摘要：以植保無(wú)人機(jī)為研究對(duì)象，探索利用智能化固定翼垂直升降結(jié)構(gòu)提升植保無(wú)人機(jī)產(chǎn)品性能的設(shè)計(jì)方案，在于改進(jìn)傳統(tǒng)植保無(wú)人機(jī)的工作效率低、機(jī)械外觀差、操作困難、功能單一等缺點(diǎn)。對(duì)現(xiàn)有植保無(wú)人機(jī)進(jìn)行調(diào)研，分析產(chǎn)品痛點(diǎn)；通過(guò)用戶研究挖掘產(chǎn)品創(chuàng)新性，對(duì)目標(biāo)用戶使用植保無(wú)人機(jī)的行為體驗(yàn)和心理特征進(jìn)行分析評(píng)估，收集問(wèn)卷數(shù)據(jù)，量化用戶對(duì)產(chǎn)品的需求。通過(guò)用戶研究解析用戶需求結(jié)合植保無(wú)人機(jī)的設(shè)計(jì)原則和要素制訂智能化固定翼植保無(wú)人機(jī)的方案設(shè)計(jì)。采用形態(tài)仿生方法設(shè)計(jì)一款智能化固定翼植保垂直升降結(jié)構(gòu)的無(wú)人機(jī)，并對(duì)人機(jī)交互界面進(jìn)行簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)。在滿足改進(jìn)植保無(wú)人機(jī)功能使用的同時(shí)，通過(guò)形態(tài)仿生造型賦予產(chǎn)品一定的趣味性，與用戶進(jìn)行社會(huì)、文化、精神等多層面的情感溝通，從而賦予更深刻的藝術(shù)精神和內(nèi)涵。

關(guān)鍵詞：植保無(wú)人機(jī)；形態(tài)仿生設(shè)計(jì)；產(chǎn)品設(shè)計(jì)；固定翼；垂直升降；智能化交通工具

中圖分類號(hào)：TB472 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-0069（2024）15-0129-05

引言

近年來(lái)，無(wú)人機(jī)使用率正在不斷提高，植保無(wú)人機(jī)是一種新型的農(nóng)用植保機(jī)械，在新時(shí)期對(duì)農(nóng)作物的保護(hù)起到了重要作用。目前，我國(guó)農(nóng)業(yè)無(wú)人機(jī)處于起步階段，植保無(wú)人機(jī)技術(shù)水平和產(chǎn)品雖品種繁多，但質(zhì)量參差不齊難以適應(yīng)大規(guī)模、高強(qiáng)度的植保作業(yè)。無(wú)人機(jī)的發(fā)展在立足于當(dāng)前有利的市場(chǎng)環(huán)境下，更應(yīng)該從創(chuàng)新的思維求變，致力于突破技術(shù)壁壘，保障可持續(xù)[1]。農(nóng)業(yè)正朝著現(xiàn)代化、市場(chǎng)化、知識(shí)化、生態(tài)化、可持續(xù)發(fā)展的方向發(fā)展，與此同時(shí)植保無(wú)人機(jī)也應(yīng)該朝著高效、節(jié)約人力、降低農(nóng)業(yè)投資、增加農(nóng)民收入、推動(dòng)農(nóng)業(yè)快速進(jìn)步等方向發(fā)展。由上述背景，文中基于用戶研究作為理論指導(dǎo)，以人為本，以固定翼垂直升降結(jié)構(gòu)作為創(chuàng)新設(shè)計(jì)切入點(diǎn)，在分析現(xiàn)有產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，對(duì)其色彩、造型、功能、結(jié)構(gòu)等方面進(jìn)行優(yōu)化再設(shè)計(jì)，可使植保無(wú)人機(jī)提升工作效率，為植保無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)提供一種創(chuàng)新設(shè)計(jì)方案。

一、植保無(wú)人機(jī)研究概述

（一）植保無(wú)人機(jī)概述

農(nóng)業(yè)無(wú)人機(jī)，又名無(wú)人飛行器，是用于農(nóng)林植物保護(hù)作業(yè)的無(wú)人駕駛飛機(jī)，該型無(wú)人機(jī)由飛行平臺(tái)、導(dǎo)航飛控、噴灑機(jī)構(gòu)3 部分組成，通過(guò)地面遙控或?qū)Ш斤w控來(lái)實(shí)現(xiàn)噴灑作業(yè)，可以噴灑藥劑、種子、粉劑等[2]。為了覆蓋多樣的植保環(huán)境以科學(xué)技術(shù)進(jìn)步為依托，植保無(wú)人機(jī)也需要不斷地改進(jìn)以滿足需求。

