无人机撒播技术在农业中的应用综述

高志政 彭孝东 林耿纯

摘要：我国农业现代化高速发展对农业机械化、信息化及自动化的要求越来越高，为了响应农业可持续发展，提高农业作业效率和作业效果，精准农业航空概念随之而出。无人机撒播技术是精准农业航空的应用之一，探讨无人机撒播技术在农业中的应用，概述撒播技术特点，研究无人机撒播技术的发展和应用方向，分析现有无人机撒播技术的不足之处，探讨无人机实现精准撒播的关键技术，展望无人机精准撒播的未来。无人机撒播技术在农业生产管理中具有可行性和优越性，是加速实现我国农业生产管理现代化进程的一个重要环节。

关键词：撒播技术;农业航空;无人机撒播;精准农业

2013年农业部发布《关于加快推进现代农业植物保护体系建设的意见》，提出鼓励有条件的地区发展无人机、直升机和固定翼飞机防治病虫害，2014年中央一号文件明确提出加强农业航空建设[1]，我国农用无人机得到了空前的发展。2018年政府工作报告中提出推进机械化全程全面发展，农业农村部新闻发布会不止1次提出要组织实施好《农机装备发展推进行动方案》和农机购置补贴政策，扩大无人机等农机新产品补贴试点，进一步建设现代农业，实现乡村振兴战略。

随着我国城镇化进程的加快，农村的年轻人大量外出务工，农村劳动力短缺日趋严重。我国作为农业大国，有 1.2亿hm2 农田，农业发展由传统的人工作业转向机械化和自动化是大势所趋[2]。我国无人机行业快速发展及精准农业航空概念的提出[3]，使农用无人机应运而生。农用无人机具有适用性好、效率高、操控人员安全系数高及作物损伤小等优点;娄尚易等研究表明，农用无人机的工作效率是人工的30～60倍[4]。为鼓励无人机的规模化发展，部分省（市）地区试点相继出台了相应的补贴政策。农用无人机优势明显，能有效解决劳动力短缺问题，是未来农业生产管理全程自动化、机械化的有益补充。

目前，我国农用无人机多用于植物保护方面，无人机撒播作业还处于初步研究及试应用阶段。一些丘陵、山地、沼泽以及滩涂地带，特别是一些网格化、小型化作业区域，不太适宜传统的地面中大型撒播机械，即使在平原地区，中大型机械对地表的压实作用也会对种子的出苗率造成一定的影响[5-6]。农用无人机具有特有的空中优势，不受作业地形的影响，除了适用于农药喷洒、遥感监测、辅助授粉等，在种子、颗粒肥撒播等方面也有着良好的应用前景。

1 無人机撒播技术发展

1.1 撒播技术

传统的农业播种方式有撒播、点播、条播、精播等[7]。无论何种播种方式，都是由人类撒播种植发展延伸而来，最早的撒播作业是人用手将颗粒物抛撒出去。撒播的优点是可将种子或颗粒物料快速抛撒出去以达到完成作业的目的，相比点播、条播及精播，直接撒播能有效降低人力成本和节省时间。

现代撒播机械设备中，可对直径在设备规定范围的颗粒物进行撒播作业，如种子、颗粒肥及颗粒饲料等。根据撒播方式的不同，可分为离心式、气力式、均分杆式、摆管式等。撒播播量调控方式又可分为机械式、气力式等[6]。机械式播量调控技术有窝眼式、槽轮式、圆盘式、振动式、指夹式、带式、滚筒式、搅龙式、推杆式和环带孔式等[8]。现代地面撒播设备应用较为成熟，撒播方式多为离心式和气力式2种，颗粒在物料箱通过自身重力下落在撒播盘上，离心式是利用撒播盘高速转动将物料撒播出去，而气力式是利用风机将下落的物料吹撒出去[9]。

1.2 农业航空撒播技术的发展

1.2.1 有人驾驶飞机撒播技术的发展 最早使用有人驾驶飞机运用在农业方面的国家是美国，1918年美国首次尝试使用有人驾驶飞机用于农业作业[10]。

在20世纪50年代，我国开始使用飞机进行播种造林。据相关记载，1956年时任广东省委书记的陶铸为解决山林荒化，首次提出用飞机播种造林，并在广东省湛江市吴川县进行了试验，但由于经验不足和缺乏相关技术支撑，试验最终以失败告终，但却为我国造林指明了新的方向，全国大面积进行飞播造林由此开始，但都陆续宣告失败[11]。直到1959年，四川省凉山彝族自治州成功通过飞机播种造林建成了我国首片飞播林。随后，四川省凉山彝族自治州的成功经验开始在全国范围内推广。1982年，邓小平对飞机播种造林做出重要指示，此项目被纳入国家计划。据相关数据统计，1995年底，我国飞机播种造林2 000万hm2，有效面积达到868万hm2[12]。

