多旋翼農(nóng)用植保無人機設(shè)計研究

王茜 沈樹聰 葉川源

摘要：文章對多旋翼農(nóng)用植保無人機進行了設(shè)計研究。介紹了多旋翼植保無人機的主要優(yōu)點，通過對多旋冀植保無人機的代表型號、結(jié)構(gòu)組成和使用痛點進行分析，歸納出了功能性，易懂性，耐用性，美觀性和安全性等設(shè)計準(zhǔn)則，并提出了完整的設(shè)計實踐方案。

關(guān)鍵詞：多旋冀無人機;農(nóng)業(yè);植保;設(shè)計

中圖分類號：TB472 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編碼：1672-7053（2020）04-0157-02

1 多旋翼農(nóng)用植保無人機概述

多旋翼農(nóng)業(yè)植保無人機是一種具有三個及以上旋翼軸的無人駕駛直升飛機，通過每個軸上的電動機轉(zhuǎn)動，帶動旋翼，從而產(chǎn)生推力。旋翼的軸距固定，而不像一般直升機那樣可變。通過不同旋翼之間的相對轉(zhuǎn)速，可以改變單軸推力的大小，從而控制無人機的運行軌跡。多旋翼植保無人機主要有四旋翼、六旋翼和八旋翼三種，現(xiàn)時四旋翼相對較少。

1.1主要優(yōu)點

1）操作簡便。不需要跑道并可垂直升降，隨時在空中懸停。它的操控原理簡單，只要用遙控器控制桿操控就可以實現(xiàn)前后、左右、上下和偏航方向的運動。培訓(xùn)周期短，對駕駛員的操作水平要求低。

2）可靠性高。沒有活動部件，它的可靠性基本決定于無刷電動機的可靠性，因此可靠性更高。此外，它能夠懸停，飛行范圍受控，相對更加安全。

3）部件容易更換。結(jié)構(gòu)比較簡單，若有部件損壞，容易更換。

4）環(huán)保節(jié)能。用鋰電池而非燃油進行驅(qū)動，綠色環(huán)保，更加能夠節(jié)省能源。

5）售價較低。一般一臺售價在5—10萬元，甚至更低。

6）噴藥效果好。具有較大的噴灑范圍以及良好的噴灑效果，旋翼產(chǎn)生的向下氣流有助于增加霧流對作物的穿透性，還可以對作物進行定量精準(zhǔn)噴藥，甚至單株噴藥。

1.2代表機型

如今我國植保無人機市場上多旋翼的款式較多，技術(shù)也更為完善，預(yù)計未來幾年內(nèi)，多旋翼植保無人機仍會是農(nóng)業(yè)航空植保的主力。下面列出幾款代表機型（表1）：

1.3結(jié)構(gòu)組成

在對一架多旋翼無人機進行拆解時，發(fā)現(xiàn)無人機主要由機架、支撐組件、飛行控制系統(tǒng)、推進系統(tǒng)、云臺及相機和地面遙控器組成。其中飛行控制器又稱飛控，包括控制器、陀螺儀、加速度計及氣壓計等;推進系統(tǒng)由槳翼和馬達(dá)組成，并設(shè)有電調(diào)控制器和電池，如圖1。植保無人機和普通無人機相比，除了上述結(jié)構(gòu)之外，還多了噴施組件，實現(xiàn)噴灑作業(yè)。噴施組件由藥箱、水泵、軟管、噴頭等組成，是植保無人機和其他無人機的本質(zhì)區(qū)別。在無人機飛行過程中，水泵將農(nóng)藥從藥箱中吸出并通過噴頭噴出，再利用螺旋槳旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的向下的風(fēng)場實現(xiàn)穿透性的噴施效果。

2 多旋翼農(nóng)用植保無人機設(shè)計的存在問題

1）線路和液體傳輸軟管外露。部分的植保無人機由于設(shè)計不完善，線路沒有藏匿，在作業(yè)時電線裸露在機體之外，風(fēng)吹日曬后造成老化短路現(xiàn)象，甚至有漏電風(fēng)險。液體傳輸管裸露的也不在少數(shù)，軟管使用壽命短，容易破裂，影響農(nóng)藥吸噴。