（二）植保無(wú)人機(jī)研究意義

植保無(wú)人機(jī)在農(nóng)業(yè)發(fā)展中承載著提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率、降低農(nóng)藥使用量、減輕農(nóng)業(yè)勞動(dòng)強(qiáng)度等作用，能夠快速、精確地檢測(cè)和識(shí)別農(nóng)田相關(guān)信息。近年來(lái)農(nóng)業(yè)市場(chǎng)對(duì)植保無(wú)人機(jī)的要求越來(lái)越高，現(xiàn)有植保無(wú)人機(jī)不能滿足農(nóng)業(yè)工作者的需求。2016 年，《宇辰》雜志發(fā)表了《中國(guó)民用無(wú)人機(jī)市場(chǎng)分析及前景預(yù)測(cè)（2016 試發(fā)行）》，指出我國(guó)農(nóng)業(yè)無(wú)人機(jī)尚處于起步階段。植保無(wú)人機(jī)的改良創(chuàng)新設(shè)計(jì)對(duì)農(nóng)業(yè)的發(fā)展起著關(guān)鍵性作用。

二、植保無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)研究現(xiàn)狀

1. 植保無(wú)人機(jī)產(chǎn)品現(xiàn)狀及問(wèn)題分析：目前植保無(wú)人機(jī)對(duì)不同農(nóng)作物作業(yè)情況的適應(yīng)性有限，需要適應(yīng)性較強(qiáng)的無(wú)人機(jī)以及配套設(shè)備。同時(shí)，植保無(wú)人機(jī)的操作和管理規(guī)范也仍需完善。本文選取了具有代表性的植保無(wú)人機(jī)進(jìn)行競(jìng)品分析，見(jiàn)表1，并將共性問(wèn)題歸類如下：

（1）技術(shù)不夠成熟，功能尚未完善：植保無(wú)人機(jī)作為一種新技術(shù)進(jìn)入市場(chǎng)時(shí)間不長(zhǎng)，其在技術(shù)功能上存在著機(jī)身設(shè)計(jì)不美觀、飛行控制系統(tǒng)不穩(wěn)定、農(nóng)藥噴灑技術(shù)不均勻、續(xù)航時(shí)間短、定位精度不高、作業(yè)效率低、平臺(tái)、載荷、軟件集成度低等問(wèn)題，對(duì)于高精度導(dǎo)航、智能感知、自動(dòng)化操作等方面還有較大差距。（2）標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范不統(tǒng)一：植保無(wú)人機(jī)行業(yè)缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊，服務(wù)水平不穩(wěn)定。各個(gè)廠家對(duì)于無(wú)人機(jī)的設(shè)計(jì)、配件、操作手冊(cè)等存在差異，用戶不了解植保無(wú)人機(jī)的操作流程和技術(shù)應(yīng)用，給用戶選擇和使用帶來(lái)了一定的困擾。（3）存在安全風(fēng)險(xiǎn)：植保無(wú)人機(jī)噴灑農(nóng)藥涉及化學(xué)物質(zhì)，因此在操作過(guò)程中存在一定的安全風(fēng)險(xiǎn)，需要建立起完善的安全管理體系。

2. 植保無(wú)人機(jī)現(xiàn)狀痛點(diǎn)問(wèn)題解決方法：（1）對(duì)植保無(wú)人機(jī)功能進(jìn)行模塊化分析。以智能固定翼垂直升降的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)為載體，拆分重組針對(duì)植保無(wú)人機(jī)的各個(gè)功能模塊進(jìn)行優(yōu)化升級(jí)解決功能問(wèn)題。（2）通過(guò)用戶行為體驗(yàn)分析簡(jiǎn)化交互操作流程并規(guī)范使用標(biāo)準(zhǔn)解決操作問(wèn)題；（3）建立多功能攝像頭自動(dòng)轉(zhuǎn)化模塊，通過(guò)攝像鏡頭轉(zhuǎn)化模式對(duì)無(wú)人機(jī)實(shí)施自身飛行監(jiān)控系統(tǒng)，監(jiān)測(cè)飛行狀態(tài)和位置，及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常情況并采取措施。

