植保無人機(jī)設(shè)備專利技術(shù)分析

賀萌萌，譚啟龍

（國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作河南中心，鄭州 450000）

植保施藥設(shè)備經(jīng)歷了由背負(fù)式人工噴霧機(jī)到背負(fù)式電動(dòng)噴霧機(jī)，再到自走式噴桿噴霧機(jī)，最后到植保無人機(jī)的演變。1990 年，日本山葉公司率先推出世界上第一架投入農(nóng)業(yè)噴灑實(shí)踐的無人直升機(jī)，此后，無人機(jī)在日本農(nóng)林業(yè)方面得到迅速發(fā)展，而我國(guó)植保無人機(jī)技術(shù)發(fā)展相對(duì)較晚。2008 年，由農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所、總參謀部第六十研究所、中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究院、中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)和南京林業(yè)大學(xué)等單位共同承擔(dān)的科技部國(guó)家“863”計(jì)劃項(xiàng)目“水田超低空低量施藥技術(shù)研究與裝備創(chuàng)制”進(jìn)入執(zhí)行階段，標(biāo)志著我國(guó)科研機(jī)構(gòu)正式開始探索植保無人機(jī)航空施藥技術(shù)[1]。植保無人機(jī)因其具有作業(yè)效率高、成本低、節(jié)水、節(jié)藥和人藥分離等特點(diǎn)，且可以于水田、丘陵山地、林地濕地等地面裝備難以進(jìn)入的區(qū)域內(nèi)作業(yè)，從而在國(guó)內(nèi)外被廣泛研究應(yīng)用[2]。

為了全面了解全球范圍內(nèi)關(guān)于植保無人機(jī)的專利申請(qǐng)情況，為本領(lǐng)域技術(shù)人員的研究探討提供參考，本文采用中國(guó)專利文摘數(shù)據(jù)庫(kù)（CNABS）進(jìn)行中文專利檢索，并采用外文數(shù)據(jù)庫(kù)（VEN）進(jìn)行外文專利檢索，對(duì)植保無人機(jī)設(shè)備專利申請(qǐng)情況進(jìn)行相關(guān)分析，檢索截止時(shí)間為2023 年3 月15 日。由于未公開的專利申請(qǐng)無法在專利庫(kù)中得到有效檢索，因此，下述分析中關(guān)于2021—2023 年度的相關(guān)數(shù)據(jù)存在不完整的問題，并不代表相關(guān)年度的真實(shí)情況。其次，CNABS 和VEN 數(shù)據(jù)庫(kù)通過MEMS 命令對(duì)指定字段中的內(nèi)容進(jìn)行提取儲(chǔ)存排序時(shí)，存在儲(chǔ)存數(shù)據(jù)量有限的問題，因此，下述關(guān)于國(guó)內(nèi)外主要申請(qǐng)地區(qū)和主要申請(qǐng)人的數(shù)據(jù)分析中，采用2020 年度數(shù)據(jù)作為代表數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)梳理。

1 國(guó)內(nèi)外植保無人機(jī)專利申請(qǐng)態(tài)勢(shì)分析

1.1 國(guó)內(nèi)外植保無人機(jī)專利申請(qǐng)量趨勢(shì)分析

如圖1 所示，國(guó)內(nèi)植保無人機(jī)專利申請(qǐng)發(fā)展分為2 個(gè)階段：一是起步階段，2008 年以前我國(guó)仍處于植保無人機(jī)研究探索空白期，專利申請(qǐng)量為0 件，隨著2008 年科技部國(guó)家“863”計(jì)劃項(xiàng)目“水田超低空低量施藥技術(shù)研究與裝備創(chuàng)制”的順利執(zhí)行，預(yù)示著我國(guó)的植保無人機(jī)事業(yè)進(jìn)入起步階段。二是快速發(fā)展階段，2014—2020 年，我國(guó)植保無人機(jī)的專利申請(qǐng)量呈快速發(fā)展趨勢(shì)，政府各部門的相關(guān)利好政策是促進(jìn)我國(guó)植保無人機(jī)大發(fā)展的主要原因，如2014 年的中央1號(hào)文件提出了“推進(jìn)農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新”“加快農(nóng)用航空建設(shè)”相關(guān)精神要求[3]，各地區(qū)積極響應(yīng)國(guó)家號(hào)召，相繼出臺(tái)了植保無人機(jī)購(gòu)置補(bǔ)貼政策，促進(jìn)了植保無人機(jī)領(lǐng)域的研究發(fā)展。相較國(guó)內(nèi)而言，國(guó)外植保無人機(jī)研究時(shí)間更早，其專利申請(qǐng)量發(fā)展態(tài)勢(shì)與國(guó)內(nèi)基本相同。

