农用植保无人机在城市园林中的应用分析

周冰洋　陈满儒

摘 要：无人机作为近年来兴起的高科技产业，已经广泛应用于军事、航拍摄影、电力巡检、新闻报道等用途。无人机具有使用灵活，节约能源、提升效率等优点。目前中国传统农业正处于升级转型阶段，基于无人机的特点以及农业的发展特点，一种新型的农用植保无人机可能是一种较为完善的解决方案。将无人机应用于园林不仅可以解决传统农业对于农作物生长阶段观察的不足以及各种危害农作物生长的害虫，还可以将喷洒农药与无人机结合，通过无人机喷洒农药，可以有效地避免因为农药中毒引起的伤亡，还可以提高效率，有效地提高农药的利用率。通过农用植保无人机的运用可以加快促进当前的农业转型，促进新型农业的发展，加快新农村的建设。

关键词：植保无人机；有限元分析；ANSYS；外观材料

一、无人机研究的现状

当代无人机是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵的不载人飞机。最早的无人机主要运用于军事，它的研制成功和战场运用，揭开了以远距离攻击型智能化武器、信息化武器为主导的“非接触性战争”的新篇章。近些年来，随着相机技术的不断发展，越来越多的民用无人机开始进入人们的视线，伴随着以大疆为首的一大批优秀消费级无人机厂商的发展，航拍逐逐渐进入了人们的视线。

我国民用无人机市场大致经历了三个阶段。第一阶段的早期市场需求由军用垄断，控制系统技术不成熟，成本高。上世纪80年代初，西北工业大学D-4固定翼为地质勘探以及地图绘制进行了最早的尝试。

第二阶段是上世纪90年代至本世纪初，部分企业对無人机进行探索，市场开始向民用“渗透”，出现了较早的民用小型无人机。“翔鸟”无人直升机的主要用途就包含森林火警探测和渔场巡逻。

第三阶段就是当前的情况，民用领域遍地开花，消费级无人机获得了极大的发展空间，预计未来部分军工企业将涉足民用领域，依靠技术优势占据部分市场，民用企业也将通过技术、市场、资质竞争优胜劣汰，出现一批骨干企业。消费级无人机逐步转变为工业级无人机。以大疆为首的一大批民营企业获得了极大的发展空间，消费级航拍无人机占据了大量的市场份额。

经过几十年的发展，当前无人机的应用范围已涉及国土资源调查、环境监测等不同领域。面对这一正在兴起的市场，相关企业和科研结构也纷纷进驻民用无人机领域。其中农林植保和电力巡检这两个领域在目前已表现出较为迫切的需求趋势，且具备较为可观的市场规模前景。在未来一段的时间内，无人机的发展将持续降低制造成本和学习成本。随着技术的不断成熟与进步，用于制造的成本费用将不断降低，售价也将更加亲民。同时无人机自主性能不断提高，用户学习成本下降，操作变得更加简单易用。农用植保无人机将改变单一的经营模式，营收来源更加多元，减少企业风险，扩大营收规模；目前农用植保无人机仍是一个高风险、高损耗的行业，无人机的使用寿命较短，容易发生机械故障，对操作人员有着专业性要求，因此在后期客户维护中可以获得常规性收入。

二、植保无人机市场调研及需求分析

通过对城市园林地区进行实地调研，发现当前农村随着大量劳动力的外出务工，农业任务逐步变得繁重，人力劳动的价格大幅度提升。通过资料整理，发现以下特点：

中国园林人均管理耕地面积相对较少，尤其是近年来随着劳动力成本的提升，也需要高机械化水平来提高农民效率。

在植物生长的不同环节中，植保的机械化程度最低，植保无人机有着巨大的发展空间。

全球植保航空作业面积比率，中国远低于世界平均水平。在大力推进城市现代化的过程中，植保无人机不仅可以减少劳动力引起的劳动效率降低的问题，从市场需求端来看，随着劳动力减少，人力成本上升，农用植保无人机有很大的市场。

