基于AHP-AD-FEC的直線型傾轉(zhuǎn)翼植保無人機設(shè)計研究

關(guān)鍵詞：植保無人機；AD；FEC；AHP；需求轉(zhuǎn)化；參數(shù)映射

中圖分類號：TB472 文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1003-0069（2024）24-0114-05

引言

近年來，精準(zhǔn)化農(nóng)業(yè)的提出使得植保無人機技術(shù)得到了快速發(fā)展。相比于人工作業(yè)，植保無人機具有更高的作業(yè)效率，因此得到了廣泛應(yīng)用。但當(dāng)前學(xué)者們對于植保無人機的研究主要集中于技術(shù)實現(xiàn)的層面，從工業(yè)設(shè)計角度的研究相對缺乏[1]。例如江蘇大學(xué)無人農(nóng)機團隊提出的直線型旋翼布局的植保飛行器，可以有效解決傳統(tǒng)多旋翼無人機藥液噴幅窄，旋翼間擾流作用明顯的問題，但是產(chǎn)品尚處于功能試驗階段，忽略了對用戶需求、產(chǎn)品功能和造型的研究[2]，導(dǎo)致技術(shù)無法轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實生產(chǎn)力。

隨著產(chǎn)品的不斷成熟，用戶需求的滿足、產(chǎn)品品質(zhì)和性能的提升及功能的完善等將成為決定植保無人機產(chǎn)品競爭力的重要因素。本研究旨在從用戶需求出發(fā)，提出一種集成AHP、AD 和FEC 的理論模型，以直線型傾轉(zhuǎn)翼植保無人機為研究對象展開設(shè)計研究，設(shè)計出能夠滿足用戶需求的直線型傾轉(zhuǎn)翼植保無人機，并為相關(guān)設(shè)計提供理論借鑒。

一、植保無人機現(xiàn)有產(chǎn)品分析

當(dāng)前，植保無人機的類型主要可分為以下幾種：1. 植保直升機，其特點是成本高，對飛手技能要求高，對農(nóng)戶的經(jīng)濟壓力大。2. 固定翼植保無人機，其特點是飛行高度高，續(xù)航時間長，但下壓風(fēng)場小，霧滴穿透性差，且需要專業(yè)駕駛員操作。3. 電動多旋翼植保無人機，其特點是成本低、易使用，是當(dāng)前我國使用較多的機型，其存在的問題是載重能力差、噴幅窄，并且旋翼間擾流作用明顯，影響作業(yè)精準(zhǔn)度等[3]。

基于此江蘇大學(xué)科研團隊[4] 提出的“一種直線型多旋翼植保飛行器結(jié)構(gòu)”可以有效應(yīng)對以上問題。直線型旋翼布局直接增加無人機作業(yè)噴灑面積，同時使旋翼下壓風(fēng)場分布均勻充分，以此提升作業(yè)效果和效率。但是，目前該產(chǎn)品處于實驗室階段，研究重點集中于技術(shù)的應(yīng)用而忽視了從工業(yè)設(shè)計角度的思考，導(dǎo)致美觀、性能與功能之間不匹配。例如：產(chǎn)品為各功能部件的堆砌、元器件裸漏、造型整體性差、美觀性差、尺寸設(shè)計不合理、操作步驟復(fù)雜等，如圖 1所示。本研究以AD為理論基礎(chǔ)，指導(dǎo)用戶需求向設(shè)計技術(shù)參數(shù)轉(zhuǎn)化，融合AHP對用戶需求進行權(quán)重劃分和FEC 對產(chǎn)出的設(shè)計方案開展評價，以此彌補單個理論方法的局限性，并產(chǎn)出從用戶需求視角出發(fā)的產(chǎn)品設(shè)計理論模型。

二、理論概述與設(shè)計模型構(gòu)建

（一）理論概述

公理設(shè)計（AD）的理論是由美國的SUH教授創(chuàng)立，其觀點是在設(shè)計領(lǐng)域建立起像自然科學(xué)一樣嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓砘w系，使設(shè)計的過程更客觀科學(xué)。該理論主要包括：域、設(shè)計約束、Z字形映射、獨立公理和信息公理等[5]。