早期运用在农业航空方面的飞机以运-5飞机为主，机舱通过简易改装，装置由种子箱、传动装置、搅拌器、搅拌器轴、风轮机及喷嘴等组成。物料装置通过搅拌器轴里的上、下缺口圆盘错位调整开度以达到控制流量的目的，种子由高速气流吹散开。这类装置无尺寸刻度标注，须技术熟练的机手操控，若操控不当，撒播均匀度不高，无法控制精度[13]。可见有人驾驶飞机飞播造林种树难以满足均匀性要求，适用于撒播对精度和均匀度要求不高的草本类植物[14]。

由于对精度和效率要求的提高，我国有人驾驶飞播造林趋势停滞不前。据相关数据统计，有人驾驶农业航空作业方面，共有56家通用航空公司开展农业航空作业。2014年涉及农业航空作业的飞行时间为38 220 h，但只有3%的时间用于飞机撒播播种[15]。而目前美国使用有人驾驶飞机撒播种植水稻已成规模化，美国农业机械化程度极高且农田多为大规模农场，适用于飞机撒播播种。美国有相当完善的法律法规支持，市场化运作，农业航空服务拥有完善的体系。据相关数据显示，美国水稻种植面积为133.33万hm2，全国从事水稻生产的约有1.5万人，平均每人约种植86.67 hm2，美国水稻单产率比中国高23.6%[16]。我国耕地情况多为独立块状，人均耕地少，除了东北、新疆及我国三大平原地区外，其他地区少有大规模农场，尤其是南方田块网格化、丘陵化的地貌并不适用于有人驾驶飞机播种，农用无人机具备体积小、携带方便、操作灵活、自动化程度高等特点，非常适用于在此类地形上进行撒播作业。

1.2.2 无人机撒播技术的发展 随着工业化的发展，无人驾驶飞机开始出现在人们的视野中并逐渐从军事用途向民用发展，人们也开始利用无人驾驶飞机从事农业生产管理[17]。20世纪90年代，日本北海道地区开始尝试使用遥控无人直升飞机对小块农田进行播种。实际生产作业证明，利用遥控无人直升机播种不仅节约时间，且产量和人工播种无太大差距[18]。2000年，日本农业实验研究中心利用雅马哈公司研制生产的R50无人直升机对农田进行撒播颗粒肥，喷撒量可达300 kg/hm2，实际作业时间效率为27.7%[19]。2004年开始，日本在水稻生产中，使用农用无人机的数量已超越有人驾驶飞机，采用农用无人机进行农业生产已成为日本农业发展的趋势[20]。

目前，我国已有高校科研机构和高新科技公司对无人机撒播相关技术进行了研究。在国家知识产权局官网查询近10年我国关于无人机撒播技术的专利申请情况，如图1所示，可以看出2014年后的4年专利申请数量呈爆发性增长，我国对无人机撒播技术的研究已进入快速发展阶段，该技术也为精准农业航空撒播提供了全新的途径。

我国已有不少公司生产撒播无人机，目前市场上在售的撒播无人机有深圳高科新农技术有限公司的M23-G固态颗粒撒播无人机、深圳大疆创新科技有限公司的MG播撒系统、深圳飞客无人机科技有限公司的播种颗粒机、北京北方天途航空技术发展有限公司的天智M8A施肥撒播多功能无人机等，如图2所示，参数详见表1。

