植保无人机的发展现状和未来展望.doc

毕业设计（论文） 植保无人机的发展现状和未来展望 航空学院 飞行器制造工程 卢杰文 163701101410 学 院： 专 业： 姓 名： 指导老师： 张家峰 学 号： 职 称： 副教授 中国·珠海 二○二○年五月 北京理工大学珠海学院毕业设计 诚信承诺书 本人郑重承诺：我所呈交的毕业设计《植保无人机的发展现状和未 来展望》是在张家峰副教授的指导下，独立开展研究取得的成果，文中 引用他人的观点和材料，均在文后按顺序列出其参考文献，设计（论文） 使用的数据真实可靠。 承诺人签名 卢杰文 日期： 2020 年 5 月 1 日 北京理工大学珠海学院 2020 年 16 级本科生毕业设计（论文） I 植保无人机的发展现状和未来展望 摘 要 我国长期以来是一个传统的粮食生产大国,我国粮食生产的安全会直接地影响到我国 的社会经济发展的平稳,但在推进我国特色社会主义经济建设和发展的过程中,有越来越 多的农田和耕地遭受到了农药喷洒污染和病虫问题的严重影响。植保专用无人机农药喷 洒作为一种新式的防治病虫手段,相比于老式的人工地面施药和大型农业飞机施药有其独 特的应用优势,使得植保专用无人机逐步发展成为我国防治虫害的主要手段。虽然我国现 阶段已经在不同的地区成功实行了植保无人机的研发技术试点和示范工程,同时也在进一 步扩大对植保专用无人机技术研发的资金支持。但是植保无人机滞后的推广和技术研发 已经在我国成为了无可厚非的事实。此文章主要想通过对国内一些重点地区的措施实行 情况和措施进行了分析,列举和指出实践中浮现的一些问题。本文主要想通过对应国内一 些地区的实行情况进行分析，列举出浮现的问题。通过对照日本的相似案例，分析日本 措施的优势和中国措施的不足之处，在事例中总结出中国植保无人机推广和研发需要完 善之处，尤其是农药喷洒技术的研发，植保无人机的行业标准和管理模式上，并对植保 无人机行业的未来进行一定的展望。 关键词：植保无人机发展现状 农药喷洒技术 行业标准 管理模式 北京理工大学珠海学院 2020 年 16 级本科生毕业设计（论文） II The development status and future prospect of UAV ABSTRACT China is a country with large grain production. The safety of grain production in China is directly related to the stability of China's social development, but in the process of China's social and economic development, more and more farmland has been affected by the pollution problem. Plant protection UAV as a new pest control means, compared with the traditional ground application of pesticides and manned aircraft application of agricultural medicine has its unique advantages, so that plant protection UAV will become the main means of pest control. At this stage, China has implemented pilot projects of plant protection UAV in many places, and is also increasing the research and development of plant protection UAV technology. But the slow promotion and development of plant protection UAVs has become an indisputable fact. The purpose of this article is to analyze the implementation situation in some parts of China and to list the emerging problems. And by comparing with similar cases in Japan, this paper analyzes the advantages of Japanese measures and the shortcomings of Chinese measures, and summarizes the need for improvement in the promotion and development of plant protection UAV in China, especially the research and development of pesticide spraying technology, the industry standard and management mode of plant protection UAV, and makes a certain forecast for plant protection UAV industry. Key words： Development Status of Plant Protection UAV，Pesticide spraying technology， Plant Protection UAV Industry Standards，Management Mode of Plant Protection UAV 北京理工大学珠海学院 2020 年 16 级本科生毕业设计（论文） III 目 录 摘 要 I ABSTRACT .II 1 引 言 .1 2 中日植保无人机的现状 .2 2.1 日本植保无人机发展概况 .2 2.2 国内植保无人机发展现状 .3 2.2.1 国内植保无人机发展概况 .3 2.2.2 无人机涉农航化作业现状 .4 3 国内植保无人机发展主要面临的问题 .7 3.1 植保无人机在推广方面存在的问题 .7 3.2 植保无人机在技术方面 存在的问题 .8 3.3 植保无人机在安全管理方面存在的问题 .9 4 中日分别采取的措施 10 4.1 日本采取的措施 10 4.1.1 无人机技术方面 11 4.1.2 无人机管理方面 12 4.2 国内采取的措施 14 4.2.1 技术方面 15 4.2.2 管理方面 16 5 植保无人机发展建议 18 5.1 完善无人机政策，降低行业门槛 18 5.2 构建行业标准 19 5.3 发展无人机核心技术 20 北京理工大学珠海学院 2020 年 16 级本科生毕业设计（论文） IV 6 植保无人机的展望 21 6.1 研发更便携流畅安全的移动操作平台 21 6.2 性能更强的无人机 21 6.3 优良的农业航空植保静电超低容量施药技术 21 6.4 优良的实时性主动避障技术 21 6.5 产学研合作模式逐渐壮大 22 6.6 互联网与植保无人机业相互结合模式的形成 22 结语 .23 参考文献 .24 谢 辞 .26 北京理工大学珠海学院 2020 年 16 级本科生毕业设计（论文） 1 1 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。 北京理工大学珠海学院 2020 年 16 级本科生毕业设计（论文） 2 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 FAZERR G2 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。 北京理工大学珠海学院 2020 年 16 级本科生毕业设计（论文） 3 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。 北京理工大学珠海学院 2020 年 16 级本科生毕业设计（论文） 4 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 5 kg 的机型和有效载荷为 15 kg 的机型分别占一成，有效载荷为 20 kg 的机型占比不足一成。通过分析数据可知，有效载荷量为 10 kg 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 10 kg 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。 北京理工大学珠海学院 2020 年 16 级本科生毕业设计（论文） 5 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 北京理工大学珠海学院 2020 年 16 级本科生毕业设计（论文） 6 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 北京理工大学珠海学院 2020 年 16 级本科生毕业设计（论文） 7 图 2-5 2014-2018 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 北京理工大学珠海学院 2020 年 16 级本科生毕业设计（论文） 8 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 北京理工大学珠海学院 2020 年 16 级本科生毕业设计（论文） 9 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 北京理工大学珠海学院 2020 年 16 级本科生毕业设计（论文） 10 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。 北京理工大学珠海学院 2020 年 16 级本科生毕业设计（论文） 11 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 北京理工大学珠海学院 2020 年 16 级本科生毕业设计（论文） 12 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、 北京理工大学珠海学院 2020 年 16 级本科生毕业设计（论文） 13 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