植保无人机的发展现状和未来展望

北京理工大学珠海学院2020年16级本科生毕业设计（论文）引言随着当前我国现代工业化和新型城镇化等各个阶段加速推进和发展,我国农业的劳动力开始从农村向城镇进行大量的劳动力转移,同时也引发了农业的用工规模大幅下降和成本的大幅上升,劳动力的不足以及农村劳动力昂贵的问题成为了当前限制农村现代农业快速发展的主要因素;另一方面,日益增长的农产品种植市场需求量也迫使当前农业不断地加快发展家庭农场、新型的农业集体经济和种植生产大户的经营规模。因此,随着农产品种植大户规模的增加和不断扩大,我国目前旧式的小型背负式农产品喷雾处理装置已经不能很好地满足快速发展的农业专业化防治病虫害的需求。植保无人机施药作为一种新兴的防治病虫害的方式,相比于常规的人工地面喷洒农药和农业飞机施农药占据一定的上风,使得植保无人机将快速发展成为现代农业防治病虫害市场的霸主。植保无人机的快速发展将大大地推动我国现代农业的快速稳定健康发展。由于我国一直以来受到过时的现代农药喷洒设备及其运用的相关技术的限制,导致我国农药的有效利用程度一直都处于十分低的水平,依据国务院农业部的信息所示2017年我国的农药综合的有效使用率仅为38%,大部分都是残留在农田里,不仅严重污染了环境，还造成了大量的农药资源浪费。我国农村适龄劳动力在逐步缩减,农民要面对的从业问题不仅是逐渐提升的从业成本,还包括越来越少有人真正愿意在给农作物施农药防病虫害方面努力赚钱的农村严峻形势。随着我国农村土地的流转和农业现代化速度的进一步加快,现代智能农机的研发和应用已经落后于我国对现代农业的发展需求。植保无人机在农业上能实现多种应用对于一个虽然农用地占用面积大但是地形复杂的正在发展现代农业的大国来说,具有无法预估的社会价值,植保专用的无人机不仅有很高的植保工作效率,而且远程操控便于保护从业者的生命安全。同时,不需要太多的劳动力,节省了农业投入的成本,极大地提高了农民的经济收入。虽然无人机在我国农业上具有巨大的应用价值。但与其他的行业相比,农业可获取的利润少,并且小型植保无人机行业才刚刚起步,在产品研发上需要较大的资金投入,导致植保无人机的产品价格比传统的施药器械高。同时国家滞后的政策法规,行业标准,配套设施以及服务,导致植保无人机产业的应用和推广工作更加困难重重。所以,研究一条适合中国国情的植保无人机发展道路是现在的重中之重。

2中日植保无人机的现状2.1日本植保无人机发展概况在二十世纪五十年代至七十年代，日本经济开始高速增长，日本农村的年轻劳动力开始往城市迁移，与此同时日本农村的老龄人口在不断上升。当时为了保障粮食的生产安全不受影响，日本在稻田的病虫害防治行动中第一次使用了携带农药喷施装置的直升飞机，并对一百公顷的农田进行了喷施。五年之后，日本几乎所有的农田都开始使用直升飞机进行农药喷施。但是，直升飞机在进行农药喷施时往往处于相对较快的飞行速度和相对较高的飞行高度，导致飞机安全事故频发，并且出现大量农药飘移的问题。因此在二十世纪八十年代日本决定把无人直升飞机也引进农药喷施的做业中，与此同时日本雅马哈发动机公司开始了农用植保无人机的研究，并在1987年研制出世界上第1台用于工业的无人直升机R50；二十世纪九十年代，日本开始实行促进植保无人机应用于农业的政策，在有利政策的扶持下，一大批与植保无人机相关的企业应运而生。之后的三年里，植保无人机的保有量以每年增加67台的速度增长，与此同时相应的植保无人机作业面积也提高到了123公顷；通过科研人员十年的努力，日本研制出了能进行飞行姿态控制和GPS导航的新机型；在接下来的日子里，日本植保无人机的保有量一直以较快的速度增长，到了2015年达到了2668台。即将在两年后投入使用的FAZERRG2型无人机最大能携带40公斤的物品，并且能持续飞行90千米。在2013年日本测试人员运用各种常用于病虫害防治的措施分别对1公顷实验田进行作业并做出了有关病虫害防治效果和作业效率的详细调查，调查表明无人机作业时间最少，仅用了10分钟。据统计，在水稻病虫害防治中作业人员运用植保无人机的比例是载人直升机的11倍.但是地面乘坐式喷雾器和背负式喷雾器的覆盖率占半数以上也看出了无人植保飞机的技术还未达到能应对所有种植情况的水平。通过1995-2014年的统计数据可知，植保无人机水稻防治面积所占百分比在逐渐提升，载人直升机水稻防治面积所占百分比在逐渐下降，，自从2003年载人直升机的防治面积第一次少于植保无人机防治面积后，植保无人机的植保防治作业率一直处于领先，因此，载人直升机被植保无人机取代是无法阻挡的必然趋势。2.2国内植保无人机发展现状2.2.1国内植保无人机发展概况二十世纪六十年代，国内首次使用运输飞机进行广州市的蚊蝇防治作业，开始了中国农业航空的新篇章。之后的几十年中，我国农业航空运输业的相关企业的规模和数量正在逐年快速增加。一直到了2012年，我国的农业航空业全年能销售3.2万架飞机。当时，我国在农业航空领域主要发展的是直升机技术和载人飞机技术，而将无人机应用于农业植保上的工作才刚刚开始。在2008年我国第1架植保无人机在无锡诞生。从2010年开始，植保无人机行业渐渐兴盛起来，并迅速发展了起来。伴随着无人机飞行姿态控制技术的渐渐成熟和制造无人机的技术门槛进一步降低，小型农用植保无人机越来越受农民的欢迎。无人机是一个结合了航空技术和农业机械技术的新事物，能快速响应指令，机械自动化程度高，不需要专门用于起飞降落的场地，很大程度上适合应用在农民无法进行地面作业或地面植保机械无法到达的特殊区域，并且可以有效地应对蝗虫疫情等突发事件。