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    中国植保无人机现状分析及解决方案


    保证粮食安全是中国的基本国策。然而,在当前中国粮食作物生产过程中,植保仍以手工、半机械化操作。农业部专家对中国航空植保技术的需求情况进行了预测。分析预测表明,中国农业航空产业是一个尚未真正启动的大产业,未来中国农业航空市场的需求将会有爆发性增长,拉动新增机型投入将达到465亿元以上。随着相关制度及配套核心技术的不断完善,中国农业航空产业必将得到健康、有序和高速发展,有利于实现农业病虫害统防统治,实现精准作业,极大地提速中国现代农业的进程。
    据统计,中国目前使用的植保机械以手动和小型机(电)动喷雾机为主,其中手动施药药械、背负式机动药械分别占国内植保机械保有量的93.07%和5.53%,拖拉机悬挂式植保机械约占0.57%,植保作业投入的劳力多、劳动强度大,施药人员中毒事件时有发生。据报道,广东省部分地区每天200元已请不到人工施药。目前国内农药用量越来越大,作业成本高,且浪费严重,资源有效利用率低下,作物产量和质量难以得到保障,同时带来严重的水土资源污染、生态系统失衡、农产品品质下降等问题,无法适应现代农业发展的要求。
    中国是一个农业大国,发展高效、安全的现代生态农业是中国农业现代化建设的重要目标。因此,作为现代农业的重要组成部分和反映农业现代化水平的重要标志之一,农业航空在中国现代农业发展中具有重大需求。
    应用农业航空植保技术对提高中国农作物病虫害防治机械化水平,实行统防统治的专业化服务,提高农业资源的利用率,增强突发性大面积病虫害防控能力,缓解农村劳动力短缺,增强农业抗风险能力,保障国家粮食安全、生态安全,实现农业可持续发展具有十分重要的意义。
    制约中国农业航空植保产业发展的主要问题
    1.农业航空政策法规体系不完善,缺乏详细的发展战略规划
    2.农业航空配套核心科学技术研究不足
    1).农业航空喷施专用剂型不足
    2).缺乏完善的航空喷施作业技术标准
    3).缺乏高稳定、高可靠性的农用无人机自主飞行控制系统农业航空专业队伍人才匮乏
    3.农业航空社会化服务体系不健全
    由于农业航空在农业生产中的重要作用没有得到充分凸显,中国与农业航空产业相配套的多种形式的社会化服务组织,包括租赁、中介、培训、机修以及推广、融资、保险等专业公司尚未形成规模,单个企业对上述服务的成本支出的承受力不够,因此也缺少大面积推广的力度。此外,中国尚缺乏足够适合于农业航空产业大发展的机场保障基地,也限制了农业航空事业的发展。
    对农业航空认识不足,与农业航空相适应的农田作业环境基础建设被忽略,在制度上缺少对农业航空的公益性安排。
    长期以来人们常常认为农业航空作业技术性强、价格高,农业生产中用不起飞机,对农业航空作业的整体高效益和低成本认识不足,造成农业航空的市场需求滞后,许多人仍处于旁观状态。此外,分散经营的生产模式,造成地块小而分散,与农业航空规模化作业的模式不相符合。而且,各地在进行农田规划时,缺少大规模的集约化经营安排,防风林、电力电信布线等未将农业航空作业纳入考虑,对农用飞机的作业安全也造成了极大的威胁。
    如何大力推进中国航空植保产业快速发展的对策建议
    多机型、多作业方式并举,提高航空植保作业的适应性
    有人驾驶与无人驾驶两种农业航空作业方式各有优缺点。有人驾驶方式与无人驾驶旋翼机相比,具有载液量较大、喷洒作业效率高等优点,适用于连片大面积农田病虫害防治、卫生防疫消杀等作业,但也存在作业高度高,雾滴飘移控制难度大、易飘离靶标区造成污染等缺点,且易受起降场地、使用地点和时间等限制,而且绝大部分飞机使用的都是专用航空燃油,农业航空作业时加油不方便,同时又提高了作业成本。此外,超低空飞行所带来的安全威胁也是有人驾驶作业方式另一值得考虑的因素。为了获得较佳的防飘移效果,农业喷洒的作业高度通常为3~20m,飞行员可处置的时间短,低空气象条件(能见度、低空风切变等)影响大,易引发安全事故,据统计,超低空飞行中撞障碍物、撞地事故占整个民航事故总数的80%。
    微小型农用无人机虽然载荷量和滞空时间与有人驾驶飞机相比少,但具有作业高度低(部分机型可贴作物冠层飞行),飘移少,对环境的污染小;可空中悬停,与GPS系统配合可实现较高精度的位置定位;旋翼产生的向下气流有助于增加雾流对作物的穿透性,提高防治效果;不需要专用机场和驾驶员、受农田四周电线杆、防护林等限制性条件的影响小;进行植保作业时可在田间地头起降、维护保养、加油、加注药液,减少了往返机场的飞行时间及燃料消耗;作业机组人员相对较少,运行成本低、灵活性高、在非管制空域可随时起降,此外,无人机飞控手的培养要比飞行员的培养成本低得多,因此,微小型农用无人机可弥补现有有人驾驶农业航空的不足,在中国现代农业发展中具有重大需求。
