智能固定翼植保無人機設計研究

摘要：以植保無人機為研究對象，探索利用智能化固定翼垂直升降結構提升植保無人機產品性能的設計方案，在于改進傳統植保無人機的工作效率低、機械外觀差、操作困難、功能單一等缺點。對現有植保無人機進行調研，分析產品痛點；通過用戶研究挖掘產品創新性，對目標用戶使用植保無人機的行為體驗和心理特征進行分析評估，收集問卷數據，量化用戶對產品的需求。通過用戶研究解析用戶需求結合植保無人機的設計原則和要素制訂智能化固定翼植保無人機的方案設計。采用形態仿生方法設計一款智能化固定翼植保垂直升降結構的無人機，并對人機交互界面進行簡化設計。在滿足改進植保無人機功能使用的同時，通過形態仿生造型賦予產品一定的趣味性，與用戶進行社會、文化、精神等多層面的情感溝通，從而賦予更深刻的藝術精神和內涵。

關鍵詞：植保無人機；形態仿生設計；產品設計；固定翼；垂直升降；智能化交通工具

中圖分類號：TB472 文獻標識碼：A

文章編號：1003-0069（2024）15-0129-05

引言

近年來，無人機使用率正在不斷提高，植保無人機是一種新型的農用植保機械，在新時期對農作物的保護起到了重要作用。目前，我國農業無人機處于起步階段，植保無人機技術水平和產品雖品種繁多，但質量參差不齊難以適應大規模、高強度的植保作業。無人機的發展在立足于當前有利的市場環境下，更應該從創新的思維求變，致力于突破技術壁壘，保障可持續[1]。農業正朝著現代化、市場化、知識化、生態化、可持續發展的方向發展，與此同時植保無人機也應該朝著高效、節約人力、降低農業投資、增加農民收入、推動農業快速進步等方向發展。由上述背景，文中基于用戶研究作為理論指導，以人為本，以固定翼垂直升降結構作為創新設計切入點，在分析現有產品的基礎上，對其色彩、造型、功能、結構等方面進行優化再設計，可使植保無人機提升工作效率，為植保無人機設計提供一種創新設計方案。

一、植保無人機研究概述

（一）植保無人機概述

農業無人機，又名無人飛行器，是用于農林植物保護作業的無人駕駛飛機，該型無人機由飛行平臺、導航飛控、噴灑機構3 部分組成，通過地面遙控或導航飛控來實現噴灑作業，可以噴灑藥劑、種子、粉劑等[2]。為了覆蓋多樣的植保環境以科學技術進步為依托，植保無人機也需要不斷地改進以滿足需求。

（二）植保無人機研究意義

植保無人機在農業發展中承載著提高農業生產效率、降低農藥使用量、減輕農業勞動強度等作用，能夠快速、精確地檢測和識別農田相關信息。近年來農業市場對植保無人機的要求越來越高，現有植保無人機不能滿足農業工作者的需求。2016 年，《宇辰》雜志發表了《中國民用無人機市場分析及前景預測（2016 試發行）》，指出我國農業無人機尚處于起步階段。植保無人機的改良創新設計對農業的發展起著關鍵性作用。

二、植保無人機設計研究現狀

1. 植保無人機產品現狀及問題分析：目前植保無人機對不同農作物作業情況的適應性有限，需要適應性較強的無人機以及配套設備。同時，植保無人機的操作和管理規范也仍需完善。本文選取了具有代表性的植保無人機進行競品分析，見表1，并將共性問題歸類如下：