AD設(shè)計過程是以用戶需求為導(dǎo)向的域之間的映射，有助于將用戶需求轉(zhuǎn)化為具體設(shè)計參數(shù)，明確設(shè)計目標(biāo)，AD的映射過程如圖 2所示。在理論應(yīng)用方面，蘇珂[6] 等以結(jié)構(gòu)設(shè)計為目的，提出了以公理設(shè)計為基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)設(shè)計過程，將功能需求導(dǎo)入AD理論框架之中映射為設(shè)計參數(shù)，基于設(shè)計參數(shù)進行設(shè)計優(yōu)化，實現(xiàn)了設(shè)計目標(biāo)。AD雖然能夠為設(shè)計提供科學(xué)依據(jù)，但用戶需求指標(biāo)無法獲取及量化，因此經(jīng)常需要與用戶需求量化工具結(jié)合應(yīng)用。

層次分析法（AHP）是美國運籌學(xué)家Saaty提出的反映人的主觀判斷的評估方法。層次分析法按照目標(biāo)層層分解，多個要素互相對比，通過權(quán)重集成的方法進行決策，并將與最后決策有關(guān)的需求劃分為目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和子準(zhǔn)則層。采用多個層面的分解來實現(xiàn)定性與定量分析的結(jié)合[7]。在設(shè)計研究中，常被用于對用戶需求進行權(quán)重計算，例如李翠玉[8] 等通過AHP對用戶具體需求進行權(quán)重計算，得出量化后的用戶需求，以此指導(dǎo)設(shè)計實踐。雖然AHP 可以將用戶需求進行權(quán)重的劃分，但不能將用戶需求轉(zhuǎn)化成具體的設(shè)計參數(shù)。因此，需要借助公理設(shè)計指導(dǎo)用戶需求向設(shè)計參數(shù)轉(zhuǎn)化。

模糊綜合評價法（FEC）是美國自動控制專家L.AZdah教授提出的。這種方法根據(jù)模糊數(shù)學(xué)中的隸屬原則，把定性的評估轉(zhuǎn)變成量化的評估。FEC 方法可以有效處理一些不確定問題[9]。在植保無人機設(shè)計方面，學(xué)術(shù)界的研究案例比較缺乏，且都聚焦在植保無人機的外觀造型層面，研究方法針對性較弱，對于植保無人機的現(xiàn)實問題沒有涉及。例如：植保無人機產(chǎn)品本身特殊性帶來的約束限制、結(jié)構(gòu)和材料的合理性以及藥液噴灑范圍對造型的影響等也沒有涉及。

綜上所述，AHP可以對用戶需求進行權(quán)重劃分，但不能將用戶需求轉(zhuǎn)化成設(shè)計參數(shù)；AD可以將用戶需求轉(zhuǎn)化為具體的設(shè)計參數(shù)，但重要的需求指標(biāo)無法獲??；FEC經(jīng)常和AHP 結(jié)合使用，兩者結(jié)合的優(yōu)勢在于FEC可以依據(jù)AHP對各評價指標(biāo)權(quán)重值的計算結(jié)果，經(jīng)過隸屬度歸一化處理后確定最終的評價結(jié)果。本研究集成AD、AHP和FEC 3種理論方法的優(yōu)勢，補缺其不足之處，以直線型傾轉(zhuǎn)翼植保無人機為目標(biāo)產(chǎn)品，進行系統(tǒng)性的設(shè)計，產(chǎn)出針對性的研究方法。

（二）集成AHP-AD-FEC的理論模型構(gòu)建

為有效解決以上問題，本研究提出了一種以AD理論為主要設(shè)計框架，結(jié)合AHP對用戶需求進行權(quán)重劃分以及FEC 對設(shè)計方案進行評估的設(shè)計模型。圖 3為模型的推演過程。其中涉及的內(nèi)容包括：（1）完成對目標(biāo)產(chǎn)品的用戶需求及設(shè)計約束的獲取，并將用戶需求和設(shè)計約束進行整合分類；（2）結(jié)合AHP 對用戶需求進行權(quán)重的劃分；（3）應(yīng)用AD理論，在設(shè)計約束的制約下完成用戶需求向設(shè)計參數(shù)的轉(zhuǎn)化；（4）結(jié)合設(shè)計參數(shù)開展設(shè)計實踐；（5）應(yīng)用FEC對產(chǎn)出的方案進行綜合評價。

三、集成AHP-AD-FEC的設(shè)計模型在直線型傾轉(zhuǎn)翼植保無人機中的運用

（一）用戶需求及設(shè)計約束獲取

為深入了解植保無人機的產(chǎn)品使用現(xiàn)狀、存在的問題和用戶需求，本次研究分別在大疆植保無人機售后服務(wù)處和江蘇大學(xué)植保無人機研發(fā)團隊開展了實地調(diào)研。以問題發(fā)現(xiàn)、用戶需求和設(shè)計約束的獲取為目的，應(yīng)用觀察與訪談等定性的研究方法對植保無人機用戶、維修人員、銷售人員以及植保無人機技術(shù)研發(fā)人員開展了研究。

