王茜 沈樹(shù)聰 葉川源

摘要：文章對(duì)多旋翼農(nóng)用植保無(wú)人機(jī)進(jìn)行了設(shè)計(jì)研究。介紹了多旋翼植保無(wú)人機(jī)的主要優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)對(duì)多旋冀植保無(wú)人機(jī)的代表型號(hào)、結(jié)構(gòu)組成和使用痛點(diǎn)進(jìn)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(jì)準(zhǔn)則，并提出了完整的設(shè)計(jì)實(shí)踐方案。

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

中圖分類號(hào)：TB472 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編碼：1672-7053（2020）04-0157-02

1 多旋翼農(nóng)用植保無(wú)人機(jī)概述

多旋翼農(nóng)業(yè)植保無(wú)人機(jī)是一種具有三個(gè)及以上旋翼軸的無(wú)人駕駛直升飛機(jī)，通過(guò)每個(gè)軸上的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)旋翼，從而產(chǎn)生推力。旋翼的軸距固定，而不像一般直升機(jī)那樣可變。通過(guò)不同旋翼之間的相對(duì)轉(zhuǎn)速，可以改變單軸推力的大小，從而控制無(wú)人機(jī)的運(yùn)行軌跡。多旋翼植保無(wú)人機(jī)主要有四旋翼、六旋翼和八旋翼三種，現(xiàn)時(shí)四旋翼相對(duì)較少。

1.1主要優(yōu)點(diǎn)

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

2）可靠性高。沒(méi)有活動(dòng)部件，它的可靠性基本決定于無(wú)刷電動(dòng)機(jī)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(duì)更加安全。

3）部件容易更換。結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)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(jìn)行驅(qū)動(dòng)，綠色環(huán)保，更加能夠節(jié)省能源。

5）售價(jià)較低。一般一臺(tái)售價(jià)在5—10萬(wàn)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(duì)作物的穿透性，還可以對(duì)作物進(jìn)行定量精準(zhǔn)噴藥，甚至單株噴藥。

1.2代表機(jī)型

如今我國(guó)植保無(wú)人機(jī)市場(chǎng)上多旋翼的款式較多，技術(shù)也更為完善，預(yù)計(jì)未來(lái)幾年內(nèi)，多旋翼植保無(wú)人機(jī)仍會(huì)是農(nóng)業(yè)航空植保的主力。下面列出幾款代表機(jī)型（表1）：

1.3結(jié)構(gòu)組成

在對(duì)一架多旋翼無(wú)人機(jī)進(jìn)行拆解時(shí)，發(fā)現(xiàn)無(wú)人機(jī)主要由機(jī)架、支撐組件、飛行控制系統(tǒng)、推進(jìn)系統(tǒng)、云臺(tái)及相機(jī)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(jì)及氣壓計(jì)等;推進(jìn)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(wú)人機(jī)和普通無(wú)人機(jī)相比，除了上述結(jié)構(gòu)之外，還多了噴施組件，實(shí)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(wú)人機(jī)和其他無(wú)人機(jī)的本質(zhì)區(qū)別。在無(wú)人機(jī)飛行過(guò)程中，水泵將農(nóng)藥從藥箱中吸出并通過(guò)噴頭噴出，再利用螺旋槳旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的向下的風(fēng)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)穿透性的噴施效果。

2 多旋翼農(nóng)用植保無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)的存在問(wèn)題

1）線路和液體傳輸軟管外露。部分的植保無(wú)人機(jī)由于設(shè)計(jì)不完善，線路沒(méi)有藏匿，在作業(yè)時(shí)電線裸露在機(jī)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(xiǎn)。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(jī)體體積過(guò)大。市面上多數(shù)的多旋翼植保無(wú)人機(jī)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(chē)進(jìn)行運(yùn)送。特別是在地形不平坦的農(nóng)地，運(yùn)輸困難，給農(nóng)民造成不便。

3）電池更換頻繁。多旋翼植保無(wú)人機(jī)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(shí)間短，如圖2。以10L多旋翼無(wú)人機(jī)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(shí)間10 min[1]。

4）藥箱影響飛行重心。植保無(wú)人機(jī)要載藥飛行，因此，藥箱對(duì)無(wú)人機(jī)的重心影響不容忽視，會(huì)造成無(wú)人機(jī)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(huì)摻雜一些不完全溶于水的溶劑，而這些溶劑在植保無(wú)人機(jī)處于一個(gè)相對(duì)靜止的環(huán)境下會(huì)沉淀在藥箱的下方，不僅會(huì)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(wú)人機(jī)的噴灑作業(yè)。

3 多旋翼農(nóng)用植保無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)原則

根據(jù)使用痛點(diǎn)及調(diào)研情況，歸納出多旋翼植保無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)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(dòng)力缺乏，人工成本急劇增加，無(wú)人機(jī)的設(shè)計(jì)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(yùn)輸成本，節(jié)省資源。并需要對(duì)藥箱結(jié)構(gòu)進(jìn)行一定改善，解決藥物容易沉積并影響無(wú)人機(jī)重心的問(wèn)題。

