四旋翼无人机在农业植保领域的应用与实践

王立涛，雷 琼

(陕西工业职业技术学院，陕西 咸阳 712000)

1 民用无人机的应用现状

自20世纪末以来，日本率先将无人机应用于民用市场之后，世界各国都相继开展本国独具特色的无人机蓝图。无人机市场在经过三次浪潮之后，民用无人机被广泛运用到农业生产、森林防火、地震灾害监测、摄影等各个领域[1]。该行业显然是一个行情看涨的朝阳行业，根据全球民用无人机与国内民用无人机融资对比表数据可以看到，融资资金增长很快，如表1所示。根据前瞻产业研究院发布的《2018—2023年中国无人机行业市场需求预测及投资战略规划分析报告》预测，我国民用无人机产品销售和服务总体市场规模到2020年将达到465亿元，2025年将达750亿元。根据以上数据可以看出，全球民用无人机市场处于持续上升的走势，国内民用无人机的前景也越来越广阔。其中，消费类无人机占无人机市场很大的市场份额。随着科技的发展，消费类无人机的功能日益完善，无人机将向专业化、个性化方向发展，同时伴随企业竞争强烈的问题也具有潜在的机会[2]。

表1 全球民用无人机与国内民用无人机融资对比表

2 四旋翼无人机设计方案及关键技术

四旋翼无人机是一款具有喷洒功能的无人机。主要用于农业生产中的农药喷洒、灌溉喷洒作业；也可用于城市环保绿化部门喷洒作业；其功能也可拓展到空中除尘、林业防火监控、净化空气等领域，可实现一机多用。根据实际需要和节约成本要求，其设计方案采用四旋翼设计，并且四个悬臂可进行折叠[3]。

其关键技术为：通过三维数字化设计技术设计机体，运用3D打印技术和机械加工技术进行制造。使用三维数字化设计技术对无人机进行外观设计、结构设计，优化机体结构；使用3D打印技术对无人机进行快速增材制造，降低在制造过程需要开模的成本问题；使用机械加工技术制作无人机的基本零、部件，增加无人机的强度和刚性[4-5]。

3 设计制作过程

3.1 设计过程

运用三维数字化设计技术绘制出电气元件、机械零部件、飞行控制器、GPS天线等关键部件；结合实际需求确定无人机的机体尺寸。再对该无人机进行外观设计、满足携带3升农药的基本要求、并要外观时尚、美观，如图1、图2所示。

图1 无人机的外形设计

图2 无人机结构设计

3.2 制作过程

利用增材制造技术中的熔融沉积制造工艺对机箱、联结件等零部件进行快速成型制作，完成后进行防水处理、打磨、抛光、喷漆等后期处理。机械部件采用碳板、碳管材料进行机械加工。无人机的四个悬臂、机座、机身承重部分等采用钛合金材料制作，保证坚固、可靠。其中，机箱运用了快速成型技术而无需开模设计，节约了制造成本，缩短了生产周期，如图3、图4所示。

图3 无人机电池仓3D打印效果

3.3 辅助配件选型

根据无人机机体重量、结构、携带液体重量等因素，参考现有成熟的配件性能、参数等[6]，确定该无人

图4 无人机机体3D打印效果

机的功率、动力装置参数以及电气控制部件等辅助配件的参数，如表2所示。完成设计制作、选定辅助配件后对无人机进行组装，其最终效果如图5所示。

表2 无人机系统主要零部件

图5 四旋翼无人机整体图

4 四旋翼无人机的技术优势

4.1 该无人机的四个悬臂采用可折叠设计便于携带

由于喷洒无人机自身需要携带液体，因此该款无人机的体积较大。考虑到携带、装卸和维护方便，将该无人机四个悬臂设计为可折叠。这样的设计可使喷洒无人机占地面积减小，携带方便，如图6、图7所示。

图6 无人机悬臂展开效果

4.2 采用三维数字化设计技术进行外观设计和结构设计可加快设计效率，缩短研发周期

该无人机采用当前最新的三维数字化设计技术、快速成型技术进行设计，可以提高设计效率，缩短制作周期。可在无人机平台上继续进行开发，改进设计后适应客户不同的需求，满足一机多用，使其快速响应市场。采用快速成型技术进行外观制作，也解决制作中的成本过高的实际问题。

图7 无人机悬臂折叠效果

4.3 性价比高

当前市场中以大疆为领导的无人机品牌各自都推出了自己独有的技术专利。该款无人机作为后起之秀，虽然在产品的高新技术领域中无法快速的赶超其他品牌，但是在其产品设计、结构设计、外观制作以及性能上比其他品牌的无人机要出众一些，如表3所示。

表3 当前市场上无人机品牌的特色和续航时间

对通过对市场现有无人机的价格进行调研，其无人机产品价格在人民币22 000元以上，通过对此款农业植保无人机外观结构、配置等方面进行分析和计算，总体成本控制在人民币15 000～20 000元，性价比较高，在市场竞争中很有优势。

5 四旋翼无人机的市场应用前景

5.1 在农业和林业领域的应用

目前，农村劳动力减少，以留守老人和儿童居多，农忙季节的农田缺少人员打理，该无人机可在农业方面大展身手。首先，培养一批能操作无人机的飞行控制的技术人员，使用无人机给农作物进行农药喷洒作业，可解决农田无人管理的问题。一架无人机每天工作8小时，在不出现故障的情况下可以给15亩左右农田完成农药喷洒。在林业方面也可以为林业局的护林人员配备无人机，这样可以大大提高护林作业的效率，有效防止林业火灾、提高苗圃育苗效率等问题。

5.2 在城市除尘领域的应用

现有洒水车作业时基本为路面到路面以上的5至10 m空间内的除尘作业，该方式的弊端就在于大量的水资源未得到充分的利用，造成路面湿滑，对行人行车造成安全隐患。使用的成本大，费用高，投入相对的技术人力也是较大的。此款无人机的用途可拓展到城市环保领域。可与现有的设备相互配合完成城市高空除霾，且能合理运用资源达到资源利用效率最大化。投入资金成本少，周期短，人力资源投入较小等。