農(nóng)用植保無人機在城市園林中的應(yīng)用分析

周冰洋　陳滿儒

摘 要：無人機作為近年來興起的高科技產(chǎn)業(yè)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于軍事、航拍攝影、電力巡檢、新聞報道等用途。無人機具有使用靈活，節(jié)約能源、提升效率等優(yōu)點。目前中國傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)正處于升級轉(zhuǎn)型階段，基于無人機的特點以及農(nóng)業(yè)的發(fā)展特點，一種新型的農(nóng)用植保無人機可能是一種較為完善的解決方案。將無人機應(yīng)用于園林不僅可以解決傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)對于農(nóng)作物生長階段觀察的不足以及各種危害農(nóng)作物生長的害蟲，還可以將噴灑農(nóng)藥與無人機結(jié)合，通過無人機噴灑農(nóng)藥，可以有效地避免因為農(nóng)藥中毒引起的傷亡，還可以提高效率，有效地提高農(nóng)藥的利用率。通過農(nóng)用植保無人機的運用可以加快促進當(dāng)前的農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)型，促進新型農(nóng)業(yè)的發(fā)展，加快新農(nóng)村的建設(shè)。

關(guān)鍵詞：植保無人機；有限元分析；ANSYS；外觀材料

一、無人機研究的現(xiàn)狀

當(dāng)代無人機是利用無線電遙控設(shè)備和自備的程序控制裝置操縱的不載人飛機。最早的無人機主要運用于軍事，它的研制成功和戰(zhàn)場運用，揭開了以遠距離攻擊型智能化武器、信息化武器為主導(dǎo)的“非接觸性戰(zhàn)爭”的新篇章。近些年來，隨著相機技術(shù)的不斷發(fā)展，越來越多的民用無人機開始進入人們的視線，伴隨著以大疆為首的一大批優(yōu)秀消費級無人機廠商的發(fā)展，航拍逐逐漸進入了人們的視線。

我國民用無人機市場大致經(jīng)歷了三個階段。第一階段的早期市場需求由軍用壟斷，控制系統(tǒng)技術(shù)不成熟，成本高。上世紀(jì)80年代初，西北工業(yè)大學(xué)D-4固定翼為地質(zhì)勘探以及地圖繪制進行了最早的嘗試。

第二階段是上世紀(jì)90年代至本世紀(jì)初，部分企業(yè)對無人機進行探索，市場開始向民用“滲透”，出現(xiàn)了較早的民用小型無人機?！跋桫B”無人直升機的主要用途就包含森林火警探測和漁場巡邏。

第三階段就是當(dāng)前的情況，民用領(lǐng)域遍地開花，消費級無人機獲得了極大的發(fā)展空間，預(yù)計未來部分軍工企業(yè)將涉足民用領(lǐng)域，依靠技術(shù)優(yōu)勢占據(jù)部分市場，民用企業(yè)也將通過技術(shù)、市場、資質(zhì)競爭優(yōu)勝劣汰，出現(xiàn)一批骨干企業(yè)。消費級無人機逐步轉(zhuǎn)變?yōu)楣I(yè)級無人機。以大疆為首的一大批民營企業(yè)獲得了極大的發(fā)展空間，消費級航拍無人機占據(jù)了大量的市場份額。

經(jīng)過幾十年的發(fā)展，當(dāng)前無人機的應(yīng)用范圍已涉及國土資源調(diào)查、環(huán)境監(jiān)測等不同領(lǐng)域。面對這一正在興起的市場，相關(guān)企業(yè)和科研結(jié)構(gòu)也紛紛進駐民用無人機領(lǐng)域。其中農(nóng)林植保和電力巡檢這兩個領(lǐng)域在目前已表現(xiàn)出較為迫切的需求趨勢，且具備較為可觀的市場規(guī)模前景。在未來一段的時間內(nèi)，無人機的發(fā)展將持續(xù)降低制造成本和學(xué)習(xí)成本。隨著技術(shù)的不斷成熟與進步，用于制造的成本費用將不斷降低，售價也將更加親民。同時無人機自主性能不斷提高，用戶學(xué)習(xí)成本下降，操作變得更加簡單易用。農(nóng)用植保無人機將改變單一的經(jīng)營模式，營收來源更加多元，減少企業(yè)風(fēng)險，擴大營收規(guī)模；目前農(nóng)用植保無人機仍是一個高風(fēng)險、高損耗的行業(yè)，無人機的使用壽命較短，容易發(fā)生機械故障，對操作人員有著專業(yè)性要求，因此在后期客戶維護中可以獲得常規(guī)性收入。