2）機體體積過大。市面上多數(shù)的多旋翼植保無人機體積都比較大，重量較重，不便攜帶、不易折疊，每次噴灑作業(yè)前需要用卡車進行運送。特別是在地形不平坦的農(nóng)地，運輸困難，給農(nóng)民造成不便。

3）電池更換頻繁。多旋翼植保無人機載荷較小，一般在5L—15L之間，電池容量小，需要頻繁起降更換電池，續(xù)航時間短，如圖2。以10L多旋翼無人機為例，單架次最少2塊電池組，作業(yè)面積1：1（10L：10畝），200畝植保作業(yè)需要飛行20次，使用（充滿電的）電池40塊，單次作業(yè)時間10 min[1]。

4）藥箱影響飛行重心。植保無人機要載藥飛行，因此，藥箱對無人機的重心影響不容忽視，會造成無人機飛行的穩(wěn)定性差。

5）農(nóng)藥藥液易沉積。由于藥箱攜帶的是農(nóng)藥藥液，藥液中一般會摻雜一些不完全溶于水的溶劑，而這些溶劑在植保無人機處于一個相對靜止的環(huán)境下會沉淀在藥箱的下方，不僅會直接影響農(nóng)藥的藥性效果，而且還從一定程度上影響植保無人機的噴灑作業(yè)。

3 多旋翼農(nóng)用植保無人機設(shè)計原則

根據(jù)使用痛點及調(diào)研情況，歸納出多旋翼植保無人機設(shè)計原則如下所述，包括功能性、易懂性、耐用性、美觀性和安全性。

1）功能性原則。當(dāng)前農(nóng)村勞動力缺乏，人工成本急劇增加，無人機的設(shè)計應(yīng)當(dāng)滿足最廣泛用戶群的使用需要，讓他們最大限度減少體力消耗，減少運輸成本，節(jié)省資源。并需要對藥箱結(jié)構(gòu)進行一定改善，解決藥物容易沉積并影響無人機重心的問題。

2）易懂性原則。農(nóng)業(yè)植保無人機的用戶大都是農(nóng)墾集團、農(nóng)機合作組織、種糧大戶、家庭農(nóng)場、農(nóng)民合作社等主體，操作人員普遍學(xué)歷不高，設(shè)計時需采用清楚、簡單、一致的標(biāo)識控制。操作步驟應(yīng)該簡單易懂，電池拆裝方式應(yīng)該更方便快捷，裝換藥水過程應(yīng)該一步到位。全機結(jié)構(gòu)應(yīng)更為精簡，便于新用戶的理解。

3）耐久性原則。無人機零部件應(yīng)該較為耐用，不需要經(jīng)常性反復(fù)更換。

4）美觀性原則。以往的植保無人機設(shè)計主要以實現(xiàn)其基本功能為主，造型比較粗糙呆板，可從設(shè)計的美學(xué)角度提升產(chǎn)品的造型美感，如利用比例、平衡、對稱、對比、統(tǒng)一、節(jié)奏、韻律等方式進行設(shè)計。植保無人機多是在農(nóng)田中使用的，與使用環(huán)境的和諧融合也非常重要。

5）安全性原則。應(yīng)藏匿線路和軟管，讓它們免于風(fēng)吹日曬，增加安全系數(shù)。另外應(yīng)在設(shè)置提醒系統(tǒng)，在遇到突發(fā)情況時，如故障、電池電量低、藥液量少時應(yīng)該有燈光和聲音提示，讓噴灑作業(yè)更加自主和安全。

4 多旋翼農(nóng)用植保無人機設(shè)計實踐

根據(jù)以上設(shè)計準(zhǔn)則，提出設(shè)計方案，并畫出草圖（圖3）。然后根據(jù)手繪圖，進一步進行修改，用RHINO軟件建模以及KEYSHOT軟件渲染模擬了三維效果（圖4），并制作了爆炸圖（圖5）。

