天机构的教育体系和知识体系都是基于这一市场的，相对成熟。2）低端市场：即航模市场。其推动力是广大的航模无人机爱好者，出色的爱好者往往一个人就可以组装、定制出航模无人机来。现有的很多演示性农药喷洒飞机就是由爱好者们改装航模无人机而来的。3）中间市场：即工程型无人机市场。其推动力主要是专业公司，其规模要远小于大型机构，但是专业程度要高于航模爱好者。一般来讲，一个专业工程型无人机公司需要具备如下专业：图：工程型无人机公司需要的专业岗位只有具备了完备的专业技术链条，才可能做出工程型的无人机直升机来满足真正下地作业的需求。上图所给出的技术组合可以更好地把握植保无人机的技术路线图。3中国植保无人机发展技术路线我国的农田状况不同于美国。美国主要为大地块形态，农药喷洒用载人机即可解决大部分需求。从纬度、地块形态来看，我国和日本的农田状况更为相似。从作物类型来看，我国和日本都大量种植水稻，因此使用无人直升机是必然的。所不同的，日本的田地间水泥机耕道比较完备，农民收入比较高，每亩喷洒收入是中国的10倍。因此，日本选择起飞重量110公斤的雅马哈油动无人机作为植保无人机，可以达到出入田间作业，而且较长的滞空时间降低了起降的次数，从而降低了事故率，提升了作业效率。对中国植保无人机而言，既要达到一定的载药量和滞空时间以满足中国田地间作业经济的需求，同时满足中国复杂地况的起降，包括复杂的田埂、沟渠、树林带、田间电线等构成。因此，100公斤以上的起飞重量和无人机价格在现阶段是不适合中国市场的。现阶段比较实际的机型是载药量10～15公斤的、起飞重量在35公斤左右的工程型油动无人机。下图给出了中国植保无人机发展的路线图。在2007年，我国就已经实现了载药量10公斤、滞空时间15分钟的商用植保无人机，农药喷洒效率可以达到每天200～400亩，开创了中国无人机植保的里程碑。到2013年，汉和航空推出了载药量15公斤的CD－15无人机，进一步提升了我国的植保无人机的作业能力，使得农药喷洒效率实现每天300～500亩的目标更为现实［5］。随着土地流转和每亩喷洒收入的提升，高载药量的无人机需求会逐步显现出来。因此，为应对越来越增长的大地块数量和越来越高的人工费用，2015年以后市场对载药量15～20公斤的无人机需求会越来越明显，而到2020年会出现对载药量超过20公斤的无人机。总之，高载重、高效率是市场发展的必然趋势。无人机机械设计师动力系统设计师电子系统设计师飞控系统设计师地面站系统设计师喷洒系统设计师飞行系统调试师飞行系统装配师无人机总设计师飞行系统维护机师图：中国植保无人机发展路线图（注：上述时间计划为国家参考计划，各企业可能不同，如汉和航空已于2013年推出15公斤载药量无人机，并计划于2015年推出20公斤载药量机型。）中国植保无人机发展的路线图还将体现在植保无人机的飞行控制系统（简称飞控）上。汉和航空是中国第一家研发专业植保无人机飞控的企业，下面给出了从2007年以来的飞控发展的技术路线图，从第一代半自动飞控（2007～2010），到第二代全自动飞控（2011～2013），再到第三代高精度智能飞控（2014～2015）。汉和第一代半自动飞控（2007～2010）半自动飞行GPS传感自动增稳技术分体设计：飞控计算机＋IMU＋GPS图：汉和第一代半自动飞控载药量5～10公斤载药量15公斤载药量15～20公斤载药量20公斤2010前2010～20202015～20202020以后动力系统五成新情况下，10公斤载荷滞空时间约15分钟动力系统五成新情况下，15公斤载荷滞空时间约20分钟动力系统五成新情况下，20公斤载荷滞空时间约30分钟动力系统五成新情况下，25公斤载荷滞空时间约40分钟汉和第二代全自动飞控（2011～2013）全自动、半自动飞行状态自动切换GPS传感航路规划定高飞行自动增稳自动悬停轨迹记录仪（汉和专利，自动喷洒覆盖率统计，漏喷、复喷警告）图：汉和第二代全自动飞控（获得高新技术产品认定证书）汉和第三代全自动智能飞控（2014～2015）全自动、半自动飞行状态自动切换气压传感、GPS传感、加速传感融合系统自动航路规划定高飞行（精度达到0.5米）自动增稳自动悬停自动起降“几字形”规定姿态飞行（或其他规定姿态自动飞行）三合一设计：［飞控计算机＋IMU＋GPS］安全设计：三台飞控计算机备份表决系统配备轨迹记录仪（汉和专利，自动喷洒覆盖率统计，漏喷、复喷警告）注：汉和第三代智能飞控已获得功能验证和实验成功，目前正在产品化流程中，预计2015年可以投入商用市场。