多旋翼农用植保无人机设计研究
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作者:王茜 沈树聪 叶川源
摘要：文章对多旋翼农用植保无人机进行了设计研究。介绍了多旋翼植保无人机的主要优点，通过对多旋冀植保无人机的代表型号、结构组成和使用痛点进行分析，归纳出了功能性，易懂性，耐用性，美观性和安全性等设计准则，并提出了完整的设计实践方案。
关键词：多旋冀无人机;农业;植保;设计
中图分类号：TB472 文献标识码：A
文章编码：1672-7053（2020）04-0157-02
1 多旋翼农用植保无人机概述
多旋翼农业植保无人机是一种具有三个及以上旋翼轴的无人驾驶直升飞机，通过每个轴上的电动机转动，带动旋翼，从而产生推力。旋翼的轴距固定，而不像一般直升机那样可变。通过不同旋翼之间的相对转速，可以改变单轴推力的大小，从而控制无人机的运行轨迹。多旋翼植保无人机主要有四旋翼、六旋翼和八旋翼三种，现时四旋翼相对较少。
1.1主要优点
1）操作简便。不需要跑道并可垂直升降，随时在空中悬停。它的操控原理简单，只要用遥控器控制杆操控就可以实现前后、左右、上下和偏航方向的运动。培训周期短，对驾驶员的操作水平要求低。
2）可靠性高。没有活动部件，它的可靠性基本决定于无刷电动机的可靠性，因此可靠性更高。此外，它能够悬停，飞行范围受控，相对更加安全。
3）部件容易更换。结构比较简单，若有部件损坏，容易更换。
4）环保节能。用锂电池而非燃油进行驱动，绿色环保，更加能够节省能源。
5）售价较低。一般一台售价在5—10万元，甚至更低。
6）喷药效果好。具有较大的喷洒范围以及良好的喷洒效果，旋翼产生的向下气流有助于增加雾流对作物的穿透性，还可以对作物进行定量精准喷药，甚至单株喷药。
1.2代表机型
如今我国植保无人机市场上多旋翼的款式较多，技术也更为完善，预计未来几年内，多旋翼植保无人机仍会是农业航空植保的主力。下面列出几款代表机型（表1）：
1.3结构组成
在对一架多旋翼无人机进行拆解时，发现无人机主要由机架、支撑组件、飞行控制系统、推进系统、云台及相机和地面遥控器组成。其中飞行控制器又称飞控，包括控制器、陀螺仪、加速度计及气压计等;推进系统由桨翼和马达组成，并设有电调控制器和电池，如图1。植保无人机和普通无人机相比，除了上述结构之外，还多了喷施组件，实现喷洒作业。喷施组件由药箱、水泵、软管、喷头等组成，是植保无人机和其他无人机的本质区别。在无人机飞行过程中，水泵将农药从药箱中吸出并通过喷头喷出，再利用螺旋桨旋转产生的向下的风场实现穿透性的喷施效果。
2 多旋翼农用植保无人机设计的存在问题
1）线路和液体传输软管外露。部分的植保无人机由于设计不完善，线路没有藏匿，在作业时电线裸露在机体之外，风吹日晒后造成老化短路现象，甚至有漏电风险。液体传输管裸露的也不在少数，软管使用寿命短，容易破裂，影响农药吸喷。
2）机体体积过大。市面上多数的多旋翼植保无人机体积都比较大，重量较重，不便携带、不易折叠，每次喷洒作业前需要用卡车进行运送。特别是在地形不平坦的农地，运输困难，给农民造成不便。
3）电池更换频繁。多旋翼植保无人机载荷较小，一般在5L—15L之间，电池容量小，需要频繁起降更换电池，续航时间短，如图2。以10L多旋翼无人机为例，单架次最少2块电池组，作业面积1：1（10L：10亩），200亩植保作业需要飞行20次，使用（充满电的）电池40块，单次作业时间10 min[1]。
4）药箱影响飞行重心。植保无人机要载药飞行，因此，药箱对无人机的重心影响不容忽视，会造成无人机飞行的稳定性差。
5）农药药液易沉积。由于药箱携带的是农药药液，药液中一般会掺杂一些不完全溶于水的溶剂，而这些溶剂在植保无人机处于一个相对静止的环境下会沉淀在药箱的下方，不仅會直接影响农药的药性效果，而且还从一定程度上影响植保无人机的喷洒作业。
3 多旋翼农用植保无人机设计原则
根据使用痛点及调研情况，归纳出多旋翼植保无人机设计原则如下所述，包括功能性、易懂性、耐用性、美观性和安全性。
1）功能性原则。当前农村劳动力缺乏，人工成本急剧增加，无人机的设计应当满足最广泛用户群的使用需要，让他们最大限度减少体力消耗，减少运输成本，节省资源。并需要对药箱结构进行一定改善，解决药物容易沉积并影响无人机重心的问题。
