1. 引言
粮食安全是保障国家安全的基础。病虫草害是影响着粮食的安全和农产品的有效供应的重要因素，在世界范围内，采用化学农药喷洒进行病虫草害的防治依然是综合防治方法中的重要手段[1]。我国长期以来受制于落后的农药喷洒设备以及农药使用技术，农药利用率一直处于较低的状态[2]，据农业部统计，2017年我国的农药有效利用率仅为38.8%。不仅如此，由于我国农药使用监管不利，加之农民滥用乱用现象严重，造成了我国农药施用现象过量严重。据统计我国单位面积的农药使用量是世界平均水平的2.5倍，造成农药污染的耕地面积高达1.5亿亩[3]，在此条件下采用精准化的农药喷洒设备，提高我国的农药喷洒技术成为保障我国粮食安全的关键。
近年来伴随着我国城镇化建设进程的加快，大量的农村劳动力向城市转移，农村的土地通过流转的方式向着集约化、规模化、专业化、组织化相结合的新型农业经营方式发展。在新型的经营主体下，原有的传统型植保喷洒作业方式已经难以满足现有大面积、规模化作业需求，同时在我国的耕地面积中，丘陵山地耕地面积比重大，南方部分平原地区也主要以水稻种植为主，这导致大型的地面机械很难进入田间进行植保作业，为此研发使用高效率、小型化、精准化的施药设备以解决我国当前施药困难的现状成为现代农业植保的必然。
在当前我国对精准、高效、小型化施药设备迫切需求的条件下，植保无人机迅速发展。作为精准施药设备，植保无人机既可以提高我国当前的农药利用率、保障我国的粮食安全和生态安全，又可以提高植保作业效率、降低地形对喷洒作业的限制、提高对突发性病虫害防控效果，解决我国当前现有的植保机械落后、施药困难的现状。为此，我国对农业航空尤其是农用植保无人机发展给予了大力扶持。2013年，农业部《关于加快推进现代农业植物保护体系建设的意见》中就曾指出，我国应当强化植保科技创新，大力研发航空植保等高新技术;2014 年中央一号文件《关于全面深化农村改革加快推进农业现代化的若干意见》中在“强化农业支持保护制度”中提出“建设以农业物联网和精准装备为重点的农业全程信息化和机械化技术体系，加强农用航空建设”;2015年，农业部发布《到2020年农药使用量零增长行动方案》，提出推广自走式喷杆喷雾机、高效常温烟雾机、固定翼飞机、直升机、植保无人机等现代植保机械，采用低容量喷雾、静电喷雾等先进施药技术，提高喷雾对靶性，降低飘移损失，提高农药有效利用率，同时提出将航空植保机械纳入农机购置补贴范围;除政府的政策支持外，在植保无人机的发展中，国内的协会与联盟也发挥着巨大的作用。2016年5月国家航空植保科技创新联盟在河南安阳市成立;同年华南农业大学申请到科技部国家精准农业航空施药技术国际联合研究中心(以下简称国家精准农业航空中心)，并且牵头执行为期五年的“地面与航空高工效施药技术及智能化装备”项目。作为国内精准农业航空的领头羊单位，近年来为推进植保无人机施药应用技术，中心团队成员在全国各地开展小麦、水稻、玉米、棉花、果树等各种作物的雾滴喷洒沉积研究、试验示范以及应用推广，加快了植保无人机的应用推广。
在国内发展刚需、国家政策红利以及科研机构企业的研发推动下，近五年来中国植保无人机发展迅速。2017年农业部农技推广中心发布全国在用的植保无人机数量达到1.4万架，年作业面积达到8200多万亩次。植保作业对象几乎覆盖了全部农作物，包括水稻、玉米和小麦等主要粮食作物，瓜果蔬菜如苹果、葡萄、柑橘、豇豆、小白菜和各种经济作物棉花、花生、油葵、油菜、茶园等等，并且取得了理想的防治效果和防治经验[4]。
2. 中国植保无人机的发展概况
从世界范围来看，尽管中国植保无人机发展迅速，但是其作业面积仍不足耕地面积的3%，与农业航空较发达国家如美国、俄罗斯、澳大利亚、加拿大、巴西、日本、韩国等仍有较大的差距。美国是农业航空应用技术最成熟的国家之一，具有农业航空相关企业2000多家，具有完善的协会管理制度，其中包括国家农业航空协会(NationalAgricultural Aviation Association,NAAA)和近40个州级农业航空协会。美国的农业航空主要以有人驾驶固定翼飞机为主，在用飞机数量在4000架左右，年处理耕地面积40%以上，其中水稻植保作业完全采用航空作业方式[5]。