可以看到基于設(shè)計準(zhǔn)則，這個最終方案一共有以下改善點：（1）從功能性方面來說，此無人機的尺寸為1800mm×1800mm×700mm，體積較小，具有便攜性，能用普通的汽車裝載，節(jié)省運輸成本;（2）從易懂性方面來說，此方案結(jié)構(gòu)簡單，零件并不繁雜;一鍵啟動，數(shù)據(jù)連接電腦，并通過規(guī)劃路線以及GPS定位系統(tǒng)自動作業(yè)，就算是剛開始接觸無人機的新用戶也能立刻上手;結(jié)合人機工程學(xué)原理，電池采用從上往下裝的方式，提高拆裝電池速度，能避免更換電池時旋翼的干擾、劃傷，更加高效和安全;（3）從耐久性方面來說，無人機的零件因其機身結(jié)構(gòu)合理，可以持續(xù)使用較長時間，不需要經(jīng)常更換;（4）從美觀性方面來說，此方案遵從美學(xué)原理進行設(shè)計，造型圓潤大方有科技感，配色使用綠色和白色為主，能夠和諧地融入于使用環(huán)境中。（5）從安全性方面來說，此方案把電線和管道藏匿在機架之內(nèi)，避免風(fēng)吹日曬導(dǎo)致老化;藥箱采用聚四氟乙烯耐腐蝕材料制成，避免與藥物之間產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，腳墊采用橡膠防滑材料增加摩擦力，避免落地時打滑;機頂上有紅色的提示燈，當(dāng)無人機電池電量低或藥箱內(nèi)藥量較少時，紅燈閃亮并發(fā)出聲響，提示作業(yè)機組人員進行更換。

為了驗證方案的可行性，后期將會在三維效果圖的基礎(chǔ)上制作概念模型，并進行多次實驗，對模型的不足之處進行調(diào)整。最后結(jié)合無人機的技術(shù)原理，制作實物模型。

5 結(jié)語

無人機產(chǎn)業(yè)革命成為了全球新一輪科技革命的熱點，其發(fā)展也關(guān)系到國與國之間以及民眾的利益，已經(jīng)成為整個通用航空重要的發(fā)展方向，同時也將引領(lǐng)中國新一輪的經(jīng)濟增長[2]。植保無人機現(xiàn)在已經(jīng)成為防治病蟲草害的主要手段，雖然我國對于無人機的研究仍處在起步階段，但隨著資金的投入與行業(yè)準(zhǔn)則的完善，植保無人機將會得到更為廣泛的應(yīng)用，實現(xiàn)安全、快捷、環(huán)保的作業(yè)要求。未來我國在植保無人機領(lǐng)域的發(fā)展將會達(dá)到一個領(lǐng)先水平，對植保無人機的設(shè)計研究也將會更加深入。

本文系2019年廣東大學(xué)生科技創(chuàng)新培養(yǎng)專項資金項目（攀登計劃專項）（項目編號：PDJH2019B0793）;教育部職業(yè)院校藝術(shù)設(shè)計類專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)委員會產(chǎn)品設(shè)計專門委員會2019年度課題項目“工作室+”產(chǎn)品設(shè)計實戰(zhàn)型人才培養(yǎng)體系的研究與實踐（項目編號：cpsj201904）。

參考文獻(xiàn)

[1]王呈良，劉筱筱，張舒焙.多旋翼無人植保機推廣的實踐與思考[J].湖北農(nóng)機化，2017（04）.

[2]楊檸.警用無人機造型設(shè)計研究[J].工業(yè)設(shè)計，2018（07）：49-50.

[3]周志艷，臧英，羅錫文，Lan Yubin，薛新宇.中國農(nóng)業(yè)航空植保產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展戰(zhàn)略[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2013（12）：1-9.

[4]蘭玉彬，陳盛德，鄧?yán)^忠，周志艷，歐陽帆.中國植保無人機發(fā)展形勢及問題分析[J].華南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2019，40（05）：217-225.

[5]吳小偉，茹煜，周宏平.無人機噴灑技術(shù)的研究[J].農(nóng)機化研究，2010（07）.

作者簡介

王茜/1986年生/女/廣東廣州人/碩士/講師/研究方向為工業(yè)設(shè)計、文創(chuàng)產(chǎn)品設(shè)計（廣東廣州510160）