電動多旋翼植保無人機升力特性綜合測評方法

臧 英，何新剛，周志艷，明 銳，臧 禹，羅錫文，蘭玉彬

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電動多旋翼植保無人機升力特性綜合測評方法

臧 英，何新剛，周志艷※，明 銳，臧 禹，羅錫文，蘭玉彬

（1. 華南農業大學工程學院/廣東省農業航空應用工程技術研究中心，廣州 510642；2. 國家精準農業航空施藥技術國際聯合研究中心，廣州 510642；3. 華南農業大學南方農業機械與裝備關鍵技術教育部重點實驗室，廣州 510642）

升力特性是電動多旋翼植保無人機性能測試的重要參數之一。為了實現對電動多旋翼植保無人機升力特性的性能檢測，針對不同型號、不同規格的電動多旋翼植保無人機在評價過程中存在無統一的評價指標問題，該文提出了一種半系留式電動多旋翼植保無人機升力特性的測試與評價方法，包括性能檢測平臺、升力特性測試方法及指標、升力特性的評價方法。為了驗證方法的可行性，對3種不同機型（分別為四旋翼機型Ⅰ、六旋翼機型Ⅱ、八旋翼機型Ⅲ）進行了升力特性指標的性能測試試驗。試驗結果表明：3種機型在功率載荷、重量效率、熱效比等方面有較大差異，功率載荷最好的機型Ⅲ比最差的機型Ⅰ大7.6 mN/W，重量效率最好的機型Ⅰ比最差的機型Ⅱ大0.33，熱效比最好的機型Ⅲ比最差的機型Ⅱ大10.5 N/℃，反映出3種機型在設計過程中整個動力系統效率、機型整體結構和材料選擇上的差異，從而在整機作業性能上表現出差異。在上述指標測試的基礎上，結合無人機動力系統數學模型，提出了運用功率載荷、重量效率和熱效比進行電動多旋翼植保無人機升力特性綜合評價的評分方法，對上述3種機型進行綜合評分的結果為：機型Ⅲ>機型Ⅰ>機型Ⅱ，該結果表明所提出的評價方法能有效對不同類型電動多旋翼植保無人機的升力特性進行綜合評判。該文所給出的測試與評價方法，不僅能用于電動多旋翼植保無人機性能的評測，還能為機型性能的進一步改進提供參考。

無人機；模型；農業機械；電池動力；升力特性；功率載荷；重量效率；熱效比

0 引 言

近年來，農業航空快速發展，電動多旋翼植保無人機（簡稱多旋翼無人機）由于具有可垂直起降、空中懸停、操作維護簡便等優點，在植保作業中受到熱捧[1]。但是由于其氣動效率低等原因，目前存在載質量小，續航時間短等問題[2]，仍需要大力優化改進。

升力特性是多旋翼無人機的重要飛行性能參數之一，在植保作業過程中，多旋翼無人機升力特性的優劣直接影響到作業的效率和作業質量[3]。如何在同等能耗的條件下，提高多旋翼無人機的升力特性，增加有效載荷量，是進行多旋翼無人機性能評測和優化設計的重要內容。

多旋翼無人機升空飛行的首要條件是動力，有了動力才能驅動螺旋槳旋轉，產生克服重力所必須的升力，所以升力特性的研究離不開對動力系統的研究[4-6]。

國內外關于多旋翼無人機動力系統的測試評價已有一些研究，但主要集中在能源消耗率和重量效率等評價指標上[7]。能源消耗率是衡量動力系統經濟性的主要指標之一，其體現了動力系統的機械效率。谷新宇等[8]針對微小型無人機動力系統設計了一套自動測試系統，可對無刷電機的效率進行了測試，給出電機的效率高低的指示；Youngren等[9]提出了螺旋槳效率的測試方法，可逐個進行螺旋槳的單獨測試；王剛等[10]開發了螺旋槳與無刷電機效率匹配的測試系統，可高效地進行動力系統的匹配和優化，提高動力系統的效率；鄭欣等[11]提出了無人機的動力效率測試方法，可進行電機和螺旋槳的最佳匹配效率研究；Liebold等[12]引入功率載荷作為多旋翼無人機動力系統測試的評價指標，能夠通過功率載荷提高多旋翼無人機的效率。王東等[13]設計了一種多旋翼無人機功率載荷測試裝置，對拉力與功耗關系進行了測試，但沒有對不同機型的功率載荷進行對比評價。王愛明等[14]設計了一種直線電機重量效率測試系統，應用重量效率評價直線電機的動態性能。