通過(guò)梳理以上痛點(diǎn)解決方法可知，固定翼垂直升降結(jié)構(gòu)為植保無(wú)人機(jī)中具體功能的實(shí)現(xiàn)與表現(xiàn)形式提供了一種可行性、可操作的方法。

三、產(chǎn)品設(shè)計(jì)分析研究和前期調(diào)研

（一）產(chǎn)品設(shè)計(jì)研究創(chuàng)新定位

此次設(shè)計(jì)的創(chuàng)新點(diǎn)在于采用固定翼垂直升降結(jié)構(gòu)的無(wú)人機(jī)，固定翼無(wú)人機(jī)系統(tǒng)由5 個(gè)主要部分組成：機(jī)體結(jié)構(gòu)、航電系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)、起降系統(tǒng)和地面控制站，如表2 所示固定翼無(wú)人機(jī)具有長(zhǎng)飛行時(shí)間、高速飛行能力、較大有效載荷能力、遠(yuǎn)程操作控制和抗風(fēng)能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，由此可見(jiàn)，固定翼結(jié)構(gòu)可以提高植保作業(yè)的效率、范圍以及穩(wěn)定性等從而促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)。

（二）用戶需求研究分析

1. 用戶定位：植保無(wú)人機(jī)是為農(nóng)場(chǎng)主提供精準(zhǔn)植物保護(hù)服務(wù)的生產(chǎn)工具。因此本文的用戶定位從農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需求上出發(fā)主要分為兩大類，一類是大型農(nóng)場(chǎng)主和種植團(tuán)隊(duì)，要強(qiáng)調(diào)植保無(wú)人機(jī)的高效性、大面積覆蓋作業(yè)和續(xù)航能力，以滿足用戶對(duì)于大規(guī)模生產(chǎn)的需求；另一大類是小型農(nóng)場(chǎng)主或農(nóng)戶，要強(qiáng)調(diào)植保無(wú)人機(jī)的靈活性和機(jī)動(dòng)性，以滿足用戶對(duì)于小規(guī)模農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的需求。通過(guò)用戶定位分析從而滿足多種情形下目標(biāo)用戶的需求。

2. 用戶心理特征：研究用戶種植期間擔(dān)心植物生長(zhǎng)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(yīng)性、效率和用戶滿意度。在種植期間由于種植環(huán)節(jié)過(guò)多，對(duì)農(nóng)業(yè)工作者來(lái)說(shuō)不僅僅是體力考驗(yàn)也是心理情感考驗(yàn)。表3 中可以看出農(nóng)業(yè)工作者在種植過(guò)程中的消極情緒以及需求，由此體現(xiàn)植保無(wú)人機(jī)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(zhí)行自動(dòng)檢測(cè)、智能操控等功能需求。

3. 問(wèn)卷調(diào)研：本研究以農(nóng)業(yè)工作者為調(diào)研對(duì)象，通過(guò)問(wèn)卷法對(duì)用戶進(jìn)行信息收集并挖掘調(diào)研用戶的需求，此次調(diào)研共發(fā)放問(wèn)卷80份，回收有效問(wèn)卷57 份。問(wèn)卷信息見(jiàn)表4，由表可知：1. 調(diào)研用戶的地理位覆蓋了東西南北四個(gè)方位，由此植保無(wú)人機(jī)應(yīng)該具有適配性；2. 調(diào)研用戶學(xué)歷集中在本科及以下，需大量時(shí)間進(jìn)行人員培訓(xùn)，在設(shè)計(jì)方案中簡(jiǎn)化操作流程規(guī)范使用標(biāo)準(zhǔn)；3. 超半數(shù)的農(nóng)業(yè)工作者沒(méi)有使用過(guò)植保無(wú)人機(jī)，由此更加需要打造符合他們期望和需求的產(chǎn)品以增加使用率；4. 在平臺(tái)構(gòu)型方面的調(diào)研中，用戶對(duì)固定翼偏好程度最高；5. 在功能板塊的占比中見(jiàn)表5 所示，用戶對(duì)植保無(wú)人機(jī)的噴灑技術(shù)、軟件系統(tǒng)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(guò)查閱官方紀(jì)錄片以及新聞報(bào)道，全面了解中國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀，主要問(wèn)題有用戶在種植時(shí)遭遇極端天氣、氣候無(wú)法及時(shí)檢測(cè)。其次是線下實(shí)地考察深入農(nóng)場(chǎng)，主要問(wèn)題有產(chǎn)品的安全性、價(jià)格成本、工作效率等。