2 无人机撒播作业体系

2.1 物料撒播机制

物料撒播机制主要涉及到机体、撒播装置以及物料种类等3个方面。

2.1.1 机体 机体是物料撒播作业装置的载体，支撑着无人机撒播作业体系。目前，农用无人机的主要机型分为单旋翼无人机和多旋翼（四旋翼、六旋翼、八旋翼等）无人机。单旋翼无人机的动力系统主要通过燃油机提供动力，续航及载重能力强，代表机型有日本雅马哈公司的Fazer系列无人机。徐雪松等设计了一种用于抛洒颗粒剂的单旋翼无人直升机，机身两侧设置物料桶，通过送料管将颗粒剂传输到转盘并均匀输出，配合单旋翼无人机的直线运动对无人机稳定性影响小，可使撒播更为均匀[21]。李才圣等设计了一种易拆装式单旋翼植物保护无人机，该机型通过无人机细小的零件设计拆分为多个模块，在拆装时只需将不同模块装卸即可，保证了无人机的安全性和维修便利性[22]。多旋翼无人机多以锂电池提供动力，续航能力较弱但更为稳定，代表机型有深圳大疆创新科技有限公司的MG系列无人机。由于单旋翼无人机技术门槛较高，我国目前农用无人机以多旋翼为主。雷乾勇等设计了一种多旋翼无人机机臂折叠装置，可使旋翼机臂稳定切换折叠和展开，节省空间，利于作业搬运[23]。单旋翼无人機与多旋翼无人机的优缺点见表2。

2.1.2 撒播装置 撒播装置是无人机撒播作业体系的心脏，关乎撒播作业效果的好坏。目前应用于农用无人机的撒播装置主要分为离心式和气力式2种。包胜军设计了一种飞机播撒装置，该装置使用的是离心圆盘式播撒装置，单片机控制第1电机带动甩盘旋转，控制第2电机用于开关出料口的闸门大小，通过双重控制，使出料口的流量达到按需分配的效果[24]。李晟华等设计了一种撒播无人机及其撒播器，该装置使用离心圆盘式撒播装置，撒播盘设有与落料口连通的滑道，通过单电机控制调节滑道开度及撒播盘转速进行物料流量控制[25]。以上2种装置均能较好地对物料流量进行控制，但离心撒播方式落种区为环形，若航线规划出现偏差，会出现重播和漏播现象。周志艳等设计了一种农用无人机挂载的物料撒播装置，该装置物料箱下使用了一个排料轮，通过调控排料电机控制器调整排料量;并在滚轮旁加装风机，采用风力将物料排出，撒播均匀度有所提高，易于操作[26]。该装置气力式的设计不易伤种，能较均匀地对物料进行撒播，但横截面为渐变长方形的物料抛撒出口设计，落种区为扇形，撒播效率不如离心圆盘式撒播装置。

2.1.3 物料种类 撒播物料种类是无人机撒播作业体系可行性的重要保障。撒播无人机搭载的物料箱容量有限，而撒播装置对于撒播物料的直径大小都有着严格的规定。若撒播颗粒物直径过大，考虑无人机载重与物料箱容量，不适宜采用无人机撒播。如飞播造林中常用的松树种子，若采用无人机撒播，由于种子较大，无法大量搭载，大范围飞播造林效率不高，没有使用无人机撒播的必要。若撒播颗粒物直径较小，近于粉末状，在旋翼无人机下压风场的作用下，粉末会出现漂移现象，作业效果无法保障。根据目前商用的撒播无人机相关参数要求，无人机撒播作业中颗粒直径一般在0.5～20.0 mm之间。

2.2 物料撒播方向

随着农用无人机的快速发展和应用，利用无人机进行撒播生产作业主要体现在4个方面。

2.2.1 水稻种撒播 水稻田飞机播种是农业航空技术应用的一个方向。2014年，华南农业大学科研人员在广州市白云区钟落潭农业科学院实验基地率先开展无人机撒播试验，运用自主设计的机载撒播装置进行稻种撒播，选定3个采样点进行测产，测量水稻株数和有效穗数。结果显示，0.09 hm2农田只需305 s就可完成稻种撒播，水稻撒播田平均产量为7 705.5 kg/hm2，平均有效穗数为321个/m2，平均穴数为 38穴/m2，有效证明了无人机进行水稻种撒播的可行性[27]。

日本JA广岛中央农业为解决劳动力下降问题，采用无人机公司enRoute设计的六轴无人机进行种子撒播试验，只需10 min便可完成12 kg种子的撒播工作，而使用地面机械进行播种则需要60 min，若采用人工播种则时间会更长，试验表明无人机撒播能有效节省时间和劳动力[28]。葡萄牙科英布拉理工大学科研人员将播种装置和摄像装置与无人机结合使用，利用流体力学计算分析排除干扰，使播种效果更为精准，提高了播种的可操作性[29]。

