植保无人机
植保无人机是用于农林植物保护作业的无人驾驶飞机，主要通过地面遥控或GPS飞控，来实现喷洒药剂、种子、粉剂等作业，是无人驾驶航空器的重要组成部分。
植保无人机，又名无人飞行器，由飞行平台、导航飞控系统及喷洒装置 3 部分组成。按照动力来源，植保无人机分为燃油和电池两大类，按照机型结构，植保无人机分为固定翼、单旋翼、多旋翼无人机。
植保无人机最早兴起于美国和日本，于20世纪80年代开始运用植保无人机进行飞防作业。 日本的雅马哈公司在1987年制造出全球首台农业植保无人机（R-50）。中国在农业植保无人机领域起步较晚，正处于快速发展的初期阶段。 2004年，农业部、各地方农业科学院和少部分科研院校等在科技部“863 计划”的支持下开始植保无人机的研究和推广工作。到2007年，中国开始植保无人机的产业化探索。 2010年，汉和航空公司制造出第一架植保无人机交付市场，正式揭开中国农业植保无人机产业化的序幕。 截至2020年年底，中国植保无人机保有量超过10万架，无人机保有量居世界首位。
简史
植保无人机问世
第一架由无线电操控的无人机于1910年前后在美国秘密试飞。1717年诞生的斯佩里（Sperry)空中鱼雷号（unmanned aerialvehicle，简称 UAL）可以搭载136千克炸药持续飞行约80千米。1918年，美国首次尝试利用飞机在棉花上喷洒农药进行植保作业。1922年，美国将JN-6军用飞机改良，装载农药后对植物进行喷洒。同年，苏联采用飞机喷洒的手段，用于防治蝗虫。
早期应用
20世纪50年代，发达国家开始广泛研制植保无人机。 其中，以美国的技术最为先进。 截止到 2016 年美国有农业航空公司2000 多家，在用无人机约4000 余架，注册飞手 3000 多名，每年防治耕地面积近5.1亿亩，占美国年防治面积40%以上。加拿大、俄罗斯地广人稀，航空作业规模庞大，无人机防治面积占其全部耕地面积的三分之一以上，韩国于2003年开始引入无人机及航空作业技术，且发展迅速。日本将最先研制的无人直升机R50用于农药喷洒，YAMAHA公司研发的无人植保机为日本农业航空的发展做出重要贡献，1995~2015年，日本的植保无人机保有量从307架增加到2668架。2010年底，日本无人机防治面积达到96.3万h㎡，占航空作业总面积的38%，登记在册的无人机飞手14163 人。2006 年，南京农机化所开始尝试植保无人机研究。 2010年，首次研制成植保油动无人机。 同时中国农业大学研制出第一台电动多旋翼植保无人机。 2014年统计，国内植保无人机保有量仅695 架，作业面积426万亩。 2015年全国植保无人机保有量 2524架，作业面积1000 万亩。
加速普及
2014年中央一号文件明确要求“加强农用航空建设”，2016年，农村部成立“农业航空植保科技创新联盟”，2017年3月，农业部首次将植保无人机纳入试点农机补贴；9月农业部、财政部和中国民用航空局联合印发《关于开展农机购置补贴引导植保无人飞机规范应用试点工作的通知》。12月工信部印发《关于促进和规范民用无人机制造业发 展的指导意见》。2018年3月，农业部、财政部联合印发《关于做好2018~2020年农机新产品购置补 贴试点工作的通知》，明确表示鼓励无人机在植保领域的发展创新，推动植保无人机行业的发展。历经10年探索，中国植保无人机在动力系统、飞控系统、飞防药 剂助剂、施药装备及技术、机艺融合等方面取得长足进步。 利用 GPS 全球定位系统及遥控终端 的 App，通过简单操作即可实现无人机的自动起降、 航线自动规划和喷洒作业， 整个过程基本实现自动 化。 仿地雷达和防撞雷达也已装备于部分植保无人 机型号投入实际应用，防撞能力大幅提升。相关领域 的学术论文及专利数量也在快速增长，专著、图书陆 续出版，至 2018 年，国内发表农用无人机相关学术论文 280 篇，授权专利 692 件，分别是2014年的14倍和69倍，无人机保有量达到3.15万架，作业面积达2.67亿亩。 2019年10月，保有量5.5万余部，作业面积4.5亿余亩。无人机装备总量和作业面积均处于全球第一，植保无人机的广泛应用，已经由原来单纯的水稻、棉花逐步扩大到各种作物上。