在2011年国内首个“农业航空产业技术创新战略联盟”成立，其由华南农业大学、科学技术部中国农村技术开发中心等27家单位联合组成。现在，我国植保无人机的常用动力主要分为油动力和电动力两种，常用的旋翼结构有三种，分别是固定翼、单旋翼和多旋翼；植保无人机主要被用于保护农林业相关植物的工作上，操纵员使用遥控器在地面操控无人机进行以病虫害的防治保护和农林作物的播种为主的喷洒作业。在2014年中央明确地提出了要大力加强农用航空业建设的方针。自2017年起，为了有效促进农用植保无人机的平稳发展，国家发布了开展以农机购置补贴来引导植保无人机业快速发展的通知，可以看出国家在积极采取政策去推动植保无人机行业的快速发展。2.2.2无人机涉农航化作业现状截至2016年底，根据网络上的数据统计可知，从事与农业专用无人机相关的生产销售、科技研究和开发、人才培训、作业服务保障等单位大概有192个，它们分别来自23个不同的地区。按从事工作的类型进行分类统计如图2-1，生产销售类单位占比最多约占六成，科技研究和开发类单位约占一成，作业服务保障类单位约占一成半，人才培训类和金融保险单位加起来约占一成。从单位所在地区进行分类如图2-2，其中广东省拥有的无人机企业数量排首位，约占全国总数的五分之一，其次是北京市，北京市拥有24家无人机企业，约占全国总数的十分之一。由上诉数据可知，当前农用无人机业比较注重生产销售，但科技研究和开发类、作业服务类、人才培养类等单位的投入的较少。我推测，技术研发、配套服务、人才培养、保险等方面的滞后可能是这样不合理的产业结构造成的。目前，我国植保无人机大概有233种机型，按升力部件进行分类如图2-3，主要是多旋翼机型和单旋翼机型，其中多旋翼有168种，约占七成，单旋翼有64种，约占三成；按无人机使用的动力分类，主要以电池动力为主，电池动力大概占八成，油动力大概占两成。通过分析数据可知，当前中国植保无人机大多为电动多旋翼机型。因为多旋翼机型相较于其他机型具有易维护、易操纵以及易起飞降落等特点。根据统计数据，目前我国植保无人机中有效载荷量为10kg的机型最多，大概占三成，然后是有效载荷为5kg的机型和有效载荷为15kg的机型分别占一成，有效载荷为20kg的机型占比不足一成。通过分析数据可知，有效载荷量为10kg的植保无人机机型是国内生产制造的主流。从作业的效率来分析，无人机的有效载荷量越大，可携带的药剂也就越多，每架无人机可以喷施的面积就越大，无人机的作业效率也越高，但是与此同时单位时间内需要的动力能量越多，对无人机续航的要求就越高，需要准备的电池也越多，成本就越高。就目前技术水平而言，有效载荷量为10kg的机型应该是在同等条件下效率最高最适合现在作业情况的机型。由图2-5可知，截至2018年，全国的植保无人机总保有量达到3.15万架，与2017年的保有量相比增长了225%；总的作业面积达到2.67亿亩次，与2017年的作业面积相比增长了267%。由此可知，植保无人机正在被广泛应用于航空植保作业，发展的前景一片光明。截至2019年底，在民航局登记了的民用无人机驾驶员总数有67218人，这些驾驶员主要分布在与民用无人机相关的应用单位、负责民用无人机生产研发的企业以及拥有无人机相关专业的大专院校等。2019年的数量比2016年的增长近7倍。由数据可知近几年，我国正在一步一步地出台与无人机管理有关的法律法规以及行业体系的逐步完善，各方开始努力培训更多的无人机驾驶员；也可看出当前无人机驾驶员的数量严重不足已成为不可忽视的巨大漏洞，培养的速度远远赶不上需求量。由数据公司提供的数据进行分析可以发现，截至2019年12月31日，我国所有的无人机企业一年的销售量可以达到一百九十六万架无人机，其中有一百五十万架是消费级无人机，而工业无人机卖出了四十六万架，专家预测在未来5年里无人机企业对无人机驾驶员人才的需求将达到接近100万人。有机构对无人机市场份额进行分析得出，其中有大概一成半的资金用于进行无人机的相关试验，有约一成到两成的资金用于进行与无人机有关的维护服务，而且现在这些提供行业配套服务的企业最缺乏的是无人机操纵员驾驶无人机的技能和对无人机进行维护的经验。我们都知道无人机产业在未来可能达到千亿级规模，所以我国无人机驾驶员的缺口问题急需得到解决。图2-1涉及农用无人机单位类型的占比图2-2涉及农用无人机单位分布的占比图2-3植保无人机升力部件的占比图2-4植保无人机动力部件的占比图2-52014-2018我国植保无人机保有量及作业面积统计3国内植保无人机发展主要面临的问题3.1植保无人机在推广方面存在的问题（1）现在的推广方式无法满足农户的需求植保无人机作为一种新兴的害虫防治农业器械，有着巨大的市场价值和广阔的发展前景，但在农户面前通过直接演示无人机效果的销售手段有点操之过急，还需要给农户们一个慢慢接受的过程。第一，按经验来说要使无人机高效的作业，需要有一大片相互连接的农田，但是大部分农户拥有的农田是有限的而且分布不集中，要让农户们单独接受无人机植保服务会面临成本上升的问题。第二，从农户适用情况出发，因为对于农户来说单独购买一台无人机的成本实在太高了，而且买回来就单一农户使用可能还没旧的人工喷洒工具顺手，所以农户都不太情愿购买无人机。第三，因为农户的受教育水平和认知水平可能比较有限，所以对新技术或多或少有所抵触，同时自身资金有限，对新技术存在质疑，不敢冒险尝试。目前大部分农户依然采取传统的植保作业手段去进行防治。