2.2.2 颗粒肥撒播 施肥特别是追肥是农业作物种植中必不可少的一个环节，对颗粒肥（尿素、复合肥等）而言，地面撒肥机械会对作物造成侵入式损伤，人工撒肥效率低且劳动强度大，使用无人机能较好地解决此类问题。岑海燕等设计了一种变量施肥的无人机系统和方法，使用离心圆盘式撒播装置，转盘的周壁设有料槽，料槽承接来自料箱的物料，通过改变转盘转速和侧壁槽数来实现不同的施肥效率[30]。秦大鹏设计了一种无人机施肥装置设备，该设备以单旋翼无人机为载体，高清摄像机和全球定位系统（GPS）设置在无人机的前端，控制器根据反馈信息进行变量施肥，储料仓可通过隔板分隔为二，施肥组件通过调节施肥轮的转速及调节施肥轮上与粗料仓内的肥料直接接触料槽的个数来实现施肥量的调节，自动调节施肥量的下料速率，可一次性对2种肥料同时进行施肥[31]。张勇等设计了一种农用施肥无人机，该无人机装置的物料仓在出肥管上设置有电磁阀，工作时开启电磁阀，肥料经进料螺旋的作用从出料管落下，解决了现有技术中不利于肥料散开的问题[32]。

2.2.3 飞播造林 飞播造林历史由来已久，使用无人机飞播造林可以有效进行流量控制，提高精度和均匀性，进一步降低造林成本。英国创业公司Biocarbon Engineering研制了一款种树无人机系统，该无人机将遥感技术、无人机技术和机器智能技术相结合，该系统由6架无人机组成，只需1个工作人员操控，采用定位系统和视觉技术创建3D地图，然后进行数据整理分析，划定种植范围，确定范围后利用空气压缩的方法将种子射入土里，从而达到精准种植[33]。

付博设计了一种小型无人机精准飞播结构，该播种装置呈三角形状，设置有多根竖管贯通横管，竖管底部有播种口，横管内设有播种轮轴，利用重力分捡和弹性播种[34]。

2017年，我国国家级湿地公园湖南莲湖湾湿地公园为了加快建设，做好保护工作，采用无人机撒播技术对生态植被进行恢复[35]。同年，河南省计划飞播造林1.33万hm2，首次开展无人机飞播造林试验[36]。

2.2.4 颗粒食物撒播 撒播颗粒食物是无人机撒播的另一个应用，目前鱼塘和山地养殖（鸡、鸭等）场，投食几乎都是通过人工作业来完成的，劳动强度大。通过无人机进行投食，可以解决劳动力少的问题。尤其是在农田、鱼塘以及养殖场为一体的大型农场，一台撒播无人机可集播种、施肥以及投食为一体，实现资源的高效利用。

虽然我国目前有关无人机撒播技术的应用已有一些新闻报道和实际产品，但大都缺乏相关应用成效的报道。相比有人驾驶飞机撒播，无人机撒播在农业生产上大范围应用仍有许多技术问题须要解决。

2.3 物料撒播運动研究

2.3.1 旋翼气流 农用无人机通过旋翼旋转产生向上的力，但旋翼旋转也产生了下洗旋翼气流。旋翼气流可影响物料撒播运动过程，深入探讨应用农用无人机进行撒播作业具有重要意义。Tan等为研究农用无人机旋翼下洗气流的速度，提出了一种下洗旋翼气流速度分布的测试方法，通过设计模拟六旋翼无人机旋转实验台并利用风速仪对不同位置产生的下洗旋翼气流进行测速，可知旋翼产生的下洗气流纵向变化不大，在接近地面处受影响导致气流整体变小[37]。杨知伦等通过单旋翼农用无人机下洗气流实地试验可知，旋翼所形成的下洗气流由旋转中心向外，气流呈逐渐增大状分布[38]。张文星设计了桨叶弧面分布多旋翼（四旋翼、六旋翼）的农用无人机，采用1对大桨构建“共轴仅浆”与1对小浆构建“共秆反浆”的结构，通过连接碳纤维管和固定件形成左右镜像对称、前后不对称的旋翼无人机，可有效降低下洗气流的流速，增大下洗气流的面积[39-40]。李继宇等设计了一种检测由无人机旋翼气流引起的冠层倒伏锥体的方法，通过无人机收集的图像资料进行分析，可直观判断农用无人机旋翼气流的形态参数[41]。

