四旋翼無人機在農業植保領域的應用與實踐

王立濤，雷 瓊

(陜西工業職業技術學院，陜西 咸陽 712000)

1 民用無人機的應用現狀

自20世紀末以來，日本率先將無人機應用于民用市場之后，世界各國都相繼開展本國獨具特色的無人機藍圖。無人機市場在經過三次浪潮之后，民用無人機被廣泛運用到農業生產、森林防火、地震災害監測、攝影等各個領域[1]。該行業顯然是一個行情看漲的朝陽行業，根據全球民用無人機與國內民用無人機融資對比表數據可以看到，融資資金增長很快，如表1所示。根據前瞻產業研究院發布的《2018—2023年中國無人機行業市場需求預測及投資戰略規劃分析報告》預測，我國民用無人機產品銷售和服務總體市場規模到2020年將達到465億元，2025年將達750億元。根據以上數據可以看出，全球民用無人機市場處于持續上升的走勢，國內民用無人機的前景也越來越廣闊。其中，消費類無人機占無人機市場很大的市場份額。隨著科技的發展，消費類無人機的功能日益完善，無人機將向專業化、個性化方向發展，同時伴隨企業競爭強烈的問題也具有潛在的機會[2]。

表1 全球民用無人機與國內民用無人機融資對比表

2 四旋翼無人機設計方案及關鍵技術

四旋翼無人機是一款具有噴灑功能的無人機。主要用于農業生產中的農藥噴灑、灌溉噴灑作業；也可用于城市環保綠化部門噴灑作業；其功能也可拓展到空中除塵、林業防火監控、凈化空氣等領域，可實現一機多用。根據實際需要和節約成本要求，其設計方案采用四旋翼設計，并且四個懸臂可進行折疊[3]。

其關鍵技術為：通過三維數字化設計技術設計機體，運用3D打印技術和機械加工技術進行制造。使用三維數字化設計技術對無人機進行外觀設計、結構設計，優化機體結構；使用3D打印技術對無人機進行快速增材制造，降低在制造過程需要開模的成本問題；使用機械加工技術制作無人機的基本零、部件，增加無人機的強度和剛性[4-5]。

3 設計制作過程

3.1 設計過程

運用三維數字化設計技術繪制出電氣元件、機械零部件、飛行控制器、GPS天線等關鍵部件；結合實際需求確定無人機的機體尺寸。再對該無人機進行外觀設計、滿足攜帶3升農藥的基本要求、并要外觀時尚、美觀，如圖1、圖2所示。

圖1 無人機的外形設計

圖2 無人機結構設計

3.2 制作過程

利用增材制造技術中的熔融沉積制造工藝對機箱、聯結件等零部件進行快速成型制作，完成后進行防水處理、打磨、拋光、噴漆等后期處理。機械部件采用碳板、碳管材料進行機械加工。無人機的四個懸臂、機座、機身承重部分等采用鈦合金材料制作，保證堅固、可靠。其中，機箱運用了快速成型技術而無需開模設計，節約了制造成本，縮短了生產周期，如圖3、圖4所示。

圖3 無人機電池倉3D打印效果

3.3 輔助配件選型

根據無人機機體重量、結構、攜帶液體重量等因素，參考現有成熟的配件性能、參數等[6]，確定該無人

圖4 無人機機體3D打印效果

機的功率、動力裝置參數以及電氣控制部件等輔助配件的參數，如表2所示。完成設計制作、選定輔助配件后對無人機進行組裝，其最終效果如圖5所示。

表2 無人機系統主要零部件

圖5 四旋翼無人機整體圖

4 四旋翼無人機的技術優勢

4.1 該無人機的四個懸臂采用可折疊設計便于攜帶

由于噴灑無人機自身需要攜帶液體，因此該款無人機的體積較大。考慮到攜帶、裝卸和維護方便，將該無人機四個懸臂設計為可折疊。這樣的設計可使噴灑無人機占地面積減小，攜帶方便，如圖6、圖7所示。

圖6 無人機懸臂展開效果

4.2 采用三維數字化設計技術進行外觀設計和結構設計可加快設計效率，縮短研發周期

該無人機采用當前最新的三維數字化設計技術、快速成型技術進行設計，可以提高設計效率，縮短制作周期。可在無人機平臺上繼續進行開發，改進設計后適應客戶不同的需求，滿足一機多用，使其快速響應市場。采用快速成型技術進行外觀制作，也解決制作中的成本過高的實際問題。

圖7 無人機懸臂折疊效果

4.3 性價比高

當前市場中以大疆為領導的無人機品牌各自都推出了自己獨有的技術專利。該款無人機作為后起之秀，雖然在產品的高新技術領域中無法快速的趕超其他品牌，但是在其產品設計、結構設計、外觀制作以及性能上比其他品牌的無人機要出眾一些，如表3所示。

表3 當前市場上無人機品牌的特色和續航時間

對通過對市場現有無人機的價格進行調研，其無人機產品價格在人民幣22 000元以上，通過對此款農業植保無人機外觀結構、配置等方面進行分析和計算，總體成本控制在人民幣15 000～20 000元，性價比較高，在市場競爭中很有優勢。

5 四旋翼無人機的市場應用前景

5.1 在農業和林業領域的應用

目前，農村勞動力減少，以留守老人和兒童居多，農忙季節的農田缺少人員打理，該無人機可在農業方面大展身手。首先，培養一批能操作無人機的飛行控制的技術人員，使用無人機給農作物進行農藥噴灑作業，可解決農田無人管理的問題。一架無人機每天工作8小時，在不出現故障的情況下可以給15畝左右農田完成農藥噴灑。在林業方面也可以為林業局的護林人員配備無人機，這樣可以大大提高護林作業的效率，有效防止林業火災、提高苗圃育苗效率等問題。

5.2 在城市除塵領域的應用

現有灑水車作業時基本為路面到路面以上的5至10 m空間內的除塵作業，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，對行人行車造成安全隱患。使用的成本大，費用高，投入相對的技術人力也是較大的。此款無人機的用途可拓展到城市環保領域。可與現有的設備相互配合完成城市高空除霾，且能合理運用資源達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。