（2）不健全的无人机航空政策法规体系植保无人机航空作业牵涉到民用航空管理、农业机械、产品质量检测等多个政府部门，目前国家还未对无人机管理相关的责任义务对各部门进行明确细致的划分，所以暂时还没有明确的监管部门。虽然我国在2010年实行了一步一步对农业航空作业领域开放低空空域使用权限的政策，但我国对农业航空的管理标准依然将现有的民用航空标准照搬进去，民用航空法规体系中的条款对无人机无法起到针对性管理作用。无人机相关的技术标准及作业规程并不完善和规范；无人机航空飞行作业相关的申报审批流程繁多，不仅间接地提高了无人机航空作业所需的成本，还容易错失农作物的最佳作业时机，甚至可能导致无人机航空作业无法达到效果;目前为止，我国虽然实行了一些促进我国农业航空产业快速发展的国家政策，但是还未见到明显的效果，国家还未统一对农用无人机的采购、农用无人机做业补贴等推出相应的完善的扶持政策，暂时只在部分试点实行扶持政策，而且还并不完善，有些黑心企业通过补贴漏洞进行恶意竞争。（3）不完善的无人机航空作业社会标准化服务体系目前无人机航空作业还没有充分展现出在农业生产中所能起到的重要作用，是因为我国与无人机航空产业相关的各项社会标准化配套服务尚未形成规模，比如植保无人机租赁服务、负责联系植保服务公司和农户的中介服务、无人机驾驶员培训中心、无人机维修服务、与无人机相关的融资服务、无人机相关保险服务等，由于一个企业无法承受上述各项服务的成本支出，因此需要国家负责调配相应行业的资源才能促使配套服务快速形成规模。（4）农田作业环境基础建设需要和无人机相配合在以前我们技术比较落后时，我们常常会觉得无人机航空作业技术要求肯定很高，在农业生产中普通农户用不起无人机。现在我国的科技赶上来了，已经可以以低成本对农业进行高效益的航空作业，但是由于无人机行业的推广力度还不够，农户对现代农业机械的认识还不足，所以造成无人机航空作业的市场需求量较低，大部分人都处于观望的状态。另外，由于我国农户普遍采用分散经营土地的生产农作物模式，造成我国的农田面积小而位置分散，与无人机航空规模化作业的适用条件有所差异。在规划各地的农田时，没有运用集约化经营的理念去进行安排，在安装电力设备，消防设备等配套设备时都未将无人机航空作业这一安全因素纳入考虑的范围内，可能严重威胁到无人机的飞行安全。3.2植保无人机在技术方面存在的问题（1）产品的质量问题我国植保无人机行业还处于刚刚起步的阶段，国家对无人机的各项标准并没有明确的规定，而且我国在无人机上的核心技术并没成熟，很大部分企业并不具备自主研发的实力，企业大都是靠组装制造无人机产品，所以造成市场上产品的质量千差万别。在使用无人机产品的过程中常会出现一些安全问题，比如无人机使用次数越多，故障率就会越高。在给农户进行无人机作业演示时，可能会有无法操控无人机和突然坠落的现象，造成农户的担忧，使他们有所抵触，。（2）费用高由于与农业植保无人机有关的基础科学研究水平较低和核心技术的研究开发能力落后，造成产品更新换代能力不足和生产能力不足，无法形成大规模生产并使经济效应提高，从而导致产品价格上升和维护保养的成本升高。据我所知，买一台功能不齐全性能一般的植保无人机的价格往往在十万到二十万元，而一台功能完善性能较好植保无人机的价格至少需要三十万元，高额的成本加上不完善的补贴政策使大部分农户都处于观望的状态。而且在无人机使用过程中需要不断消耗锂电池，这样将会大大提高植保无人机附带的使用成本。（3）未研发出无人机航空专用的喷洒用剂目前市面上的植保无人机配备的喷雾器一般都是只能容纳较少的农药，据研究表明油剂型农药是更适合植保无人机的。现在市面上大多数农药的剂型都是可湿性粉剂，但是这种剂型是专门为常规喷雾设备设计的，它并不能完全适用于植保无人机。所以目前植保无人机作业人员该如何选择合适的农药试剂是一个令人困扰的问题。我国目前还未为植保无人机设计研发出配套的农药制剂，并制定与其相关的各种技术标准，而且在对植保无人机航空作业中农药药液的黏度、表面张力等的基础科学研究还比较落后，还未能形成一套评价标准用于检测药液合不合格。（4）药液漂移的问题在有风的情况下，无人机在空中进行药液喷洒十分容易出现药液飘移。据我所知，无人机做业一般在单一农作物种植面积大的地方比如黑龙江、新疆等的耕地。如果要对一大片农作物中的某一部分农作物进行喷施，必须解决好药液飘移问题。（5）未形成一套完善的植保无人机喷施作业技术标准由于我国最近几年才开始采用植保无人机进行喷施农药，以前主要使用固定机翼机型的农业飞机进行航空植保作业。对于单轴和多轴无人机进行空中作业时有关的各项技术参考标准还没有进行深入的研究，无法建立一套科学完善的系统用于在不同的条件下判断无人机进行空中作业的作业时机，飞行速度，飞行高度，航线规划等数据的最佳选择。（6）无人机喷洒装备的关键部件还无法做到低重量与高效兼得根据研究表明，植保无人机的续航时间和有效载荷量是用来判断无人机航空作业效率的两项相当重要的参考指标，因此，要做到精确喷施提高植保无人机作业的效率，我国必须能制造出能实现低量喷施，均匀喷施并且轻量的无人机喷施装备。如果无人机配套的喷施设备性能不够好，无法有效击中目标，则无法体现出植保无人机防治技术的优势所在。（7）缺乏大量植保无人机人才组成的专业队伍无人机企业普遍把经济效益当作发展的重点，所以无人机行业人才培养机制是相对落后的。而国内只有少数的拥有无人机专业的高校和培训机构，是远远无法满足国内无人机行业对无人机相关人才的巨大需求量的。专业人员预测我国植保无人机从业人员的需求量将在2020年达四十万人。据统计，直到2019年底，民航局一共只颁发了67218本无人机驾驶员执照。