圖1 國(guó)內(nèi)外植保無人機(jī)專利申請(qǐng)量趨勢(shì)

1.2 國(guó)內(nèi)植保無人機(jī)專利申請(qǐng)人及所在地區(qū)情況分析

如圖2 所示，列舉了2020 年國(guó)內(nèi)關(guān)于植保無人機(jī)專利申請(qǐng)量排名前七的地區(qū)。其中，廣東省位居首位，專利申請(qǐng)量共計(jì)156 件，其次是江蘇省和河南省，專利申請(qǐng)量分別為153 件和89 件，分析原因主要有2 點(diǎn)。第一，實(shí)際需求層面，廣東省尤其是粵北山區(qū)，其地形以山地丘陵為主，河谷盆地分布其中，平原、臺(tái)地占20%，森林面積覆蓋廣，且擁有不少百畝以上的農(nóng)業(yè)種植大戶，種植大戶對(duì)植保的需求大，現(xiàn)有的傳統(tǒng)植保機(jī)械不足以滿足實(shí)際的作業(yè)需求，農(nóng)戶對(duì)現(xiàn)代化機(jī)械需求力強(qiáng)。第二，政策扶持層面，2014 年，江蘇省和河南省均在財(cái)政方面給予植保無人機(jī)購(gòu)機(jī)補(bǔ)貼[4]，2017年，農(nóng)業(yè)部辦公廳、財(cái)政部辦公廳、中國(guó)民用航空局綜合司印發(fā)了《關(guān)于開展農(nóng)機(jī)購(gòu)置補(bǔ)貼引導(dǎo)植保無人飛機(jī)規(guī)范應(yīng)用試點(diǎn)工作的通知》，此后到2019 年，安徽、湖北、浙江和山東等多個(gè)省出臺(tái)了植保無人機(jī)補(bǔ)貼政策，中央到地方的一系列政策支持，使得公眾意識(shí)到了植保無人機(jī)的發(fā)展優(yōu)勢(shì)，專利申請(qǐng)積極性也得到了顯著提高。

圖2 2020 年度國(guó)內(nèi)植保無人機(jī)主要地區(qū)專利申請(qǐng)量

如圖3 所示，列舉了2020 年度國(guó)內(nèi)植保無人機(jī)申請(qǐng)量排名靠前的申請(qǐng)人，可以看出，深圳市大疆創(chuàng)新科技有限公司、河南正大航空工業(yè)股份有限公司及廣州極飛科技有限公司等企業(yè)在創(chuàng)新能力和技術(shù)研究上處于領(lǐng)先地位。對(duì)比圖2 可知，植保無人機(jī)專利申請(qǐng)量比較靠前的地區(qū)，同樣具有研發(fā)能力比較高的企業(yè)，該地區(qū)對(duì)該類設(shè)備的需求度更高。

圖3 2020 年度國(guó)內(nèi)植保無人機(jī)主要申請(qǐng)人專利申請(qǐng)量

1.3 國(guó)外植保無人機(jī)專利申請(qǐng)主要國(guó)家地區(qū)情況分析

如圖4 所示，列舉了2020 年國(guó)外關(guān)于植保無人機(jī)專利申請(qǐng)量排名前七的國(guó)家。其中，美國(guó)位居首位，專利申請(qǐng)量為111 件，其次是韓國(guó)和日本，專利申請(qǐng)量分別為80 件和75 件。國(guó)情的實(shí)際需求和政府的扶持引導(dǎo)是促進(jìn)各國(guó)植保無人機(jī)研究發(fā)展的主要原因，如美國(guó)地形主要呈現(xiàn)大地塊，植保無人機(jī)可以更便捷地解決大部分需求，65%的植保作業(yè)由飛機(jī)承擔(dān)，且美國(guó)在植保無人機(jī)使用上，監(jiān)管政策不斷放寬，使得無人機(jī)技術(shù)得到持續(xù)穩(wěn)步發(fā)展；韓國(guó)農(nóng)村人口占比少，農(nóng)用土地占比多，且三分之二的耕地為水田，超過一半的耕地面積采用無人機(jī)作業(yè)，且韓國(guó)各地方的農(nóng)協(xié)會(huì)擁有全國(guó)80%的農(nóng)用無人機(jī)，為農(nóng)耕地的統(tǒng)一作業(yè)提供了便利性；日本作為世界上應(yīng)用植保無人機(jī)最早的國(guó)家，也是利用無人機(jī)進(jìn)行農(nóng)業(yè)作業(yè)最廣的國(guó)家，其以水稻種植為主，且農(nóng)耕地塊小，山地地形多，普通的大型機(jī)械難以進(jìn)行植保作業(yè)，對(duì)植保無人機(jī)的需求度高。