机型分类
单旋翼植保无人机
单旋翼植保无人机也称为单轴无人机或单旋翼无人机，外形和人们常见的直升飞机相似，通常指只有一个旋翼的无人机。单旋翼植保无人机的结构简单，平行性非常好，操作灵活，因其旋翼旋转速度较慢，所以产生的噪音较小，适宜于在农田等场合使用。
多旋翼植保无人机
多旋翼植保无人机有多个旋翼动力支臂，飞行高度低、机身振动小，可以搭载精密仪器，喷洒农药能更为精准。具有机动灵活、操作简单、成本低等优点。
共轴无人直升机
共轴无人直升机是指有两个或以上旋翼轴线共轴排列的无人机。与单旋翼植保无人机相比，共轴无人直升机具有更高的稳定性和操控性，能够实现更高的飞行高度和更广的作业范围。
燃油动力植保无人机
燃油动力植保无人机即为采用燃油驱动方式的植保无人机，通常使用是汽油、柴油等。其特点是载荷大，15-120L都可以，而且续航时间长，单架次作业范围大。但缺点是噪音大，污染环境。
电动植保无人机
电动植保无人机是指使用电池作为动力源的无人机，目前市面上比较好的无人机电池品牌有格氏、世豹、花牌、达普、狮子、高能、富力等。相比于燃油动力植保无人机，电动植保无人机更加环保，易于操作和维护，但载荷小，续航时间短，单架次作业时间一般10-30分钟。
油电混动植保无人机
油电混动植保无人机结合了传统燃油动力和电动动力的优点，既保留了燃油的高能量，又保留了电驱动操纵灵活稳定的特点。
构造与原理
构造
农业生产中使用的植保无人机是在多旋翼无人机的技术上发展而来，其将多旋翼无人机的主体结构与植保喷杆喷雾技术进行有机结合，并利用电气控制技术实现对无人机飞行状态和农药喷洒状态的精确控制，从而实现高效的农业植保智能喷雾作业。农用智能植保无人机的主体构造包括：多旋翼飞机主体、喷雾机构总成、药液箱、输药管路、药液泵、电气控制系统、传感器总成、卫星定位模块等组成。
能植保无人机控制系统的核心是PLC主芯片，用于数据收集和处理，主芯片承担的任务: 接收 GPS 定位和各传感器的信息，并对信息进行分析、存储、传输；按照 PLC预设程序执行对飞行的控制和药物喷洒的控制；接收并执行遥控器输入的指令。除主芯片外，飞机控制系统还通过主板及延伸的供电及通信线路与无刷电机、药液泵、管路电控开关等连接，实现各个功能部件与主芯片的有效连接。此外，飞行控制系统的硬件还配套有 PWM 、CAN、IIC、UAＲT等接口，能够实现人机交互。
植保无人机的动力系统是飞行喷雾作业的基础，飞行动力能源采用电池电能，通过电能驱动无刷电机运转并带动桨叶旋转，利用多个桨叶同时切割空气形成稳定的升力，推动植保无人机飞行。飞行过程中可通过控制电子调速器调整每个无刷电机转速，从而实现对飞机飞行状态的控制。
农药喷洒系统以喷杆喷雾的形式实现，喷洒系统包括农药箱、药液泵、输药管路、过滤装置、喷杆、喷头等，植保无人机采用浓缩药液作业，以降低飞机负载。喷洒作业过程由药液泵驱动农药在输药管路内流动，当管路内形成足够压力后，由喷头进行高雾化喷施。
原理
植保无人机的飞行控制原理是：当没有外力并且重量分布平均时，八个螺旋桨以一样的转速转动，在螺旋桨向上的拉力大于整机的重量时，八旋翼就会向上升，在拉力与重量相等时，八旋翼就可以在空中悬停。在八旋翼的前方受到向下的外力时，前面马达加快转速，以抵消外力的影响从而保持水平，同样其他几个方向受到外力时八旋翼也是可以通过这种动作保持水平的。当需要控制八旋翼向前飞时，前面的马达减速，而后方的马达加速，这样，八旋翼就会向前倾斜，也相应的向前飞行，同样，需要向后、向左、向右飞行也是通过这样的控制就可以使八旋翼往我们想要控制的方向飞行了。当我们要控制八旋翼的机头方向向顺时针转动时，八旋翼同时加快逆时针马达的转速，并同时降低顺时针马达的转速，因为左右马达是逆时针转动的，而左右马达的转速是一样的，所以左右是保持平衡的。而前后马达是顺时针转动的，但前后马达的转速也是一样，所以前后左右都是可以保持平衡，飞行高度也是可以保持的，但是逆时针转动的力比顺时针就大，所以机身会向反方向转动，从而达到控制机身的方向。