由上面的数据可以看出需求的缺口是相当巨大的，无人机行业需要通过更多方式去培训无人机操控员和完善无人机的人才储备。3.3植保无人机在安全管理方面存在的问题（1）植保无人机尚无牌证管理具体规定依据农业机械安全管理的有关规定，播种机、拖拉机等农业机械需进行仪器安全检验并登记上牌，而且农业机械相关的操作人员必需经过专业的培训、并通过考试才能取得相应操作证件，其中规定并没有对植保无人机做出明确的规定。各地方性法规也没有针对无人机的具体规定，以湖南省的相关规定为例，根据湖南省管理农业机械的有关规定，需要到道路行驶的相关农业机械必须实行牌证管理，不需要到路面行驶但是涉及到人的身体安全的农业机械须登记相关资料进行管理。植保无人机属于其他以动力装置驱动的农业机械，但又不是在道路驾驶的，所以无法实行牌证管理，依据不充分，且目前没有针对植保无人机牌证的具体管理规定。因此，仅可对植保无人机进行登记管理，无法达到统一规范，容易出现安全事故，发生事故责任都无法明确，做业情况易陷入停滞。目前没有农业机械方面的法律法规对植保无人机驾驶员证的资格进行规范，农业机械安全监理机构也没有资格对植保无人机驾驶员实施考试。而根据《民用无人机驾驶员管理规定》规定，植保无人机属第五类无人机，行业协会负责管理无人机驾驶员，只有民航局的相关部门可以对无人机实施监督管理。（2）监管部门暂无设立安全检验相关的技术规范依据农业机械安全管理的有关规定，县级以上政府的负责农业机械的主管部门应该对可能威胁人身财产安全的农用机械定期地进行免费的实地安全性能检验，但是目前国内还未建立与植保无人机安全监督管理有关的检验技术规范，无法进行安全检验,存在很大的安全隐患。（3）有关部门缺乏相应协作管理机制植保无人机属于民用航空器，又属于农业生产机械。中国民用航空局对其管理有相应的法律依据，并且制定了一些规章及管理规定，有相应的技术人员与管理经验，农业机械管理部门对植保无人机管理几乎可以说是空白。但中国民用航空局是国家垂直管理机构，仅分华北、中南、西南等七个地区管理局，地区管理局一般在所管辖的省份设有派出机构，但没有到市、县一级的机构。如何与中国民用航空局进行数据互享、协作管理，如何对植保无人机生产经营单位进行管理缺乏相应部门协作机制。（4）农机监理部门人员安全监督管理能力有待加强植保无人机虽从2013年开始逐渐进入农业植保领域，但对于广大农机监理人员来说仍然是新生事物，且缺乏相应具体的国家法律、法规及管理规定，农机监理人员也没有接受有关法律法规、植保无人机安全监督管理的培训。农机监理人员可能没有相应的管理资格，不能有效进行安全监督管理。4中日分别采取的措施4.1日本采取的措施4.1.1无人机技术方面（1）大力发展农业航空施药关键技术日本正在通过大力发展植保无人机航空施药技术来达成无人机能精确地给农作物喷施农药的目标，对农作物实现高效率的病虫草害防治作业行动。要能对农作物实施精准施药的其中一个必要条件是拥有一套完善的农作物病虫害信息监测系统，能够准确地监控到植物的各种参数在不同情况下发生的变化，日本专家认为无人机航空施药技术中最重要的几个技术有：农药变量喷施技术、精确的无人机导航控制技术和农业航空专用遥感技术。精准施药系统的大概实现流程如下：先通过各种信息采集方式如：GPS技术、无人机机载遥感器测量等方式获取农作物相关的病虫草害防治信息，通过系统计算生成一张包含农作物实现精准施药相关各项技术参数和步骤的处方图，无人机通过精确定位飞行导航系统到达在施药地点的上方按处方图的各项参数对农作物进行科学准确地农药喷施，再通过精确的农药变量喷施系统对每一棵农作物实现足量且有效的喷施，并极可能的减少农药的残留以达到保护环境、减少资源浪费的目的。（2）大力发展农业航空遥感技术遥感是一种通过不接触的方式远距离靠仪器获取物体的电磁波特性信息，再通过对获取信息的分析得出物体特征性质及变化的技术。目前常用的通过遥感获取信息的方式为三种：通过地面机器搭载的传感器对目标物体的信息进行探测、通过把各种飞行器作为传感器的载体在空中对目标物体进行探测和通过卫星等航天器的遥感技术平台对目标物体进行探测。这三种方式各有不同的特点：但是在应用于获取农作物病虫害和生长信息上时，这些遥感方式都有一些不足之处，不能得心应手，所以十分需要研究一种专门应用于农业航空作业的遥感信息获取技术。因此日本将农业航空遥感信息获取技术设定为未来农业航空技术研究的重中之中。二十世纪九十年代初，日本秋田县立大学大学部与日本国家航天管理局合作，第一次在日本完成了监测水稻从移栽到收获不同生长阶段的电磁波特性信息的试验，日本专家打算通过这次试验来探究水稻的生长态势和微波的后向散射特性之间的联系。由此可以看出日本在关键技术的研究已领先我国很多。最近几年，日本对农业航空遥感技术进行了许多研究，特别在获得各种农作物的农情信息上。通过遥感技术监测水稻生长过程中氮元素含量的变化判断是否为水稻追施氮肥。有的日本专家通过航空高光谱相机去获得水稻相关的农情信息，提出了一种综合Lasso回归模型算法和AIC原则的新方法估算水稻长势、产量以及蛋白质含量。在2014年测试人员对水稻种植区实施了一次利用无人机搭载小型相机对水稻长势进行拍摄的水稻生长监测试验，随后使用三维建模软件对拍摄图像进行后期处理，通过模型分析与水稻相关生物信息。这种新的遥感监测方法相比于其他的遥感监测方法，不仅获取信息的成本更低而且时间更为灵活，十分适合运用在农业航空上。（3）大力发展精准的无人机导航控制技术无人机要实现精准的定点喷施的必须拥有精准的无人机导航控制系统。