上述文獻的報道主要是動力系統中單個部件的測試，包括電機效率的測試、螺旋槳效率的測試、螺旋槳與電機匹配效率的測試等，但針對多旋翼無人機整機升力特性的測試鮮見。如何綜合評價各類無人機的升力特性，對無人機性能做出優劣比較判斷，目前尚無標準可依。只有明確了表述升力特性的評價指標，對測試方法和評價標準進行統一規范，才能對多旋翼無人機升力特性的優劣進行評判，并給出優化改進的建議。本文擬引入功率載荷、重量效率和熱效比作為升力特性的評價指標，為多旋翼無人機的性能評測和優化改進提供參考。

1 材料和方法

1.1 測試系統

綜合考慮測試系統功能和可靠性要求，搭建了半系留式多旋翼無人機性能測試平臺，測試系統由硬件設施、傳感器組和數據采集軟件等組成。半系留多旋翼無人機性能測試平臺有別于傳統的將多旋翼無人機固定于測試平臺的測試方法，通過柔性繩索對被測多旋翼無人機進行適當限位，讓被測試多旋翼無人機在豎直方向限高范圍內上下運動，柔性繩索彈性范圍內進行有限的俯仰、橫滾等姿態動作，能夠模擬真實的飛行過程。其中硬件設施由限位裝置和減震裝置組成，限位裝置能夠對不同型號和不同規格的多旋翼無人機進行限位，保證多旋翼無人機在安全范圍內進行測試。減震裝置用于保證多旋翼無人機進行極限測試時不受損傷。直流電源提供無人機當前的電流和電壓，拉力傳感器用于提供多旋翼無人機當前的有效拉力，紅外熱像儀采集當前條件下多旋翼無人機的電機溫度數據?；贚abVIEW的數據采集軟件是整個測試系統的核心，能夠實時同步采集拉力傳感器和直流電源的數據，并通過網絡上傳至計算機進行實時處理，生成報告。半系留式多旋翼無人機性能測試平臺如圖1所示，主要傳感器及設備性能指標如表1所示。

1. 多旋翼無人機 2. 限位鋼絲繩 3. 上阻尼減震器 4. 紅外熱像儀 5. 限位吊碼 6. 滑塊 7. 滑軌 8. 鎖扣 9. 便攜式筆記本 10. 直流電源 11. 桁架 12. 導軌 13. 卷線器 14. 拉力傳感器 15. 滑塊 16. 限位吊碼 17. 下阻尼減震器18. 臺架

1.2 測試用機型

本文對3種機型進行了測試。機型主要性能參數如表2所示。

表1 主要傳感器及設備性能指標

表2 多旋翼無人機主要性能指標

1.3 評價指標及方法

電動多旋翼植保無人機的動力系統由電池、電機和調速器以及螺旋槳組成[15-16]。動力系統由高能動力電池驅動[17-18]；電調根據控制信號改變輸出電流，控制電機的轉速，實現飛機的姿態控制；所采用的電機通常為永磁無刷直流電機[19-21]；螺旋槳將軸功率轉為升力，通過改變不同軸的升力，來實現飛機的運動狀態控制。電動多旋翼植保無人機動力系統的原理如圖2所示。結合電動多旋翼植保無人機動力系統的特點，本文采用功率載荷、重量效率、熱效比3個指標來進行其升力特性的性能評測。

圖2 多旋翼無人機動力系統的原理圖

1.3.1 功率載荷

綜觀多旋翼無人機作業的全過程，可以看出，機身結構越復雜，有效載荷越大則需要消耗的電能越多；作業過程中多旋翼無人機的有效載荷與機身的結構決定了其耗電量。有些機型雖然有效載荷大，但是其能耗也比較大，所以在實際作業過程中滯空作業時間相對較少；因此，本文引入功率載荷作為多旋翼無人機升力特性的效率評判指標。功率載荷是單位功率下無人機的升力，反映無人機的效率，功率載荷越大表示效率越高。通過測定無人機升力、電流和電壓，來評價其升力性能。功率載荷（power load）公式（1）為

