基于AHP-AD-FEC的直线型倾转翼植保无人机设计研究

关键词：植保无人机；AD；FEC；AHP；需求转化；参数映射

中图分类号：TB472 文献标识码：A

文章编号：1003-0069（2024）24-0114-05

引言

近年来，精准化农业的提出使得植保无人机技术得到了快速发展。相比于人工作业，植保无人机具有更高的作业效率，因此得到了广泛应用。但当前学者们对于植保无人机的研究主要集中于技术实现的层面，从工业设计角度的研究相对缺乏[1]。例如江苏大学无人农机团队提出的直线型旋翼布局的植保飞行器，可以有效解决传统多旋翼无人机药液喷幅窄，旋翼间扰流作用明显的问题，但是产品尚处于功能试验阶段，忽略了对用户需求、产品功能和造型的研究[2]，导致技术无法转化为现实生产力。

随着产品的不断成熟，用户需求的满足、产品品质和性能的提升及功能的完善等将成为决定植保无人机产品竞争力的重要因素。本研究旨在从用户需求出发，提出一种集成AHP、AD 和FEC 的理论模型，以直线型倾转翼植保无人机为研究对象展开设计研究，设计出能够满足用户需求的直线型倾转翼植保无人机，并为相关设计提供理论借鉴。

一、植保无人机现有产品分析

当前，植保无人机的类型主要可分为以下几种：1. 植保直升机，其特点是成本高，对飞手技能要求高，对农户的经济压力大。2. 固定翼植保无人机，其特点是飞行高度高，续航时间长，但下压风场小，雾滴穿透性差，且需要专业驾驶员操作。3. 电动多旋翼植保无人机，其特点是成本低、易使用，是当前我国使用较多的机型，其存在的问题是载重能力差、喷幅窄，并且旋翼间扰流作用明显，影响作业精准度等[3]。

基于此江苏大学科研团队[4] 提出的“一种直线型多旋翼植保飞行器结构”可以有效应对以上问题。直线型旋翼布局直接增加无人机作业喷洒面积，同时使旋翼下压风场分布均匀充分，以此提升作业效果和效率。但是，目前该产品处于实验室阶段，研究重点集中于技术的应用而忽视了从工业设计角度的思考，导致美观、性能与功能之间不匹配。例如：产品为各功能部件的堆砌、元器件裸漏、造型整体性差、美观性差、尺寸设计不合理、操作步骤复杂等，如图 1所示。本研究以AD为理论基础，指导用户需求向设计技术参数转化，融合AHP对用户需求进行权重划分和FEC 对产出的设计方案开展评价，以此弥补单个理论方法的局限性，并产出从用户需求视角出发的产品设计理论模型。

二、理论概述与设计模型构建

（一）理论概述

公理设计（AD）的理论是由美国的SUH教授创立，其观点是在设计领域建立起像自然科学一样严谨的公理化体系，使设计的过程更客观科学。该理论主要包括：域、设计约束、Z字形映射、独立公理和信息公理等[5]。

AD设计过程是以用户需求为导向的域之间的映射，有助于将用户需求转化为具体设计参数，明确设计目标，AD的映射过程如图 2所示。在理论应用方面，苏珂[6] 等以结构设计为目的，提出了以公理设计为基础的结构设计过程，将功能需求导入AD理论框架之中映射为设计参数，基于设计参数进行设计优化，实现了设计目标。AD虽然能够为设计提供科学依据，但用户需求指标无法获取及量化，因此经常需要与用户需求量化工具结合应用。

层次分析法（AHP）是美国运筹学家Saaty提出的反映人的主观判断的评估方法。层次分析法按照目标层层分解，多个要素互相对比，通过权重集成的方法进行决策，并将与最后决策有关的需求划分为目标层、准则层和子准则层。采用多个层面的分解来实现定性与定量分析的结合[7]。在设计研究中，常被用于对用户需求进行权重计算，例如李翠玉[8] 等通过AHP对用户具体需求进行权重计算，得出量化后的用户需求，以此指导设计实践。虽然AHP 可以将用户需求进行权重的划分，但不能将用户需求转化成具体的设计参数。因此，需要借助公理设计指导用户需求向设计参数转化。