日本专家在研究中为了研发出更精准的无人机导航控制技术进行多次尝试，有专家尝试用实时动态载波相位差分技术与惯性导航系统技术结合来搭建无人机精准导航控制系统。而后为了研究出比GPS更精确的导航控制技术运用无人直升机搭载用于导航控制的伪卫星装置进行试验，发现了这种方式确实比GPS定位更为精准和可靠，并开发了一套搭配使用的三维地理信息地图系统用于进行精准的航空规划。雅马哈公司在这些研究的基础上研制出了RMAX型工业专用无人机，它可以实现对水稻精准喷施农药。专家们对已有的RMAX型无人机的工作情况进行研究，发现无人机在精准施药喷施作业时的飞行高度一般在三到四米，这个飞行高度属于低空，容易出现意外事故，为了保障人身财产安全，专家需要研究出更好的无人机自动躲避障碍物的飞行控制技术。于是日本的专家们纷纷开始加入无人机自动避障控制系统的研究，为了实现无人机的自动避障控制与导航功能，专家们开始去构建非线性模型预测控制算法来完成自动避障，还通过构建相应作业环境下的自适应控制算法使无人机能抵消外界环境可能产生的干扰，让无人机在空中能稳定飞行。随后专家们综合考虑多种因素，为了克服环境的不确定性，运用抗干扰较强的变结构控制原理去构建算法，为了实现无人机在任何地形都能平稳地起飞和降落，并且在空中稳定地悬停。4.1.2无人机管理方面（1）日本政府管理无人机的措施日本政府在农业机械监督管理上从中央到地方分为两级，国家层面的事务交由农林水产省管理，地方层面的事务由地方农政局负责。其中农林水产省中的消费安全局负责管理日本植保无人机的相关事务，在地方则相应的由地方农政局的消费安全部负责管理。农林水产省在2017年发布的《无人机植保农药配施利用技术指导准则》，此准则对植保无人机施药作业时的各项注意事项进行了明确的要求；并对实施航空植保工作的主体单位制定了严格的规定；详细说明了植保作业实施效果报告书和航空植保作业实施计划书该如何填写和上交；还有当各种意外发生时该如何处理。具体内容如下（1）植保无人机施药作业计划书需要填写植保无人机的施药单位和施药农户的名称、植保无人机操作员的姓名和无人机驾驶执照编号、进行施药的地点、进行施药的无人机机型、施药农作物的名称、农作物主要病虫害的名称和特征、施药农田的面积等详细内容；（2）植保无人机空中施药事故发生报告书（图4-1）需要详细填写植保无人机喷施农药时是如何发生意外事故的、发生意外事故后采取的应对措施、对无人机发生意外事故的原因进行分析乃至下次发生同类事故的应对方针；（3）植保无人机航空施药作业实施效果评估报告需要填写计划书中所提及的信息和实施作业的时间，并由作业单位和农户一起确认并提交给地方农政局。报告书如图所示与中国现状有差异的是日本的植保无人机空中施药事务由农林水产省的消费安全局和国土交通省的航空局两个部门联合管理，相当于国内的农业机械管理局和民航局联合管理无人机事务。这两个部门联合发布了有关植保无人机空中施药飞行的法令法规文件，此文件明确规定了办理植保无人机作业的手续步骤和作业的登记确认流程，详细地列举了申请作业所要提供的具体内容如无人机飞行高度、无人机的航线和目的、作业领域的范围等，该法令使两个部门对植保无人机事务的可以统一进行管理，使部门分工更加明确。（2）民间社团组织农林水产航空协会的协助管理在二十世纪六十年代，在日本从事植保无人机行业的人们建立了一个民间的社团组织，这个组织叫做农林水产航空协会，这个协会旨在合理利用农业航空相关技术，以确保农业能健康稳定地发展，利用先进技术提高粮食的生产率，使人民能放心的使用粮食，减少农药的污染，保护自然生态环境，协会的主要工作形式是：鼓励并支持开展与农业航空相关的技术研究，对无人机企业的培训人员进行农业航空安全的教育，协助植保无人机企业进行质量安全监测工作，在航空植保作业过程中对施药单位进行监管。报告事故单位的名称：报告事故的人的名字：事故报告人的联系地址：事故报告人的联系电话：报告事故的时间：基本情况表1事故发生的时间（）年（）月（）日（）时（）分无人机植保作业时间：（）时（）分2事故发生的地点要求精确到（县，区，村，组）3无人机操控员名字：技能认定证书编号：4无人机使用的机型机型：机型登记号：5作业时的天气情况天气：气温：风向：风速：6作业内容1.农药2.肥料3.种子4.测量与调查5.其他（）农作物：病虫害等信息：7药剂药剂名称：稀释倍数：无人机载药量：8植保施药主体农户无人机施药单位9作业人员统计无人机操作人员名植保作业时安全管理人员名其他人员名10事故概要人身事故名机体事故药害事故其他11灾害情况情况确认有无其他详细描述人身伤害有确认中无家畜伤害有确认中无农作物药害有确认中无药剂随意倾倒有确认中无无人机机体损伤有确认中无周边设施损伤有确认中无其他损伤有确认中无12事故处理情况记录13其他相关部门协助处理情况记录14事故发生原因分析15事故再发生对策图4-1植保无人机施药作业实施事故报告书4.2国内采取的措施4.2.1技术方面为了满足中国农业田地间作业的基本模式，又要在我国复杂的农业地况中轻松地完成植保无人机的起飞降落，我国的无人机必须拥有一定量的载药能力和抗风能力，并且能灵活起降。所以我国目前主要以施药技术，避障技术，减漂技术，病虫害信息检测技术为核心技术研发。（1）试行产学研合作模式我国众多农业机械科研机构从2005年起纷纷向国家农业部、国家教育部、国家科技部等相关部门提出建议：开展与植保无人机相关的研究工作项目，促进植保无人机技术的发展。