关键技术
卫星定位技术
卫星定位技术能够保证植保无人机精确获取田间位置信息进行自动喷雾作业。植保无人机的卫星定位功能主要通过植保无人机上的卫星定位模块实现，卫星定位芯片结合卫星地面基站对无人机的定位精度进行修正，保证无人机的作业精度达到厘米级，使无人机能够更好地利用卫星进行导航，并在电池电量不足或农药余量不足时实现自动返航和精准断点续喷，有效减少重喷、漏喷问题的发生。
智能控制技术
智能控制系统是对植保无人机飞行和喷雾的常规控制，飞行速度与喷雾量的智能匹配，通过环境感知技术获取环境信息，实现有针对性的作业，可根据风力大小调整喷雾方式，大风天气自动返航、异常气流悬停、自动避障等。同时实现对各个功能装置的监控，监测飞行速度、电池电量、药液余量等，并实现电池低压保护、无人机异常警示等功能。
人工遥控技术
人工遥控技术是通过遥控器或智能手机对无人机实现控制，利用人工控制完成农业生产过程中无人机难以自动完成的工作任务。智能植保无人机在某些特定情况下难以独立完成作业任务，如在作业开始前利用无人机获取并定位农田的边界信息，驾驶员操作植保无人机飞行到指定位置后记录定位信息，并通过多点记录生成作业范围，供植保无人机自动作业使用或在卫星定位信号不良地区，可通过人工控制飞机飞行，配合农药自动喷洒实现半自动化作业。无人机使用者也可自主驾驶无人机进行植保作业，用以实现果园、山地等复杂农田的植保喷雾作业。
主要分类
生产企业分类
中国从事植保无人飞机研发、生产、销售等全产业链的企业，按照性质可以分为：具有军工背景的企业，依托军用无人机技术基础，实现“军转民”过渡；新兴的科技型企业，能够将最新的前沿技术快速用于植保无人飞机上，在机具性能的稳定性、智能化程度上都处于行业的一流水平；农药生产企业组建的子公司，在农药支柱产业的支持下成立的植保无人飞机企业；传统的植保机械企业转型过来的企业，拥有植保机械生产和销售的市场基础；科研院所改制的企业，具备一定新技术、新产品的研发能力，并能迅速转化成产品投放市场；其他规模比较小的企业，通过组建团队，购买飞控系统、仿制已有产品外形等推出自己的产品。
机型分类
按照动力分类，可分为油动型植保无人机和电动型植保无人机；按照旋翼数量分类，可分为单旋翼植保无人机和多旋翼植保无人机。其中，油动型植保无人机主要是单旋翼机型，电动型植保无人机有单旋翼和多旋翼两种机型，以多旋翼机型居多。
应用范围与发展趋势
应用范围
喷洒作业
农用植保无人机可以实现农药的自动定量、控制和少量喷洒，工作效率为传统背式及悬挂式喷雾器的8～10 倍。农用植保无人机喷洒农药时，旋翼产生的向下气流有助于增加农药对作物的渗透力，可节约30%～50%的农药，节约90%的用水量，减少农药污染对土壤和环境的影响。
农作物种植
农用植保无人机播种技术可以将种子及其生长所需的全部营养素一起注入土壤，在施肥和播种方面具有较大的优势，与传统农业生产机械相比，农用植保无人机具有播种施肥程度高、效率高的特点，不受地形条件限制。
农田灌溉
利用植保无人机在农田上方观察不同湿度下农田土壤的颜色变化，自动生成地形地图，农户及生产工作人员利用农业植保无人机航拍获得的信息，对数据库中存储的信息进行识别和对比，科学、合理、高效、精准地进行农业灌溉； 利用农用植保无人机还可用于观察农田土壤水分不足导致的植物叶、茎、嫩枝枯萎现象，以此作为判断农田作物定额灌溉的参考，实现农田灌溉的高效与节水。
农田信息监测
农业植保无人机农田信息监测主要包括病虫害监测、农田灌溉监测、作物长势监测等，基于遥感技术，对大面积的农田和土地进行高空航拍，从航拍照片和视频资料中全面、综合地了解农作物的生长环境、周期等指标，及时发现病虫害、细菌入侵等问题，及时防治，减少病虫害的扩散与蔓延是常规传统农业监测手段无法比拟的。
