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中國農業使用無人植保機的報導

 

中興大學 生物系統工程研究室 陳加忠

 
 

中國知乎網站 有一篇關於無人植保機使用於農業的報導,中國14億人口,還是有機會出現頭腦清醒的人才。此篇文章討論技術之部分如附錄。

此篇文章提出一個根本性的問題,要善用植保無人機還要有很多技術需要開發,也要訓練專門人才。而其應用對象卻是競爭力不高的農業產業。

科技業如果有此技術,有此人才,那一定從事高收入的軍事或田野資源探勘,不會留在農業。

中國有位楊錚先生,說出 ㄧ段真言LED沾邊的就是高科技,就能得到政府補貼支持,一夜之間LED似乎成了萬能的光源。這句適用於海峽兩岸農業的真言,也容易改成跟無人植保機沾邊的就是高科技,就能得到政府補貼支持,一夜之間無人植保機似乎成了萬能的植保機具。

那麼農業界,拼命宣傳無人植保機,但又不願意發展所需要技術,其真相那不是清清楚楚了。

 

附錄 : 國內外植保無人機現狀分析及解決方案

謙卑 資深植保無人機 飛手、創業者

​https://zhuanlan.zhihu.com/p/28683709

A、國內的發展現狀

a 農業航空政策法規體係不完善,缺乏詳細的發展戰略規劃

農業航空作業涉及到民航、農機、植保、質檢等多個部門,目前存在監管部門不明確的問題。儘管中國於2010年出台了1000m以下低空空域將逐步對民用領域開放的政策,對農業航空的發展具有一定的推動作用。但中國對農業航空的管理仍沿用現有民用航空標準,民航法規體系中的相關條款存在針對性不強、結合不緊密等問題。缺乏完善、規範的技術標準及作業規程;農業航空飛行作業申報審批手續複雜,不但提高了農業航空作業成本,還延誤了最佳作業時機,甚至導致作業失敗;至今尚未專門出台旨在推動、促進農業航空產業快速發展的國家政策,對農用飛機的採購、機場的使用、農用飛機燃油補貼等沒有相應的扶持政策。在國家層面、行業內以及行業間缺少支持農業航空的整體發展戰略規劃。

 

b農業航空配套核心科學技術研究不足

通用航空丙類作業主要包括飛機播種、空中施肥、空中噴灑植物生長調節劑、空中噴施除草劑、飛機防治病蟲害、空中遙感等項目,根據中國民航局統計年報,截至2010年底,中國具有丙類作業經營許可的61家通用航空企業的飛機總數約400架,其中一些機型(例如中國自主研製的Y-5Y-11160)已停產,進入了淘汰階段,但目前仍是中國農業航空的主力機型,超期服役。

農用飛機製造及配套的噴施技術等基礎科學研究、核心技術研發滯後,機型偏少,更新能力不足,產能不足,無法形成規模效益,導致價格、維護成本偏高,而成本又影響到銷售,導致需求減少,反過來影響到生產規模,由此形成惡性循環。此外,配套的噴施設備性能差,噴出的霧滴譜寬,對靶性差,進而無法彰顯農業航空植保技術的優勢。目前亟需解決的核心關鍵技術主要包括:

1.    農業航空噴施專用劑型不足:航空植保使用的農藥劑型及助劑的要求與地面機械施藥有很大的不同,目前中國還缺乏與航空植保作業中採用的有人直升機、單軸和多軸無人機配套的農藥製劑相關技術標準,缺乏應用於無人機航空噴施中農藥藥液的表面張力、黏度、農藥有效成份含量、劑型等的評價標準,缺乏航空施藥條件下,對農藥藥效與作物生理影響的室內、室外檢測標準。現有作業大多憑經驗或參考地面噴霧確定劑量和配置方法,往往因為用量或配置不科學影響了作業質量,對環境造成較大的負面影響。

2.    缺乏完善的航空噴施作業技術標準:中國採用航空噴施作業的時間較晚,大多采用有人駕駛的固定翼飛機進行航空植保作業,對於旋翼直升機,特別是單軸和多軸微小型農用無人機等機型噴施作業的相關技術參數缺乏系統深入的研究,尚未形成一套科學完善的判別標準和對不同作物、不同噴施劑型進行航空噴施時的作業時機、作業環境(溫度、濕度、風速)、飛行高度、飛行速度、航線規劃與導航控制等參數的優化選擇,以及滿足噴施作業要求所需要的沉積量、霧滴粒徑、霧滴沉積分佈密度、農藥濃度等作業指標。

3.    缺乏高穩定、高可靠性的農用無人機自主飛行控制系統:雖然目前有人駕駛農用飛機的操控技術已較成熟,但在微小型農用無人機方面,在低空飛行時,由於農田作物冠層結構而造成的複雜地效,對氣壓高度計的影響很大,飛行的穩定性難以保證,目前仍缺乏適合複雜農田環境下(海拔不同、地理位置不同、作物種類不同)作業的微小型農用無人機的高穩定、高可靠性的自主飛行控制系統,以適應田間超視距、超低空、隨時起降等特殊要求。