在2008年由国内多个科研单位共同参与我国第一个与植保无人机相关的国家级科技项目“无人机在水田中进行超低空低量施药相关的技术研究与装备创新制造”的实施，这一项目的实施，象征着国内的科技研发机构正式开始了探索植保无人机相关核心技术与高性能喷施装备的道路。在各方的努力下研制出了一台拥有两个超低量离心雾化喷头，可携带十公斤农药，并且搭载了总参谋部第六十研究所最新研制的“Z-3”飞行平台的油动力单旋翼植保无人机。同年山东省的相关科技企业与中国农业大学的研究人员开始尝试采用产学研合作模式去进行使用遥控器遥控多旋翼无人施药机在低空对农作物实施低量喷施的研发项目。随后国内的专家们在2010年研制出了世界上第一台多旋翼电动植保无人机，并设计了两种满足不同需求的机型，一种采用八旋翼的结构并具备十升的载药量，另一种采用十八旋翼的结构并具备十五升的载药量，两种机型都装配了专门为多旋翼植保无人机作业研究开发的农业专用可变量施药的离心喷头，在几年后这系列的无人机在国内多个地区获得了大力推广和应用。从2010年起，无人机行业的产学研合作模式已经逐渐兴起，珠海航空科技公司与中国农业大学携手进行电动单旋翼植保无人机的研发合作项目，并于两年后研制出国内第一款电动单旋翼植保无人机，其装备了4个扇形喷头，可达到十升的载药量。截止2012年，我国植保无人机整体体系已大概成型了，按无人机的动力可以分为电动力无人机与油动力无人机两种，两者之间大概的差异对比如下表所示：价格载重续航航速操作难度维修难度电动力较低较小半小时以内/次较慢操作灵活，起降迅速易维修且维修成本较低油动力较高较大可超一小时/次（取决于油箱）较快机身重，需要一定的起降时间结构相对复杂，维修成本较高按无人机机身结构主要分为单旋翼无人机和多旋翼无人机两种，两者之间大概的差异对比如下表所示：价格载重续航航速操作难度维修难度单旋翼较高较大，多为5-20L较长较快很高结构相对复杂，维修成本较高多旋翼较低较小，多为5-10L较短较慢较为简单，飞行稳定易维修且维修成本较低（2）发起国际学术交流活动为了植保无人机行业更好地发展，我们必须向先进国家学习他们的优点，中国农业部在2012年到2013年期间发起了以植保无人机对水稻实施低空施药的相关技术为主题的中日韩三国植保无人机国际间合作研究项目，中日韩三国的研究专家分别在本国建立条件相似的试验田，在项目执行的每个关键阶段，研究人员分别在三个国家进行了大量的植保无人机施药田间试验和人员交流，三国研究人员在项目期间分享宝贵的无人机施药技术研究经验和成果，使我国的研究人员受益良多。（3）不断通过实践来提高无人机技术随着植保无人机技术迅速地发展，植保无人机施药这一新型防治手段在中国的应用渐渐得到普及，但是使用无人机施药的实际效果到底如何呢？是各方人员心中共同的疑问。于是在2013年中国农业大学研究人员与华南农业大学科研团队在海南水稻种植区对十三种我国自主研发的植保无人机进行了无人机施药效果等相关测试，经数据表明参试的十三种我国自主研发的植保无人机在对水稻病虫害的防治上起到较为明显的作用。测试团队向有关农业的相关部门提交了测试总结报告，在极具说服力的数据下，农业部开始发起植保无人机低空施药防治从地方试点走向全国的推广行动。在2014年工程院院士罗锡文教授在黑龙江省佳木斯市携手有关单位创立了“中国农用航空产业创新联盟”，并且向国务院提交了“大力促进植保无人机和农业航空发展的建议报告”，向国家提建议大力推动无人机技术发展应用，无人机相关政策和行业标准的制定。截至2017年，据统计全国正在使用的植保无人机数量大概有一万架，植保无人机的施药防治技术已在水稻、棉花、玉米等多种主要农作物上成功应用，而且效果测试数据显示应用效果较好，植保无人机技术在我国农业的应用正在迅速发展。植保无人机灵活部署和操作难度低的独特的优势，能够在山地、丘陵、水田等大型植保机具难以进入进行作业的复杂地形工作。因为我国的农田有很大部分面积较小，无人机有效载荷量和续航能力的局限性并不是小面积农田进行无人机施药的主要障碍，那些施药精准、作业可靠且坚固耐用的无人机更易受到在复杂地形进行农作的农户的欢迎。4.2.2管理方面（1）不断完善法规和行业标准我国在无人机技术上的起步时间比发达国家晚很多，而工业专用无人机的结构较为复杂，需要更加先进的技术提高支持，所以工业级无人机在我国无人机市场中的市场份额也较小，投入研发的资金也较少，技术也相对滞后。可是随着无人机技术的飞速发展，在发达国家逐步开发拓展工业级无人机的用途后，工业级无人机在世界范围越来越受到重视，为了跟上发达国家的步伐，我国也加大了在工业级无人机领域的投入的力度。国家部门紧跟着出台无人机的相关政策、对工业级无人机的发展进行合理地规划并提供相应助力。尽管国内无人机行业在发展体制上并不完善而且还有很多技术瓶颈需要解决，但是我国在农业领域却取得较大的突破。尤其在农业植保无人机上，从2013年起为了推动农业领域无人机的发展，国家出台了很多项有力政策。例如为了提出鼓励有条件地区发展无人机、无人直升机等新型防治病虫害手段，农业部提出了关于推动现代农业植保体系成型的意见；农业部在发布的《2015年到2020年农药使用量零增长行动方案》中提出要加快现代植保机械如植保无人机的开发应用，促进更新换代，让农药的使用更科学有效；国务院在2016年1月以理解贯彻新的发展理念，通过实现农业现代化来达到全面小康为主题提出若干意见：只有不断提高物质装备和技术的科技水平，才能让农业现代化走上快车道，致力于构建完善的现代农业体系，为以植保无人机为核心技术的现代农业空中防治体系扫清障碍，加快农业现代化的脚步；在2017年农业部、民航局等相关部门决定在部分省市开展植保无人机农机购置补贴政策的试点，通过这种方式加快植保无人机技术开发的速度和无人机技术应用标准的建立，推动农业可持续发展。