36氪研究院 2022年中国农业无人机行业洞察报告

近年来，随着大批农村适龄劳动力向城市转移，面对大片良田，我国农业生产经营者利用自动化机械完成生产的需求显著增加。在利好政策的助推下，农业无人机成为推进农业机械化的重要举措之一，技术水平、普及程度和市场规模大幅提升。未来，随着数字化、智能化技术与无人机产品和农业场景深度融合，农业无人机有望为智慧农业赋能，有效加快农业现代化建设，助力乡村振兴。

1、发展环境

政策环境：政策多维发力促进农业无人机研发应用

近年来，我国颁布系列政策鼓励农业无人机发展。一方面，着力推动农业无人机研发和制造水平提升。2022年2月，中共中央、国务院印发《关于做好2022年全面推进乡村振兴重点工作的意见》，提出应提升农机装备研发应用水平，将高端智能机械研发制造纳入国家重点研发计划并予以长期稳定支持。另一方面，为农业无人机购置提供补贴。2017年起，我国实施了农机购置补贴引导植保无人机规范应用试点工作，2020年广西、广东等20个试点省份共申请中央财政补助资金2.23亿元，补贴购置植保无人九千余台。《2021-2023年农机购置补贴实施指导意见》提出，我国将全面开展植保无人驾驶航空器购置补贴工作，进一步强化财政支持力度。

技术环境：无人机通用技术成熟，新基建提供基础支撑

尽管我国农业无人机产业起步时间较晚，但近年来在政府、高校、科研单位、企业等积极探索下，无人机相关技术发展迅速。一是我国无人机研发可为农业无人机提供通用零部件和系统开发基础。我国自20世纪50年代正式开始研制无人机，主要发力领域在军用领域。当前，我国飞行器研发制造、飞控系统等通用技术和产品已达到世界一流水平，而军事无人机技术的部分民用化可降低农业无人机的研发门槛。二是5G等新基建为无人机农业应用提供了稳定的通信环境支持，同时芯片、传感器、电池、摄像装置等无人机零部件技术的革新也带动整机成本下降，推动了农业无人机的应用和普及。

2、发展现状

产业链结构：由上游软硬件供应商和设计测试商、中游农业无人机品牌商及下游流通和应用端构成

产业链上游为软硬件供应商和设计测试商。 硬件供应商主要提供主控芯片、电池、云台等产品，软件供应商主要提供航测软件、无人机云系统等服务；设计测试商负责提供总体设计和集成测试等服务。当前，我国主控芯片、单片机、陀螺仪等飞控部件自主研发水平较低，80%以上的高端零部件来源于海外领先厂商。

中游为农业无人机品牌商，也是整个产业链的核心环节 ，整合上游软硬件基础上为下游的用户提供无人机产品、培训、保险、金融、植保等服务。目前市场份额最大的两家厂商为大疆创新与极飞科技。农业无人机整机产品以植保无人机、遥感无人机为主，应用场景集中在植后管理环节的打药作业、农田测绘和虫害分析等方面，无人机播种、追肥、投饲等场景待进一步开发。

下游是流通和应用端，主要包括经销商、服务团队和农业生产经营者。 其中服务团队是指批量采购无人机并为农业生产提供飞防植保等系统作业服务的专业团队，随着农业无人机商业模式创新，服务团队的组织形式和业务模式也在不断创新迭代。农业生产经营者包括从事农业生产的个人和农业生产经营组织。

市场规模：整体规模处于高速增长阶段，区域市场分布不均

我国作为农业大国，拥有20亿亩基本农田，每年需要大量农业机械进行辅助田间作业。随着无人机在农业领域应用场景拓展，近年来我国农业无人机市场规模呈现快速增长态势。Forest&Sullivan数据显示，2020年-2021年我国农业无人机市场规模增长迅猛，2021年市场规模达到28.63亿元，同比增长率为124.2%。随着农机补贴政策升级和无人机智能化发展应用，我国农业无人机市场有望进一步打开。2022年-2025年，我国农业无人机市场将保持稳定增长，预计2025年市场规模可达115亿元。

我国地域辽阔、农业自然条件差异极大，导致当前农业无人机区域市场分布不均。土地平坦广阔的黑龙江、新疆等地农业无人机市场普及程度较高，而地势崎岖、地块较小、人口密集地区市场有待进一步开发，未来发展潜力较大。千寻位置数据显示，2021年我国新疆飞防渗透率达到80%，而重庆仅为1%。