与美国大型有人驾驶固定翼作业不同，日本的田块面积较小，丘陵山地较多，日本农业航空也经历了从有人驾驶固定翼飞机到无人机的转变。1960-1980年期间，日本主要采用有人驾驶飞机进行植保作业，但是由于坠机事故以及由农药飘移带来的环境污染等突出问题[6]，1987年日本研制出了世界上第一台工业用无人机，并于次年开始限量销售，截止到目前日本已经成为世界上植保无人机应用最先进的国家之一。日本现阶段共有2346架注册在用的农用无人直升机，无人机飞控手 14 000 余人，防治面积96.3万hm2，采用的主要机型以YAMAHA RMAX为主[6]。日本农业管理分为两级行政机构管理模式：农业水产省和地方农政局，最高管理部门为农业水产省。与日本情况相类似的韩国于 2003 年在农业植保领域引进无人机技术，近十余年来发展迅速。现阶段韩国用于农业植保作业的无人机 500余架，作业面积占耕地面积的20%左右。由以上三个代表性国家的航空作业情况来看，我国未来在农业航空方面还有着巨大的发展应用前景。
图2 日本有人驾驶固定翼飞机和无人机植保作业面积变化
我国农用无人机尽管起步较晚，但是近年来在政府、科研单位、高校、企业以及服务组织的探索下，植保无人机本身的硬件与软件以及施药技术和管理法规都有了长足的进展。
2.1. 中国植保无人机硬件装备与软件控制发展概况
植保无人机硬件配套装备与软件控制系统主要包括动力系统，飞控系统和喷洒系统等。
2.1.1. 动力系统
无人机的动力系统为无人机提供动力能源，目前市面上常见的植保无人机动力系统主要是活塞发动机以及电力动力系统两种类型。其中配备有活塞发动机系统的代表性产品包括安阳全丰3WQF120-12，无锡汉和3CD-15植保无人机等;配备有电力动力系统的植保无人机代表性产品包括极飞科技P系列无人机、大疆MG系列无人机以及高科新农的电动单旋翼无人机等。油动活塞式植保无人机具有载荷大、抗风、续航能力强等优点，但由于成本较高，整体维护以及操作性较难，在市场上的占有率较低。相比之下，电动无人机则具有成本低，飞行稳定好，操作简单，轻便灵活等优点，市场占有率在80%以上。活塞发动机系统的无人机动力系统包括发动机、传动装置以及旋翼等;国内的油动无人机多采用是进口发动机。电动无人机的动力系统核心部件包括电池、电机、电调、旋翼等。现阶段针对于植保无人机动力系统优化的研究较少，瞿祥明等[7]针对于单旋翼农用无人机尾传动系统的动力特征进行研究并搭建对比同步带尾传统系统和圆锥齿轮尾传动系统，以提高对单旋翼无人机尾传动系统的研究设计。韩国Bae等[8]通过提升单旋翼油动无人机尾桨位置以提高飞行的稳定性以及喷雾质量。除发动机、电池、电机本身的研究以外，农用植保无人机协调不同型号、重量和效率的发动机/电机与旋翼尺寸、数量以及布局之间的关系，以实现最佳的能源载荷匹配也是当前植保无人机动力系统研究的核心问题之一。
2.1.2. 飞控系统
无人机飞控系统为无人机完成起飞、空中飞行、执行任务和返场回收等整个飞行过程提供控制与决策，被誉为是无人机的大脑。无人机飞控系统主要完成保持无人机在空中的飞行姿态、航迹的稳定性以及飞行状态数据采集、导航计算以及任务设备的控制与管理等工作。飞行控制系统主要由硬件传感器以及软件算法构成。目前所有飞行控制都离不开捷联惯导、卡尔曼滤波和传统比例积分微分(PID)控制三大算法。在无人机飞控的定位与导航方面，袁玉敏[9]针对于GPS 定位系统在复杂环境下的稳定性差、定位精度有限、无法对农业植保无人机提供高精度稳定的定位服务问题，提出了基于GPS和GPRS混合农业植保无人机高精度定位系统的设计;王高亮等[10]设计基于北斗导航的植保无人机，并对其定位精度进行了试验测定。现阶段国内商业化植保无人机主要采用GNSS导航定位为主，然而GNSS定位容易受到大气层、卫星星历误差、卫星钟差以及多路径效应等因素的干扰，导致定位出现较大的偏差，因此现阶段部分无人机厂家选配有RTK定位技术以提高无人机定位的精准性。RTK(Real-time kinematic)全称为实时动态载波相位差分定位技术，基站采用卫星数据后，通过数据链将观测值和站点坐标信息一起传送给移动站，而移动站通过对卫星数据和接收到的数据链进行实时载波相位差分处理，从而达到精确的定位效果。
国家精准农业航空中心研发的机载北斗RTK差分系统