政策试行之后效果较好，于是越来越多的省份也加入了相关的补贴试点政策的普及中去。这将大大减少植保无人机作业的成本，给予了农户们尝试新事物的勇气，促进了植保无人机更快的普及，让中国农业的现代化更近一步。2018年是无人机行业艰难的一年，因为相关法律法规的不完善，让无人机行业存在大量的漏洞，让无人机的发展举步维艰，但随着国家相关政策的接连落地，我感觉寒冬期即将过去。国务院和中央军委在一月份联合发布《无人驾驶航空器飞行管理暂行条例》征求意见稿，是我国第一部无人机管理专项法规，广泛地向社会征求与无人机管理相关的意见，其中已对禁飞场景进行了详细的规定。我相信在不久的将来国内第一部无人机管理专项法规制定后，国内无人机行业的乱象将大大减少；两个月后民航局发布了《民用无人驾驶航空器经营性飞行活动管理办法（暂行）》其中正式对无人机经营许可证的申报资格和相关手续进行了明确地说明，还制定了相关规定来规范无人机经营性航空作业的监督方式，明确了管理条例的适用范围，让无人机经营性航空作业的门槛大幅降低，使用简单便捷的线上办理方式，管理方式更加人性化，给予了合理的办理时间。一改之前申请手续繁琐，申请门槛高的艰难环境，让更多无人机的经营性做业活动更轻松灵活地进行；紧接着民航局在九月份完善了《民用无人驾驶员管理规定》其中的改动有：对无人机驾驶员的监管模式进行优化，使监督模式更加适合当前的无人机市场需求，改善与颁发执照相关配套制度和标准的不足之处，不断优化执照和等级颁发的条件和办理手续，为拥有行业协会技术合格证的人员转换为民航局认证的驾驶员提供了相关条例和办法。细化了对驾驶员的管理，使协会培养的驾驶员资源不被浪费，大大增加无人机驾驶员的人数，让驾驶员人才储备更加充足。工业和信息化部门在11月发布了《无人机制造企业规范条件（征求意见稿）》，其为无人机制造企业各方面的量化标准提供了一个用于收纳社会建议的平台，使规例能在符合中国国情的情况下的制定。此规定在未来将助于减少无人机产品质量参差不齐的行业乱象，规范了无人机制造的各项标准。为了确保民用无人机产品质量和使用安全，促进无人机产业的稳定健康地发展，2020年初全国性的无人机适航审定工作正式开始，全国范围内的各个民用无人机设计制造单位须向航空器适航审定司提出民用无人机适航审定申请。民航局成立适航审定司机构的目的是通过对国内的所有无人机项目进行适航审查测试，借助测试数据了解国内无人机的实际情况，并在国情的基础上建立一套完善的民用无人机适航管理模式和适航标准体系。建立一套科学的风险等级评估制度对民用无人机的运行风险进行评估，根据风险等级的不同进行分类管理。适航审定司将从技术比较成熟的无人机领域入手，解决无人机行业的当务之急，按照合理地顺序对无人机项目进行适航审查。适航审定司机构可以发挥其适航委任代表的监督作用，推动无人机企业的适航管理体系以及诚信机制的建设，加快建立符合中国国情的无人机适航审定制度。从以上列举的政府措施，我们可以看出近几年无人机的体系正在不断完善，我相信中国无人机行业会越来越好的。（2）大力培养无人机人才在2019年人力资源社会保障部等三部门正式将无人机驾驶员列入新职业，从此无人机驾驶员也可以享受社会给予的保障与福利，将大大增加人们投入无人机行业的兴趣。同年6月，教育部正式将无人机操控与维护专业、航空摄影测量专业等多个与无人机相关的专业录入《中等职业学校专业目录》中，可以看出国家正在致力于培养无人机的专业人才，大大提高无人机在校园的科普程度，使孩子们从小就接触无人机，未来将有大量无人机领域的人才诞生。5对植保无人机行业的发展建议5.1完善无人机政策，降低行业门槛植保无人机行业目前正面临国家政策不到位，行业门槛不合理，，管理体制不完善，的尴尬期，一批又一批的投资者在观望着，这时候迫切需要国家给予无人机行业一个明确的政策方针，工信部门为企业建立一个无人机市场的准入门槛，市场监管部门完善无人机产业合理化经营秩序。自2017年起各省市纷纷开展植保无人机补贴试点，但是出现诸多漏洞，以江西省的实行为例，补贴对象暂时只有从事农作物种植生产的经营组织，部分从事农作物生产的创业个体户没有被纳入补贴政策的适用范围，还有农业生产中专业化统防统治每亩每次补贴10元，部分企业依靠补贴盈利，恶意低价竞争，养成不良的风气。我们该如何改善无人机行业的现状呢？首先我们需要对管理无人机行业的部门在权力与义务上进行合理的划分，比如民航局和农业机械管理局之间的权力划分；然后需要将多个部门联合起来进行统一的筹划，制定周期性的无人机行业发展计划，周期性的发展计划可以灵活调整针对性强；同时设立合理的无人机行业入门门槛和管理规范，保障无人机行业能安全稳定地发展。应逐步放开无人机航空作业的权限，方便无人机进行经营性空中作业，比如尽可能地减少飞行审批流程，以确保植保无人机做业便捷地进行做业。同时植保无人机的发展还要与当前的农业发展相搭配，制定促进农用装备制造及更新换代的政策，包括无人机企业扶持政策、无人机购置补贴政策等。因为中国农业所占的面积大，不同的地区发展的方向不同，让植保无人机尽其所长。给予培训无人机驾驶员的机构在租金、税收等方面提供帮助，加快人才培养的速度。可以成立多个部门联合管理机构，联合制定管理无人机的条例，统一实施管理和协调。我觉得可以参考日本，让农业机械部和民航局联合进行管理协调，因为农业机械部的分布较为完善，有利于在当地进行管理，负责植保无人机安全检查，发补贴等措施。