农业保险调查
在进行农业生产时，由于不可避免的自然灾害等因素会给农户带来极大的损失，对于农作物面积较小的农户来说，进行区域损失调查并不困难，但是当大面积农作物遭受到自然侵害时，进行农作物面积及损失评估工作较难展开，工作量极大，很难准确界定农业生产损失面积。为了更有效地测算实际受灾面积，农业保险公司可以利用农用植保无人机开展农业保险灾害损失调查，并以此作为农业保险理赔的评价标准。有效提高农业保险公司的查勘速度，节省了大量人力物力，提高赔付率及赔付的准确性。
发展趋势
未来植保无人机具备更多智能化功能，将其与移动端智能化操作相结合，是植保无人机应用于农业生产的发展趋势。人们可以通过手机APP对无人机进行直接操作，植保无人机避障技术将得到完善，其可操作性，能有效解决植保无人机原有的无法精确感知问题。植保无人机普遍存在承载质量小、航行时长短等问题，不能很好地适应逐渐增加的土地流转及农田施药工作需求，随着土地集中化程度的提高，高运载量与高航行植保无人机成为人们的需求目标。未来提高植保无人机载药量和增加飞行时长至关重要。
政策法规和标准
政策法规
2013 年以来，国务院、中国人民解放军总参谋部、中国民用航空局、农业农村部（原农业部）、工业和信息化部发布了14部与无人航空器相关的政策法规。
技术标准
中国民用航空局与农业农村部共同制定出《农用遥控飞行器通过技术要求》，《遥控飞行喷雾机试验方法》，《农用遥控飞行喷雾机安全施药技术规范》，《民用无人驾驶航空器系统分类及分级》，《民用无人驾驶航空器系统研制单位基本条件及评价办法》，《无人机系统适航性要求》等国家标 准；湖南省、重庆市、江西省、广西壮族自治区先后制 定了《超低空遥控飞行植保机》，《农用航空器电动多 旋翼植保无人机》，《农业植保无人机》，《电动旋翼植 保无人机技术条件》等地方标准，在无人机的研发制造、检测鉴定、推广应用等方面进行规范。
优缺点
优点
植保无人机作业时场地适应力强，因其体积比较小，轻便灵活，一个人或两个人即可进行操控完成作业任务。日常维护简单方便，电池可重复充电反复使用，电动无人机震动小，容易掌控，对飞控人员的操作水平要求低，利用植保无人机进作业时，工作效率比较高，是人工作业效率的50倍左右，利用植保无人机喷洒农药时，只需一分钟即可喷洒一亩地。在节约资源成本方面，植保无人机作业时能省30%的农药，90%的水。可根据作业程序设定，做到路线规划和断点续航，大面积作业的时候能够不漏喷或者是重复喷，省水省药。能够实现人机分离，避免农药与操作人员接触，从而保证操作人员的人身安全，避免因农药中毒事件的发生。
缺点
植保无人机因为体积较小较轻，导致其抗风能力力弱（最高可抗4-5级风）。因电池的续航能力有限，续航时间只有8—20分钟之间，电池在外场作业时，必须有充电电源。电动植保无人机的载重载重小，一般在5—25kg之间。油动无人机的载药量一般在15—30kg之间。农药需要专门的空中喷洒药物，以免在喷施过程中浓度过大对作物产生药害。喷洒效果还有待提高，空中喷洒存在雾滴附着率不均匀问题，不能达到预期效果。因植保无人机价格高，一般植保无人机少则几万元一台，多则十几万元一台。操作失误或不熟练，掉落下来，损失较大。
参考资料
河南淅川县组织培训植保无人机操作技术 助力农业现代化.中国日报中文网.2023-06-09
2023年中国植保无人机市场规模及竞争格局预测分析(图).中商情报网.2023-06-09
植保无人机的成长故事.今日头条.2023-06-14
对十三届全国人大一次会议第5134号建议的答复.中华人民共和国农业农村部.2023-06-15
农用植保无人机有哪些?.惠农网.2023-07-12
植保无人机飞行控制原理.中国农机网.2023-06-15
我国植保无人飞机发展现状概述.农业农村部农技推广与监理网.2023-06-14
电动植保无人机的优点缺点大汇总.中国农机网.2023-06-15
植保无人机风靡全球农民入手却需谨慎.甘孜藏族自治州农牧农村局.2023-07-12