通過親和圖（KJ）法對研究結(jié)果進行整合與分類，得到功能需求、造型需求、安全需求和性能需求四大類，并將其作為準(zhǔn)則層（B1-B4），19 個具體需求作為子準(zhǔn)則層（C1-C19），進而建立直線型傾轉(zhuǎn)翼植保無人機的層次分析模型和設(shè)計約束，如圖 4、圖 5 所示。

（二）用戶需求權(quán)重分析

明確需求權(quán)重是對植保無人機客觀評價的關(guān)鍵，同時也可指明后續(xù)設(shè)計方向。為確保研究結(jié)果的科學(xué)性，根據(jù)上一步構(gòu)建的用戶需求層次分析模型設(shè)計AHP 問卷，并邀請20位相關(guān)專家填寫問卷，包括工業(yè)設(shè)計方向副教授和從業(yè)者共11人、5名無人機技術(shù)研發(fā)學(xué)者以及4名植保無人機真實用戶。根據(jù)Saaty教授[10] 提出的1級-9級標(biāo)度的方法，對用戶需求進行兩兩比較，并給予相應(yīng)的評分，構(gòu)建出各用戶需求之間的判定矩陣，隨后采用幾何平均值的方法，對植保無人機的用戶需求進行計算，結(jié)果見表 1。

最后，為確保專家評判時邏輯的合理性，需要對計算結(jié)果進行一致性檢驗，只有當(dāng)檢驗結(jié)果I_CR≤ 0.1時，一致性檢驗通過。經(jīng)驗證，準(zhǔn)則層和子準(zhǔn)則層I_CR均小于0.1，說明數(shù)據(jù)可靠。一致性檢驗計算公式如下，計算結(jié)果如表2所示。

（1）一致性檢驗（I_CR）

（三）基于AD的用戶需求向設(shè)計參數(shù)映射

得到了權(quán)重劃分的用戶需求之后，仍無法在設(shè)計過程中直接應(yīng)用，需要應(yīng)用AD理論將用戶需求轉(zhuǎn)化成具體的設(shè)計參數(shù)，解決如何實施的問題。

基于前期對植保無人機的行業(yè)調(diào)研、用戶研究、相關(guān)學(xué)者的理論分析以及設(shè)計約束，以此作為設(shè)計的本源設(shè)計知識[11]，進行從用戶需求CA 向功能需求FR的映射。映射結(jié)果如表3所示：

得到功能需求映射結(jié)果之后，還需進行功能需求（FR）向設(shè)計參數(shù)（DP）的轉(zhuǎn)化，為了保證設(shè)計參數(shù)的有效性和科學(xué)性，此次研究參考中華人民共和國地方標(biāo)準(zhǔn)《植保無人機安全操作技術(shù)規(guī)范》（DB63/T 2099-2023），同時參考張敏[12]，常瑜[13] 等學(xué)者針對植保無人機的研究，以及孫寧娜[14]，湯箬梅[15] 等學(xué)者對AD理論指導(dǎo)參數(shù)轉(zhuǎn)化的應(yīng)用研究。在此基礎(chǔ)上，應(yīng)用AD 理論，對于每個功能需求分別給出了與其對應(yīng)的設(shè)計參數(shù)，并將每個設(shè)計參數(shù)（DP）與設(shè)計約束（Cr）進行對照（設(shè)計約束如圖 4所示），對于違反約束的設(shè)計參數(shù)進行刪除或者更改，確保每個設(shè)計參數(shù)都符合設(shè)計約束。在參數(shù)映射過程中，因為功能需求FR2：機身結(jié)構(gòu)穩(wěn)定包含機臂結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和機體平臺結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，因此需要將FR2 分解為FR21和FR22再分別進行映射。設(shè)計參數(shù)轉(zhuǎn)化結(jié)果如表 4 所示。

在AD理論的設(shè)計矩陣中，“0”代表不相關(guān)，“1”代表相關(guān)。當(dāng)設(shè)計矩陣的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)對角線排列時，符合獨立公理原則，設(shè)計參數(shù)可以使用；而當(dāng)設(shè)計矩陣呈現(xiàn)三角形排列時，則需要對某些設(shè)計參數(shù)進行重新排序；若設(shè)計矩陣是一般的矩陣，則不符合獨立公理。根據(jù)公式（2）-（3），完成直線型傾轉(zhuǎn)翼植保無人機功能需求FR向設(shè)計參數(shù)DP 的映射，進而得到設(shè)計矩陣A：