通過(guò)以上訪談分析，研究在平臺(tái)構(gòu)型中采用固定翼垂直升降結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)以外，也要對(duì)植保無(wú)人機(jī)的各個(gè)功能板塊如使用規(guī)范、續(xù)航時(shí)間、載荷、噴灑技術(shù)和檢測(cè)進(jìn)行綜合考量，實(shí)現(xiàn)智能化農(nóng)業(yè)種植工作。

5. 用戶痛點(diǎn)分析：根據(jù)上述調(diào)研分成三大板塊如圖1 所示進(jìn)行用戶痛點(diǎn)分析總結(jié)。（1）在調(diào)查問(wèn)卷的基礎(chǔ)上提出了現(xiàn)有植保產(chǎn)品的問(wèn)題，例如：大面積種植的低效率；在傳統(tǒng)的栽培方式下對(duì)植株的長(zhǎng)勢(shì)無(wú)法準(zhǔn)確實(shí)時(shí)監(jiān)控等，為植保無(wú)人機(jī)的設(shè)計(jì)研究提供了新的思路。（2）通過(guò)用戶行為觀察和訪談，發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)手工耕作方式的不足，以及對(duì)于植保無(wú)人機(jī)載荷、檢測(cè)的需求。（3）通過(guò)情景分析掌握植保無(wú)人機(jī)作業(yè)的情景和場(chǎng)景，了解植保無(wú)人機(jī)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(shè)計(jì)原則

1. 安全性原則：參加操作的農(nóng)用植保無(wú)人機(jī)，應(yīng)滿足中國(guó)民航總局飛行標(biāo)準(zhǔn)司頒發(fā)的《輕小無(wú)人機(jī)運(yùn)行規(guī)定》的有關(guān)試驗(yàn)要求；嚴(yán)格遵守操作規(guī)程，飛行安全在掌握操作場(chǎng)地周邊設(shè)施和空中管制需求的同時(shí)，可將飛行距離控制在可視范圍之內(nèi)；飛行時(shí)必須與人群保持距離；起飛和降落時(shí)應(yīng)與障礙物保持5 米或更高的距離，同時(shí)降低速度；操作人員應(yīng)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(fēng)和背光的地方工作；在近距離的地面運(yùn)行和維修中，必須切斷電源避免意外的起動(dòng)，防止事故的發(fā)生[3]。

2. 適用性原則：我國(guó)領(lǐng)土面積廣闊地質(zhì)條件復(fù)雜差異較大，形成了豐富的農(nóng)作物種類，因此植保無(wú)人機(jī)作為農(nóng)用工具也要具備高度的適應(yīng)性應(yīng)對(duì)不同的種植環(huán)境。

3. 創(chuàng)新性原則：以固定翼垂直升降結(jié)構(gòu)為平臺(tái)構(gòu)成進(jìn)行結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)；通過(guò)多功能鏡頭切換實(shí)現(xiàn)植保無(wú)人機(jī)的拍攝、避障、夜間拍攝等模式于一體的攝像系統(tǒng)創(chuàng)新；在系統(tǒng)上面保證無(wú)人機(jī)能夠與其他設(shè)備或系統(tǒng)進(jìn)行銜接，從而實(shí)現(xiàn)更智能化、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的農(nóng)業(yè)管理；采用形態(tài)仿生設(shè)計(jì)進(jìn)行造型創(chuàng)新；改善噴灑裝置設(shè)計(jì)輕型高壓水泵等。

4. 實(shí)用性原則：無(wú)人機(jī)應(yīng)具備高效率和高精度的植保功能，能夠精確投放農(nóng)藥或施肥，減少浪費(fèi)和環(huán)境污染；集成化設(shè)計(jì)，能夠?qū)崿F(xiàn)多種植保操作，如噴灑農(nóng)藥、運(yùn)輸貨物、收集數(shù)據(jù)等，以提高工作效率；易操作和易維護(hù)，降低操作者和維護(hù)人員的技術(shù)門(mén)檻，減少故障率和維修成本；無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)應(yīng)考慮可持續(xù)發(fā)展，如利用可再生能源供電、采用可回收材料等，減少對(duì)資源的消耗和環(huán)境的污染。

