联合飞机植保无人机 | 田野里的“梦想家”与“变革者

 

 

 

据《黑龙江日报》3月27日报道，北大荒集团勤得利农场有限公司农机经销市场，近日热闹非凡，筹备春耕的种植户选购各类新型农机具时，普遍看好植保无人机高效、安全、环保的优势特点，并掀起购置热潮，植保无人机成“抢手货”。

 

 

类似东北（仅黑龙江就有耕地2亿3900万亩，居全国首位）、新疆等区域农田，集中连片性明显，能提高农业基础设施规模效益、机械化优势更易发挥、利于农业产业化、便于建成生态环保良田、对农业科技普及更有利，无人机植保相应也天地更宽、前景无限。

 

 

一、农业植保类型

 

 

植保乃植物保护的简称，是现代农业生产过程中极为重要的一环。农业植保，简单说就是利用工具、药物等对于农作物进行保护，预防和杀灭病虫草害，保证农作物健康生长，保障果实成熟，增加粮食产量。俗话说，“三分种，七分保”，这些年来粮食亩产量不断创新高，与植保密不可分。植保技术在一定程度上会有效节约自然资源、提高资源利用率，对于促进农业经济发展具有重要作用。

1、杀虫植保 植保最重要的就是“虫口夺粮”，杀灭病虫草害。96%农民认为最繁重劳动是打农药防治病虫害。杀虫植保方式有哪些？

此前农业应用最多的还是传统的人工喷施，利用背负式药箱进行农药的喷施。这种方式存在很多弊端：用药用水量大，亩喷施用药量约为20-30公斤；农药利用率低，大量农药（约60%）会随着水分滴落到土壤中，留存在叶面的药滴也会以小水珠的状态停留在叶片上；效率低，一个青年劳力每日背负喷雾药箱至多能施药20亩；人体危害大，施药人员与农药不分离，农药会对人体面部、皮肤造成侵害，据统计我国每年农药中毒人数至少有10万人，致死率高达20%。

 

 

前些年出现了大型植保设备走地式植保机械（拖拉机、高架车），虽然高效、便捷、安全，但由于我国耕地情况多样，一些坡地、丘陵、不平整土地，地走式植保机械作业难度较大。且地走式植保机械作业，需要在作物间预留一定宽度的通道空间，否则会对作物造成一定损害。

近几年，植保无人机市场进入“头部企业时代”，果园、茶园、田地等，都能看到植保无人机这一新型现代化植保设备的身影。

2、其他植保 不单单是杀灭病虫草害，植保还包括给植物供给水分、营养，补充植物所需微量元素，调节植物生长状态等多种形式。

 

 

在天气冷的时候，根据气候条件、生长情况等及时给小麦施肥补充点营养，能增强抵抗力，让小麦喝上“营养快餐”，以保障粮食生产安全。

再如给作物授粉。异花授粉作物，其授粉结果对自然条件依赖较强。玉米等风媒花作物在开花期遇到高温、干旱、无风、大风、阴雨天，荞麦等虫媒花作物在花期遇到连日阴雨或天气冷凉，均不能充分授粉，还需人工授粉。人工辅助授粉有单杠拉粉、双杠赶粉、绳索拉粉等。如用食品袋或保鲜袋采集玉米雄穗花粉，再用软毛排笔沾花粉上下涂抹花丝，让花丝沾满花粉。每人每天约可授粉3至10亩。

 

 

二、无人机植保及优势

 

 

农林植保无人机指用于农林植物保护作业的无人驾驶飞机，由飞行平台（固定翼、单旋翼、多旋翼、共轴）、GPS飞控、植保机构3部分组成，通过地面遥控或GPS飞控实现植保作业，可喷洒药剂、粉剂、种子、肥料等。

作业适应性广。 由于是在作物上方飞行，几乎不受地形的影响，能在地面装备难以进入的区域（如梯田、坡地）作业；与地面装备作业相比，不会破坏农田土壤物理结构、不影响作物后期生产；能在人居与农田混杂区域作业；不需要预留作业通道，可节约可耕地；调度转场方便。

 

 

作业效率高。防治工作效率约为每小时7至8公顷，而人工约为每小时0.04公顷。每架植保无人机的工作效率相当于60个劳动力。据媒体报道，江西余干县梅港乡种植大户程鹏说，承包了2000亩地，施肥要雇用几十人，每人300元，效率低下；轮式撒播机每台4万元，30台一起作业20个小时才能完成；而无人机一架就能在20小时之内搞定。再如无人机授粉，在美国已广为采用，其授粉率和水稻结实率是人工的20倍，且质量明显优于人工授粉。

作业质量好。有助于提高植保作业质量，旋翼产生的下洗流吹动叶片；提高作物下部及叶片表面药液喷洒附着率；防治效果相比人工，能提高作物下部及叶片表面药液附着率。据南京某研究所航空植保药液消杀试验结果，水稻上部附着率为下部的53%，叶背的附着率是叶面的47%。

 

 

作业成本低。农忙季节人工须高价才能请到人，不但耗时长、效率低，而且成本高，一亩地人工喷洒成本有时能达到50元，植保无人机正好解决了村民种植中的痛点。仅25KG载荷的单旋翼油运无人机和15KG载荷的电动无人机，其年度收益是机动喷雾器的33倍和25倍，是人工喷雾的133倍和93倍（小微无人机寿命按5年计，机动与手动喷雾器按3年计）。