在无人机的航向测定方面，过去植保无人机采用电子磁罗盘利用地球地磁场的作用进行定向，但是此种方法容易受到环境中其他磁场的干扰而影响正常飞行，因此目前一些厂家采用双天线或者组合导航系统，其中包括GPS/INS、GPS/DR、GPS/SINS组合导航系统以提高航向精度，同时避免外界磁性物质的干扰[11]。在无人机的姿态解算以及控制算法方面，刘超等[12]设计了基于经典PID控制方法的纵向姿态控制系统并进行仿真，然而传统的PID控制算法，在无人机自身载荷发生改变时，飞行控制性能会下降、抵抗环境扰动能力差，为此刘浩蓬等[13]提出模糊PID控制算法，结合模糊控制和PID控制算法调节电机的输出量来控制飞行姿态，提高了系统的动态响应能力以及稳定性，实现了无人机的稳定飞行。张长利等[14]通过将加速度计和磁力计分别与陀螺仪数据融合，避免单个传感器的误差干扰，实现旋翼无人机精准姿态角估计，提高了飞行稳定性。在无人机避障方面：由于农田作业环境复杂，作业时会有电线、树枝或者闯入的各类障碍物，而且飞控手常难以及时判断，因此无人机的障碍物的识别并进行有效回避也是未来植保无人机的必然趋势之一。常见的无人机避障技术包括RTK技术、超声波测距、单目及双目传感器、微波雷达、飞行时差测距等不同类型。[15]以国内的代表性厂家为例，极飞科技有限公司除RTK定点避障外，还采用Xcope天目自动避障系统，在实行障碍物识别的同时，可以进行自主绕行避障;安装有近红外照射技术，实现夜间的自主作业飞行;在机体下方安装超声波定高装置实现仿地飞行。大疆创新科技有限公司在其植保无人机前后及下方安装有高精度毫米波雷达，通过感知作业时的地形变化和高度变化实现仿地飞行，新一代产品融合了原有的定向雷达和避障雷达，将灵敏度提升至感知前方15m处半径0.5cm的横拉电线的水平。新款的MG-1P安装有123°FPV广角镜头，可将植保机前方景象呈现在遥控器上，为作业时远程绕障飞行提供实景参考。针对于复杂的不规则田块，如何实现最佳的航线规划，对于提高无人机的作业效率以及实现精准高效喷洒具有重要作用。万顺飞等[16]利用图形学理论研究不规则农田的识别以及最优航线规划算法的设计，实现了自动规划算法的相应函数模块和应用软件;针对于多架次返航作业情况下，合理分配各架次喷药量和返航点，徐博等[17]利用栅格法对工作区域进行划分，对各架次喷药量的分配以及最优返航点进行了优化，并进行仿真与田间试验，结果表明采用路径规划算法提高了植保无人机的作业效率并降低能耗。通过对无人机硬件传感器以及软件控制技术集成，国内的植保无人机飞控系统产品基本处于世界领先地位，在商品化应用方面，具有代表性的产品包括极飞科技SUPERX2农业飞控、大疆A2&A3飞控以及一飞智控的Finix200M等。
国家精准农业航空中心研发的无人机飞行状态实时监测系统
2.1.3. 喷洒系统
植保无人机是一种功能化的无人机，以喷洒农药防治病虫害为最终目的，因此无人机的喷洒系统在无人机的整机结构中具有重要的作用。国家精准农业航空中心基于旋流雾化原理采用模块化方法设计了超低容量旋流雾化喷嘴，并对旋流喷嘴内流场流体动力学以及雾化特性进行数据分析和试验测定，分析了喷嘴结构参数以及流体特性对雾化性能的影响[18]
图5 国家精准农业航空中心设计的旋流雾化喷头
与常规喷头对比，静电雾化喷头产生的荷电雾滴可以提高雾滴的穿透性以及在作物叶片表面的粘附性，提高防治效果，因此也是未来航空喷洒中具有广阔应用前景的喷头之一。国家精准农业航空中心探究电极材料、电机电压、喷施压力和喷孔直径对静电雾化喷嘴效果和和荷电的影响，并对雾滴荷电后的沉积效果进行了雾化沉积试验，结果表明：静电喷嘴能提高雾滴沉积效果，增加有效喷幅[19]。南京林业大学茹煜、周宏平等对航空静电喷头的设计[20]、感应充电后的电场分布[21]、荷电雾滴的运动轨迹[22]、沉积特性以及靶标黏附性[23]都进行了详尽研究与优化，并设计合理的静电充电装置，保证了雾滴荷电状态。黑龙江八一农垦大学Zhang等[24]设计了六旋翼静电喷洒装置并进行了试验测试，试验结果表明与非静电对比，安装静电装置雾滴沉积密度提高13.6%。
图6 国家精准农业航空中心设计的静电喷嘴
尽管关于静电喷雾的研究较多，但是产品尚未商业化，现有的最为普遍的航空喷嘴通常有液力雾化喷嘴以及旋转离心雾化喷嘴两个种类[25]。茹煜等[26]设计了兼具液力雾化和离心雾化有点的旋转液力雾化喷头，并对其影响因素进行研究。南京农机所周晴晴等[27]对旋转液力式喷嘴转盘直径、齿数、孔径角度以及深度等结构参数进行了试验研究与优化，得到最优的孔径角度、深度、直径以及齿数分别为60°、20mm、61.5mm、149。除不同类型的喷头实现均匀可控的雾滴以外，根据无人机的作业速度实现变量喷洒也是精准农业航空植保的核心。王玲等[28]设计基于LabWindows/CVI的地面测控软件，并通过数传模块发射脉冲信号以控制机载系统的喷雾压力和喷液量达到变量喷雾的效果。朱航等[29]开发了基于脉宽调制的小型无人机精准喷洒系统，并建立了基于多源传感器信息融合的精确喷洒决策系统，将无人机遥感信息与脉宽调制控制的变量喷洒相结合实现了精准变量施药。在商业化的产品中，广州极飞科技有限公司的旋转离心式雾化喷嘴雾化效果较好，雾滴粒径在80~120微米之间，同时采用蠕动泵调节喷洒流量实现变量喷洒，其产品在国内喷洒系统中处于领先地位。其他国内代表性常见厂家的植保无人机多安装有进口液力式雾化喷头，例如安阳全丰公司、广州天翔公司安装有德国Lechler公司的LU系列喷头以及大疆公司、高科新农公司安装有美国Spraying 公司Teejet系列喷头。