整合服务企业政策上需要引导保险业积极加入植保无人机行业中，针对常见问题推出相应的险种，建立健全风险对冲机制，打消农民的顾虑。优先推动无人机植保作业试点的无人机配套服务成型，加大科研资金的投入和相关政策的扶持，为其他地区的实行做示范。加大无人机新技术的研发力度，形成多样化的无人机产业，在无人机行业贯彻可持续发展理念，吸引社会资本进入无人机领域，从生态保护着手，改善植保无人机的发展趋势。5.2构建行业标准由于中国农业航空的标准规范建立较为滞后，为了形成完善的体系就要构建体系化的框架。在体系框架方面，我觉得可以借鉴由农业航空产业技术创新战略联盟的专家们编制的中国农用无人机标准体系框架如图5-1，这个农用无人机体系框架的第二层对农业无人机产业链的各项技术特征如机身部件，子系统，农业作业效率等进行了分类；第三层是对上一层结构进行更进一步的细化。并且对日本相关制度进行借鉴，构建与农业无人机有关的检测体系和认证制度，然后逐步形成符合中国国情的无人机行业准入门槛，还要建立施药系统评估制度和事故反馈制度，通过大数据技术保障产业能够科学发展。坚持安全的原则，在各种飞行环境中保障作业的可靠性，并及时反馈事故分析报告，还要踏踏实实地提升无人机作业的效率。从多方面着手，增加无人机领域的可创造性，并落实好信息收集工作。图5-1中国农用无人机标准体系5.3发展无人机核心技术中国农业无人机行业在最近几年的发展十分迅速，在无人机动力驱动系统、无人机自动避障系统、植保无人机专用农药试剂、植保无人机专用喷施装备等方面都有很大的提升，但是无人机核心技术的发展水平还是没有达到人们的预期。在未来无人机技术的发展中，与无人机专业相关的国内高等学府、研究中心、民间企业等单位应该多多联手组成无人机技术创新小组，联合攻关植保无人机飞行姿态控制技术、植保无人机遥感探测技术和植保无人机喷雾技术等农用无人机产业的前沿技术。以大力研发无人机核心技术与装备应用，以及产学研联合模式去提高无人机产业的创新能力；与此同时不断完善植保无人机技术体系和标准，提高植保无人机产品的平均质量水平。我觉得应该注重以下几种技术的研发：（1）雾滴分布测量技术以及雾滴飘移模型的构建技术：要想减少农药对环境的污染并且提高农药有效使用率，需要对雾滴分布进行精准地测量和建立合理的漂移模型。国内目前使用的模型只适用于载人固定翼型飞机，而且植保无人机的风场的分布与固定翼型飞机差异较大，所以给植保无人机建立专用的雾滴漂移、分布模型是大势所趋。（2）植保无人机施药处方系统：植保无人机施药处方系统可以对无人机施药中的飞行高度、飞行速度等作业参数进行优化，使施药更精准更均匀，那么该如何发挥这个系统的最大作用呢。我觉得第一步要通过植保无人机施药处方系统的入门标准，过滤掉一些没有核心竞争力的企业，确保企业产品的质量足已完成系统要求的准确参数；第二步建立植保无人机施药处方系统，农户通过输入气候、地理位置及与农作物相关的信息等来获得推荐的植保无人机机型、最佳的作业飞行参数、农药采用的剂型、农作物施药量等施药信息；第三步，培养一批拥有丰富的病虫害防治知识和植保无人机飞行防治经验的专业无人机植保团队。（3）多种用途的无人机合作业。为了保护环境，农药的有效使用率会随着技术的发展越来越高，提高农药有效使用率的关键在于要根据农作物的生长需求进行施药，这就需要能精准且快速地检测出农作物的病虫草害信息，所以无人机遥感探测技术一定是未来无人机领域研究的重点。我猜测未来无人机植保作业可能是多台无人机共同作业的过程：比如搭载遥感器的无人机负责获取农作物的病虫害信息并生成施药处方表，以施药处方为依据设计好植保无人机施药的航线，并未无人机设定好施药高度、施药量、喷头型号等作业参数，然后喷洒无人机按照该航线根据处方图实现自动变量喷洒，完成作业。6展望6.1研发更便携流畅安全的移动操作平台随着植保无人机的操作平台的不断升级拓展，越来越多的操作系统可以搭载无人机相关的内容。如今我们的生活已经开始逐渐智能化，AI语音助手、自动驾驶等功能层出不穷，因此植保无人机企业迫切需要将无人机产品能与移动端连接在一起的移动操作平台，让人们可以借助手机软件的操作平台来操控植保无人机做各种动作，达成一键起落、一键悬停、一键施药、定高飞行及定速飞行等功能。虽然大疆创新科技公司研发的航拍无人机已经可以完成一些智能化的动作，但是植保无人机要达成智能化进行任务还有一段路要走，植保无人机需要比航拍无人机更稳定更精准的无人机自主飞行控制系统，搭建更加便携、流畅、安全的移动操作平台。一旦平台研发成功，将大大减低了从业人员的门槛，无人机行业将吸引更多的从业者，满足市场的人员需求。6.2性能更强的无人机如今，植保无人机一般无法承载太重的载荷，一般载荷量为三十到四十公斤，并且续航时间较短，普遍少于半个小时。随着任务量的不断增加，这种无人机将无法承担增加的作业量，随着植保无人机技术的进步，我相信我们将造出高载药量、高效率、长航时无人机跟上我们农业现代化的脚步。6.3优良的植保无人机静电超低容量施药技术根据研究发现使用传统喷雾技术后，能附着在农作物上药液普遍不到半成，并且会出现严重的药液飘移现象。如果使用静电喷雾技术就能大大减少药液飘移现象，使大量的药液吸附在农作物上，农药的有效利用率将大幅度提高。与此同时，由于减少了药液飘移量，大幅降低了农药对农田造成的污染和破坏。虽然我国静电施药技术的水平还比较落后，但是随着我国高校研究所和企业的不断合作，我相信不久的将来，我们可以不断增加农药的有效利用率，减少我国土地的污染，实现可持续发展。