周冰洋　陳滿儒

摘 要：無(wú)人機(jī)作為近年來(lái)興起的高科技產(chǎn)業(yè)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于軍事、航拍攝影、電力巡檢、新聞報(bào)道等用途。無(wú)人機(jī)具有使用靈活，節(jié)約能源、提升效率等優(yōu)點(diǎn)。目前中國(guó)傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)正處于升級(jí)轉(zhuǎn)型階段，基于無(wú)人機(jī)的特點(diǎn)以及農(nóng)業(yè)的發(fā)展特點(diǎn)，一種新型的農(nóng)用植保無(wú)人機(jī)可能是一種較為完善的解決方案。將無(wú)人機(jī)應(yīng)用于園林不僅可以解決傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)對(duì)于農(nóng)作物生長(zhǎng)階段觀察的不足以及各種危害農(nóng)作物生長(zhǎng)的害蟲，還可以將噴灑農(nóng)藥與無(wú)人機(jī)結(jié)合，通過(guò)無(wú)人機(jī)噴灑農(nóng)藥，可以有效地避免因?yàn)檗r(nóng)藥中毒引起的傷亡，還可以提高效率，有效地提高農(nóng)藥的利用率。通過(guò)農(nóng)用植保無(wú)人機(jī)的運(yùn)用可以加快促進(jìn)當(dāng)前的農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)型，促進(jìn)新型農(nóng)業(yè)的發(fā)展，加快新農(nóng)村的建設(shè)。

關(guān)鍵詞：植保無(wú)人機(jī)；有限元分析；ANSYS；外觀材料

一、無(wú)人機(jī)研究的現(xiàn)狀

當(dāng)代無(wú)人機(jī)是利用無(wú)線電遙控設(shè)備和自備的程序控制裝置操縱的不載人飛機(jī)。最早的無(wú)人機(jī)主要運(yùn)用于軍事，它的研制成功和戰(zhàn)場(chǎng)運(yùn)用，揭開(kāi)了以遠(yuǎn)距離攻擊型智能化武器、信息化武器為主導(dǎo)的“非接觸性戰(zhàn)爭(zhēng)”的新篇章。近些年來(lái)，隨著相機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，越來(lái)越多的民用無(wú)人機(jī)開(kāi)始進(jìn)入人們的視線，伴隨著以大疆為首的一大批優(yōu)秀消費(fèi)級(jí)無(wú)人機(jī)廠商的發(fā)展，航拍逐逐漸進(jìn)入了人們的視線。

我國(guó)民用無(wú)人機(jī)市場(chǎng)大致經(jīng)歷了三個(gè)階段。第一階段的早期市場(chǎng)需求由軍用壟斷，控制系統(tǒng)技術(shù)不成熟，成本高。上世紀(jì)80年代初，西北工業(yè)大學(xué)D-4固定翼為地質(zhì)勘探以及地圖繪制進(jìn)行了最早的嘗試。

第二階段是上世紀(jì)90年代至本世紀(jì)初，部分企業(yè)對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行探索，市場(chǎng)開(kāi)始向民用“滲透”，出現(xiàn)了較早的民用小型無(wú)人機(jī)?！跋桫B”無(wú)人直升機(jī)的主要用途就包含森林火警探測(cè)和漁場(chǎng)巡邏。

第三階段就是當(dāng)前的情況，民用領(lǐng)域遍地開(kāi)花，消費(fèi)級(jí)無(wú)人機(jī)獲得了極大的發(fā)展空間，預(yù)計(jì)未來(lái)部分軍工企業(yè)將涉足民用領(lǐng)域，依靠技術(shù)優(yōu)勢(shì)占據(jù)部分市場(chǎng)，民用企業(yè)也將通過(guò)技術(shù)、市場(chǎng)、資質(zhì)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勝劣汰，出現(xiàn)一批骨干企業(yè)。消費(fèi)級(jí)無(wú)人機(jī)逐步轉(zhuǎn)變?yōu)楣I(yè)級(jí)無(wú)人機(jī)。以大疆為首的一大批民營(yíng)企業(yè)獲得了極大的發(fā)展空間，消費(fèi)級(jí)航拍無(wú)人機(jī)占據(jù)了大量的市場(chǎng)份額。