2.2. 中国植保无人机关键施药参数研究概况
2.2.1. 最佳施药参数
植保无人机喷洒质量不仅受到无人机本身的飞行稳定性以及喷洒系统的影响，同时受到作业参数、作物类型、环境参数等因素的影响。为提高喷洒质量，优化喷洒均匀性，提高田间喷洒药效，国内包括国家精准农业航空中心在内的相关研究单位在大田作物水稻、小麦、玉米以及果树和经济作物棉花上进行了大量系统性试验研究，探究不同的作业参数对植保无人机喷洒沉积质量的影响，研究结果参见表1。
表1 不同作物最佳施药参数
作物类型 | 无人机 类型 | 飞行高度/m | 最佳作业高度/m | 飞行速度/m/s | 最佳作业速度/m/s | 评价 方法 | 文献来源 |
水稻 | HY-B-10L | 1.5,2,3 | 2 | 2~5 | 2~3 | 沉积,飘移 | 陈盛德[30] |
HY-B-15L | 0.8,1.5 | 1.5 | 3,5 | 5 | 沉积,药效 | 秦维彩[31] | |
玉米 | N-3 直升机 | 5,7,9 | 7 | 3 | -- | 沉积率 | 秦维彩[32] |
AF-811 | 1,2.5,4 | 2.5 | 5 | -- | 雾滴密度 | 高圆圆[33] | |
柑橘 | 3LWS-Q60s | 0.5,1,1.5 | 1 | 1 | -- | 覆盖度,雾滴粒径 | 张盼[34] |
小麦 | 3WQF120-12 | 1,1.5,2 | 1 | 3,4,5 | 3 | 沉积，药效 | 蒙艳华[35] |
综合上表试验结果可以得出，不同作物不同植保机械的作业时，实现最优沉积的施药参数不同，一般来说，施药高度在1-3m，飞行速度在3-5m具有最佳的沉积效果。当进行果树施药时，由于冠层较大，一般作业速度相对较慢，提高单位面积的喷药量。另外针对于不同影响因素对雾滴沉积的影响权重不同，中国农业大学对飞行方式、飞行参数、侧风等因素对无人机喷雾雾滴空间质量平衡分布和下旋气流分布的影响进行测定，试验结果表明：机头机尾朝前两种飞行方式对雾滴分布有显著影响，机尾超前沉积效果更佳;飞行高度越高，雾滴分布均匀性越好;飞行方式、高度和侧风3种因素对单旋翼无人机喷雾雾滴产生的影响都是通过改变其旋翼下旋气流场垂直于地面下方的强度，减弱气流对雾滴的下压作用来实现的[36][37]。
有效喷幅宽度的准确评定是植保无人机精准作业的前提，对其作业航线的规划及喷施作业质量的提升均有着重要意义。针对于不同的飞行高度、飞行速度下的有效喷幅，国家精准农业航空中心及中国农大对其进行了试验测定，并且采用不同的评价方式进行评价，测定结果参见下表：
表2 小麦田作业参数及有效喷幅的优选
表2 小麦田作业参数及有效喷幅的优选
无人机类型 | 飞行高度/m | 飞行速度 /m/s | 环境风速 /m/s | 评价方法 | 有效喷幅 | 参考文献 |
3WQF120-12 | 1.12~3.60 | 2.90~5.01 | 0.5~2.2 | 50%有效沉积 | ≥4.44m | 陈盛德[38] |
P20 | 1.42~2.21 | 3.22~4.75 | 0.8~2.0 | 雾滴密度法 | ≥2.58m | 陈盛德[38] |
3WQF120-12 | 3.5 | 4 | 无风 | 50%有效沉积 | 3.0m | 宋坚利[39] |
图7 国家精准农业航空中心研发的雾滴沉积量检测传感器
2.2.2. 飘移缓冲距离
航空喷洒容易受到外界风、环境温湿度等因素的影响而产生飘移，而航空药剂浓度较高，飘移后的风险较大，因此作业时合理设计飘移缓冲区，减少飘移的危害。针对于不同类型的植保机在不同试验条件下测定的雾滴缓冲区的试验结果参见如下：
表4 不同类型的植保无人机在不同试验条件下测定的飘移缓冲区
无人机类型 | 飞行高度/m | 飞行速度/m/s | 风速 /m s-1 | 缓冲区/m | 试验方法 | 试验因素 | 文献来源 |