4.    缺乏高效輕量化的航空噴施裝備關鍵部件:有效任務載荷量及續航時間是農業航空作業飛機非常重要的兩項指標,直接關係到航空作業的效率,因此,在航空噴施裝備方面必須滿足輕量化、低量噴施、均勻噴施的要求。

 

c.  農業航空專業隊伍人才匱乏

農業航空專業隊伍人才匱乏首先是由其先天不足引起的,農業航空執飛、機務等專業人員中,一部分通常來自其他航空領域,這部分人才的使用成本通常較高;另一部分來自國家招飛替補人員受訓後獲得,與航空運輸產業相比,人員素質相對略低。農業航空公司限於經濟效益和行業人才培養機制等原因,人才的後續培養比較滯後。國內屈指可數的高校飛行專業和培訓機構,相對於全國農業航空規模來說,只能是杯水車薪。先天的不足加上後天的營養不良,農業航空專業隊伍人才成為航空業內人才資源最為貧瘠的地帶。

 

d.  農業航空社會化服務體係不健全

由於農業航空在農業生產中的重要作用沒有得到充分凸顯,中國與農業航空產業相配套的多種形式的社會化服務組織,包括租賃、中介、培訓、機修以及推廣、融資、保險等專業公司尚未形成規模,單個企業對上述服務的成本支出的承受力不夠,因此也缺少大面積推廣的力度。此外中國尚缺乏足夠適合於農業航空產業大發展的機場保障基地,也限制了農業航空事業的發展。
對農業航空認識不足,與農業航空相適應的農田作業環境基礎建設被忽略,在製度上缺少對農業航空的公益性安排

長期以來人們常常認為農業航空作業技術性強、價格高,農業生產中用不起飛機,對農業航空作業的整體高效益和低成本認識不足,造成農業航空的市場需求滯後,許多人仍處於旁觀狀態。此外,分散經營的生產模式,造成地塊小而分散,與農業航空規模化作業的模式不相符合。而且,各地在進行農田規劃時,缺少大規模的集約化經營安排,防風林、電力電信佈線等未將農業航空作業納入考慮,對農用飛機的作業安全也造成了極大的威脅。

 

B、大力推進中國航空植保產業快速發展的對策建議

a.  多機型、多作業方式並舉,提高航空植保作業的適應性

有人駕駛與無人駕駛兩種農業航空作業方式各有優缺點。有人駕駛方式與無人駕駛旋翼機相比,具有載液量較大、噴灑作業效率高等優點,適用於連片大面積農田病蟲害防治、衛生防疫消殺等作業,但也存在作業高度高,霧滴飄移控制難度大、易飄離靶標區造成污染等缺點,且易受起降場地、使用地點和時間等限制,而且絕大部分飛機使用的都是專用航空燃油,農業航空作業時加油不方便,同時又提高了作業成本。此外,超低空飛行所帶來的安全威脅也是有人駕駛作業方式另一值得考慮的因素。為了獲得較佳的防飄移效果,農業噴灑的作業高度通常為320m,飛行員可處置的時間短,低空氣象條件(能見度、低空風切變等)影響大,易引發安全事故,據統計,超低空飛行中撞障礙物、撞地事故佔整個民航事故總數的80%

 

微小型農用無人機雖然載荷量和滯空時間與有人駕駛飛機相比少,但具有作業高度低(部分機型可貼作物冠層飛行),飄移少,對環境的污染小;可空中懸停,與GPS系統配合可實現較高精度的位置定位;旋翼產生的向下氣流有助於增加霧流對作物的穿透性,提高防治效果;不需要專用機場和駕駛員、受農田四周電線桿、防護林等限制性條件的影響小;進行植保作業時可在田間地頭起降、維護保養、加油、加註藥液,減少了往返機場的飛行時間及燃料消耗;作業機組人員相對較少,運行成本低、靈活性高、在非管制空域可隨時起降,此外,無人機飛控手的培養要比飛行員的培養成本低得多,因此,微小型農用無人機可彌補現有有人駕駛農業航空的不足,在中國現代農業發展中具有重大需求。

 

結合中國農業的特點,中國農業航空的發展應因地制宜,走多機型、多作業方式並舉的道路,根據各地區的實際情況選擇適宜機型:例如東北、新疆等視野開闊的大面積、大農墾地區,宜採用有人駕駛固定翼飛機作業;而在南方丘陵、地形複雜的小地塊區域宜採用小型農用無人機作業,以此提高中國航空植保作業的適應性。