4中日植保无人机对比日本雅马哈植保无人机RMAX［6］有近三十年的技术积累和持续改进，使得该产品成为全球行业的标杆。我国一直都很关注日本植保无人机的发展，农业部全国农技推广普及中心组织技术代表团对日本现代植保机械及雅马哈无人直升机喷洒农药技术进行了专门调研。2012年7月5～12日期间访问了日本农林水产省植物防疫课，日本农药协会，日本农业机械协会，福冈县植物防疫课，植保服务公司等机构和企业。汉和航空公司作为企业技术代表参与了这次访日调研，代表团的其他技术成员分别来自全国农技推广普及中心，中国农业大学农业药械与施药技术研究中心，省地植保站等单位。这是非常有意义的一次调研，对我国植保无人机发展起到了很好的促进作用。图：2012年农业部组织技术代表包括农业大学、植保站、汉和航空等调研雅马哈无人机考虑到日本植保田地作业的方式和中国田地作业方式的相近之处，非常有必要进行中日植保无人机的对比。我们以中国市场上从载药量和成熟程度都较高的汉和CD－15无人机对雅马哈RMAX进行比较。下表给出了两者的参数比较，可以看出大部分参数是相同的，但是在载药量来讲，RMAX达到20公斤。当然RMAX的价格达到100万以上，是中国市场消费能力所不能接受的，同时110公斤的起飞重量使得该产品在中国的田地上是不易使用的——需要三、四个人才可以抬到田间作业，在日本有完备的水泥机耕道系统，但是在中国考虑到沟渠、树木、电线、田埂等复杂因素，中国要建成完整的机耕道系统需要很长的时间。相对来讲，载药量15公斤比较符合现阶段中国无人机植保行业的需求，一方面载药量达到15公斤，滞空时间可以达到近20分钟，从而可以达到每天300～500亩的作业效率，另一方面，25万的价格从性价比来讲要高于雅马哈RMAX无人机。此外，从参数对比中也可以看出，汉和自主知识产权的轨迹记录仪是汉和无人机的特色，可以进行喷洒轨迹的记录和管理，对漏喷和复喷进行警告，从而使得农业喷洒作业更加智能化，也可以做为作业管理的依据。图：汉和CD－15无人机（左）与雅马哈RMAX无人机（右）表：中日植保无人机对比（汉和CD－15对比日本雅马哈RMAX）汉和植保无人机CD－15雅马哈植保无人机RMAX作业载荷15kg20kg相差不大价格25万RMB100万RMB相差巨大喷洒速度3～6米/秒3～6米/秒相同喷洒量0.5～2升/亩0.5～2毫升/亩相同喷洒效率2亩/分钟2亩/分钟相同启动方式电启动电启动相同起飞重量35kg100kgRMAX不便用于中国农田油耗0.5元/亩1元/亩2倍以上轨迹记录系统有无汉和独有专利技术研发投入时间10年30年雅马哈技术积累更久上面对中日目前比较领先的植保无人机进行了比较，都有各自适合目前市场的产品。从长远发展的角度来讲，随着土地流转、每亩喷洒费用上升以及劳动力短缺等变化，载药量高的无人机是必然的发展趋势。关于这一点，在前一章节也以及进行了描述。5解开中国植保无人机市场的钥匙——“十万天兵”计划无人机飞防是我国加速实现农业现代化的助推器，植保无人机、飞防员、农药构成了飞防体系的三大要素。日本是无人机飞防最成熟的国家，目前在田间作业的无人机有3000多架，飞手14000多人。中国的水稻面积是日本的28倍，预计到2020年，中国植保无人机需求量是10万架，无人机植保从业人员需求量是40万人。而且无人机植保是一个可以做大的行业，在她的下游产业：飞防员培训服务、飞防员派遣服务、无人机维修保养服务、喷洒植保服务、无人机租赁、专用农药销售、无人机代理销售、空中灾情评估、飞机及安全保险、飞行俱乐部及竞技表演等项目无一不是可以独立经营具有发展前景的项目。图：中国无人机植保行业的瓶颈是人，解决之道是“十万天兵”计划。中国无人机事业发展的瓶颈是“有机无人”，需要大量的专业的农民飞防员。面对如此巨大的市场需求，2014年，汉和航空成立了“汉和航空植保商学院”并推出了“十万天兵”计划［5］，希望与在农村市场成功运作的企业合作，在当地成立合资公司