3WQF80-10直升机 | 1.5-3 | 2.4-5 | 0.76-5.5 | ≥15 | 质量平衡 体系 | 侧风、飞行高度、飞行速度 | 王潇楠[40] |
HY-B-10L直升机 | 1.3-3.2 | 2.2-4.5 | 1-2 | ≥7 | 田间飘移 测定 | 飞行高度、速度 | 陈盛德[30] |
N-3 直升机 | 6 | 3 | 1-3 | 8-10 | 模拟+测定 | 风场模拟与田间试验 | 张宋超[41] |
Z-3 直升机 | 5 | 3 | 3 | ≥8~50 | 田间测定 | 薛新宇[42] |
雾滴的飘移受环境风速的影响较大，多次试验测定植保无人机的缓冲区至少应当大于10米以上，避免对其他类作物产生药害或者对村庄、水源等产生污染。这一结论也与日韩国家的田间药效试验缓冲区基本吻合，日本进行药效试验的缓冲区设定为20m，韩国为5m。
2.2.3. 田间防治效果
植保无人机喷洒最终的目的是实现对病虫草害的防治。由于喷洒的农药喷液量数十倍低于常规的地面机械，因此药剂浓度高，雾滴数以及雾滴在叶片上的覆盖率与传统喷洒相比，相对较低。因此在药剂选择上应当尽量选择内吸性好、安全性高的药剂，从而提高防治效果。高圆圆等[43]采用无人机防治小麦吸浆虫，结果表明采用离心转盘雾化喷头具有更优的沉积效果，且防治效果达到80%以上;在防治玉米螟的试验中，发现采用专用的超低容量液剂具有较乳油更好的防治效果，也可以达到80%以上[33]。秦维彩等[31]采用高科新农单旋翼防治稻飞虱，喷洒药剂2-10天后的防治效果在92%-74%，皆优于地面常规机械喷雾;张盼盼等[44]采用植保无人机喷洒防治柑橘叶螨，受到较大的柑橘冠层影响，防治效果能达到65-75%，基本满足防治需求。=
2.3. 国内植保无人机管理政策发展概况
2.3.1. 植保无人机管理法规情况
我国的无人机航空植保作业是近年兴起的，目前对农业航空的管理主要依据国家民用航空管理局的部分规定。自2009年以来，民航局先后颁布了多个针对民用无人机的管理文件，以解决无人机的适航管理、低空域管理以及驾驶员资质管理、运行管理等问题。
针对于民用无人机的适航管理，2009年6月民航局下发《关于民用无人机管理有关问题的暂行规定》，作为对民用无人机的过渡性管理办法，该规定要求民用无人机飞行前向民航地区管理局申请特飞许可证，并由监察员检查合理后颁发国籍证和I类特许飞行证，暂不办理标准适航证[45]。2012年1月民航局适航审定司颁发了适航管理文件《民用无人机适航管理工作会议纪要》，该规定制定具体检查单和检测方法，以具体使用环境下能安全飞行为标准，以确定使用限制为重点[46];尽管近年来民航局颁布了一系列管理规定，但是由于民用无人机缺乏完善的标准体系，造成无人机产品技术有差异较大，在适航管理上难以执行与控制。在民用无人机的空域管理方面，我国迄今尚未形成完整的民用无人机空域管理规章和管理体系。2016 年 10 月民航局出台《民用无人驾驶航空器系统空中交通管理办法》，进一步放松了对民用无人驾驶航空器系统可飞行区域的管理。根据《管理办法》，机场净空保护区以外民用航空使用空域以内，飞行高度120 米以下，水平距离 500 米以内，空机重量 7公斤以下的无人驾驶航空器昼间在视距内的飞行活动，对其他航空器安全影响较小，在不影响地面人员和设施安全的情况下，可不进行专门评估和管理。然而植保无人机质量明显大于7公斤，且进行农药喷洒作业时难以每次飞行都进行申报审批。2017年8月，国家民航局运输司出台了《民用无人驾驶航空器从事经营性飞行活动管理办法》(征求意见稿)，征求民航各地区管理局、监管局，及民用无人机相关单位和社会大众意见。就目前我国的民用无人机飞行状况，根据现有规定申请飞行空域困难引发的黑飞现象严重[47]。在无人机驾驶员管理资质问题上，2013年11月民航局飞行标准司正式发布《民用无人驾驶航空器系统驾驶员管理暂行规定》，规定划分了微型无人机、轻型无人机、小型无人机和大型无人机，并要求分类管理。2014年4月民航局颁发《关于民用无人驾驶航空器系统驾驶员资质管理有关问题的通知》，规定无人机驾驶员资质及训练质量管理由中国航空器拥有者及驾驶员协会(中国AOPA)负责，并与2015年4月第二次授予中国AOPA为期三年的资质管理权。规定自2015年4月起，由AOPA继续按照相关法律、法规及规范性文件负责在视距内运行的空机重量大于7kg以及在隔离空域超视距运行的无人机驾驶员的资质管理，民航局飞行标准司负责对中国航空器拥有者及驾驶员协会的管理工作进行监督和检查，迈出了无人机驾驶员资质正规化管理第一步。