植保無人機(jī)創(chuàng)新設(shè)計研究

張秋艷　龍鑫　高婧

摘要：現(xiàn)在農(nóng)村農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動越來越趨向于現(xiàn)代化和機(jī)械化，但是除草、除蟲、施肥等植保工作機(jī)械化程度較低，并且會花費(fèi)大量的時間和精力。現(xiàn)在植保機(jī)械化主要依靠植保無人機(jī)，而植保無人機(jī)面臨續(xù)航短、專業(yè)性強(qiáng)、費(fèi)用高等問題，造成推廣困難。文章通過對植保無人機(jī)進(jìn)行系統(tǒng)化的整合設(shè)計，建立自助柜和手機(jī)預(yù)約植?；顒酉到y(tǒng)，然后對無人機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行再設(shè)計。以期解決植保無人機(jī)在農(nóng)田應(yīng)用中續(xù)航短、專業(yè)性強(qiáng)、費(fèi)用高的問題，從而提升植保效率，進(jìn)一步促進(jìn)農(nóng)業(yè)機(jī)械化。

關(guān)鍵詞：農(nóng)村農(nóng)業(yè);機(jī)械化;植保無人機(jī);系統(tǒng)化設(shè)計

中圖分類號：TB472 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編碼：1672-7053（2021）11-0052-02

黨的十九大報告指出：“構(gòu)建現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)體系、生產(chǎn)體系、經(jīng)營體系”。因此，不能把眼光僅僅局限在良種良法結(jié)合、農(nóng)機(jī)農(nóng)藝配套等具體農(nóng)業(yè)科技上，更要注意高速互聯(lián)網(wǎng)的全面覆蓋，在促進(jìn)生產(chǎn)力發(fā)展的同時對農(nóng)村生產(chǎn)關(guān)系的影響。雖然科技的進(jìn)步對農(nóng)業(yè)的智能化、機(jī)械化發(fā)展有一定的促進(jìn)作用，但是現(xiàn)在農(nóng)村仍面臨著基礎(chǔ)薄弱、農(nóng)村基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)不完善、勞動力不足、糧食需求量大等問題的多重打壓。根據(jù)生產(chǎn)性基礎(chǔ)設(shè)施方面的調(diào)研結(jié)果發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中最重要的問題是缺乏科學(xué)的管理;雖然播種、松土，乃至收獲都實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化與自動化，減少了農(nóng)民的勞作。但是除草、除蟲、施肥等植保工作仍占據(jù)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中一半的勞動量，并且會花費(fèi)農(nóng)田管理者大量的時間和精力，只有這些工作實(shí)現(xiàn)機(jī)械化，才會使農(nóng)業(yè)真正實(shí)現(xiàn)機(jī)械化、自動化，從而推動農(nóng)業(yè)的現(xiàn)代化發(fā)展。

1植保無人機(jī)的現(xiàn)狀與存在問題

我國是一個農(nóng)業(yè)生產(chǎn)大國，一直以來，我國農(nóng)作物病蟲害的防治都是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的重點(diǎn)、難點(diǎn)問題，而植保無人機(jī)具有作業(yè)效率高、性能優(yōu)越、應(yīng)對突發(fā)災(zāi)害能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，因此成為植保機(jī)械化的不二選擇。但是，現(xiàn)在植保無人機(jī)的發(fā)展仍面臨著一些問題：（1）由于電池續(xù)航能力不足，植保無人機(jī)在作業(yè)過程中不得不采用頻繁更換電池的方式維持工作，因此需要人力跟蹤更換電池，植保無人機(jī)不能離開勞動力單獨(dú)行動。這也導(dǎo)致了晚間因勞動力視線受阻，植保無人機(jī)無法在晚間工作，極大地減少了植保無人機(jī)的實(shí)際工作時間;（2）因為植保無人機(jī)往返和更換電池的過程消耗了很多時間，導(dǎo)致每小時的實(shí)際平均工作時間僅為30～40分鐘，并且需要把大量的備用電池帶到田間地頭，降低了工作效率，也提高了使用成本;（3）現(xiàn)階段大多數(shù)植保無人機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)配備控制在4～6萬元，但實(shí)際生產(chǎn)中需要更多的備用電池，導(dǎo)致實(shí)際成本顯著提高，且專業(yè)操作人員的工時費(fèi)和植保無人機(jī)的后續(xù)使用與維修的費(fèi)用也較高，增加了農(nóng)民的使用負(fù)擔(dān)。