經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，當(dāng)前無(wú)人機(jī)的應(yīng)用范圍已涉及國(guó)土資源調(diào)查、環(huán)境監(jiān)測(cè)等不同領(lǐng)域。面對(duì)這一正在興起的市場(chǎng)，相關(guān)企業(yè)和科研結(jié)構(gòu)也紛紛進(jìn)駐民用無(wú)人機(jī)領(lǐng)域。其中農(nóng)林植保和電力巡檢這兩個(gè)領(lǐng)域在目前已表現(xiàn)出較為迫切的需求趨勢(shì)，且具備較為可觀的市場(chǎng)規(guī)模前景。在未來(lái)一段的時(shí)間內(nèi)，無(wú)人機(jī)的發(fā)展將持續(xù)降低制造成本和學(xué)習(xí)成本。隨著技術(shù)的不斷成熟與進(jìn)步，用于制造的成本費(fèi)用將不斷降低，售價(jià)也將更加親民。同時(shí)無(wú)人機(jī)自主性能不斷提高，用戶學(xué)習(xí)成本下降，操作變得更加簡(jiǎn)單易用。農(nóng)用植保無(wú)人機(jī)將改變單一的經(jīng)營(yíng)模式，營(yíng)收來(lái)源更加多元，減少企業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，擴(kuò)大營(yíng)收規(guī)模；目前農(nóng)用植保無(wú)人機(jī)仍是一個(gè)高風(fēng)險(xiǎn)、高損耗的行業(yè)，無(wú)人機(jī)的使用壽命較短，容易發(fā)生機(jī)械故障，對(duì)操作人員有著專業(yè)性要求，因此在后期客戶維護(hù)中可以獲得常規(guī)性收入。

二、植保無(wú)人機(jī)市場(chǎng)調(diào)研及需求分析

通過(guò)對(duì)城市園林地區(qū)進(jìn)行實(shí)地調(diào)研，發(fā)現(xiàn)當(dāng)前農(nóng)村隨著大量勞動(dòng)力的外出務(wù)工，農(nóng)業(yè)任務(wù)逐步變得繁重，人力勞動(dòng)的價(jià)格大幅度提升。通過(guò)資料整理，發(fā)現(xiàn)以下特點(diǎn)：

中國(guó)園林人均管理耕地面積相對(duì)較少，尤其是近年來(lái)隨著勞動(dòng)力成本的提升，也需要高機(jī)械化水平來(lái)提高農(nóng)民效率。

在植物生長(zhǎng)的不同環(huán)節(jié)中，植保的機(jī)械化程度最低，植保無(wú)人機(jī)有著巨大的發(fā)展空間。

全球植保航空作業(yè)面積比率，中國(guó)遠(yuǎn)低于世界平均水平。在大力推進(jìn)城市現(xiàn)代化的過(guò)程中，植保無(wú)人機(jī)不僅可以減少勞動(dòng)力引起的勞動(dòng)效率降低的問(wèn)題，從市場(chǎng)需求端來(lái)看，隨著勞動(dòng)力減少，人力成本上升，農(nóng)用植保無(wú)人機(jī)有很大的市場(chǎng)。

綜合來(lái)看，當(dāng)前我國(guó)農(nóng)用植保機(jī)械化程度偏低，廣大城市地區(qū)依然以手動(dòng)機(jī)械方式進(jìn)行噴灑農(nóng)藥，在觀察病蟲害以及作物生長(zhǎng)情況方面仍然以人力觀察為基礎(chǔ)，對(duì)于園林植物生長(zhǎng)不同階段的需求不能進(jìn)行及時(shí)有效地觀察，農(nóng)用植保無(wú)人機(jī)在這方面有著得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)，無(wú)人機(jī)植保需求真正形成起來(lái)才會(huì)有真正的植保無(wú)人機(jī)產(chǎn)業(yè)形成。當(dāng)前農(nóng)用植保無(wú)人機(jī)服務(wù)還未形成一個(gè)成熟、完整的產(chǎn)業(yè)鏈，農(nóng)戶對(duì)于無(wú)人機(jī)植保這一新興事物的作用仍然將信將疑，而政府對(duì)于產(chǎn)業(yè)發(fā)展的支持政策仍然不夠有力。然而，從中國(guó)城市長(zhǎng)期發(fā)展的大趨勢(shì)來(lái)看，生產(chǎn)機(jī)械化率提升，植保無(wú)人機(jī)經(jīng)濟(jì)性明顯和政策支持產(chǎn)業(yè)發(fā)展等三個(gè)方面的因素將真正促進(jìn)植保無(wú)人機(jī)的發(fā)展。