对于植保无人机的运行管理上，2015年12月，民航局飞行标准司正式发布《轻小无人机运行规定(试行)》，将轻小型无人机细化成七大类，且要求部分无人机接入无人机云和使用电子围栏，没有要求运营人及个人进行运行审定环节。《轻小无人机运行规定(试行)》对无人机飞行进行了较为详细的界定，被认定为首部“无人机交规”，这也是对无人机管理规定的进一步完善。2016年上半年，中国民用航空局先后发布了《轻小型民用无人机系统运行管理暂行规定》、《使用民用无人驾驶航空器系统开展通用航空经营活动管理暂行办法(征求意见稿)》，对植保类无人机的经营、管理、飞手培训等做了详细规定，规定要求植保无人机经营单位除需要取得航空经营许可证、无人机适航证以外，要求独立喷洒作业人员或者从事作业高度在15米以上的作业人员应持有民用无人机驾驶员合格证，且植保无人机应处于操控手目视距离半径500米以内。2017年6月份民航局宣布已初步完成民用无人机登记注册系统，质量250克以上的无人机实施登记注册。现阶段，《使用民用无人驾驶航空器系统开展通用航空经营活动管理暂行办法》(目前该规定暂缓执行)连同《民用无人驾驶航空器系统驾驶员管理暂行规定》、《轻小无人机运行规定(试行)》，已经成为规范管理中国民用无人机的关键规章制度。
2.3.2. 植保无人机标准与作业补贴
目前，我国在植保无人机方面的制造标准、适航标准以及植保作业质量标准方面几乎空白。国内发布的标准主要包括重庆市和湖南省的地方标准《农用航空器电动多旋翼植保无人机》、《超低空遥控飞行植保机》，农业部南京农业机械化研究所负责承担立项制定的《农用遥控飞行植保机 安全技术要求》标准，民航二所承担的《无人驾驶航空器系统作业技术规范》以及2017年由华南农业大学起草的《微轻型单旋翼农用植保无人飞机技术条件》、《微轻型多旋翼农用植保无人飞机技术条件》和《农用无人驾驶航空器作业质量技术标准——喷洒作业》(尚未发布)。尽管已有少量的地方及团体标准，但是距离完善的标准体系还有很远的路要走，特别是在农用无人机生产技术标准、质量检测标准以及作业技术标准三个方面[6]。缺少完善的标准体系会影响整个行业的健康发展，导致鱼龙混杂，同时缺少标准就会缺少评价体系，这导致植保无人机的补贴政策难以根据有效的资料进行评估。
针对于农用植保无人的作业补贴，最早起始于2013年，河南、福建、广东珠海、山东青岛等地首次把农用航空器作为农机纳入补贴范畴[1]，其中河南省补贴力度最大，在省财政补贴的基础上累加市财政补贴。2017年为引导植保无人机技术开发和规范应用，农业部、财政部、民航局三部委联合下发《农业部办公厅、财政部办公厅、中国民用航空局综合司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》，统筹考虑相关省份和有关部门意见，选择在浙江(含宁波)、安徽、江西、湖南、广东、重庆等六省(市)开展以农机购置补贴引导植保无人飞机规范应用试点工作，从此植保无人机正式纳入国家农机补贴目录。此补贴重点在两个方面进行试点：一是探索建立购置补贴的路径和方式，完善分类分档办法、补贴额测算因素的选取方式与确定标准，创新补贴资金兑付方式;二是健全完善符合三农实际的作业飞行安全运行管理机制，探索建立由生产企业自主负责的植保无人飞机操作人员培训考核制度。各试点省份购置补贴总量控制在1000万元以内，每档产品补贴金额不超过该产品2017年市场销售均价的30%，单机补贴最高不超过3万元。六省市相继出台相关政策并开展植保无人机补贴试点，补贴对象均为所在县(市、区)从事植保作业的农业生产经营组织，主要包括农民(农机)专业合作社、植保作业组织、农作物病虫害统防统治组织等，对个人购置植保无人飞机暂不予补贴。
图8 全国植保无人机补贴省份(红点标记)
从国家的政策发展状态看来，国家不断重视植保无人机的发展，在无人机整体技术进步和各省市不断试点补贴的推动下，财政补贴由地方发展到中央，从国家政策层面上推动了植保无人机行业的发展。
3. 植保无人机发展中所存在的问题
3.1. 植保无人机本身质量问题
尽管现阶段国内植保无人机发展迅速，但是国内植保无人机生产标准门槛低，缺乏无人机产品的整机性能及试验方法标准，导致市场的产品良莠不齐且普遍存在以下问题：
1)在动力系统上，缺少关键性部件包括活塞式发动机的研发能力。