2.3.2 物料撒播均匀度 物料撒播均匀度是农用无人机撒播作业体系的核心所在，直接决定着无人机撒播作业的成效。宋灿灿等通过对气力式无人机撒播装置进行设计与参数优化，在作业田地上设置不同采集点，经数据收集分析得到导流通道锥角为130°时为最佳锥角，撒播均匀性标准差为 0.90[42]。吕金庆等通过建立圆盘及空气中的运动模型，结合颗粒肥自旋性的影响，得到影响撒播均匀性和撒播幅宽的主要因素是撒播装置的叶片长度、倾角以及撒播圆盘转速[43]。孙妮娜等通过对撒播装置喷嘴结构的对比研究，经仿真与试验验证，平嘴相对于圆弧嘴和扁喇叭嘴更适合应用于撒播装置[44]。齐兴源等通过对气力式变量施肥机关键部件的研究，排料管道的长度会对排料出口风速产生影响，出口安装的高度也会对排料滞后性产生影响，为尽可能减小排料滞后对均匀性的影响，排料管道应避免过长且出口高度不高于入口[45]。

2.3.3 物料颗粒运动特性 与植保无人机喷施雾化施药液滴运动受旋翼气流影响不同，物料颗粒运动特性受旋翼气流影响较小。颗粒肥在锥盘式撒播机构中抛撒运动特性的研究分析为撒播颗粒肥进一步在无人机的研究和应用上提供了参考。董向前等通过建立肥料颗粒受力方程，深入研究喂入角、施肥转速以及施肥高度对施肥分布的影响，提供了最优的参考数据[46]。张睿等通过分析颗粒肥料在离心圆盘撒播运动过程中的受力情况，得出颗粒肥撒播脱离圆盘时的速度函数关系与颗粒肥撒播幅宽的函数关系[47]。邵志威等为探究冰草种子丸包衣运动特性，通过Hertz接触理论的振动模型和转动模型对物料流动特征的分析，可知引入振动可增加惯性力，增大雷诺数，提高颗粒间的运动不规则程度，从而提高种子丸粒化包衣合格率[48]。

2.4 物料撒播方法研究

2.4.1 机体控制 飞控是农用旋翼无人机机体控制的核心，是无人机撒播作业的大脑。根据旋翼无人机的飞行原理可知，飞控通过电调传输控制信号调节电机转速，从而带动旋翼旋转，旋翼间的转速调节导致力矩的差异形成旋翼无人机作业的各种飞行姿态。刘浩蓬等通过研究四旋翼植保无人机的姿态解算与飞行原理，设计出以STM32微处理器为核心的飞控系统，利用AHRS模块航姿参考系统解算无人机飞行姿态参数，结合模糊比例-积分-微分控制器（PID）控制算法调节电机的输出量进而控制飞行姿态以达到稳定作业的目的[49]。刘超等建立纵向线性化模型，通过经典PID控制理论设计了满足农用无人机纵向运动的姿态控制系统[50]。漆海霞等针对农用无人机作业对速度恒定的要求，通过模糊比例-积分控制器（PI）双闭环控制仿真，证明模糊PI控制可有效提高农用无人机作业的抗干扰能力[51]。王宽田等通过搭载四旋翼无人机控制系统平台，采集姿态信息并进行解算，验证卡尔曼滤波器适用于四旋翼无人机控制系统[52]。李永伟等针对农用无人机作业时载荷发生变化导致控制性能和抗干扰能力下降等问题，通过对农用无人机作业分析与建模，提出一种模糊自适应PID控制算法以提高系统的稳定性[53]。

2.4.2 播量控制 播量控制是撒播均匀性的重要前提，影响无人机撒播作业的成效。彭孝东等设计了一种用于物料流量控制的无人机撒播装置及其控制方法，该装置可通过控制模块接收流量监测单元的数据，进而通过出料调节单元动力机构调节出料口的开关挡板来控制物料撒播，以达到多旋翼无人机均匀撒播物料的目的[54]。李才圣等设计了一种固体颗粒均匀撒播的装置，该装置物料箱下的入料口与撒播装置的出料口间通过一个播撒轮连接，控制旋转动力源带动播撒轮转速来达到控制播撒物料的撒播量[55]。易青设计了一种用于农业播种的具有调节功能的节能型无人机，该装置控料组件控制进入喷料管内的物料量，喷料管顶端设有导风装置，通过改变进入喷料管的空气量，控制物料喷洒出去[56]。马荣朝等设计了一种小型无人机便携式螺旋精量播种机，通过无线遥感技术远程控制物料流量调节装置从而控制物料流速[57]。