植保無(wú)人機(jī)整體銷售和植保服務(wù)的市場(chǎng)總規(guī)模未來(lái)有望達(dá)到年均200億元，具備廣闊的發(fā)展空間。目前，隨著我國(guó)無(wú)人機(jī)植保服務(wù)行業(yè)的不斷發(fā)展，產(chǎn)品技術(shù)的逐步升級(jí)和發(fā)展模式的不斷成熟為行業(yè)增長(zhǎng)提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。自2015年以來(lái)，已經(jīng)有多家上市公司瞄準(zhǔn)了植保無(wú)人機(jī)行業(yè)，通過(guò)投資、參股等方式參與這一領(lǐng)域，目前，市場(chǎng)仍處于爆發(fā)前期。

三、農(nóng)用植保無(wú)人機(jī)外觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

農(nóng)用植保無(wú)人機(jī)的外觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，涉及多個(gè)方面，如農(nóng)藥的載重、機(jī)身材料的選擇、整機(jī)重量的影響等，在設(shè)計(jì)中，總是希望設(shè)計(jì)產(chǎn)品的各項(xiàng)性能都能達(dá)到最佳，既要進(jìn)行農(nóng)藥噴灑量多，又要使作業(yè)速度快。但是在實(shí)際的設(shè)計(jì)過(guò)程中，設(shè)計(jì)往往不能同時(shí)兼顧這些性能，一個(gè)性能的提高可能會(huì)引起另一個(gè)性能的降低，在外觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中如何兼顧農(nóng)用植保無(wú)人機(jī)的載重，作業(yè)高度與飛行速度等因素就成了無(wú)人機(jī)外觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。而有限元分析法就是解決多目標(biāo)設(shè)計(jì)難題的有效方法之一。

（一）植保觀測(cè)無(wú)人機(jī)外觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

農(nóng)用植保觀測(cè)無(wú)人機(jī)的主要作用就是觀察農(nóng)作物生長(zhǎng)情況，檢測(cè)病蟲害等信息，并對(duì)噴灑農(nóng)藥后的效果進(jìn)行觀察。長(zhǎng)期以來(lái)，農(nóng)村地區(qū)都是“靠天吃飯”，對(duì)于農(nóng)作物的生長(zhǎng)情況沒(méi)有直觀的觀測(cè)，不能及時(shí)有效地對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)問(wèn)題進(jìn)行處理。這就造成了勞動(dòng)力的浪費(fèi)，現(xiàn)代農(nóng)業(yè)是快速、高效的發(fā)展模式。農(nóng)用植保觀測(cè)無(wú)人機(jī)既可以配合農(nóng)用植保無(wú)人機(jī)使用，在噴灑農(nóng)藥之前，通過(guò)觀察農(nóng)作物的生長(zhǎng)情況以及噴灑農(nóng)藥后觀察藥效，及時(shí)對(duì)作物生長(zhǎng)情況進(jìn)行觀察。

農(nóng)用植保觀測(cè)無(wú)人機(jī)的整體重量較輕，可以完成較長(zhǎng)時(shí)間的飛行觀測(cè)任務(wù)。攝像頭處于機(jī)身下面，可以進(jìn)行360度的觀察，機(jī)身的設(shè)計(jì)采用輕量化設(shè)計(jì)，減少整機(jī)重量，在連接部分設(shè)計(jì)緩沖結(jié)構(gòu)，確保結(jié)構(gòu)無(wú)人機(jī)發(fā)生摔機(jī)，也可以避免進(jìn)入材料損害階段，保護(hù)無(wú)人機(jī)的內(nèi)部，避免因碰撞對(duì)無(wú)人機(jī)內(nèi)部發(fā)生機(jī)械損傷，影響作業(yè)效率。