2植保無人機(jī)使用場景分析

植保無人機(jī)主要分為旋翼植保無人機(jī)和固定翼植保無人機(jī)。當(dāng)前植保作業(yè)領(lǐng)域運(yùn)用較為廣泛的是旋翼植保無人機(jī)。

旋翼植保無人機(jī)主要由動力系統(tǒng)、槳葉、機(jī)身和操控系統(tǒng)組成，具有體積較小、結(jié)構(gòu)簡單、控制比較靈活、具備自主飛行和著陸能力等特點(diǎn)。旋翼植保無人機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是適用于地形復(fù)雜的作業(yè)環(huán)境，可滿足中小田塊的噴灑要求。在作業(yè)過程中，螺旋槳所產(chǎn)生的空氣渦流可提高噴灑的效率，缺點(diǎn)是作業(yè)耗油量、耗電量較大，單次作業(yè)時間短，需頻繁更換電池，使用效率低。

固定翼植保無人機(jī)是固定的機(jī)翼，機(jī)體是模塊化的，起降系統(tǒng)簡單安全，并且可以按照多種模式自動執(zhí)行植保任務(wù)，可以滿足不同的植保需求。但是固定翼植保無人機(jī)對環(huán)境適應(yīng)能力較差，需要專業(yè)人員操控作業(yè)，不能離開專業(yè)人員單獨(dú)工作，人力成本較高，且夜間人的視線受阻，也無法獨(dú)立工作。

3植保無人機(jī)的創(chuàng)新設(shè)計意義

植保無人機(jī)的創(chuàng)新設(shè)計針對現(xiàn)存的問題，建立了一個自動化、集約化的共享式植保農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)，即能幫助農(nóng)民完成除草、除蟲、施肥等植保工作。此系統(tǒng)可以讓農(nóng)田管理者在手機(jī)或者自助柜的屏幕上選擇農(nóng)田，并進(jìn)行植保預(yù)約活動。植保無人機(jī)可根據(jù)GPS定位系統(tǒng)到達(dá)指定地點(diǎn)進(jìn)行相應(yīng)的植保工作，并將工作進(jìn)度和完成情況反饋給預(yù)約者，無需農(nóng)田管理者和專業(yè)操作人員實(shí)際到田間監(jiān)督觀測就可完成植保任務(wù)。創(chuàng)新設(shè)計不僅可以解決因晚上專業(yè)人員視線差導(dǎo)致的植保無人機(jī)晚上不能工作的問題，同時又不需要專業(yè)人員到現(xiàn)場實(shí)時監(jiān)測，極大地節(jié)省了人力成本。此外，對農(nóng)田管理者而言，足不出戶就可完成農(nóng)田的植保工作，省時、省心、省力。

4植保無人機(jī)的創(chuàng)新設(shè)計思路

4.1全自動農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)計

全自動農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)是針對農(nóng)村農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中的除草、除蟲、施肥等植保工作進(jìn)行的設(shè)計，是一個自動化、集約化的共享式農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)，系統(tǒng)操作流程如圖1所示。全自動農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)可全天使用，因不需專業(yè)人員操作就可獨(dú)立完成植保任務(wù)。因此，此系統(tǒng)不受夜晚光線限制，從而大大提高了工作效率。全自動農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)由政府與企業(yè)聯(lián)合，政府出資，企業(yè)進(jìn)行技術(shù)和設(shè)備援助，并根據(jù)農(nóng)田面積及農(nóng)村分布情況設(shè)立自助柜。自助柜不僅可以進(jìn)行植保活動的預(yù)約，同時又是植保無人機(jī)存放和補(bǔ)充能源的場所。農(nóng)民根據(jù)自身需要在自助柜或手機(jī)上進(jìn)行預(yù)約，預(yù)約內(nèi)容包括：作業(yè)時間、作業(yè)地點(diǎn)、作業(yè)項目（除草、除蟲、施肥）、化肥種類及濃度。農(nóng)民在手機(jī)或自助柜上支付費(fèi)用后，全自動植保無人機(jī)可根據(jù)預(yù)約信息自動進(jìn)行相應(yīng)植保作業(yè)，預(yù)約完成后可實(shí)時查看植保無人機(jī)的操作進(jìn)度，植保無人機(jī)作業(yè)完成后自動回歸自助柜自動充電，并將相關(guān)作業(yè)完成信息發(fā)送給對應(yīng)預(yù)約用戶。