应付突发灾害能力强。连片大面积农田病虫害防治；灭蝗灭虫作业；大面积卫生防疫消杀作业。如2012年北方大面积爆发黏虫危害，虫灾已致东北63万亩玉米绝收，损失近20亿；南方中晚稻和东北一季稻区稻飞虱、稻瘟病等病虫害也已累计发生3亿亩次；2019年1月，原产于美洲热带和亚热带地区的杂食性害虫草地贪夜蛾在我国云南现身，迅速扩散至南方数省，截止5月有13省市遭受虫害；2020年5月13日，中国已经有13个省（市、区）遭受蝗灾，由于异常气候影响以及土地荒漠化，由于非法捕猎、食用蝗虫的天敌百灵鸟而导致蝗灾近年时有发生，内蒙古、新疆的草原每年都发生很严重的蝗灾。无人机快速防治蝗灾可每亩用20至30毫升5%锐劲特悬浮剂药剂兑水50-60公斤，配制药液喷施于植物上，即可收获奇功。

 

 

三、无人直升机植保技术难点

 

 

低空低速飞行、稳定性需要提高。农田植保无人直升机飞行高度要求小于3米，速度小于每秒10米，这个要求甚至高于军事需求。由于超低空飞行尚未脱离地效区、气压高度传感器受旋翼下洗流影响、地面温度影响气压计等，无法实现定高，飞行高度上午越飞越低、下午越飞越高。

自主施药低量精准、飘移控制需完善。由于载荷有限、为避免重喷漏喷，要求精准施药。而喷嘴雾滴谱宽、GPS航路漂移、缺少应对不同作业条件的精准施药控制系统，导致细雾滴农药漂移、大雾滴滚落，作物上农药沉积量少。

 

 

应适应田间高温频繁起降。无人机高度上午越飞越低、下午越飞越高就是发动机温度一直升高所致。这对无人机整机和部零件的耐高温性、无故障工作小时数都提出了较高要求。

飞行器及承载部件的耐农药腐蚀性。尤其是机载农药喷洒系统关键部件（喷头、药箱、喷杆、液泵、软水管、控制线）都要考虑耐腐蚀性材料。

现有飞控系统需较高技巧操纵，操控较难。一面是飞行起降次数多，一面是姿态增稳、调整与操控方式复杂、飞行稳定控制难等原因，一体两面致使操纵实现傻瓜化、解决起降方便遇到困难。并非傻瓜式作业，对飞手训练提出了高要求。一般需培训2个月方能操作上手。

 

 

四、大载重无人直升机

 

 

世界航空农业平均水平为17%，而我国则不到耕地面积的2%。作为农业大国，我国每年对于农业植保的需求十分强劲。包括播种、喷药、除虫、监管、采摘等环节在内的生产作业基本都依赖于传统人力和部分机械化农具。我国农村目前面临农村劳动力短缺、病虫防治任务极重、高效机动植保机械质量不高、作业水平低等困境。近年来随着科技的发展和人民生活水平的提高、城镇化的加快，农村人口数量大幅下降、老龄化女性化趋势日益加剧。通俗来说，就是种地的人越来越少，并且年轻人更趋向于进城市工作，真正种地的多是留守的中老年人、女性；病虫害防治近90亿亩，防治任务极重，手动药械占78%；高效机动植保机械质量不高、作业水平不高，手动植保机约35个品种、5708万架，担负着病虫害防治的70%以上。

 

响应我国广大农村对农业无人直升机的呼唤，联合飞机研发了大载重无人直升机TD550。其主要优点在于：

 

 

1、大载荷，多适应性、多任务 其具有较低的空机重量占比，拥有较大的任务载荷能力，可机载百公斤农药喷洒系统，执行农药喷洒、农保物资投送、虫害灾情巡逻和监测等多种任务；同时搭载多种任务载荷设备，模块化设计实现载荷快速换装；长续航优势，有效避免小微型无人机面对诸如新疆、东北等连片大地田地飞行10分钟、载药10千克、飞不到对面的田埂就没药的尴尬。

2、自主能力高、操纵性能强  采用的共轴构型和无铰式旋翼设计，使无人直升机具有良好的操纵性能和机动性能；自研的H∞自抗扰的控制律算法加持下，TD550在复杂气候条件下都具有良好的鲁棒性；在气动设计方面，采取了共轴双旋翼构型、小桨盘载荷和桨叶大负扭转设计，并选用带涡轮增压的国产发动机，提高悬停性能和有效载荷占比，提高无人直升机续航时间、运载载荷重量和作战效能；针对无人直升机复杂地理环境下自主避障的能力，采用传感器（激光雷达传感器和无线电高度计）数据融合、全局路径规划算法，以及无人直升机平台良好的机动性能，确保在复杂地理环境和气象条件下，能自主环境感知和障碍物并快速规避。

3、飞行性能优异，行业定制广泛 采用低成本航空增压发动机作为动力系统配置低成本组合导航设备，有设计飞控余度、导航余度、、应急飞行包线保护控制、应急供电、应急返航、一键返航、禁飞区规避、地面站实时安全监控、故障自主监测隔离告警、定高定速、手动增稳作业和全自主飞行模式等多种安全设计，具备优良的飞行安全性和行业定制可行性。

 

 

4、耐高温，强抗风，耐腐蚀、防水性好。采用钛合金机体结构，碳纤维复材旋翼和机壳，具备卓越的高温环境适应能力和防雨性能。具备较强抗风能力，抗风可达14 m/s（七级风）。涉药机载农药喷洒系统部件选用耐腐蚀和防水材料。

5、农闲时节的农林信息采集等多任务能力突出。TD550以其能够具有垂直起降、定点悬停和中慢速巡航飞行等性能，特别适合田间作物信息获取所需的重复、定点、多尺度、高分辨率的要求。无人直升机信息获取灵活方便，能够消除卫星遥感受时间限制、分辨率不高的问题，具有较高的效率。是了解作物长势、获取植物养分和病害信息、监测森林防火和森林病虫害检测及防治的重要平台。