2)在结构设计方面，现有的产品类型过多，缺乏工业级解决方案，在强度、静载动载测试、长时间作业的稳定性、复杂农田环境的适应性及使用寿命等方面缺乏完善设计。很多植保无人机设计不合理，能效配比差，无人机整体气动力与重力布局未经验证与优化，导致载荷系数较低。
3)在植保无人机的控制方面，国内的大部分植保无人机自动化程度有待提高，采用视距内手动操作，远距离操作时难以精准控制飞行高度，很容易出现重喷、漏喷现象。
4)在植保无人机的喷洒系统方面，采用常规的液力式雾化喷嘴，雾滴谱宽，而配套的隔膜泵压力小，寿命短，缺乏专用航空喷药设备，导致雾化效果难以满足航空喷洒需求。同时对施药技术研究不足，对雾滴的沉积、飘移控制能力差。
3.2. 植保无人机在管理法规方面的问题
植保无人机本身属于农机具，其推广应用涉及到产品质量鉴定、作业标准/作业规范、作业效果检验及职能部门的安全监理等管理活动，其管理单位应当隶属于农业部以及地方农机管理部门，但同时由于其独特的作业方式，也应该接受“空管委”等航空管理部门的安全监管，由于植保无人机本身在我国属于新鲜事物，导致其管理以及法律法规出现以下的问题：
1)缺少系统的安全管理法规，安全监管难以落实。尽管民航部门不断开放低空领域，但是由于对农业航空的管理仍沿用现有民用航空标准，民航法规体系中的相关条款存在针对性不强、结合不紧密等问题;同时民航的管理办法更多的是从限制植保无人机对民航干扰的角度出发，不能切实的引导植保无人机的规范化管理。
2)缺少植保无人机产品标准，其中包括条例和认证、测试、维修与护理、监管、操作规范、安全性能、整机、部件的设计要求等一系列关于植保无人机产品的技术标准、安全标准和试验检测方法等国家标准和行业标准，导致植保无人机行业入门门槛低。职能管理部门尚未明确导致对植保无人机难以进行规范化管理和筛选，而在作业过程中，更多的依靠服务组织自身的约束，很显然是不利于行业的发展
3.3. 专用药剂以及施药技术缺乏
随着飞防兴起，农药的使用方式在发生着变化，由传统的低浓度高容量转变为高浓度低容量，药剂的药效评价、残留评价、安全性都在发生着变化，原有常规药剂登记管理制度与现存的飞防药剂的登记管理与使用存在着差别，因此专用药剂的研发以及常规药剂飞防使用时的登记管理则尤为重要。
以日本和韩国为例，日本有登记飞防药剂品种266个，占所有登记药剂的6.2%，韩国有专门的飞防登记药剂110个，占登记药剂的3.6%，其中主要的登记剂型包括乳油，悬浮剂，水乳，微乳以及水分散粒剂等。日韩的飞防药剂登记管理试验包括田间药效试验，残留试验，作物安全性试验以及邻近作物试验，这些试验主要是由农业航空协会(JAAA)完成，并且在日韩的飞防药剂中都会在施药方法中标注无人机使用、标注稀释倍数以及注意事项。
表5 日本农药标签标注实例
1)从农药本身角度，不同制剂类型高浓度农药混配容易出现分层、絮凝、沉淀、反应等现象，导致混配农药难以发挥其作用。高浓度农药由于未经过登记以及田间药效试验，在喷洒后容易出现田间药害问题，造成大面积减产，影响市场对植保无人机喷洒的认可度。同时，高浓度药剂喷洒缺少规范性的使用方法，很多药剂的稀释浓度不明确，在使用无人机喷洒时，使用量的不明确，很容易导致使用量过量或者不足，难以保证喷洒及防治效果。与日韩完善的农药标签管理制度以及无人机喷洒专用药剂的登记制度相比，我国国内的植保无人机农药管理之路还很漫长，我国国内的植保无人机喷洒农药常见以下问题：
2)从施药技术角度，我国对植保无人机的施药技术研究尚处于初级阶段，尽管其作业效率及作业效果优于传统背负式喷雾器，但是其喷洒均匀性、农药的有效沉积率有待进一步提高，同时我国的农田常与村庄、河流等距离较近，雾滴飘移后对人员以及环境的危害较大。
3.4. 基础建设以及对农业航空认识不足
我国当前的植保飞行服务基础设施以及保障体系尚较为落后，长期以来的小田块、分散式的经营模式制约着农业航空的发展，农田的电线、防风林以及农房建筑较多，阻碍了大规模的航化作业，也影响着植保无人机作业的安全性。
另外，我国现阶段大部分植保无人机自动化规划程度不足，我国目前缺乏大量专业的植保无人机操作手。2014年4月民航局颁布《关于民用无人驾驶航空器系统驾驶员资质管理有关问题的通知》(有效期一年)，规定无人机驾驶员资质及训练质量管理由中国航空器拥有者及驾驶员协会(中国AOPA)负责，这也是我国首次对无人机操纵手的资质培训提出了要求。但是仅仅如此很难满足我国当前对此行业人员的大量需求，未来通过加强培训，将更多原来的植保行业从业者引导规范的进入飞防领域，才有利于促进行业健康有序的发展。