（1）技術不夠成熟，功能尚未完善：植保無人機作為一種新技術進入市場時間不長，其在技術功能上存在著機身設計不美觀、飛行控制系統不穩定、農藥噴灑技術不均勻、續航時間短、定位精度不高、作業效率低、平臺、載荷、軟件集成度低等問題，對于高精度導航、智能感知、自動化操作等方面還有較大差距。（2）標準規范不統一：植保無人機行業缺乏統一的標準規范，導致產品質量參差不齊，服務水平不穩定。各個廠家對于無人機的設計、配件、操作手冊等存在差異，用戶不了解植保無人機的操作流程和技術應用，給用戶選擇和使用帶來了一定的困擾。（3）存在安全風險：植保無人機噴灑農藥涉及化學物質，因此在操作過程中存在一定的安全風險，需要建立起完善的安全管理體系。

2. 植保無人機現狀痛點問題解決方法：（1）對植保無人機功能進行模塊化分析。以智能固定翼垂直升降的設計結構為載體，拆分重組針對植保無人機的各個功能模塊進行優化升級解決功能問題。（2）通過用戶行為體驗分析簡化交互操作流程并規范使用標準解決操作問題；（3）建立多功能攝像頭自動轉化模塊，通過攝像鏡頭轉化模式對無人機實施自身飛行監控系統，監測飛行狀態和位置，及時發現異常情況并采取措施。

通過梳理以上痛點解決方法可知，固定翼垂直升降結構為植保無人機中具體功能的實現與表現形式提供了一種可行性、可操作的方法。

三、產品設計分析研究和前期調研

（一）產品設計研究創新定位

此次設計的創新點在于采用固定翼垂直升降結構的無人機，固定翼無人機系統由5 個主要部分組成：機體結構、航電系統、動力系統、起降系統和地面控制站，如表2 所示固定翼無人機具有長飛行時間、高速飛行能力、較大有效載荷能力、遠程操作控制和抗風能力強等優勢，由此可見，固定翼結構可以提高植保作業的效率、范圍以及穩定性等從而促進農業可持續。

（二）用戶需求研究分析

1. 用戶定位：植保無人機是為農場主提供精準植物保護服務的生產工具。因此本文的用戶定位從農業生產需求上出發主要分為兩大類，一類是大型農場主和種植團隊，要強調植保無人機的高效性、大面積覆蓋作業和續航能力，以滿足用戶對于大規模生產的需求；另一大類是小型農場主或農戶，要強調植保無人機的靈活性和機動性，以滿足用戶對于小規模農業生產的需求。通過用戶定位分析從而滿足多種情形下目標用戶的需求。

2. 用戶心理特征：研究用戶種植期間擔心植物生長狀況的心理特征分析如表4 所示，歸納用戶需求分析提高其適應性、效率和用戶滿意度。在種植期間由于種植環節過多，對農業工作者來說不僅僅是體力考驗也是心理情感考驗。表3 中可以看出農業工作者在種植過程中的消極情緒以及需求，由此體現植保無人機在種植工作中既需要滿足用戶的情感需求也需要滿足提高工作效率、執行自動檢測、智能操控等功能需求。

3. 問卷調研：本研究以農業工作者為調研對象，通過問卷法對用戶進行信息收集并挖掘調研用戶的需求，此次調研共發放問卷80份，回收有效問卷57 份。問卷信息見表4，由表可知：1. 調研用戶的地理位覆蓋了東西南北四個方位，由此植保無人機應該具有適配性；2. 調研用戶學歷集中在本科及以下，需大量時間進行人員培訓，在設計方案中簡化操作流程規范使用標準；3. 超半數的農業工作者沒有使用過植保無人機，由此更加需要打造符合他們期望和需求的產品以增加使用率；4. 在平臺構型方面的調研中，用戶對固定翼偏好程度最高；5. 在功能板塊的占比中見表5 所示，用戶對植保無人機的噴灑技術、軟件系統和定位精度方面尤為注重。

4. 用戶訪談：此次訪談分為兩種渠道：首先是線上通過查閱官方紀錄片以及新聞報道，全面了解中國農業發展現狀，主要問題有用戶在種植時遭遇極端天氣、氣候無法及時檢測。其次是線下實地考察深入農場，主要問題有產品的安全性、價格成本、工作效率等。