2）易懂性原则。农业植保无人机的用户大都是农垦集团、农机合作组织、种粮大户、家庭农场、农民合作社等主体，操作人员普遍学历不高，设计时需采用清楚、简单、一致的标识控制。操作步骤应该简单易懂，电池拆装方式应该更方便快捷，装换药水过程应该一步到位。全机结构应更为精简，便于新用户的理解。
3）耐久性原则。无人机零部件应该较为耐用，不需要经常性反复更换。
4）美观性原则。以往的植保无人机设计主要以实现其基本功能为主，造型比较粗糙呆板，可从设计的美学角度提升产品的造型美感，如利用比例、平衡、对称、对比、统一、节奏、韵律等方式进行设计。植保无人机多是在农田中使用的，与使用环境的和谐融合也非常重要。
5）安全性原则。应藏匿线路和软管，让它们免于风吹日晒，增加安全系数。另外应在设置提醒系统，在遇到突发情况时，如故障、电池电量低、药液量少时应该有灯光和声音提示，让喷洒作业更加自主和安全。
4 多旋翼农用植保无人机设计实践
根据以上设计准则，提出设计方案，并画出草图（图3）。然后根据手绘图，进一步进行修改，用RHINO软件建模以及KEYSHOT软件渲染模拟了三维效果（图4），并制作了爆炸图（图5）。
可以看到基于设计准则，这个最终方案一共有以下改善点：（1）从功能性方面来说，此无人机的尺寸为1800mm×1800mm×700mm，体积较小，具有便携性，能用普通的汽车装载，节省运输成本;（2）从易懂性方面来说，此方案结构简单，零件并不繁杂;一键启动，数据连接电脑，并通过规划路线以及GPS定位系统自动作业，就算是刚开始接触无人机的新用户也能立刻上手;结合人机工程学原理，电池采用从上往下装的方式，提高拆装电池速度，能避免更换电池时旋翼的干扰、划伤，更加高效和安全;（3）从耐久性方面来说，无人机的零件因其机身结构合理，可以持续使用较长时间，不需要经常更换;（4）从美观性方面来说，此方案遵从美学原理进行设计，造型圆润大方有科技感，配色使用绿色和白色为主，能够和谐地融入于使用环境中。（5）从安全性方面来说，此方案把电线和管道藏匿在机架之内，避免风吹日晒导致老化;药箱采用聚四氟乙烯耐腐蚀材料制成，避免与药物之间产生化学反应，脚垫采用橡胶防滑材料增加摩擦力，避免落地时打滑;机顶上有红色的提示灯，当无人机电池电量低或药箱内药量较少时，红灯闪亮并发出声响，提示作业机组人员进行更换。
为了验证方案的可行性，后期将会在三维效果图的基础上制作概念模型，并进行多次实验，对模型的不足之处进行调整。最后结合无人机的技术原理，制作实物模型。
5 结语
无人机产业革命成为了全球新一轮科技革命的热点，其发展也关系到国与国之间以及民众的利益，已经成为整个通用航空重要的发展方向，同时也将引领中国新一轮的经济增长[2]。植保无人机现在已经成为防治病虫草害的主要手段，虽然我国对于无人机的研究仍处在起步阶段，但随着资金的投入与行业准则的完善，植保无人机将会得到更为广泛的应用，实现安全、快捷、环保的作业要求。未来我国在植保无人机领域的发展将会达到一个领先水平，对植保无人机的设计研究也将会更加深入。
本文系2019年广东大学生科技创新培养专项资金项目（攀登计划专项）（项目编号：PDJH2019B0793）;教育部职业院校艺术设计类专业教学指导委员会产品设计专门委员会2019年度课题项目“工作室+”产品设计实战型人才培养体系的研究与实践（项目编号：cpsj201904）。
参考文献
[1]王呈良，刘筱筱，张舒焙.多旋翼无人植保机推广的实践与思考[J].湖北农机化，2017（04）.
[2]杨柠.警用无人机造型设计研究[J].工业设计，2018（07）：49-50.
[3]周志艳，臧英，罗锡文，Lan Yubin，薛新宇.中国农业航空植保产业技术创新发展战略[J].农业工程学报，2013（12）：1-9.
[4]兰玉彬，陈盛德，邓继忠，周志艳，欧阳帆.中国植保无人机发展形势及问题分析[J].华南农业大学学报，2019，40（05）：217-225.
[5]吴小伟，茹煜，周宏平.无人机喷洒技术的研究[J].农机化研究，2010（07）.
作者简介
王茜/1986年生/女/广东广州人/硕士/讲师/研究方向为工业设计、文创产品设计（广东广州510160）
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