（四）產(chǎn)品因素分析表

產(chǎn)品因素分析表可以使用戶快速地了解到產(chǎn)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(wù)，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(wú)人機(jī)的實(shí)現(xiàn)目標(biāo)；2. 在外觀上，采用形態(tài)仿生的設(shè)計(jì)方法，產(chǎn)品形態(tài)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(diào)的出現(xiàn)，可以引起人們對(duì)生活的美妙聯(lián)想和情感上的共鳴，所以在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)于外觀、功能的運(yùn)用也應(yīng)非?？季縖4] 植保無(wú)人機(jī)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(jiǎn)單易懂，易操作上手；4. 在服務(wù)上，要不斷完善用戶在使用過(guò)程中的服務(wù)體驗(yàn)，以用戶為中心，在滿足功能需求的同時(shí)，還要滿足用戶的情感需求。因此植保無(wú)人機(jī)在進(jìn)行因素體系搭建時(shí)，從根本上來(lái)說(shuō)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(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)實(shí)踐

通過(guò)前期的調(diào)研分析結(jié)合用戶需求結(jié)果指導(dǎo)設(shè)計(jì)實(shí)踐，智能固定翼植保無(wú)人機(jī)產(chǎn)品展示如圖2 所示。

（一）設(shè)計(jì)目標(biāo)與定位

1. 目標(biāo)用戶人群：農(nóng)業(yè)種植工作者。

2. 使用場(chǎng)景：多種植物保護(hù)應(yīng)用場(chǎng)景。包括農(nóng)場(chǎng)巡視檢查，噴灑農(nóng)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(jié)構(gòu)：采用模塊化設(shè)計(jì)，將其各個(gè)功能和結(jié)構(gòu)進(jìn)行分解，使其成為多功能、多任務(wù)、拆裝維修便捷的產(chǎn)品。維護(hù)檢查中，只需單獨(dú)對(duì)各個(gè)工作模塊進(jìn)行檢查，精準(zhǔn)便捷。（2）巡航監(jiān)測(cè)：鏡頭具有多模式晝夜自動(dòng)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(chǎn)品載荷：無(wú)人機(jī)的裝載設(shè)計(jì)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(nóng)藥，還可以貨物運(yùn)輸。（4）噴灑技術(shù)：采用四重噴頭和輕型高壓水泵設(shè)計(jì)，提升噴灑效率加大噴灑面積。（5）固定翼結(jié)構(gòu)：增加續(xù)航時(shí)間，提升飛行速度和穩(wěn)定性，加大載荷容量。（6）雙重電池：增加續(xù)航時(shí)間，節(jié)約充電時(shí)間和增長(zhǎng)電池的使用壽命。（7）簡(jiǎn)化交互：適配App 交互設(shè)計(jì)，規(guī)范簡(jiǎn)化使用流程。

（二）植保無(wú)人機(jī)造型形態(tài)設(shè)計(jì)

產(chǎn)品在造型設(shè)計(jì)上采用形態(tài)仿生設(shè)計(jì)，通過(guò)對(duì)魔鬼魚(yú)的構(gòu)造原理以及形態(tài)特征進(jìn)行分析，進(jìn)而結(jié)合工業(yè)設(shè)計(jì)的理念對(duì)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿生創(chuàng)新設(shè)計(jì)如圖3 所示。本文將魔鬼魚(yú)作為無(wú)人機(jī)造型的仿生原型其特征體現(xiàn)在：植保無(wú)人機(jī)的外形與魔鬼魚(yú)相似采用流線型機(jī)體，提高無(wú)人機(jī)的飛行動(dòng)力；頭部呈狹長(zhǎng)錐形；尾部有長(zhǎng)而細(xì)的魚(yú)翅特征作為無(wú)人機(jī)的尾槳，增加無(wú)人機(jī)的推進(jìn)動(dòng)力；背部有一對(duì)仿生鰭狀結(jié)構(gòu)，可以控制植保無(wú)人機(jī)的平衡穩(wěn)定飛行。涂裝仿生特征體現(xiàn)在，以科技感與冷色調(diào)的配色為主，選取魔鬼魚(yú)自身顏色作為色彩仿生原型：無(wú)人機(jī)以大面積的黑、灰配色為主，將青色作為點(diǎn)綴色[5]突出其科技感如圖3 所示。無(wú)人機(jī)頂部采用大面積的可視化黑色玻璃便于用戶觀察植保無(wú)人機(jī)內(nèi)部零件的工作狀態(tài)以及進(jìn)行維修工作，同時(shí)提高無(wú)人機(jī)的色彩平衡感。形態(tài)仿生設(shè)計(jì)在造型上面賦予植保無(wú)人機(jī)靈活、輕盈、安全的特征，在精神層面賦予產(chǎn)品人與自然和諧共處的文化內(nèi)涵。