通過以上訪談分析，研究在平臺構型中采用固定翼垂直升降結構的創新設計以外，也要對植保無人機的各個功能板塊如使用規范、續航時間、載荷、噴灑技術和檢測進行綜合考量，實現智能化農業種植工作。

5. 用戶痛點分析：根據上述調研分成三大板塊如圖1 所示進行用戶痛點分析總結。（1）在調查問卷的基礎上提出了現有植保產品的問題，例如：大面積種植的低效率；在傳統的栽培方式下對植株的長勢無法準確實時監控等，為植保無人機的設計研究提供了新的思路。（2）通過用戶行為觀察和訪談，發現傳統手工耕作方式的不足，以及對于植保無人機載荷、檢測的需求。（3）通過情景分析掌握植保無人機作業的情景和場景，了解植保無人機適用范圍與方式的有限性，明確提升其性能解決其需求的方案。

（三）設計原則

1. 安全性原則：參加操作的農用植保無人機，應滿足中國民航總局飛行標準司頒發的《輕小無人機運行規定》的有關試驗要求；嚴格遵守操作規程，飛行安全在掌握操作場地周邊設施和空中管制需求的同時，可將飛行距離控制在可視范圍之內；飛行時必須與人群保持距離；起飛和降落時應與障礙物保持5 米或更高的距離，同時降低速度；操作人員應佩戴口罩安全帽，防眩光眼鏡，穿反光的工作服，不得穿拖鞋在迎風和背光的地方工作；在近距離的地面運行和維修中，必須切斷電源避免意外的起動，防止事故的發生[3]。

2. 適用性原則：我國領土面積廣闊地質條件復雜差異較大，形成了豐富的農作物種類，因此植保無人機作為農用工具也要具備高度的適應性應對不同的種植環境。

3. 創新性原則：以固定翼垂直升降結構為平臺構成進行結構創新設計；通過多功能鏡頭切換實現植保無人機的拍攝、避障、夜間拍攝等模式于一體的攝像系統創新；在系統上面保證無人機能夠與其他設備或系統進行銜接，從而實現更智能化、標準規范的農業管理；采用形態仿生設計進行造型創新；改善噴灑裝置設計輕型高壓水泵等。

4. 實用性原則：無人機應具備高效率和高精度的植保功能，能夠精確投放農藥或施肥，減少浪費和環境污染；集成化設計，能夠實現多種植保操作，如噴灑農藥、運輸貨物、收集數據等，以提高工作效率；易操作和易維護，降低操作者和維護人員的技術門檻，減少故障率和維修成本；無人機設計應考慮可持續發展，如利用可再生能源供電、采用可回收材料等，減少對資源的消耗和環境的污染。

（四）產品因素分析表

產品因素分析表可以使用戶快速地了解到產品的定位及核心功能，本文研究將因素依次排列為：功能、外觀、使用、服務，由表5可知：1. 在功能上，分為主要功能和附加功能概括了植保無人機的實現目標；2. 在外觀上，采用形態仿生的設計方法，產品形態外觀和色彩的直觀感受能在一定程度上影響用戶的心理情感。某一種色彩或色調的出現，可以引起人們對生活的美妙聯想和情感上的共鳴，所以在產品設計過程中對于外觀、功能的運用也應非常考究[4] 植保無人機作為科技類裝備，自然在外觀上要考慮其科技感；3. 在使用上，要簡單易懂，易操作上手；4. 在服務上，要不斷完善用戶在使用過程中的服務體驗，以用戶為中心，在滿足功能需求的同時，還要滿足用戶的情感需求。因此植保無人機在進行因素體系搭建時，從根本上來說就是為種植者提供最方便和快捷的有效工具。

