農用植保無人機在城市園林中的應用分析

周冰洋　陳滿儒

摘 要：無人機作為近年來興起的高科技產業，已經廣泛應用于軍事、航拍攝影、電力巡檢、新聞報道等用途。無人機具有使用靈活，節約能源、提升效率等優點。目前中國傳統農業正處于升級轉型階段，基于無人機的特點以及農業的發展特點，一種新型的農用植保無人機可能是一種較為完善的解決方案。將無人機應用于園林不僅可以解決傳統農業對于農作物生長階段觀察的不足以及各種危害農作物生長的害蟲，還可以將噴灑農藥與無人機結合，通過無人機噴灑農藥，可以有效地避免因為農藥中毒引起的傷亡，還可以提高效率，有效地提高農藥的利用率。通過農用植保無人機的運用可以加快促進當前的農業轉型，促進新型農業的發展，加快新農村的建設。

關鍵詞：植保無人機；有限元分析；ANSYS；外觀材料

一、無人機研究的現狀

當代無人機是利用無線電遙控設備和自備的程序控制裝置操縱的不載人飛機。最早的無人機主要運用于軍事，它的研制成功和戰場運用，揭開了以遠距離攻擊型智能化武器、信息化武器為主導的“非接觸性戰爭”的新篇章。近些年來，隨著相機技術的不斷發展，越來越多的民用無人機開始進入人們的視線，伴隨著以大疆為首的一大批優秀消費級無人機廠商的發展，航拍逐逐漸進入了人們的視線。

我國民用無人機市場大致經歷了三個階段。第一階段的早期市場需求由軍用壟斷，控制系統技術不成熟，成本高。上世紀80年代初，西北工業大學D-4固定翼為地質勘探以及地圖繪制進行了最早的嘗試。

第二階段是上世紀90年代至本世紀初，部分企業對無人機進行探索，市場開始向民用“滲透”，出現了較早的民用小型無人機?！跋桫B”無人直升機的主要用途就包含森林火警探測和漁場巡邏。

第三階段就是當前的情況，民用領域遍地開花，消費級無人機獲得了極大的發展空間，預計未來部分軍工企業將涉足民用領域，依靠技術優勢占據部分市場，民用企業也將通過技術、市場、資質競爭優勝劣汰，出現一批骨干企業。消費級無人機逐步轉變為工業級無人機。以大疆為首的一大批民營企業獲得了極大的發展空間，消費級航拍無人機占據了大量的市場份額。

經過幾十年的發展，當前無人機的應用范圍已涉及國土資源調查、環境監測等不同領域。面對這一正在興起的市場，相關企業和科研結構也紛紛進駐民用無人機領域。其中農林植保和電力巡檢這兩個領域在目前已表現出較為迫切的需求趨勢，且具備較為可觀的市場規模前景。在未來一段的時間內，無人機的發展將持續降低制造成本和學習成本。隨著技術的不斷成熟與進步，用于制造的成本費用將不斷降低，售價也將更加親民。同時無人機自主性能不斷提高，用戶學習成本下降，操作變得更加簡單易用。農用植保無人機將改變單一的經營模式，營收來源更加多元，減少企業風險，擴大營收規模；目前農用植保無人機仍是一個高風險、高損耗的行業，無人機的使用壽命較短，容易發生機械故障，對操作人員有著專業性要求，因此在后期客戶維護中可以獲得常規性收入。

二、植保無人機市場調研及需求分析

通過對城市園林地區進行實地調研，發現當前農村隨著大量勞動力的外出務工，農業任務逐步變得繁重，人力勞動的價格大幅度提升。通過資料整理，發現以下特點：

中國園林人均管理耕地面積相對較少，尤其是近年來隨著勞動力成本的提升，也需要高機械化水平來提高農民效率。

在植物生長的不同環節中，植保的機械化程度最低，植保無人機有著巨大的發展空間。

全球植保航空作業面積比率，中國遠低于世界平均水平。在大力推進城市現代化的過程中，植保無人機不僅可以減少勞動力引起的勞動效率降低的問題，從市場需求端來看，隨著勞動力減少，人力成本上升，農用植保無人機有很大的市場。