通過對比設(shè)計矩陣形式可以得知，該設(shè)計矩陣為對角矩陣，符合獨立公理原則。說明設(shè)計參數(shù)DP1-DP17 具有可行性，可作為設(shè)計實踐的依據(jù)。

四、直線型傾轉(zhuǎn)翼植保無人機設(shè)計方案

（一）產(chǎn)品方案設(shè)計

依據(jù)AD公理的參數(shù)映射結(jié)果，完成對直線型傾轉(zhuǎn)翼植保無人機的創(chuàng)新設(shè)計，產(chǎn)品整體效果如圖6所示，產(chǎn)品具體特征描述如下。

（1）為保證產(chǎn)品具有牢靠的結(jié)構(gòu)強度，同時對電氣系統(tǒng)起到保護（防水、防塵、防腐）作用，且盡可能做到輕量化。外殼及主體采用ABS 和碳纖維材質(zhì)，機體框架采用鋁合金，對電路板施用IP67級防護工藝。如圖7所示。

（2）為使產(chǎn)品占用較小的空間，且易于用戶搬運轉(zhuǎn)場，為機臂設(shè)計轉(zhuǎn)軸和搬運把手，尺寸設(shè)計為：2500 mm×525 mm×525mm。如圖8所示。

（3）植保無人機作業(yè)過程中，電池更換頻繁。為使電池易于更換，電池安裝采用可快速插接的設(shè)計，同時為產(chǎn)品增加了非接觸式液位傳感器，以滿足用戶時刻知曉剩余藥量的需求，如圖9所示。

（4）為便于用戶維修和操作，產(chǎn)品的外觀和內(nèi)部結(jié)構(gòu)遵循模塊化和對稱的設(shè)計原則。同時為減小產(chǎn)品飛行過程中的風(fēng)阻，機身的外殼進行流線型處理。如圖10所示。

（5）為保證產(chǎn)品的安全性，為產(chǎn)品增加視覺避障模塊，彌補雷達避障的不足。同時為滿足用戶夜間使用的需求，為產(chǎn)品增加燈光照明功能。如圖11所示。

五、設(shè)計評價

為驗證設(shè)計方案的有效性，采用FCE模糊綜合評價法對設(shè)計方案開展驗證。首先，參照李克特量表構(gòu)建評語集V，V={ 非常差、差、一般、好、非常好}，對應(yīng)的分值為50、60、70、80、90。邀請7名參與過前期調(diào)研的用戶以及3名工業(yè)設(shè)計專家以子準(zhǔn)則層為評價指標(biāo)（如表 1 所示），對設(shè)計方案進行打分，得到直線型傾轉(zhuǎn)翼植保無人機的模糊綜合評價矩陣，功能需求U₁、造型需求U₂、安全需求U₃ 和性能需求U₄。

根據(jù)準(zhǔn)則層權(quán)重向量P_B 以及子準(zhǔn)則層需求權(quán)重向量評價矩陣W進行計算，得出方案綜合評價向量：P=P_B×W=（0.56952、0.23095、0.09555、0.07294、0.03095），再將方案綜合評價向量P 與評語集V 進行計算，得到設(shè)計方案最終分?jǐn)?shù)為82.3452。得知該分?jǐn)?shù)處于滿意的指標(biāo)區(qū)間，說明設(shè)計方案在一定程度上滿足用戶需求，構(gòu)建的集成AHP、AD和FEC的理論模型可有效指導(dǎo)直線型傾轉(zhuǎn)翼植保無人機的優(yōu)化設(shè)計。

結(jié)語

隨著城市化進程的加快，農(nóng)村勞動力減少和土地集約化政策的普及使農(nóng)業(yè)機械化發(fā)展勢在必行。無人機技術(shù)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用成為推動機械化發(fā)展的關(guān)鍵。在優(yōu)化直線型傾轉(zhuǎn)翼植保無人機設(shè)計時，采用AD 公理設(shè)計為框架，將用戶需求轉(zhuǎn)化為技術(shù)參數(shù)，明確設(shè)計目標(biāo)。在此過程中，使用AHP 對用戶需求進行權(quán)重分析，并用FEC 評價設(shè)計方案。結(jié)果表明，該方法有效提高了用戶滿意度，驗證了集成AHP、AD 和FEC 理論模型的可行性，并進一步優(yōu)化了產(chǎn)品設(shè)計流程。