四旋翼無(wú)人機(jī)在農(nóng)業(yè)植保領(lǐng)域的應(yīng)用與實(shí)踐

王立濤，雷 瓊

(陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 咸陽(yáng) 712000)

1 民用無(wú)人機(jī)的應(yīng)用現(xiàn)狀

自20世紀(jì)末以來(lái)，日本率先將無(wú)人機(jī)應(yīng)用于民用市場(chǎng)之后，世界各國(guó)都相繼開(kāi)展本國(guó)獨(dú)具特色的無(wú)人機(jī)藍(lán)圖。無(wú)人機(jī)市場(chǎng)在經(jīng)過(guò)三次浪潮之后，民用無(wú)人機(jī)被廣泛運(yùn)用到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、森林防火、地震災(zāi)害監(jiān)測(cè)、攝影等各個(gè)領(lǐng)域[1]。該行業(yè)顯然是一個(gè)行情看漲的朝陽(yáng)行業(yè)，根據(jù)全球民用無(wú)人機(jī)與國(guó)內(nèi)民用無(wú)人機(jī)融資對(duì)比表數(shù)據(jù)可以看到，融資資金增長(zhǎng)很快，如表1所示。根據(jù)前瞻產(chǎn)業(yè)研究院發(fā)布的《2018—2023年中國(guó)無(wú)人機(jī)行業(yè)市場(chǎng)需求預(yù)測(cè)及投資戰(zhàn)略規(guī)劃分析報(bào)告》預(yù)測(cè)，我國(guó)民用無(wú)人機(jī)產(chǎn)品銷售和服務(wù)總體市場(chǎng)規(guī)模到2020年將達(dá)到465億元，2025年將達(dá)750億元。根據(jù)以上數(shù)據(jù)可以看出，全球民用無(wú)人機(jī)市場(chǎng)處于持續(xù)上升的走勢(shì)，國(guó)內(nèi)民用無(wú)人機(jī)的前景也越來(lái)越廣闊。其中，消費(fèi)類無(wú)人機(jī)占無(wú)人機(jī)市場(chǎng)很大的市場(chǎng)份額。隨著科技的發(fā)展，消費(fèi)類無(wú)人機(jī)的功能日益完善，無(wú)人機(jī)將向?qū)I(yè)化、個(gè)性化方向發(fā)展，同時(shí)伴隨企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)強(qiáng)烈的問(wèn)題也具有潛在的機(jī)會(huì)[2]。

表1 全球民用無(wú)人機(jī)與國(guó)內(nèi)民用無(wú)人機(jī)融資對(duì)比表

2 四旋翼無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)方案及關(guān)鍵技術(shù)

四旋翼無(wú)人機(jī)是一款具有噴灑功能的無(wú)人機(jī)。主要用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的農(nóng)藥噴灑、灌溉噴灑作業(yè)；也可用于城市環(huán)保綠化部門(mén)噴灑作業(yè)；其功能也可拓展到空中除塵、林業(yè)防火監(jiān)控、凈化空氣等領(lǐng)域，可實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用。根據(jù)實(shí)際需要和節(jié)約成本要求，其設(shè)計(jì)方案采用四旋翼設(shè)計(jì)，并且四個(gè)懸臂可進(jìn)行折疊[3]。

其關(guān)鍵技術(shù)為：通過(guò)三維數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)設(shè)計(jì)機(jī)體，運(yùn)用3D打印技術(shù)和機(jī)械加工技術(shù)進(jìn)行制造。使用三維數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行外觀設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，優(yōu)化機(jī)體結(jié)構(gòu)；使用3D打印技術(shù)對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行快速增材制造，降低在制造過(guò)程需要開(kāi)模的成本問(wèn)題；使用機(jī)械加工技術(shù)制作無(wú)人機(jī)的基本零、部件，增加無(wú)人機(jī)的強(qiáng)度和剛性[4-5]。

3 設(shè)計(jì)制作過(guò)程

3.1 設(shè)計(jì)過(guò)程

運(yùn)用三維數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)繪制出電氣元件、機(jī)械零部件、飛行控制器、GPS天線等關(guān)鍵部件；結(jié)合實(shí)際需求確定無(wú)人機(jī)的機(jī)體尺寸。再對(duì)該無(wú)人機(jī)進(jìn)行外觀設(shè)計(jì)、滿足攜帶3升農(nóng)藥的基本要求、并要外觀時(shí)尚、美觀，如圖1、圖2所示。

圖1 無(wú)人機(jī)的外形設(shè)計(jì)

圖2 無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.2 制作過(guò)程

利用增材制造技術(shù)中的熔融沉積制造工藝對(duì)機(jī)箱、聯(lián)結(jié)件等零部件進(jìn)行快速成型制作，完成后進(jìn)行防水處理、打磨、拋光、噴漆等后期處理。機(jī)械部件采用碳板、碳管材料進(jìn)行機(jī)械加工。無(wú)人機(jī)的四個(gè)懸臂、機(jī)座、機(jī)身承重部分等采用鈦合金材料制作，保證堅(jiān)固、可靠。其中，機(jī)箱運(yùn)用了快速成型技術(shù)而無(wú)需開(kāi)模設(shè)計(jì)，節(jié)約了制造成本，縮短了生產(chǎn)周期，如圖3、圖4所示。