圖4 2020 年度國(guó)外植保無人機(jī)主要地區(qū)專利申請(qǐng)量

1.4 國(guó)內(nèi)外植保無人機(jī)專利申請(qǐng)?jiān)O(shè)備類型情況分析

目前，植保無人機(jī)產(chǎn)品眾多，從升力部件類型劃分，主要有固定翼、單旋翼和多旋翼植保無人機(jī)，從動(dòng)力結(jié)構(gòu)類型劃分，主要有電動(dòng)、油動(dòng)和混合動(dòng)力植保無人機(jī)。

如圖5 所示，從升力部件類型來看，多旋翼植保無人機(jī)的專利申請(qǐng)量最多，國(guó)內(nèi)外專利申請(qǐng)量分別達(dá)到1 312 和1 362 件，其次是固定翼植保無人機(jī)，國(guó)內(nèi)外專利申請(qǐng)量分別為100 和129 件，最后是單旋翼植保無人機(jī)，國(guó)內(nèi)外專利申請(qǐng)量分別為53 和55 件，可見國(guó)內(nèi)外應(yīng)用最多的是多旋翼植保無人機(jī)。這與各種升力植保無人機(jī)的應(yīng)用特點(diǎn)有關(guān)：固定翼植保無人機(jī)續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)、飛行穩(wěn)定性好，但必須有起降專用跑道；單旋翼植保無人機(jī)可垂直起降，無需跑道，飛行靈活，續(xù)航時(shí)間較長(zhǎng)，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造和維護(hù)成本高；多旋翼植保無人機(jī)成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作和維修保養(yǎng)簡(jiǎn)單、能垂直且快速起降、容錯(cuò)性強(qiáng)[5]。

圖5 國(guó)內(nèi)外不同升力結(jié)構(gòu)植保無人機(jī)專利申請(qǐng)量

如圖6 所示，國(guó)內(nèi)外多旋翼植保無人機(jī)中關(guān)于電動(dòng)系統(tǒng)的專利申請(qǐng)占比分別為92%和85%，關(guān)于油動(dòng)系統(tǒng)的專利申請(qǐng)占比分別為6%和13%，關(guān)于混合動(dòng)力系統(tǒng)的專利占比分別為2%和2%，可見國(guó)內(nèi)外多旋翼植保無人機(jī)中應(yīng)用最多的是電動(dòng)系統(tǒng)，這與多旋翼植保無人機(jī)的應(yīng)用特點(diǎn)有關(guān)：多旋翼無人機(jī)在應(yīng)用時(shí)，要求多個(gè)旋翼的轉(zhuǎn)速在平衡時(shí)必須一致，同型號(hào)的電機(jī)容易實(shí)現(xiàn)該功能，而多個(gè)內(nèi)燃機(jī)不容易協(xié)調(diào)一致，并且相對(duì)位置的旋翼需要正反轉(zhuǎn)配置，這也是內(nèi)燃機(jī)很難做到的，由此可見多旋翼電動(dòng)植保無人機(jī)具有較高的研究?jī)r(jià)值和創(chuàng)新優(yōu)勢(shì)。

圖6 國(guó)內(nèi)外不同動(dòng)力系統(tǒng)多旋翼植保無人機(jī)專利申請(qǐng)占比

2 多旋翼電動(dòng)植保無人機(jī)結(jié)構(gòu)改進(jìn)專利分析

多旋翼電動(dòng)植保無人機(jī)雖然在應(yīng)用上具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，然而因其以電力作為驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，同時(shí)具有耗電、續(xù)航時(shí)間較短、載藥量少和有墜落風(fēng)險(xiǎn)等弊端，本文通過對(duì)多旋翼電動(dòng)植保無人機(jī)相關(guān)專利進(jìn)行梳理，對(duì)重點(diǎn)專利申請(qǐng)及重點(diǎn)申請(qǐng)人的改進(jìn)路線進(jìn)行分析。