四、智能固定翼植保無人機設計實踐

通過前期的調研分析結合用戶需求結果指導設計實踐，智能固定翼植保無人機產品展示如圖2 所示。

（一）設計目標與定位

1. 目標用戶人群：農業種植工作者。

2. 使用場景：多種植物保護應用場景。包括農場巡視檢查，噴灑農藥和播種，收集作物地形、土壤、光照、溫度和濕度等信息，作物健康狀況的判斷和診斷等。

3. 功能定位：（1）功能結構：采用模塊化設計，將其各個功能和結構進行分解，使其成為多功能、多任務、拆裝維修便捷的產品。維護檢查中，只需單獨對各個工作模塊進行檢查，精準便捷。（2）巡航監測：鏡頭具有多模式晝夜自動切換的功能，在光線較暗的情況下提高感光效果，使夜間圖像更加清晰。（3）產品載荷：無人機的裝載設計主要在支架部分，是由鋼材制成，能攜帶60 公斤的種子噴灑50 公斤農藥，還可以貨物運輸。（4）噴灑技術：采用四重噴頭和輕型高壓水泵設計，提升噴灑效率加大噴灑面積。（5）固定翼結構：增加續航時間，提升飛行速度和穩定性，加大載荷容量。（6）雙重電池：增加續航時間，節約充電時間和增長電池的使用壽命。（7）簡化交互：適配App 交互設計，規范簡化使用流程。

（二）植保無人機造型形態設計

產品在造型設計上采用形態仿生設計，通過對魔鬼魚的構造原理以及形態特征進行分析，進而結合工業設計的理念對產品的結構進行仿生創新設計如圖3 所示。本文將魔鬼魚作為無人機造型的仿生原型其特征體現在：植保無人機的外形與魔鬼魚相似采用流線型機體，提高無人機的飛行動力；頭部呈狹長錐形；尾部有長而細的魚翅特征作為無人機的尾槳，增加無人機的推進動力；背部有一對仿生鰭狀結構，可以控制植保無人機的平衡穩定飛行。涂裝仿生特征體現在，以科技感與冷色調的配色為主，選取魔鬼魚自身顏色作為色彩仿生原型：無人機以大面積的黑、灰配色為主，將青色作為點綴色[5]突出其科技感如圖3 所示。無人機頂部采用大面積的可視化黑色玻璃便于用戶觀察植保無人機內部零件的工作狀態以及進行維修工作，同時提高無人機的色彩平衡感。形態仿生設計在造型上面賦予植保無人機靈活、輕盈、安全的特征，在精神層面賦予產品人與自然和諧共處的文化內涵。

（三）植保無人機創新設計

此款固定翼植保無人機設計結合調研分析進行設計整合，主要擁有以下幾點創新，如圖4 所示：

1. 可視化頂蓋：打破傳統全密閉空間，此次產品將頂蓋進行可視化由玻璃材料制成的，可以直觀地顯示植保無人機的內部構造，便于拆卸維修和觀察。

2. 尾翼螺旋槳：在動力上面采用固定機翼直升與尾槳推進器相結合的方式，提升無人機動力減小空氣阻力。通過尾翼螺旋槳推進器和角度，可調整植保無人機的飛行路線，能夠實現平滑曲線運動和靈活地轉向。使無人機既可以靈活適應小型作業也具有足夠的續航時間適應大型農場。

3. 傳感探測燈：在噴頭后方安裝多種傳感器系統，在光線較暗時可自動打開照明；對周邊的風力、風向等自然因素進行感知發現；在發生異常情況閃爍燈光異常提醒。

4. 可拆卸減重滑輪：采用陸路和航空兩種交通方式，在植保無人機底部安裝減重滑輪方便無人機起降時安裝著陸和運輸倉庫收納。

5. 多重噴灑裝置：通過四重噴頭結構，增加噴灑量和噴灑速度。甚至利用視覺識別技術判斷農作物長勢與病蟲害情況，進而調整噴藥種類與噴藥量，從而從根本上實現植保機的自主智能噴藥作業。