圖3 無(wú)人機(jī)電池倉(cāng)3D打印效果

3.3 輔助配件選型

根據(jù)無(wú)人機(jī)機(jī)體重量、結(jié)構(gòu)、攜帶液體重量等因素，參考現(xiàn)有成熟的配件性能、參數(shù)等[6]，確定該無(wú)人

圖4 無(wú)人機(jī)機(jī)體3D打印效果

機(jī)的功率、動(dòng)力裝置參數(shù)以及電氣控制部件等輔助配件的參數(shù)，如表2所示。完成設(shè)計(jì)制作、選定輔助配件后對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行組裝，其最終效果如圖5所示。

表2 無(wú)人機(jī)系統(tǒng)主要零部件

圖5 四旋翼無(wú)人機(jī)整體圖

4 四旋翼無(wú)人機(jī)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)

4.1 該無(wú)人機(jī)的四個(gè)懸臂采用可折疊設(shè)計(jì)便于攜帶

由于噴灑無(wú)人機(jī)自身需要攜帶液體，因此該款無(wú)人機(jī)的體積較大?？紤]到攜帶、裝卸和維護(hù)方便，將該無(wú)人機(jī)四個(gè)懸臂設(shè)計(jì)為可折疊。這樣的設(shè)計(jì)可使噴灑無(wú)人機(jī)占地面積減小，攜帶方便，如圖6、圖7所示。

圖6 無(wú)人機(jī)懸臂展開(kāi)效果

4.2 采用三維數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行外觀設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可加快設(shè)計(jì)效率，縮短研發(fā)周期

該無(wú)人機(jī)采用當(dāng)前最新的三維數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)、快速成型技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，可以提高設(shè)計(jì)效率，縮短制作周期?？稍跓o(wú)人機(jī)平臺(tái)上繼續(xù)進(jìn)行開(kāi)發(fā)，改進(jìn)設(shè)計(jì)后適應(yīng)客戶不同的需求，滿足一機(jī)多用，使其快速響應(yīng)市場(chǎng)。采用快速成型技術(shù)進(jìn)行外觀制作，也解決制作中的成本過(guò)高的實(shí)際問(wèn)題。

圖7 無(wú)人機(jī)懸臂折疊效果

4.3 性價(jià)比高

當(dāng)前市場(chǎng)中以大疆為領(lǐng)導(dǎo)的無(wú)人機(jī)品牌各自都推出了自己獨(dú)有的技術(shù)專利。該款無(wú)人機(jī)作為后起之秀，雖然在產(chǎn)品的高新技術(shù)領(lǐng)域中無(wú)法快速的趕超其他品牌，但是在其產(chǎn)品設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、外觀制作以及性能上比其他品牌的無(wú)人機(jī)要出眾一些，如表3所示。

表3 當(dāng)前市場(chǎng)上無(wú)人機(jī)品牌的特色和續(xù)航時(shí)間

對(duì)通過(guò)對(duì)市場(chǎng)現(xiàn)有無(wú)人機(jī)的價(jià)格進(jìn)行調(diào)研，其無(wú)人機(jī)產(chǎn)品價(jià)格在人民幣22 000元以上，通過(guò)對(duì)此款農(nóng)業(yè)植保無(wú)人機(jī)外觀結(jié)構(gòu)、配置等方面進(jìn)行分析和計(jì)算，總體成本控制在人民幣15 000～20 000元，性價(jià)比較高，在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中很有優(yōu)勢(shì)。

5 四旋翼無(wú)人機(jī)的市場(chǎng)應(yīng)用前景

5.1 在農(nóng)業(yè)和林業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用

目前，農(nóng)村勞動(dòng)力減少，以留守老人和兒童居多，農(nóng)忙季節(jié)的農(nóng)田缺少人員打理，該無(wú)人機(jī)可在農(nóng)業(yè)方面大展身手。首先，培養(yǎng)一批能操作無(wú)人機(jī)的飛行控制的技術(shù)人員，使用無(wú)人機(jī)給農(nóng)作物進(jìn)行農(nóng)藥噴灑作業(yè)，可解決農(nóng)田無(wú)人管理的問(wèn)題。一架無(wú)人機(jī)每天工作8小時(shí)，在不出現(xiàn)故障的情況下可以給15畝左右農(nóng)田完成農(nóng)藥噴灑。在林業(yè)方面也可以為林業(yè)局的護(hù)林人員配備無(wú)人機(jī)，這樣可以大大提高護(hù)林作業(yè)的效率，有效防止林業(yè)火災(zāi)、提高苗圃育苗效率等問(wèn)題。

5.2 在城市除塵領(lǐng)域的應(yīng)用

現(xiàn)有灑水車作業(yè)時(shí)基本為路面到路面以上的5至10 m空間內(nèi)的除塵作業(yè)，該方式的弊端就在于大量的水資源未得到充分的利用，造成路面濕滑，對(duì)行人行車造成安全隱患。使用的成本大，費(fèi)用高，投入相對(duì)的技術(shù)人力也是較大的。此款無(wú)人機(jī)的用途可拓展到城市環(huán)保領(lǐng)域?？膳c現(xiàn)有的設(shè)備相互配合完成城市高空除霾，且能合理運(yùn)用資源達(dá)到資源利用效率最大化。投入資金成本少，周期短，人力資源投入較小等。