式中為多旋翼無人機的功率載荷，N/W；∑為多旋翼無人機在某電壓下的總升力，N；為無人機所消耗的功率，W。

本試驗將多旋翼無人機視為一個質量為的質量塊，當懸停在空中時，個螺旋槳對其產生的總升力∑如式（2）所示，其力學等效模型如圖3所示。

式中為多旋翼無人機的空機重力，N；為拉力計的讀數，N；F為動力電纜對無人機的拉力，N；F為拉力計等輔助設備自身的重力，N。

注：1、2、3、4表示單個螺旋槳的升力，N；表示多旋翼無人機的空機重力，N；表示拉力計讀數，N；F表示動力電纜對無人機的拉力，N；F表示拉力計等輔助設備自身的重力，N。

Note:1,2,3and4are lift of a single propeller, N;is empty machine gravity of UAV, N;is tension indicator, N;Fis the cable’s pull on the UAV, N; Fis the gravity of the auxiliary device, N.

圖3 力學等效模型

Fig.3 Mechanical equivalent model

由于測試過程中多旋翼無人機所飛行的高度發生變化，使動力電纜對多旋翼無人機的拉力F也相應會發生變化，其可以用該系統的積分方程（3）得出。

式中為測試用電纜的線密度，kg/m；為重力加速度，m/s2。

多旋翼無人機凈升力F指除空機質量外的升力，包括拉力計的讀數為、動力電纜對無人機的拉力為F、拉力計等輔助設備自身的重力F，其計算公式為

1.3.2 重量效率

在航空領域，推重比是衡量戰斗機發動機機動性能水平和工作能力的一個綜合指標[22-23]，推重比越大，改變一定速度、高度、方向所需的時間越短，飛機的機動性越好[24]。

彭友梅梳理并規范了推重比的計算方法，由于推重比為無因次量，認為可將質量視為重力進行推重比的計算[25]。但是推重比不適合旋翼飛行器的評價。在直升機設計過程中一般引用重量效率進行評價，重量效率可以相當明確的表示出一架直升機空機重量減輕的程度或結構完善的程度[26-27]。本文定義電動多旋翼植保無人機的重量效率為：電動多旋翼植保無人機懸停時所產生的最大凈升力與其空機重之比[28]。它不僅體現電動多旋翼植保無人機在空氣動力方面的水平，也體現了結構方面的設計水平。重量效率越大，表明電動多旋翼植保無人機單位質量所能產生的推力也越大，無人機的動力性能越高。重量效率（weight efficiency）計算公式為

式中為重量效率，無因次量；F為凈升力，N；為電動多旋翼植保無人機的空機重力，N。

1.3.3 熱效比

多旋翼無人機無刷電機的溫度是電機設計和運行中重要的性能指標之一[29]，溫升也是動力系統檢測的一項重要指標，溫度變化小，熱損耗小，溫升特性好，通過試驗測量溫升來檢查電機的性能可保證電機正常運行，同時可為多旋翼無人機電機設計和選型提供參考[30-31]電機的熱損耗主要有銅耗和鐵耗，銅耗為繞組電流引起的熱損耗，鐵耗包括磁滯損耗和渦流損耗。因此，電機溫升的測量和評估是一個復雜過程，不僅涉及到電機相關知識理論，還離不開傳熱學、流體力學等學科。

本文提出采用紅外熱像儀檢測無刷電機平均溫升的方法，將電機起始時刻的紅外溫度作為基準溫度，使電動多旋翼植保無人機在滿負荷工作狀態下（電池滿電電壓下，操縱遙控器輸出最大控制量）運行240 s時電機的溫度作為電機結束時刻的溫度，熱效比（thermal efficiency ratio）為該該機型滿負荷工作狀態時總升力與溫升的比值，計算公式如下

式中ter為多旋翼無人機的熱效比，N/℃；∑max為多旋翼無人機滿負荷工作狀態下的總升力，N；T為無刷電機起始時刻的基準紅外溫度，℃；T為無刷電機結束時刻的紅外溫度，℃。