技术路线：多系统多路线并行发展，电动无人机成为主流产品

农业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/播撒系统等。动力系统 为无人机提供动力能源，主要分为油动和电动系统两种类型，其中油动系统多采用进口发动机；电动机具备成本低、稳定性强等优点，是目前市场上的主流产品。当前电池续航多在30分钟以内，随着锂电池技术发展和石墨烯等材料应用，农业无人机续航时间有望提升至1小时以上。飞控系统 为无人机整个飞行过程提供控制与决策。在定位与导航上，GNSS导航定位和RTK定位技术成为主流技术；在航向测定上，部分厂商采用双天线或组合导航系统以提高航向精度和抗干扰性。在避障上，常见技术包括RTK技术、超声波测距、单目和双目传感器、微波雷达、飞行时差测距等。国内农业无人机飞控系统产品处于世界领先地位，代表性产品包括极飞科技SUPERX2农业飞控、大疆A2&A3飞控和一飞智控Finix200M等。喷洒系统 是无人机中用于喷洒农药防治病虫害的功能系统，其中喷头技术主要分为液力式雾化、离心式雾化2种路线，我国在此基础上研究出旋转式液力雾化、静电液力雾化等多种新型喷头，满足高精准作业场景需求。

3、发展展望

行业集中度持续提升，配套服务成为企业布局重要方向

近年来，农业无人机行业发展迅速，企业数量增多，竞争较为激烈。随着行业规范准则的设立与逐步完善，农业无人机行业准入壁垒将逐渐提升，已在行业内取得一定成效的企业将具备先发优势，行业集中度将逐渐提升，品牌格局逐渐呈现二八分布。行业企业将主要在产业链中游发力，从承载力、续航能力、药液漂移、降低环境影响等方面着力提升农业无人机性能。同时，无人机配套服务（如农业大数据服务平台、农业物联网等）也将成为企业布局的重要方向，为未来农场提供更高精度的地理信息、农作物成长监测等数据以及智能化植保方案，提高作物产量和质量。

新一代信息技术融合创新勾勒智慧农业发展前景

当前，我国农业生产已经进入机械化为主导的新阶段。中国农业机械化协会数据显示，2021年，全国农作物耕种收综合机械化率超过72%。未来，发展农机大数据和智慧农机装备是我国农业机械化和农机产业转型升级的重要方向。无人机有望与智能技术、农艺制度、农业经营、农田建设等进一步融合，更深入地介入农业领域，影响农业全行业链条，支撑智慧农业发展。如“无人机+感应器+大数据”在农业领域融合应用，可形成多层次、全方位的“农业地图”，将土壤信息、作物信息、气候信息和农户信息汇总和分析，进一步深度参与农业全流程作业，形成农业领域智慧化系统解决方案。

36氪研究

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公众号

用单片机设计自由摆的平板控制系统

本文采用角度传感器，运算放大器，AD转换器采集平板变化信息，通过单片机，产生脉冲信号，控制电机模块驱动步进电机带动平板转动，摆杆角度越大步进电机转过的角度越大，从而控制平板状态基本保持水平，实现自由摆得平板控制。

1 自由摆的平板系统基本组成原理

根据自由摆的平板控制系统的设计要求，电机控制平板，当摆杆移动时要保持平板的平衡，因此需要采用传感器获得摆杆移动的角度值，再通过电机控制平板旋转相应的角度，从而保持平板的水平位置。其基本组成框图原理如下：

采用日本村田公司的ENV05G陀螺传感器，安装于平板，以获得平板的位置和姿态信息。

当摆杆移动时，平板的水平位置会发生变化，此信号通过调理电路输入到AD0809转换器，单片机获得摆杆的变化信息，控制TA8435芯片，使摆杆上的电机也作相应的旋转，及时调整平板变化位置，从而使平板基本保持水平的位置。

2 硬件电路的设计

硬件电路设计包括：传感器与信号采集电路，单片机控制电机电路。

1 传感器采用日本村田公司的ENV05G陀螺传感器，通过检测，测量角度，实现运动物体的位置控制和姿态控制，它具备高可靠性，高精度，快响应，低噪音特点。

其输出到传感器外围调理电路，是一个由LM324运放组成的二阶压控源RC低通滤波器，信号从同相端输入，具有较高的输入阻抗，放大器的增益为：Auf=1+Rf/R1=1+33k/56k=1.589。输出信号首先经R1，R3分压，分压比为：56/(33+56)=0.629调理电路放大倍数为：0.629*1.589=1，传感器信号调理电路输出即为角度传感器能够输出的角度范围值。设计中将角度传感器放在摆杆上，从静止开始来回旋转，即可得到摆杆的实时角速度值，再通过软件处理输出角度值。