2.1 動(dòng)力系統(tǒng)的改進(jìn)

CN106347648A 公開了一種油電混合多旋翼植保無人機(jī)，由發(fā)動(dòng)機(jī)為主旋翼直接提供動(dòng)力，飛行時(shí)間更長(zhǎng)久，載荷更大，由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)輔助旋翼旋轉(zhuǎn)，輔助旋翼負(fù)責(zé)保持飛行時(shí)的平衡以及飛行姿態(tài)的調(diào)整，省去了尾梁、尾翼及螺旋槳到尾翼的傳動(dòng)裝置，整機(jī)結(jié)構(gòu)極其簡(jiǎn)化，自重大大降低；CN216546689UU 涉及一種安裝有太陽(yáng)能板的植保無人機(jī)，通過太陽(yáng)能輔助供電，提高無人機(jī)的續(xù)航能力。

2.2 旋翼結(jié)構(gòu)的改進(jìn)

CN216186002U 公開了一種多旋翼無人機(jī)，該無人機(jī)在機(jī)身上安裝導(dǎo)流翼，可以引導(dǎo)氣體附著在機(jī)身的表面流動(dòng)，減少氣體在機(jī)身附近產(chǎn)生的分離渦流，從而減少氣體在機(jī)身產(chǎn)生的阻力，有效降低能耗；CN216636804U 公開了一種多旋翼無人機(jī)，通過在機(jī)臂上設(shè)置凸起，當(dāng)多旋翼無人機(jī)前飛時(shí)，使得氣流在流過凸起到達(dá)機(jī)臂的上表面和機(jī)臂的下表面時(shí)盡量附壁，降低槳葉前飛工況的槳頻，降低前飛阻力以提升前飛續(xù)航時(shí)間和航程。

2.3 零件結(jié)構(gòu)及材質(zhì)的改進(jìn)

CN215285254U 公開了一種多旋翼飛行器，其驅(qū)動(dòng)電機(jī)包括轉(zhuǎn)動(dòng)部和上蓋，通過上蓋與驅(qū)動(dòng)電機(jī)以及螺旋槳連接，不需要額外設(shè)置槳座，減少了零件的數(shù)量，且上蓋采用質(zhì)量較輕的材料，減輕了動(dòng)力裝置重量；CN210503170U 提供一種具有微型氣泵和沖囊結(jié)構(gòu)的植保無人機(jī)，在無人機(jī)因電力不足墜落時(shí)，能夠啟動(dòng)傘罩保護(hù)功能、防止墜落，同時(shí)微型氣泵重量輕，不會(huì)過度加大無人機(jī)重量，提高了無人機(jī)的實(shí)用性。

3 結(jié)論

通過上述分析可以看出，植保無人機(jī)的研究發(fā)展與地區(qū)的實(shí)際需求密切相關(guān)，不但在人口少、耕地多、面積廣和大地塊等地區(qū)得到了廣泛應(yīng)用，而且對(duì)于具有山地、丘陵等常規(guī)機(jī)械難以進(jìn)入的耕地地區(qū)也同樣適用。同時(shí)，在無人機(jī)的研究及使用推廣上，國(guó)家政策的扶持引導(dǎo)同樣起到了關(guān)鍵作用，如政府補(bǔ)貼或是監(jiān)管政策的適當(dāng)放寬都會(huì)促進(jìn)植保無人機(jī)的研究及應(yīng)用。其中，國(guó)內(nèi)外研究和應(yīng)用最多的是多旋翼電動(dòng)植保無人機(jī)，這與多旋翼植保無人機(jī)的結(jié)構(gòu)和使用特點(diǎn)存在密切關(guān)系，對(duì)于多旋翼電動(dòng)植保無人機(jī)，建議重點(diǎn)研究如何提高載藥量少、續(xù)航時(shí)間較短等問題。最后應(yīng)當(dāng)注意，日本、美國(guó)、韓國(guó)等國(guó)家對(duì)植保無人機(jī)的研究較早，且技術(shù)相對(duì)成熟，建議我國(guó)企業(yè)在研發(fā)和申請(qǐng)專利時(shí)，對(duì)相關(guān)專利申請(qǐng)現(xiàn)狀進(jìn)行梳理，合理規(guī)避現(xiàn)有專利技術(shù)。