1.3.4 綜合評價

制定科學、系統、全面的評價指標體系，是多旋翼無人機升力特性綜合評價的關鍵。而僅用一個單項指標對升力特性進行評價具有一定的片面性和主觀性。因此在選擇多旋翼無人機升力特性評價指標時應遵循統計學中指標選取的系統性、科學性、可比性和可行性的一般原則[32]。根據多旋翼無人機升力特性的自身特點和指標體系的基本原則，選擇功率載荷、重量效率和熱效比這3個指標作為多旋翼無人機升力特性的評價指標。

首先，確定3項指標的權重系數，通過專家經驗和有關人員大量統計結果得到，對于電動多旋翼無人機的關注度及要求，認為功率載荷和重量效率在電動多旋翼植保無人機中有同等重要的作用，熱效比次之，權重比值為2∶2∶1，權重系數分別為0.4、0.4、0.2。多旋翼無人機升力特性的總分值為100分。

其次，對所測的指標進行標準化處理，使得不同種類的數據可以進行綜合評價，進行標準化處理過程時，將單項指標的最大值作為該項指標的極值，然后對其他機型進行標準化處理。

最后，綜合考慮以上多旋翼無人機升力特性的3大指標，得出多旋翼無人機升力特性評估值D，如式（7）所示，且有D≤100，升力性能評估值越大，則表示多旋翼無人機升力綜合性能越好。該評價方法可以合理全面的對多旋翼無人機升力特性做出評價，具有較好的可延伸性和實用性。

式中q為功率載荷標準化處理結果；k為重量效率標準化處理結果；ter為熱效比標準化處理結果。

1.4 測試步驟及內容

設置多旋翼無人機為姿態模式飛行，通過實時測量其輸出的電流和電壓信息可直接測量多旋翼無人機的有效升力，本文對3種型號的多旋翼無人機分別進行測試。該測試試驗步驟如下：

1）用臺秤測量多旋翼無人機的空機質量[33]（指不包含載荷的多旋翼無人機質量，該質量包含電池等固體裝置），測量結果為0，并且測量動力電纜的質量與長度，求得線纜的線密度（kg/m）。

2）將多旋翼無人機安裝在減震測試平臺中間，并將3個機臂與限位柔性繩索用扣環鏈接，調節限位柔性繩索的松緊度，保證3根限位柔性繩索的松緊度一致，調節阻尼減震器的高度，使多旋翼無人機能夠保持水平懸掛，找到多旋翼無人機的受力中心點，將拉力傳感器布置在受力中心點的正下方，將直流電源與多旋翼無人機連接，設置直流電源的電壓為1（1=3.7，為電池單體的個數），調節電流電源的最大輸出值為200 A。

3）將紅外熱像儀安裝在多旋翼無人機上方，并且與PC端紅外測溫軟件連接，開啟紅外熱像儀與測試軟件。

4）開啟性能測試軟件，校準拉力計讀數。

5）啟動多旋翼無人機，通過遙控器控制，讓多旋翼無人機上升至最大值，推動遙控器控制量至最大值，并且持續飛行90 s，降落至測試平臺，保存測試數據；改變電壓的穩定值（此電壓以初始電壓為參考，每1 V為一個梯度進行測量，最大值為4.2），待測試系統與紅外系統重新開啟之后，啟動多旋翼無人機，重復以上操作，依次改變電壓值，直至達到多旋翼無人機的最大額定電壓為止，保存所測數據。

6）待該機型的數據測量完畢之后，將多旋翼無人機抬至最高，測量多旋翼無人機的高度，最后將多旋翼無人機從測試平臺拆下，并且測量其拉力計等輔助設備的質量為W。

7）更換機型重復以上操作，分別對其進行測試。

2 結果與分析

根據前述設計方案對3種機型進行了測試，經過數據處理之后，從凈升力、總升力、功率載荷、重量效率、熱效比這幾方面對3種機型進行分析，分析結果如下。

2.1 不同機型凈升力的對比

圖4為3種多旋翼無人機80 s內凈升力隨時間的變化過程。從圖中可以看出，隨著油門控制量的增加，螺旋槳所產生的升力增加，多旋翼無人機開始平穩上升，當上升高度與拉力計自然高度相等時，多旋翼無人機角加速度開始減小，當達到某一時刻時，凈升力達到最大值，速度趨近于0，加速度達到最大值。2 s以后，多旋翼無人機已經達到了最大高度，速度的變化較小，相應的凈升力變化趨小并且趨于穩定。在測量無人機的凈升力時，應該以趨于穩定的值作為凈升力進行評價，此時的凈升力最穩定，測量值最穩定。