模糊综合评价法（FEC）是美国自动控制专家L.AZdah教授提出的。这种方法根据模糊数学中的隶属原则，把定性的评估转变成量化的评估。FEC 方法可以有效处理一些不确定问题[9]。在植保无人机设计方面，学术界的研究案例比较缺乏，且都聚焦在植保无人机的外观造型层面，研究方法针对性较弱，对于植保无人机的现实问题没有涉及。例如：植保无人机产品本身特殊性带来的约束限制、结构和材料的合理性以及药液喷洒范围对造型的影响等也没有涉及。

综上所述，AHP可以对用户需求进行权重划分，但不能将用户需求转化成设计参数；AD可以将用户需求转化为具体的设计参数，但重要的需求指标无法获取；FEC经常和AHP 结合使用，两者结合的优势在于FEC可以依据AHP对各评价指标权重值的计算结果，经过隶属度归一化处理后确定最终的评价结果。本研究集成AD、AHP和FEC 3种理论方法的优势，补缺其不足之处，以直线型倾转翼植保无人机为目标产品，进行系统性的设计，产出针对性的研究方法。

（二）集成AHP-AD-FEC的理论模型构建

为有效解决以上问题，本研究提出了一种以AD理论为主要设计框架，结合AHP对用户需求进行权重划分以及FEC 对设计方案进行评估的设计模型。图 3为模型的推演过程。其中涉及的内容包括：（1）完成对目标产品的用户需求及设计约束的获取，并将用户需求和设计约束进行整合分类；（2）结合AHP 对用户需求进行权重的划分；（3）应用AD理论，在设计约束的制约下完成用户需求向设计参数的转化；（4）结合设计参数开展设计实践；（5）应用FEC对产出的方案进行综合评价。

三、集成AHP-AD-FEC的设计模型在直线型倾转翼植保无人机中的运用

（一）用户需求及设计约束获取

为深入了解植保无人机的产品使用现状、存在的问题和用户需求，本次研究分别在大疆植保无人机售后服务处和江苏大学植保无人机研发团队开展了实地调研。以问题发现、用户需求和设计约束的获取为目的，应用观察与访谈等定性的研究方法对植保无人机用户、维修人员、销售人员以及植保无人机技术研发人员开展了研究。

通过亲和图（KJ）法对研究结果进行整合与分类，得到功能需求、造型需求、安全需求和性能需求四大类，并将其作为准则层（B1-B4），19 个具体需求作为子准则层（C1-C19），进而建立直线型倾转翼植保无人机的层次分析模型和设计约束，如图 4、图 5 所示。

（二）用户需求权重分析

明确需求权重是对植保无人机客观评价的关键，同时也可指明后续设计方向。为确保研究结果的科学性，根据上一步构建的用户需求层次分析模型设计AHP 问卷，并邀请20位相关专家填写问卷，包括工业设计方向副教授和从业者共11人、5名无人机技术研发学者以及4名植保无人机真实用户。根据Saaty教授[10] 提出的1级-9级标度的方法，对用户需求进行两两比较，并给予相应的评分，构建出各用户需求之间的判定矩阵，随后采用几何平均值的方法，对植保无人机的用户需求进行计算，结果见表 1。

最后，为确保专家评判时逻辑的合理性，需要对计算结果进行一致性检验，只有当检验结果I_CR≤ 0.1时，一致性检验通过。经验证，准则层和子准则层I_CR均小于0.1，说明数据可靠。一致性检验计算公式如下，计算结果如表2所示。

（1）一致性检验（I_CR）

（三）基于AD的用户需求向设计参数映射

得到了权重划分的用户需求之后，仍无法在设计过程中直接应用，需要应用AD理论将用户需求转化成具体的设计参数，解决如何实施的问题。

基于前期对植保无人机的行业调研、用户研究、相关学者的理论分析以及设计约束，以此作为设计的本源设计知识[11]，进行从用户需求CA 向功能需求FR的映射。映射结果如表3所示：