由于陀螺仪传感器输出为模拟信号，处理器单片机要想使用其提供的信息，必须进行A/D转换，把模拟信号转变为数字信号，从而实时得到角速度值。将运算放大器Vout输入给0809的IN0，将电压模拟信号转变为与之对应相等的数字信号，输入给单片机进行数据处理。OE端为高电平时，才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。

AD0809的数据输出公式为：Vout=Vin*255/5=Vin*51,其中Vin为输入模拟电压，Vout为输出数据。ALE为地址锁存允许输入线，高电平有效。CLK为时钟输入信号线。ADC0809内部无时钟电路，本设计中用单片机给ADC0809提供时钟信号，减少硬件电路。将A/D转换输出OUT口与单片机P2口相连，单片机接收的输入数字角速度量。

A/D转换，单片机电路

2 单片机控制步进电机电路的设计

电机选择42BYGHW208型步进电机，此电机是两相四线制，体型较小，力矩可以满足要求。步进电机整步工作情况下，距角为1.8°，所以一个脉冲使电机转动1.8°。单片机电路，AD换后的数字信号交由单片机处理。由θ传=θ电机 ，通过控制步进电机输入脉冲频率控制其转动的角度，即可以基本实现要求，使平板在摆杆一个周期内转一圈，五个周期转五圈，也可以保持电机角度与摆杆角度相等，以此实现基本要求，使平板保持水平，实现硬币不能掉下的任务。

自由摆得平板控制软件设计

1 使平板随着摆杆的摆动而旋转：预计摆杆摆动一个周期所需的时间t，以此作为平板旋转一周的时间，则电机的角速度为360/t deg/s，因为电机步进角为1.8度，故所需脉冲频率360/(t*1.8)。以此计算出定时器的中断次数N，即可控制平板随着摆杆的摆动而旋转，摆杆摆一个周期，平板旋转一周。

2 使平板保持水平：开始——传感器电压增加——单片机控制电机左转，根据传感器输出电压幅值大小确定定时器定时时间，从而确定频率，从而控制步进电机的转速。

3 用手推摆杆至50度，激光笔照射程序：推动摆杆至某一固定位置，由三角形角度关系及正余弦定理确定电机所需旋转角度，从而确定电机所需脉冲数目。由单片机产生100HZ的定时中断，由程序设置中断的数目，从而控制步进电机转过的角度。

实际测试结果与分析

1 测试器材

量角器、硬币、激光笔、卷尺、靶纸（A4打印纸）

2 测试方法

测试方法：将摆杆拉至某一规定位置，观察平板运动，观察平板上的硬币数目，观察激光灯打在靶纸上的位置，逐渐调整程序，减小误差。

基本要求测试：先通过简单的目测大致判断出自由摆与平台的转动一周的周期是否相等。对程序进行初步的调整然后使用秒表分别测出自由摆与平台转动一周的时间是否相等。再次对程序进行仔细的调整，使得自由摆转动一周时平台也恰巧转动一周。

结果：初步调整时，对电机的控制不精确使得转动误差较大，经过仔细调整平台与自由摆基本上同步。

接通电源，摇晃自由摆，并观察角度传感器读数是否正确，若正确则接上电机，用手推动摆杆至30到45度，调整平板角度，在平板稳定中心放置一枚１元硬币，启动后放开摆杆让其自由摆动。在摆杆滑动过程中，要求控制平板状态，使硬币在5个摆动周期中不从平板上滑落。观察是否会滑离平板的中心位置。

步进电机反应太慢导致硬币滑落，经仔细研究摆动原理并更改程序终于使一枚硬币平稳的放在平台中央未见滑落。完成了要求二。

接通电源，先检测角度传感器是否正常，若正确则接上电机，用手推动摆杆至45到60度，调整平板角度，在平板中心稳定叠放8枚1元硬币。启动后放开摆杆让其自由摆动。在摆杆摆动过程中，要求控制平板状态使硬币在摆杆的5个摆动周期中不从平板滑落，观察是否有硬币掉落以及是否保持叠放状态。

由于硬币增多导致平板负重增加，并且硬币间容易滑落导致失败。经过长时间反复思考并修改程序终于能够基本实现要求三。

结语

使用51单片机结合相应的传感器，数据采集和电机控制实现自由摆的平板控制，电路实现简单可靠，传感器数据采集与处理方法实用，是解决自由摆的平板控制一种方法，取得较好效果。

（编自《电气技术》，原文标题为“基于自由摆的平板控制系统”，作者为王宁、段卓琳。）

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