4. 植保无人机发展中未来发展前景
4.1. 研发自主化程度高、稳定可靠的植保无人机
针对于当前植保无人机本身所存在的问题，应当进一步研发推广具有自主化程度高、稳定可靠的植保无人机。在动力系统方面，研发核心动力部件，提高整机有效载荷，减轻整机质量，延长发动机或者动力电池使用寿命;在控制系统方面，开发多传感器融合的自主控制系统，在大面积农田作业时，应当推广高精准的全自主导航飞行技术，以保证作业的高度与速度;推广基于超声波或激光雷达测距的仿地飞行技术，实现定高飞行，保证施药喷幅和作业一致性;完善植保无人机失控保护装置，实现失控保护、故障自检以及提前报警功能，监控无人机各类参数，提高飞行安全性[6]。在施药设备方面，研发雾滴谱窄、低飘移专用航空压力雾化系列喷嘴，设计适用于农业航空专用稳定的药箱以及药泵，研发高效轻量化喷施关键部件。在施药技术方面，优化施药参数，提高雾滴的沉积以及均匀性，同时研究不同环境条件下的雾滴飘移规律，建立雾滴飘移模型，预测雾滴飘移距离，提高施药安全性;针对于当前低容量施药方式，研究不同药剂的不同雾滴数量以及覆盖度与病虫害防治效果之间的关系，建立药剂雾滴杀伤半径模型，将农药的使用控制在更加精准的范围之内[48]。在精准喷洒方面，结合航空遥感技术，喷洒前对喷洒区域农作物遥感影像特征提取，提前分析不同作业区域的作物长势、病虫害等农情信息，采用处方图以及变量喷洒方式提高喷洒的精准性，最大化的发挥农药药效，降低农药使用量。
4.2. 明确管理部门，完善标准与补贴制度
在植保无人机管理方面，作为农机的一种，植保无人机的作业场所多为农田、果园等环境，处于民航禁飞区域外，工作时距离作物高度一般不会超过10m，不存在对民航飞行的干扰。因此我国应当参考日本农林水产省消费安全局管理植保无人机的经验，明确农业部农机化司为植保无人机的业务主管部门。建议由农机化司指导并拟定植保无人机的发展战略、政策、规划，起草有关法律、法规、规章并监督实施;拟订国家支持推广的植保无人机产品目录;加强植保无人机作业质量的监督管理，组织实施产品试验鉴定;拟订植保无人机有关标准和技术规范并组织实施;由农机化司组织实施植保无人机安全监理，指导安全生产;负责安全技术检验、登记备案、核发牌证等监督管理工作。
在产品标准的制定方面，作为农机主管部门管理的依据，管理部门应当以政府购买服务的形式，将植保无人机作业的流程、规范及标准的制订等工作委托相关的专家委员会，尽快出台植保无人机产品的产品质量标准以及作业规范、作业质量评价标准，提高植保无人机产品准入门槛，同时依托具有鉴定资格的高校、研究单位等第三方对产品质量性能进行鉴定。
在植保无人机的推广与补贴方面，植保无人机管理部门应当扶持高质量植保无人机生产企业，加大政府购买统防统治服务力度，同时严格把控作业质量，使农民在政府购买服务中获益。
4.3. 引导常规药剂的飞防登记管理制度，研发专用药剂
针对于我国现阶段缺乏航空专用药剂的现状，我国应当首先规范化常规药剂的使用方式，完善常规药剂的登记管理制度。参考日韩的登记管理方法，由农药管理部门药检所将农药的登记管理中的残留、药效、临近作物安全、使用间隔期以及环境安全等试验部分委托与具有资质的协会或者科研单位，建立健全登记管理制度，引导飞防药剂的规范化使用。
在现有的常规药剂的基础上，加强农业航空具有抗蒸发、促铺展、抗飘移的专用药剂、专用剂型以及喷雾助剂的研发，制定针对于不同作物、不同病虫害以及不同作业机型相配套的喷洒技术规范，满足当前航空喷洒对病虫草害的防治需求。
4.4. 普及农业航空知识，培养农业航空人才
普及农业航空知识，发挥国内高校、科研单位、企业以及相关农业航空联盟与学会的作用，培养航空植保人才。将目前植保无人机企业进行的植保无人机操控手的培训纳入农机培训的范畴，对植保无人机操控手进行无人机政策管理法规以及植保知识方面的培训，提高行业整体水平。
5. 小结
植保无人机作为精准农业的重要组成部分之一，推动着我国现代化农业建设的发展。在全国高校、科研单位、企业的不断研发下，其配套的设备以及核心技术不断完善，产品质量、稳定性以及施药技术水平不断提升。在政府管理部门的协调下，行业将完善管理制度与行业法律法规，建立健全产品标准与作业标准，规范发展秩序。伴随着植保无人机精准化、智能化的快速发展，植保无人机必定会为保障我国的粮食生产，提高我国的农业现代化做出巨大的贡献。
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