二、植保無人機市場調(diào)研及需求分析

通過對城市園林地區(qū)進行實地調(diào)研，發(fā)現(xiàn)當(dāng)前農(nóng)村隨著大量勞動力的外出務(wù)工，農(nóng)業(yè)任務(wù)逐步變得繁重，人力勞動的價格大幅度提升。通過資料整理，發(fā)現(xiàn)以下特點：

中國園林人均管理耕地面積相對較少，尤其是近年來隨著勞動力成本的提升，也需要高機械化水平來提高農(nóng)民效率。

在植物生長的不同環(huán)節(jié)中，植保的機械化程度最低，植保無人機有著巨大的發(fā)展空間。

全球植保航空作業(yè)面積比率，中國遠低于世界平均水平。在大力推進城市現(xiàn)代化的過程中，植保無人機不僅可以減少勞動力引起的勞動效率降低的問題，從市場需求端來看，隨著勞動力減少，人力成本上升，農(nóng)用植保無人機有很大的市場。

綜合來看，當(dāng)前我國農(nóng)用植保機械化程度偏低，廣大城市地區(qū)依然以手動機械方式進行噴灑農(nóng)藥，在觀察病蟲害以及作物生長情況方面仍然以人力觀察為基礎(chǔ)，對于園林植物生長不同階段的需求不能進行及時有效地觀察，農(nóng)用植保無人機在這方面有著得天獨厚的優(yōu)勢，無人機植保需求真正形成起來才會有真正的植保無人機產(chǎn)業(yè)形成。當(dāng)前農(nóng)用植保無人機服務(wù)還未形成一個成熟、完整的產(chǎn)業(yè)鏈，農(nóng)戶對于無人機植保這一新興事物的作用仍然將信將疑，而政府對于產(chǎn)業(yè)發(fā)展的支持政策仍然不夠有力。然而，從中國城市長期發(fā)展的大趨勢來看，生產(chǎn)機械化率提升，植保無人機經(jīng)濟性明顯和政策支持產(chǎn)業(yè)發(fā)展等三個方面的因素將真正促進植保無人機的發(fā)展。

植保無人機整體銷售和植保服務(wù)的市場總規(guī)模未來有望達到年均200億元，具備廣闊的發(fā)展空間。目前，隨著我國無人機植保服務(wù)行業(yè)的不斷發(fā)展，產(chǎn)品技術(shù)的逐步升級和發(fā)展模式的不斷成熟為行業(yè)增長提供了堅實的基礎(chǔ)。自2015年以來，已經(jīng)有多家上市公司瞄準(zhǔn)了植保無人機行業(yè)，通過投資、參股等方式參與這一領(lǐng)域，目前，市場仍處于爆發(fā)前期。

三、農(nóng)用植保無人機外觀結(jié)構(gòu)設(shè)計

農(nóng)用植保無人機的外觀結(jié)構(gòu)設(shè)計是一個復(fù)雜的過程，涉及多個方面，如農(nóng)藥的載重、機身材料的選擇、整機重量的影響等，在設(shè)計中，總是希望設(shè)計產(chǎn)品的各項性能都能達到最佳，既要進行農(nóng)藥噴灑量多，又要使作業(yè)速度快。但是在實際的設(shè)計過程中，設(shè)計往往不能同時兼顧這些性能，一個性能的提高可能會引起另一個性能的降低，在外觀結(jié)構(gòu)設(shè)計中如何兼顧農(nóng)用植保無人機的載重，作業(yè)高度與飛行速度等因素就成了無人機外觀結(jié)構(gòu)設(shè)計的難點。而有限元分析法就是解決多目標(biāo)設(shè)計難題的有效方法之一。