（三）植保無(wú)人機(jī)創(chuàng)新設(shè)計(jì)

此款固定翼植保無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)結(jié)合調(diào)研分析進(jìn)行設(shè)計(jì)整合，主要擁有以下幾點(diǎn)創(chuàng)新，如圖4 所示：

1. 可視化頂蓋：打破傳統(tǒng)全密閉空間，此次產(chǎn)品將頂蓋進(jìn)行可視化由玻璃材料制成的，可以直觀地顯示植保無(wú)人機(jī)的內(nèi)部構(gòu)造，便于拆卸維修和觀察。

2. 尾翼螺旋槳：在動(dòng)力上面采用固定機(jī)翼直升與尾槳推進(jìn)器相結(jié)合的方式，提升無(wú)人機(jī)動(dòng)力減小空氣阻力。通過(guò)尾翼螺旋槳推進(jìn)器和角度，可調(diào)整植保無(wú)人機(jī)的飛行路線，能夠?qū)崿F(xiàn)平滑曲線運(yùn)動(dòng)和靈活地轉(zhuǎn)向。使無(wú)人機(jī)既可以靈活適應(yīng)小型作業(yè)也具有足夠的續(xù)航時(shí)間適應(yīng)大型農(nóng)場(chǎng)。

3. 傳感探測(cè)燈：在噴頭后方安裝多種傳感器系統(tǒng)，在光線較暗時(shí)可自動(dòng)打開(kāi)照明；對(duì)周邊的風(fēng)力、風(fēng)向等自然因素進(jìn)行感知發(fā)現(xiàn)；在發(fā)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(wú)人機(jī)底部安裝減重滑輪方便無(wú)人機(jī)起降時(shí)安裝著陸和運(yùn)輸倉(cāng)庫(kù)收納。

5. 多重噴灑裝置：通過(guò)四重噴頭結(jié)構(gòu)，增加噴灑量和噴灑速度。甚至利用視覺(jué)識(shí)別技術(shù)判斷農(nóng)作物長(zhǎng)勢(shì)與病蟲(chóng)害情況，進(jìn)而調(diào)整噴藥種類與噴藥量，從而從根本上實(shí)現(xiàn)植保機(jī)的自主智能?chē)娝幾鳂I(yè)。

6. 儲(chǔ)蓄電池：采用特殊的無(wú)人機(jī)雙重電池塊，能達(dá)到超快充、增強(qiáng)續(xù)航時(shí)間、大容量的電池組，使其具有更長(zhǎng)的使用壽命。

7. 攝像系統(tǒng)：植保無(wú)人機(jī)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(cè)和監(jiān)測(cè)植物生長(zhǎng)狀態(tài)、病蟲(chóng)害發(fā)展情況和環(huán)境參數(shù)等，以便進(jìn)行精準(zhǔn)的植物保護(hù)操作。

8. 固定翼垂直升降機(jī)翼：（1）具有更快的速度和較長(zhǎng)的航程飛行。（2）更少的能量來(lái)產(chǎn)生升力在相同條件下具有更低的能量消耗，運(yùn)營(yíng)成本相對(duì)較低。（3）有更大的載重能力。（4）結(jié)構(gòu)相對(duì)穩(wěn)定，可以提供較好的飛行穩(wěn)定性。

9. 輕型高壓水泵：它主要由箱體、套筒、電機(jī)、活塞軸、偏心輪、軸承和泵缸組成。泵缸對(duì)接于箱體一側(cè)，活塞軸活動(dòng)串接在箱體內(nèi)并伸入泵缸，便于植保無(wú)人機(jī)噴灑藥液時(shí)能夠高效持續(xù)出液。