綜合來看，當前我國農用植保機械化程度偏低，廣大城市地區依然以手動機械方式進行噴灑農藥，在觀察病蟲害以及作物生長情況方面仍然以人力觀察為基礎，對于園林植物生長不同階段的需求不能進行及時有效地觀察，農用植保無人機在這方面有著得天獨厚的優勢，無人機植保需求真正形成起來才會有真正的植保無人機產業形成。當前農用植保無人機服務還未形成一個成熟、完整的產業鏈，農戶對于無人機植保這一新興事物的作用仍然將信將疑，而政府對于產業發展的支持政策仍然不夠有力。然而，從中國城市長期發展的大趨勢來看，生產機械化率提升，植保無人機經濟性明顯和政策支持產業發展等三個方面的因素將真正促進植保無人機的發展。

植保無人機整體銷售和植保服務的市場總規模未來有望達到年均200億元，具備廣闊的發展空間。目前，隨著我國無人機植保服務行業的不斷發展，產品技術的逐步升級和發展模式的不斷成熟為行業增長提供了堅實的基礎。自2015年以來，已經有多家上市公司瞄準了植保無人機行業，通過投資、參股等方式參與這一領域，目前，市場仍處于爆發前期。

三、農用植保無人機外觀結構設計

農用植保無人機的外觀結構設計是一個復雜的過程，涉及多個方面，如農藥的載重、機身材料的選擇、整機重量的影響等，在設計中，總是希望設計產品的各項性能都能達到最佳，既要進行農藥噴灑量多，又要使作業速度快。但是在實際的設計過程中，設計往往不能同時兼顧這些性能，一個性能的提高可能會引起另一個性能的降低，在外觀結構設計中如何兼顧農用植保無人機的載重，作業高度與飛行速度等因素就成了無人機外觀結構設計的難點。而有限元分析法就是解決多目標設計難題的有效方法之一。

（一）植保觀測無人機外觀結構設計

農用植保觀測無人機的主要作用就是觀察農作物生長情況，檢測病蟲害等信息，并對噴灑農藥后的效果進行觀察。長期以來，農村地區都是“靠天吃飯”，對于農作物的生長情況沒有直觀的觀測，不能及時有效地對農作物生長問題進行處理。這就造成了勞動力的浪費，現代農業是快速、高效的發展模式。農用植保觀測無人機既可以配合農用植保無人機使用，在噴灑農藥之前，通過觀察農作物的生長情況以及噴灑農藥后觀察藥效，及時對作物生長情況進行觀察。

農用植保觀測無人機的整體重量較輕，可以完成較長時間的飛行觀測任務。攝像頭處于機身下面，可以進行360度的觀察，機身的設計采用輕量化設計，減少整機重量，在連接部分設計緩沖結構，確保結構無人機發生摔機，也可以避免進入材料損害階段，保護無人機的內部，避免因碰撞對無人機內部發生機械損傷，影響作業效率。

（二）植保無人機外觀結構設計

農用植保無人機的外觀結構設計主要包括起落架的折疊設計，藥箱外殼設計以及輕量化機身設計?？烧郫B式起落架有助于無人機的起飛和降落，緩沖無人機落地瞬間的沖擊力，保護無人機的內部結構，通過內置藥箱的設計不僅可以避免各種突發狀況對藥箱造成的損害，還可以增強產品的安全性，避免藥箱脫落等意外情況。輕量化機身設計則是進一步保護機身結構，避免發生碰撞時機身材料所受的沖擊力處于材料的破害階段，對機身造成較大的危害。

設計方案采用藥箱內置，可折疊起落架，輕量化機身等設計，采用多旋翼的設計方式，確保無人機的有效載重，增加無人機的續航時間，提高作業效率。

農用植保無人機主要分為農用植保觀測無人機與噴灑用農藥無人機。通過有限元分析先對材料、飛行速度、高度、整機重量等進行分析，對無人機的設計參數進行指導。在設計過程中，通過ANSYS仿真分析，對設計方案不斷進行調整，確保設計方案符合設計需求。方案設計圍繞“無人機碰撞分析”進行展開，確保無人機設計的安全性，縮短設計周期。

四、結語

本文通過對無人機在國內外的研究狀況和城市園林的特點進行分析，對植保無人機在城市園林的農藥噴灑、生長狀況觀察方面具有重要的意義。無人機對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狀況，預防病蟲害對于植物的危害，在噴灑農藥方面還可以提高效率，減少因噴灑農藥對人體造成的傷害，這些對于城市的發展有著重要的意義。

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作者簡介：

周冰洋，陜西科技大學碩士研究生，研究方向：工業設計。

陳滿儒，陜西科技大學教授，研究方向：包裝設計。