综合来看，当前我国农用植保机械化程度偏低，广大城市地区依然以手动机械方式进行喷洒农药，在观察病虫害以及作物生长情况方面仍然以人力观察为基础，对于园林植物生长不同阶段的需求不能进行及时有效地观察，农用植保无人机在这方面有着得天独厚的优势，无人机植保需求真正形成起来才会有真正的植保无人机产业形成。当前农用植保无人机服务还未形成一个成熟、完整的产业链，农户对于无人机植保这一新兴事物的作用仍然将信将疑，而政府对于产业发展的支持政策仍然不够有力。然而，从中国城市长期发展的大趋势来看，生产机械化率提升，植保无人机经济性明显和政策支持产业发展等三个方面的因素将真正促进植保无人机的发展。

植保无人机整体销售和植保服务的市场总规模未来有望达到年均200亿元，具备广阔的发展空间。目前，随着我国无人机植保服务行业的不断发展，产品技术的逐步升级和发展模式的不断成熟为行业增长提供了坚实的基础。自2015年以来，已经有多家上市公司瞄准了植保无人机行业，通过投资、参股等方式参与这一领域，目前，市场仍处于爆发前期。

三、农用植保无人机外观结构设计

农用植保无人机的外观结构设计是一个复杂的过程，涉及多个方面，如农药的载重、机身材料的选择、整机重量的影响等，在设计中，总是希望设计产品的各项性能都能达到最佳，既要进行农药喷洒量多，又要使作业速度快。但是在实际的设计过程中，设计往往不能同时兼顾这些性能，一个性能的提高可能会引起另一个性能的降低，在外观结构设计中如何兼顾农用植保无人机的载重，作业高度与飞行速度等因素就成了无人机外观结构设计的难点。而有限元分析法就是解决多目标设计难题的有效方法之一。

（一）植保观测无人机外观结构设计

农用植保观测无人机的主要作用就是观察农作物生长情况，检测病虫害等信息，并对喷洒农药后的效果进行观察。长期以来，农村地区都是“靠天吃饭”，对于农作物的生长情况没有直观的观测，不能及时有效地对农作物生长问题进行处理。这就造成了劳动力的浪费，现代农业是快速、高效的发展模式。农用植保观测无人机既可以配合农用植保无人机使用，在喷洒农药之前，通过观察农作物的生长情况以及喷洒农药后观察药效，及时对作物生长情况进行观察。

农用植保观测无人机的整体重量较轻，可以完成较长时间的飞行观测任务。摄像头处于机身下面，可以进行360度的观察，机身的设计采用轻量化设计，减少整机重量，在连接部分设计缓冲结构，确保结构无人机发生摔机，也可以避免进入材料损害阶段，保护无人机的内部，避免因碰撞对无人机内部发生机械损伤，影响作业效率。

（二）植保无人机外观结构设计

农用植保无人机的外观结构设计主要包括起落架的折叠设计，药箱外壳设计以及轻量化机身设计。可折叠式起落架有助于无人机的起飞和降落，缓冲无人机落地瞬间的冲击力，保护无人机的内部结构，通过内置药箱的设计不仅可以避免各种突发状况对药箱造成的损害，还可以增强产品的安全性，避免药箱脱落等意外情况。轻量化機身设计则是进一步保护机身结构，避免发生碰撞时机身材料所受的冲击力处于材料的破害阶段，对机身造成较大的危害。

设计方案采用药箱内置，可折叠起落架，轻量化机身等设计，采用多旋翼的设计方式，确保无人机的有效载重，增加无人机的续航时间，提高作业效率。

农用植保无人机主要分为农用植保观测无人机与喷洒用农药无人机。通过有限元分析先对材料、飞行速度、高度、整机重量等进行分析，对无人机的设计参数进行指导。在设计过程中，通过ANSYS仿真分析，对设计方案不断进行调整，确保设计方案符合设计需求。方案设计围绕“无人机碰撞分析”进行展开，确保无人机设计的安全性，缩短设计周期。

四、结语

本文通过对无人机在国内外的研究状况和城市园林的特点进行分析，对植保无人机在城市园林的农药喷洒、生长状况观察方面具有重要的意义。无人机对于城市园林方面的意义在于不仅可以有效地观察植物的生长状况，预防病虫害对于植物的危害，在喷洒农药方面还可以提高效率，减少因喷洒农药对人体造成的伤害，这些对于城市的发展有着重要的意义。

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作者简介：

周冰洋，陕西科技大学硕士研究生，研究方向：工业设计。

陈满儒，陕西科技大学教授，研究方向：包装设计。