（二）植保無(wú)人機(jī)外觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

農(nóng)用植保無(wú)人機(jī)的外觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要包括起落架的折疊設(shè)計(jì)，藥箱外殼設(shè)計(jì)以及輕量化機(jī)身設(shè)計(jì)?？烧郫B式起落架有助于無(wú)人機(jī)的起飛和降落，緩沖無(wú)人機(jī)落地瞬間的沖擊力，保護(hù)無(wú)人機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，通過(guò)內(nèi)置藥箱的設(shè)計(jì)不僅可以避免各種突發(fā)狀況對(duì)藥箱造成的損害，還可以增強(qiáng)產(chǎn)品的安全性，避免藥箱脫落等意外情況。輕量化機(jī)身設(shè)計(jì)則是進(jìn)一步保護(hù)機(jī)身結(jié)構(gòu)，避免發(fā)生碰撞時(shí)機(jī)身材料所受的沖擊力處于材料的破害階段，對(duì)機(jī)身造成較大的危害。

設(shè)計(jì)方案采用藥箱內(nèi)置，可折疊起落架，輕量化機(jī)身等設(shè)計(jì)，采用多旋翼的設(shè)計(jì)方式，確保無(wú)人機(jī)的有效載重，增加無(wú)人機(jī)的續(xù)航時(shí)間，提高作業(yè)效率。

農(nóng)用植保無(wú)人機(jī)主要分為農(nóng)用植保觀測(cè)無(wú)人機(jī)與噴灑用農(nóng)藥無(wú)人機(jī)。通過(guò)有限元分析先對(duì)材料、飛行速度、高度、整機(jī)重量等進(jìn)行分析，對(duì)無(wú)人機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行指導(dǎo)。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，通過(guò)ANSYS仿真分析，對(duì)設(shè)計(jì)方案不斷進(jìn)行調(diào)整，確保設(shè)計(jì)方案符合設(shè)計(jì)需求。方案設(shè)計(jì)圍繞“無(wú)人機(jī)碰撞分析”進(jìn)行展開(kāi)，確保無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)的安全性，縮短設(shè)計(jì)周期。

四、結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)無(wú)人機(jī)在國(guó)內(nèi)外的研究狀況和城市園林的特點(diǎn)進(jìn)行分析，對(duì)植保無(wú)人機(jī)在城市園林的農(nóng)藥噴灑、生長(zhǎng)狀況觀察方面具有重要的意義。無(wú)人機(jī)對(duì)于城市園林方面的意義在于不僅可以有效地觀察植物的生長(zhǎng)狀況，預(yù)防病蟲害對(duì)于植物的危害，在噴灑農(nóng)藥方面還可以提高效率，減少因噴灑農(nóng)藥對(duì)人體造成的傷害，這些對(duì)于城市的發(fā)展有著重要的意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]彭國(guó)勛.物流運(yùn)輸包裝設(shè)計(jì)[M].北京：印刷工業(yè)出版社.2012.

[2]周德高，衛(wèi)家駿，楊小軍.基于ANSYSY-PDS模塊的集裝箱結(jié)構(gòu)可靠性分析[J].物流科技，2014，（03）.

[3]艾志久，徐云.ANSYS軟件接口開(kāi)發(fā)應(yīng)用實(shí)踐[J].2000 ANSYS中國(guó)用戶年會(huì)論文集，2000：559-563.

[4]王建清.包裝材料學(xué)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2004；

[5]楊俊.ANSYS Workbench軟件在集裝箱靜力分析中的應(yīng)用[J].集裝箱化，2011，（04）：27-29.

[6]許本文，焦群英.機(jī)械振動(dòng)與模態(tài)分析基礎(chǔ)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1998.

作者簡(jiǎn)介：

周冰洋，陜西科技大學(xué)碩士研究生，研究方向：工業(yè)設(shè)計(jì)。

陳滿儒，陜西科技大學(xué)教授，研究方向：包裝設(shè)計(jì)。