4.2自助柜設(shè)計

自助柜的主要功能是幫助用戶完成預(yù)約、植保無人機(jī)的能源補(bǔ)給及存放工作。自助柜外部由頂棚、照明燈、廣告顯示屏、藥量顯示屏、電量顯示屏組成，如圖2所示;自助柜內(nèi)部由藥箱、水箱、水管道、藥管道、植保無人機(jī)和充電底座組成，如圖3所示。

自助柜外部的頂棚可以保護(hù)自助柜避免受到陽光和雨水的損害，并且可以為使用人員提供遮陰避雨的場所;照明燈可以為使用者夜間操作提供照明環(huán)境，方便使用者完成工作;藥量顯示屏可以清晰地告知用戶自助柜剩余的藥量，并且藥量顯示屏連接著維保系統(tǒng)，藥量過低時會在維保系統(tǒng)發(fā)出警告，提醒維保人員及時為此自助柜補(bǔ)充藥量;電量顯示屏可以清晰地告知使用者植保無人機(jī)的當(dāng)前電量狀態(tài)，方便用戶進(jìn)行選擇;自助柜內(nèi)部的藥箱是儲存藥品的，對應(yīng)藥箱會根據(jù)預(yù)約內(nèi)容通過管道填充到無人機(jī)的藥箱內(nèi);水箱連接當(dāng)?shù)毓喔认到y(tǒng)可自動補(bǔ)水;藥品管道及注藥管道是為了使藥箱內(nèi)的藥品進(jìn)入無人機(jī)的藥箱內(nèi);充電底座可快速對植保無人機(jī)進(jìn)行快速充電。

4.3植保無人機(jī)設(shè)計

植保無人機(jī)是全自動農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)計中最重要的部分之一（如圖4），是進(jìn)行作業(yè)的關(guān)鍵。植保無人機(jī)需有除草、除蟲、施肥、自動進(jìn)出自助柜、自動作業(yè)、自動充電等功能;植保無人機(jī)的電池在藥箱的中間，充電口設(shè)置在最下方，方便植保無人機(jī)進(jìn)入自助柜后進(jìn)行自動充電;藥箱在飛行控制器下方，飛行重心更穩(wěn)固，注藥口在藥箱側(cè)面，方便藥品和水進(jìn)入;此植保無人機(jī)共有四個螺旋槳，每個螺旋槳下方有一個噴頭，在飛行時可以進(jìn)行作業(yè);飛行控制器上方的燈帶電量充足時顯示為藍(lán)色，電量不足20%時顯示為紅色;支架是起支撐作用。詳情構(gòu)造如圖5所示。

5結(jié)語

植保無人機(jī)可以完成除草、除蟲、施肥工作，幫助農(nóng)民減輕勞作，但是現(xiàn)在的植保無人機(jī)存在很多問題。因此，可以用手機(jī)進(jìn)行線上植?；顒宇A(yù)約，全自動執(zhí)行無需專業(yè)人員操作，可全天24小時工作。自動化、集約化的共享式農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)可以有效解決續(xù)航短，專業(yè)性強(qiáng)、費(fèi)用高等推廣難的問題。全自動農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)計在解決以上問題的同時，又可以有效的將先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)應(yīng)用到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，促進(jìn)植保無人機(jī)在農(nóng)村的使用，從而推動農(nóng)村農(nóng)業(yè)機(jī)械化、智能化的進(jìn)程，加快實(shí)現(xiàn)農(nóng)村農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展的腳步。