6. 儲蓄電池：采用特殊的無人機雙重電池塊，能達到超快充、增強續航時間、大容量的電池組，使其具有更長的使用壽命。

7. 攝像系統：植保無人機配備了多功能攝像頭，包括高分辨率攝像頭、紅外線攝像頭、多光譜攝像頭、氣象傳感器等，用于檢測和監測植物生長狀態、病蟲害發展情況和環境參數等，以便進行精準的植物保護操作。

8. 固定翼垂直升降機翼：（1）具有更快的速度和較長的航程飛行。（2）更少的能量來產生升力在相同條件下具有更低的能量消耗，運營成本相對較低。（3）有更大的載重能力。（4）結構相對穩定，可以提供較好的飛行穩定性。

9. 輕型高壓水泵：它主要由箱體、套筒、電機、活塞軸、偏心輪、軸承和泵缸組成。泵缸對接于箱體一側，活塞軸活動串接在箱體內并伸入泵缸，便于植保無人機噴灑藥液時能夠高效持續出液。

（四）用戶旅程地圖分析

用戶旅程圖5 分為以下3 個階段：1. 前期植物觀測階段：開啟植保無人機設備登錄交互App 進行信息輸入，根據操作指引進行農田作業規劃。2. 植物保護階段：在種植維護階段可以根據植保無人機所檢測到的數據進行植保工作。3. 后期植物維護階段：在App 中可以觀測到農作物的生長狀況，并根據數據反饋指令無人機進行相應的工作準備。通過對用戶工作旅程和觸點的觀察，分析用戶在使用植保無人機過程中活動和觸點的優化設計，這種專業化的作業模式突破了傳統由農民人工作業的方式。

（五）植保無人機尺寸設計

本研究采用人機工程學尺寸[6] 研制了3700 mm×1540 mm×800 mm 尺寸的植保無人機。以下是幾個重要的設計因素：

（1）機身長度：3700mm 的機身長度可提供足夠的空間來安裝植保系統的噴灑設備、傳感器和藥液容器等。此外，較長的機身也可以增加機體的穩定性，并減少在飛行過程中的顛簸。

（2）機身寬度：1540mm 的機身寬度允許布置主要組件，包括電池、處理器和通信設備等。同時，適當的寬度可以提供足夠的機動性，使得無人機可以在狹窄的農田或園區中操作。

（3）機身高度：800mm 的機身高度可達到有效藥液噴灑范圍和最佳氣動原理，在保持良好機動性和穩定性的同時確保高度合理，實現無人機的植保效果和操作性。

（六）植保無人機交互設計

為了便于植保團隊人員與運營的綜合化管理實現簡化操作流程統一規范標準。植保無人機在作業的過程中，其作業狀態信息和告警信息可以實時同步回服務平臺[7]。交互引導頁面如圖6 所示標注了App分為三大板塊，是與植保無人機的航測、植保、物流功能相匹配的。交互頁面利用GPS 技術劃分地塊，用戶可以通過植保無人機進行面積檢測并且可以提前預測天氣狀況來判斷植保工作。在進行植保工作時，可以通過添加任務、規劃時間，使無人機進入智能自動化狀態。植保人員可以通過交互App 隨時調整設備狀態，檢查植保無人機接受信息指示反應，實現智能化植保無人機農業作業。

結論

為使農業能夠可持續發展，本文提出了一款智能固定翼植保無人機的設計方案和研究流程。從用戶需求和產品調研的角度分析了現有植保無人機的痛點從而作為設計的出發點。在造型上結合了魔鬼魚的形態特征進行仿生設計，增加產品美感和趣味性。給出了具體的設計原則和設計流程，為植保無人機技術的發展提供了有益的參考，并為農業生產的智能化和可持續發展做出了貢獻。隨著技術的進一步突破和市場的需求增加，智能化固定翼植保無人機將成為農作物保護與農業生產的重要工具。

參考文獻

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