圖4 不同機型凈升力的變化

2.2 不同機型總升力的對比

圖5表示3種多旋翼無人機（包括多旋翼無人機空機質量）總升力隨時間的變化過程。從圖中可以看出，3種機型的平均總升力分別為246、363和269 N，總升力的變化趨勢與圖4凈升力的變化趨勢相近，但是對于同樣是10 L載藥量的多旋翼無人機，機型Ⅲ和機型Ⅰ的凈升力相差不大，但是不同機型總升力量還是存在一定的差別，同樣是10 L載藥量的多旋翼無人機,機型Ⅰ相比機型Ⅲ的空機質量更輕。

圖5 不同機型總升力的變化

2.3 不同機型、不同電壓下平均功率載荷的變化

由于在測量拉力過程中，起始時刻和結尾時刻的凈升力不穩定，所以在進行功率載荷分析的過程中，只是從測試過程中15~90 s數據進行分析，分別求得每秒內的電壓和電流的平均值，并且求得與之對應的總升力值，對此分別求解不同機型、不同電壓下的功率載荷，對所求得的功率載荷進行樣本統計，統計結果如表3所示。

由表3可知，在任一電壓下，3種機型的功率載荷關系為機型Ⅲ>機型Ⅱ>機型Ⅰ，最好的機型Ⅲ比最差的機型Ⅰ大7.6 mN/W，并且多旋翼無人機的功率載荷隨著電壓的增加而逐漸減小，多旋翼無人機的電壓從50降到44 V時，3種機型的功率載荷分別增加了6.7、7和8.7 mN/W。從3種機型的測試結果來看，隨著電壓的下降，功率載荷會有所增加，滿電電壓的功率載荷小于標稱電壓的功率載荷。

表3 不同機型、不同電壓下功率載荷的均值

2.4 不同機型、不同電壓下重量效率的比較

圖6表示3種機型重量效率隨電壓的變化，在任一電壓下，3種機型的重量效率關系為機型Ⅰ>機型Ⅲ>機型Ⅱ，最好的機型Ⅰ比最差的機型Ⅱ大0.33，從圖中可以看出，隨著功率的增加，重量效率也隨之增大，3種機型的最大重量效率分別為1.29、0.96和1.15。

圖6 不同機型、不同電壓下重量效率的比較

2.5 不同機型電機溫度數據的選取

對3種機型在滿電電壓和最大電流時的電機溫度進行溫升試驗分析，由于試驗條件限制，現階段僅對機型Ⅰ、機型Ⅱ的2個電機和機型Ⅲ的3個電機進行了測試，機型Ⅰ和機型Ⅱ測試時的環境溫度為23.7 ℃，濕度為45%，光照強度為4 050 lux，起始電機的平均溫度分別為25.7和25.6 ℃；機型Ⅲ測試時的環境溫度為21.5 ℃，濕度為53%，光照強度為2 040 lux，起始電機的平均溫度為22.2 ℃；隨著時間的增加，無刷電機的溫度也會相應的變化，在進行溫度變化的過程中，每個電機的變化并不是均勻的，對此進行分析發現，由于在螺旋槳高速旋轉的過程中，電機中心位置溫度較低，邊緣溫度較高，3種機型某一時刻電機溫度分布如圖7a機型Ⅰ、圖7b機型Ⅱ、圖7c機型Ⅲ所示，從圖中可以看出整個電機溫度分布變化較大；圖8代表3種機型無刷電機直徑方向上的溫度變化情況，中心位置處溫度最低，邊緣溫度相對較高，并且中心溫度與邊緣溫度差別較大，3種機型中心到邊緣最大溫度的差值分別為4.8、4.9和1.5 ℃，所以溫度數據的選擇也較為重要。圖9a機型Ⅰ、圖9b機型Ⅱ、圖9c機型Ⅲ分別代表整個無刷電機溫度分布范圍和投影位置，總體來看，整個無刷電機的溫度分布呈現倒三角形，本次試驗選擇以邊緣到中心1/4處為選取點，并且以該選取點為中心的3×3像素點的平均溫度作為此時刻電機的溫度。