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

3）耐久性原則。無(wú)人機(jī)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(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)主要以實(shí)現(xiàn)其基本功能為主，造型比較粗糙呆板，可從設(shè)計(jì)的美學(xué)角度提升產(chǎn)品的造型美感，如利用比例、平衡、對(duì)稱、對(duì)比、統(tǒng)一、節(jié)奏、韻律等方式進(jìn)行設(shè)計(jì)。植保無(wú)人機(jī)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(shí)，如故障、電池電量低、藥液量少時(shí)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(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)實(shí)踐

根據(jù)以上設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，提出設(shè)計(jì)方案，并畫(huà)出草圖（圖3）。然后根據(jù)手繪圖，進(jìn)一步進(jìn)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(jì)準(zhǔn)則，這個(gè)最終方案一共有以下改善點(diǎn)：（1）從功能性方面來(lái)說(shuō)，此無(wú)人機(jī)的尺寸為1800mm×1800mm×700mm，體積較小，具有便攜性，能用普通的汽車(chē)裝載，節(jié)省運(yùn)輸成本;（2）從易懂性方面來(lái)說(shuō)，此方案結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，零件并不繁雜;一鍵啟動(dòng)，數(shù)據(jù)連接電腦，并通過(guò)規(guī)劃路線以及GPS定位系統(tǒng)自動(dòng)作業(yè)，就算是剛開(kāi)始接觸無(wú)人機(jī)的新用戶也能立刻上手;結(jié)合人機(jī)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(shí)旋翼的干擾、劃傷，更加高效和安全;（3）從耐久性方面來(lái)說(shuō)，無(wú)人機(jī)的零件因其機(jī)身結(jié)構(gòu)合理，可以持續(xù)使用較長(zhǎng)時(shí)間，不需要經(jīng)常更換;（4）從美觀性方面來(lái)說(shuō)，此方案遵從美學(xué)原理進(jìn)行設(shè)計(jì)，造型圓潤(rùn)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(lái)說(shuō)，此方案把電線和管道藏匿在機(jī)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(shí)打滑;機(jī)頂上有紅色的提示燈，當(dāng)無(wú)人機(jī)電池電量低或藥箱內(nèi)藥量較少時(shí)，紅燈閃亮并發(fā)出聲響，提示作業(yè)機(jī)組人員進(jìn)行更換。

為了驗(yàn)證方案的可行性，后期將會(huì)在三維效果圖的基礎(chǔ)上制作概念模型，并進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)，對(duì)模型的不足之處進(jìn)行調(diào)整。最后結(jié)合無(wú)人機(jī)的技術(shù)原理，制作實(shí)物模型。

5 結(jié)語(yǔ)

無(wú)人機(jī)產(chǎn)業(yè)革命成為了全球新一輪科技革命的熱點(diǎn)，其發(fā)展也關(guān)系到國(guó)與國(guó)之間以及民眾的利益，已經(jīng)成為整個(gè)通用航空重要的發(fā)展方向，同時(shí)也將引領(lǐng)中國(guó)新一輪的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)[2]。植保無(wú)人機(jī)現(xiàn)在已經(jīng)成為防治病蟲(chóng)草害的主要手段，雖然我國(guó)對(duì)于無(wú)人機(jī)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(wú)人機(jī)將會(huì)得到更為廣泛的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)安全、快捷、環(huán)保的作業(yè)要求。未來(lái)我國(guó)在植保無(wú)人機(jī)領(lǐng)域的發(fā)展將會(huì)達(dá)到一個(gè)領(lǐng)先水平，對(duì)植保無(wú)人機(jī)的設(shè)計(jì)研究也將會(huì)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(xiàng)資金項(xiàng)目（攀登計(jì)劃專項(xiàng)）（項(xiàng)目編號(hào)：PDJH2019B0793）;教育部職業(yè)院校藝術(shù)設(shè)計(jì)類專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)專門(mén)委員會(huì)2019年度課題項(xiàng)目“工作室+”產(chǎn)品設(shè)計(jì)實(shí)戰(zhàn)型人才培養(yǎng)體系的研究與實(shí)踐（項(xiàng)目編號(hào)：cpsj201904）。

參考文獻(xiàn)

[1]王呈良，劉筱筱，張舒焙.多旋翼無(wú)人植保機(jī)推廣的實(shí)踐與思考[J].湖北農(nóng)機(jī)化，2017（04）.

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

[3]周志艷，臧英，羅錫文，Lan Yubin，薛新宇.中國(guó)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(bào)，2013（12）：1-9.

[4]蘭玉彬，陳盛德，鄧?yán)^忠，周志艷，歐陽(yáng)帆.中國(guó)植保無(wú)人機(jī)發(fā)展形勢(shì)及問(wèn)題分析[J].華南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2019，40（05）：217-225.

[5]吳小偉，茹煜，周宏平.無(wú)人機(jī)噴灑技術(shù)的研究[J].農(nóng)機(jī)化研究，2010（07）.

作者簡(jiǎn)介

王茜/1986年生/女/廣東廣州人/碩士/講師/研究方向?yàn)楣I(yè)設(shè)計(jì)、文創(chuàng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)（廣東廣州510160）