（四）用戶旅程地圖分析

用戶旅程圖5 分為以下3 個(gè)階段：1. 前期植物觀測(cè)階段：開(kāi)啟植保無(wú)人機(jī)設(shè)備登錄交互App 進(jìn)行信息輸入，根據(jù)操作指引進(jìn)行農(nóng)田作業(yè)規(guī)劃。2. 植物保護(hù)階段：在種植維護(hù)階段可以根據(jù)植保無(wú)人機(jī)所檢測(cè)到的數(shù)據(jù)進(jìn)行植保工作。3. 后期植物維護(hù)階段：在App 中可以觀測(cè)到農(nóng)作物的生長(zhǎng)狀況，并根據(jù)數(shù)據(jù)反饋指令無(wú)人機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的工作準(zhǔn)備。通過(guò)對(duì)用戶工作旅程和觸點(diǎn)的觀察，分析用戶在使用植保無(wú)人機(jī)過(guò)程中活動(dòng)和觸點(diǎn)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，這種專業(yè)化的作業(yè)模式突破了傳統(tǒng)由農(nóng)民人工作業(yè)的方式。

（五）植保無(wú)人機(jī)尺寸設(shè)計(jì)

本研究采用人機(jī)工程學(xué)尺寸[6] 研制了3700 mm×1540 mm×800 mm 尺寸的植保無(wú)人機(jī)。以下是幾個(gè)重要的設(shè)計(jì)因素：

（1）機(jī)身長(zhǎng)度：3700mm 的機(jī)身長(zhǎng)度可提供足夠的空間來(lái)安裝植保系統(tǒng)的噴灑設(shè)備、傳感器和藥液容器等。此外，較長(zhǎng)的機(jī)身也可以增加機(jī)體的穩(wěn)定性，并減少在飛行過(guò)程中的顛簸。

（2）機(jī)身寬度：1540mm 的機(jī)身寬度允許布置主要組件，包括電池、處理器和通信設(shè)備等。同時(shí)，適當(dāng)?shù)膶挾瓤梢蕴峁┳銐虻臋C(jī)動(dòng)性，使得無(wú)人機(jī)可以在狹窄的農(nóng)田或園區(qū)中操作。

（3）機(jī)身高度：800mm 的機(jī)身高度可達(dá)到有效藥液噴灑范圍和最佳氣動(dòng)原理，在保持良好機(jī)動(dòng)性和穩(wěn)定性的同時(shí)確保高度合理，實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)的植保效果和操作性。

（六）植保無(wú)人機(jī)交互設(shè)計(jì)

為了便于植保團(tuán)隊(duì)人員與運(yùn)營(yíng)的綜合化管理實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)化操作流程統(tǒng)一規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。植保無(wú)人機(jī)在作業(yè)的過(guò)程中，其作業(yè)狀態(tài)信息和告警信息可以實(shí)時(shí)同步回服務(wù)平臺(tái)[7]。交互引導(dǎo)頁(yè)面如圖6 所示標(biāo)注了App分為三大板塊，是與植保無(wú)人機(jī)的航測(cè)、植保、物流功能相匹配的。交互頁(yè)面利用GPS 技術(shù)劃分地塊，用戶可以通過(guò)植保無(wú)人機(jī)進(jìn)行面積檢測(cè)并且可以提前預(yù)測(cè)天氣狀況來(lái)判斷植保工作。在進(jìn)行植保工作時(shí)，可以通過(guò)添加任務(wù)、規(guī)劃時(shí)間，使無(wú)人機(jī)進(jìn)入智能自動(dòng)化狀態(tài)。植保人員可以通過(guò)交互App 隨時(shí)調(diào)整設(shè)備狀態(tài)，檢查植保無(wú)人機(jī)接受信息指示反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)智能化植保無(wú)人機(jī)農(nóng)業(yè)作業(yè)。

結(jié)論

為使農(nóng)業(yè)能夠可持續(xù)發(fā)展，本文提出了一款智能固定翼植保無(wú)人機(jī)的設(shè)計(jì)方案和研究流程。從用戶需求和產(chǎn)品調(diào)研的角度分析了現(xiàn)有植保無(wú)人機(jī)的痛點(diǎn)從而作為設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)。在造型上結(jié)合了魔鬼魚(yú)的形態(tài)特征進(jìn)行仿生設(shè)計(jì)，增加產(chǎn)品美感和趣味性。給出了具體的設(shè)計(jì)原則和設(shè)計(jì)流程，為植保無(wú)人機(jī)技術(shù)的發(fā)展提供了有益的參考，并為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的智能化和可持續(xù)發(fā)展做出了貢獻(xiàn)。隨著技術(shù)的進(jìn)一步突破和市場(chǎng)的需求增加，智能化固定翼植保無(wú)人機(jī)將成為農(nóng)作物保護(hù)與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要工具。

參考文獻(xiàn)

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