 

b.  加大資金投入,加強配套核心科學技術的攻關

1.    農業航空噴施主要劑型的篩選與評價

研究適合航空植保飛行平台的農藥藥液性質,篩選可用於航空植保的農藥劑型。

研究航空施藥條件下,農藥製劑對主要糧食作物的生理影響與生物防治效果,針對主要糧食作物病蟲害防治要求,篩選可用於航空植保的殺蟲劑、除菌劑、生長調節劑等。

研究航空施藥條件下,農藥霧滴沉降、黏附、鋪展規律,篩選可以減少霧滴蒸發、減少飄失、促進農藥霧滴黏附與鋪展的航空植保噴霧助劑。

 

2.     航空噴施作業技術參數的選擇與優化

根據中國現有農用飛機的機型,包括有人駕駛、無人駕駛(單旋翼和多旋翼、油動力和電池動力等)飛機的不同機型,分析航空噴施作業時在不同氣象條件下(包括噴霧作業時不同時間段氣流變化,溫度變化等),農藥霧滴在空中飄移、蒸發、沉降規律;研究飛行高度和飛行速度及旋翼風場對霧滴的沉積與飄移的影響規律;制定不同機型噴施作業的霧滴沉積和飄移檢測標準。

通過室內風洞試驗與田間驗證方法,優化航空作業參數,對適用於不同作物、不同病蟲害防治的飛機作業參數進行選擇與優化,包括:作業壓力、噴霧量、霧滴粒徑、霧滴分佈性能,以及飛行高度、飛行速度、航線規劃與導航控制方式等。

考核航空平台田間作業可靠性與連續工作能力,優化田間噴施作業速度、噴施量;優化航空平台施藥載荷與續航能力,提高能效比,優化田間作業效率。

針對不同作物的生長特性與病蟲害發生規律,確定不同防治時期、不同病蟲害航空噴施方案與噴施要求,確定作業參數範圍,制定與不同作物、不同病蟲害、不同機型配套的噴施作業技術規範。

 

c.  無人機自主飛行控制系統的選擇和優化

研究高精度飛行姿態及導航定位傳感器,融合激光及聲納測距等傳感器,消減地效的影響,開發無人機超低空飛行高穩定性自動駕駛控制技術,提高飛行控制精度,保證無人機超低空飛行作業時的穩定性。

完善無人機的失控保護措施,包括開發具有失控保護、故障自檢測、報警功能的飛控系統,實時跟踪監視各類參數,排除安全隱患,提高無人機平台低空飛行的安全性。

開發適用於微小型無人機的機載地面高程三維信息測量系統,結合三維地理信息系統,融合GPSGIS技術開發面向複雜農田作業環境的微小型無人機路徑規劃優化算法,實現無人機按照預定航路自主飛行作業;開發新型操控手柄,取代傳統的人工總距、橫滾、俯仰,航向8方向姿態操作,實現推桿即走,拉桿即停的操作方式,實現傻瓜化操控,降低操作難度。

減輕整機質量,同時提高有效載荷和動力部件的使用壽命是當前微小型農用無人機應用中的挑戰之一。應重點解決輕量化與壽命之間的矛盾,使發動機及動力電池的使用壽命進一步得到提高,降低整體使用成本。

 

d.  航空噴施裝備關鍵部件的設計與優化

開發霧滴譜窄、低飄移的航空專用可控霧化系列噴嘴。
開發農業航空植保靜電超低容量施藥技術,主要包括可控霧滴霧化技術研究與裝置開發、霧流高效充電技術研發等,提高藥液在靶標的附著率。

開發質量輕、強度高、耐腐蝕、方便吊掛、防藥液浪湧、空氣阻力小的流線型藥箱及噴桿噴霧系統;開發體積小、質量輕、自吸力強、運轉平穩可靠的航空施藥系列化輕型隔膜泵。

 

C、出台有針對性的政策,加強管理和規範

隨著中國農業現代化步伐的加快,對農業航空的需求日益旺盛,要確保中國農業航空快速健康地發展,宏觀政策與管理扶持是首要問題,需要新的思路和具體措施來推動,因此,必須儘早明確一個跨部門的農業航空管理機構,對中國農業航空產業加強管理和規範。

做好產業大發展的規劃和準備,做好推進農業航空應用技術的規劃,儘早制定中國農業航空飛行器及作業機具的製造標準、鑑定標準、作業標準、質量檢測認證標準等,形成農業航空飛行器及作業機具的准入制度,禁止未達標的飛行器或機具進行航空植保作業,避免造成環境污染等安全事故。此外,在國家進行農田基本建設規劃和改造時,將農業航空作業納入考慮,最大限度減少防風林、電力電信佈線等對農業航空應用的影響。加大政策引導和扶持力度,將中國農業航空飛行器及配套機具納入購機補貼目錄,包括出台相關政策用於購買飛行器及機具、機場建設與使用費、農業