    结合中国农业的特点,中国农业航空的发展应因地制宜,走“多机型、多作业方式并举”的道路,根据各地区的实际情况选择适宜机型:例如东北、新疆等视野开阔的大面积、大农垦地区,宜采用有人驾驶固定翼飞机作业;而在南方丘陵、地形复杂的小地块区域宜采用小型农用无人机作业,以此提高中国航空植保作业的适应性。
    加大资金投入,加强配套核心科学技术的攻关
    农业航空喷施主要剂型的筛选与评价
    研究适合航空植保飞行平台的农药药液性质,筛选可用于航空植保的农药剂型。
    研究航空施药条件下,农药制剂对主要粮食作物的生理影响与生物防治效果,针对主要粮食作物病虫害防治要求,筛选可用于航空植保的杀虫剂、除菌剂、生长调节剂等。
    研究航空施药条件下,农药雾滴沉降、黏附、铺展规律,筛选可以减少雾滴蒸发、减少飘失、促进农药雾滴黏附与铺展的航空植保喷雾助剂。
    航空喷施作业技术参数的选择与优化
    根据中国现有农用飞机的机型,包括有人驾驶、无人驾驶(单旋翼和多旋翼、油动力和电池动力等)飞机的不同机型,分析航空喷施作业时在不同气象条件下(包括喷雾作业时不同时间段气流变化,温度变化等),农药雾滴在空中飘移、蒸发、沉降规律;研究飞行高度和飞行速度及旋翼风场对雾滴的沉积与飘移的影响规律;制定不同机型喷施作业的雾滴沉积和飘移检测标准。
    通过室内风洞试验与田间验证方法,优化航空作业参数,对适用于不同作物、不同病虫害防治的飞机作业参数进行选择与优化,包括:作业压力、喷雾量、雾滴粒径、雾滴分布性能,以及飞行高度、飞行速度、航线规划与导航控制方式等。
    考核航空平台田间作业可靠性与连续工作能力,优化田间喷施作业速度、喷施量;优化航空平台施药载荷与续航能力,提高能效比,优化田间作业效率。
    针对不同作物的生长特性与病虫害发生规律,确定不同防治时期、不同病虫害航空喷施方案与喷施要求,确定作业参数范围,制定与不同作物、不同病虫害、不同机型配套的喷施作业技术规范。
    无人机自主飞行控制系统的选择与优化
    完善无人机的失控保护措施,包括开发具有失控保护、故障自检测、报警功能的飞控系统,实时跟踪监视各类参数,排除安全隐患,提高无人机平台低空飞行的安全性。
    开发适用于微小型无人机的机载地面高程三维信息测量系统,结合三维地理信息系统,融合GPS、GIS技术开发面向复杂农田作业环境的微小型无人机路径规划优化算法,实现无人机按照预定航路自主飞行作业;开发新型操控手柄,取代传统的人工总距、横滚、俯仰,航向8方向姿态操作,实现“推杆即走,拉杆即停”的操作方式,实现傻瓜化操控,降低操作难度。据笔者了解,目前做到飞控和飞机均为自主研发国内屈指可数,无锡汉和航空公众号“汉和机器人”曾经展示过一款第三代自主研发飞控,三分钟即可飞行。该款飞控一经汉和在展会和官媒推出也吸引众多专家、农业部领导现场参观及试用,反响很大。也期待真正批量生产投入使用以促进植保无人机的真正加速使用。
    航空喷施装备关键部件的设计与优化
    开发雾滴谱窄、低飘移的航空专用可控雾化系列喷嘴。
    开发农业航空植保静电超低容量施药技术,主要包括可控雾滴雾化技术研究与装置开发、雾流高效充电技术研发等,提高药液在靶标的附着率。
    开发质量轻、强度高、耐腐蚀、方便吊挂、防药液浪涌、空气阻力小的流线型药箱及喷杆喷雾系统;开发体积小、质量轻、自吸力强、运转平稳可靠的航空施药系列化轻型隔膜泵。
    出台有针对性的政策,加强管理和规范
    随着中国农业现代化步伐的加快,对农业航空的需求日益旺盛,要确保中国农业航空快速健康地发展,宏观政策与管理扶持是首要问题,需要新的思路和具体措施来推动,因此,必须尽早明确一个跨部门的农业航空管理机构,对中国农业航空产业加强管理和规范。
    做好产业大发展的规划和准备,做好推进农业航空应用技术的规划,尽早制定中国农业航空飞行器及作业机具的制造标准、鉴定标准、作业标准、质量检测认证标准等,形成农业航空飞行器及作业机具的准入制度,禁止未达标的飞行器或机具进行航空植保作业,避免造成环境污染等安全事故。此外,在国家进行农田基本建设规划和改造时,将农业航空作业纳入考虑,最大限度减少防风林、电力电信布线等对农业航空应用的影响。
    加大政策引导和扶持力度,将中国农业航空飞行器及配套机具纳入购机补贴目录,包括出台相关政策用于购买飞行器及机具、机场建设与使用费、农业。
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