得到功能需求映射结果之后，还需进行功能需求（FR）向设计参数（DP）的转化，为了保证设计参数的有效性和科学性，此次研究参考中华人民共和国地方标准《植保无人机安全操作技术规范》（DB63/T 2099-2023），同时参考张敏[12]，常瑜[13] 等学者针对植保无人机的研究，以及孙宁娜[14]，汤箬梅[15] 等学者对AD理论指导参数转化的应用研究。在此基础上，应用AD 理论，对于每个功能需求分别给出了与其对应的设计参数，并将每个设计参数（DP）与设计约束（Cr）进行对照（设计约束如图 4所示），对于违反约束的设计参数进行删除或者更改，确保每个设计参数都符合设计约束。在参数映射过程中，因为功能需求FR2：机身结构稳定包含机臂结构稳定和机体平台结构稳定，因此需要将FR2 分解为FR21和FR22再分别进行映射。设计参数转化结果如表 4 所示。

在AD理论的设计矩阵中，“0”代表不相关，“1”代表相关。当设计矩阵的数据呈现对角线排列时，符合独立公理原则，设计参数可以使用；而当设计矩阵呈现三角形排列时，则需要对某些设计参数进行重新排序；若设计矩阵是一般的矩阵，则不符合独立公理。根据公式（2）-（3），完成直线型倾转翼植保无人机功能需求FR向设计参数DP 的映射，进而得到设计矩阵A：

通过对比设计矩阵形式可以得知，该设计矩阵为对角矩阵，符合独立公理原则。说明设计参数DP1-DP17 具有可行性，可作为设计实践的依据。

四、直线型倾转翼植保无人机设计方案

（一）产品方案设计

依据AD公理的参数映射结果，完成对直线型倾转翼植保无人机的创新设计，产品整体效果如图6所示，产品具体特征描述如下。

（1）为保证产品具有牢靠的结构强度，同时对电气系统起到保护（防水、防尘、防腐）作用，且尽可能做到轻量化。外壳及主体采用ABS 和碳纤维材质，机体框架采用铝合金，对电路板施用IP67级防护工艺。如图7所示。

（2）为使产品占用较小的空间，且易于用户搬运转场，为机臂设计转轴和搬运把手，尺寸设计为：2500 mm×525 mm×525mm。如图8所示。

（3）植保无人机作业过程中，电池更换频繁。为使电池易于更换，电池安装采用可快速插接的设计，同时为产品增加了非接触式液位传感器，以满足用户时刻知晓剩余药量的需求，如图9所示。

（4）为便于用户维修和操作，产品的外观和内部结构遵循模块化和对称的设计原则。同时为减小产品飞行过程中的风阻，机身的外壳进行流线型处理。如图10所示。

（5）为保证产品的安全性，为产品增加视觉避障模块，弥补雷达避障的不足。同时为满足用户夜间使用的需求，为产品增加灯光照明功能。如图11所示。

五、设计评价

为验证设计方案的有效性，采用FCE模糊综合评价法对设计方案开展验证。首先，参照李克特量表构建评语集V，V={ 非常差、差、一般、好、非常好}，对应的分值为50、60、70、80、90。邀请7名参与过前期调研的用户以及3名工业设计专家以子准则层为评价指标（如表 1 所示），对设计方案进行打分，得到直线型倾转翼植保无人机的模糊综合评价矩阵，功能需求U₁、造型需求U₂、安全需求U₃ 和性能需求U₄。

根据准则层权重向量P_B 以及子准则层需求权重向量评价矩阵W进行计算，得出方案综合评价向量：P=P_B×W=（0.56952、0.23095、0.09555、0.07294、0.03095），再将方案综合评价向量P 与评语集V 进行计算，得到设计方案最终分数为82.3452。得知该分数处于满意的指标区间，说明设计方案在一定程度上满足用户需求，构建的集成AHP、AD和FEC的理论模型可有效指导直线型倾转翼植保无人机的优化设计。

结语

随着城市化进程的加快，农村劳动力减少和土地集约化政策的普及使农业机械化发展势在必行。无人机技术在农业中的应用成为推动机械化发展的关键。在优化直线型倾转翼植保无人机设计时，采用AD 公理设计为框架，将用户需求转化为技术参数，明确设计目标。在此过程中，使用AHP 对用户需求进行权重分析，并用FEC 评价设计方案。结果表明，该方法有效提高了用户满意度，验证了集成AHP、AD 和FEC 理论模型的可行性，并进一步优化了产品设计流程。