（一）植保觀測無人機外觀結(jié)構(gòu)設(shè)計

農(nóng)用植保觀測無人機的主要作用就是觀察農(nóng)作物生長情況，檢測病蟲害等信息，并對噴灑農(nóng)藥后的效果進行觀察。長期以來，農(nóng)村地區(qū)都是“靠天吃飯”，對于農(nóng)作物的生長情況沒有直觀的觀測，不能及時有效地對農(nóng)作物生長問題進行處理。這就造成了勞動力的浪費，現(xiàn)代農(nóng)業(yè)是快速、高效的發(fā)展模式。農(nóng)用植保觀測無人機既可以配合農(nóng)用植保無人機使用，在噴灑農(nóng)藥之前，通過觀察農(nóng)作物的生長情況以及噴灑農(nóng)藥后觀察藥效，及時對作物生長情況進行觀察。

農(nóng)用植保觀測無人機的整體重量較輕，可以完成較長時間的飛行觀測任務(wù)。攝像頭處于機身下面，可以進行360度的觀察，機身的設(shè)計采用輕量化設(shè)計，減少整機重量，在連接部分設(shè)計緩沖結(jié)構(gòu)，確保結(jié)構(gòu)無人機發(fā)生摔機，也可以避免進入材料損害階段，保護無人機的內(nèi)部，避免因碰撞對無人機內(nèi)部發(fā)生機械損傷，影響作業(yè)效率。

（二）植保無人機外觀結(jié)構(gòu)設(shè)計

農(nóng)用植保無人機的外觀結(jié)構(gòu)設(shè)計主要包括起落架的折疊設(shè)計，藥箱外殼設(shè)計以及輕量化機身設(shè)計?？烧郫B式起落架有助于無人機的起飛和降落，緩沖無人機落地瞬間的沖擊力，保護無人機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，通過內(nèi)置藥箱的設(shè)計不僅可以避免各種突發(fā)狀況對藥箱造成的損害，還可以增強產(chǎn)品的安全性，避免藥箱脫落等意外情況。輕量化機身設(shè)計則是進一步保護機身結(jié)構(gòu)，避免發(fā)生碰撞時機身材料所受的沖擊力處于材料的破害階段，對機身造成較大的危害。

設(shè)計方案采用藥箱內(nèi)置，可折疊起落架，輕量化機身等設(shè)計，采用多旋翼的設(shè)計方式，確保無人機的有效載重，增加無人機的續(xù)航時間，提高作業(yè)效率。

農(nóng)用植保無人機主要分為農(nóng)用植保觀測無人機與噴灑用農(nóng)藥無人機。通過有限元分析先對材料、飛行速度、高度、整機重量等進行分析，對無人機的設(shè)計參數(shù)進行指導(dǎo)。在設(shè)計過程中，通過ANSYS仿真分析，對設(shè)計方案不斷進行調(diào)整，確保設(shè)計方案符合設(shè)計需求。方案設(shè)計圍繞“無人機碰撞分析”進行展開，確保無人機設(shè)計的安全性，縮短設(shè)計周期。

四、結(jié)語

本文通過對無人機在國內(nèi)外的研究狀況和城市園林的特點進行分析，對植保無人機在城市園林的農(nóng)藥噴灑、生長狀況觀察方面具有重要的意義。無人機對于城市園林方面的意義在于不僅可以有效地觀察植物的生長狀況，預(yù)防病蟲害對于植物的危害，在噴灑農(nóng)藥方面還可以提高效率，減少因噴灑農(nóng)藥對人體造成的傷害，這些對于城市的發(fā)展有著重要的意義。

參考文獻：

[1]彭國勛.物流運輸包裝設(shè)計[M].北京：印刷工業(yè)出版社.2012.

[2]周德高，衛(wèi)家駿，楊小軍.基于ANSYSY-PDS模塊的集裝箱結(jié)構(gòu)可靠性分析[J].物流科技，2014，（03）.

[3]艾志久，徐云.ANSYS軟件接口開發(fā)應(yīng)用實踐[J].2000 ANSYS中國用戶年會論文集，2000：559-563.

[4]王建清.包裝材料學(xué)[M].北京：國防工業(yè)出版社，2004；

[5]楊俊.ANSYS Workbench軟件在集裝箱靜力分析中的應(yīng)用[J].集裝箱化，2011，（04）：27-29.

[6]許本文，焦群英.機械振動與模態(tài)分析基礎(chǔ)[M].北京：機械工業(yè)出版社，1998.

作者簡介：

周冰洋，陜西科技大學(xué)碩士研究生，研究方向：工業(yè)設(shè)計。

陳滿儒，陜西科技大學(xué)教授，研究方向：包裝設(shè)計。