圖7 電機紅外熱像圖

圖8 不同機型電機直徑方向上溫度變化

2.6 不同機型電機平均溫度變化

在進行溫升試驗過程中，以最大電壓和最大電流條件下工作240 s，對不同機型所測的單個電機溫度求平均值，分析電機溫升變化。圖10表示不同機型電機溫度變化曲線。由圖10可知，由于環境溫度的不同，電機的起始溫度也會有所差異，3種機型的起始溫度與環境溫度的差值分別為2、1.9和-1.1 ℃，從測量數據來看，不同機型的起始溫度與環境溫度的差異也會不同，在此次試驗中暫時未考慮由于環境溫度造成的電機溫度變化的差異，暫且以電機的起始溫度作為參考溫度進行電機溫升的研究。試驗結果表明，隨著測試過程的進行，電機的溫度首先會下降一段時間，然后上升，當達到某一值時會趨于穩定。在懸停240 s時，3種機型的溫升分別為0.73、1.1和0.79 ℃，相應的熱效比分別為336.98、330.00和340.50 N/℃，最好的機型Ⅲ比最差的機型Ⅱ大10.5 N/℃。

圖9 橢圓形區域溫度變化

圖10 不同機型電機平均溫度變化

2.7 綜合評價

按照評價指標中的方法對3種機型進行了綜合評價，功率載荷極值設置為64.95 mN/W，重量效率極值設置為1.29，熱效比極值設置為340.5 N/℃。標準化處理結果及總評分如表4所示。從3種機型的綜合評分來看，機型Ⅲ>機型Ⅰ>機型Ⅱ，單項指標中，機型Ⅲ的功率載荷和熱效比都最好，機型Ⅰ重量效率最好。該評價方法可以合理全面的對多旋翼無人機升力特性做出評價，具有較好的可延伸性和實用性。

表4 標準化處理結果及總評分

3 討 論

多旋翼無人機升力特性的評價是無人機性能檢測的前提，對其升力特性的提升和作業效率的提高均有重要作用。根據以上的分析結果可以看出，不同機型的多旋翼無人機的凈升力、總升力、功率載荷、重量效率和熱效比都有所差異。本文通過功率載荷的高低、重量效率的高低和熱效比的高低分別對3種機型進行了多次試驗測定。

從不同機型的功率載荷結果來看，隨著電壓的增加螺旋槳的轉速增加，由于螺旋槳轉速越高效率越低，所以3種機型的功率載荷與電壓成負相關。不同機型功率載荷的異同主要是由于整個多旋翼無人機動力系統的效率與結構不同造成的。無人機的動力效率分為螺旋槳的效率、電機的效率、電子調速器的效率和電池的轉換效率以及螺旋槳和電機的匹配性。對于本文的試驗，采用直流電源供電的形式，直接將所需要的電能輸送給多旋翼無人機，所以不需要考慮電池的轉換效率，這部分主要是由于電子調速器的效率、電機的效率、螺旋槳的效率以及螺旋槳和電機的匹配性造成的。機型Ⅰ與機型Ⅲ在力效功率載荷這一指標差距較大，由于3種機型所采用的電機和螺旋槳均為不同廠家、不同規格的產品，并沒有進行深入橫向對比，只是從整體效率和結構進行了對比。通過對多旋翼無人機的整機功率載荷進行對比發現，功率載荷隨著旋翼數量的增加而增加；功率載荷的高低反應了整個動力系統的效率，建議小載荷類多旋翼無人機可以采用較少的旋翼來驅動，大載荷類無人機建議采用較多旋翼來驅動；對于機型Ⅰ可以通過改進電機和螺旋槳的效率與匹配性增加整體的功率載荷；其次，可以通過增加旋翼的數量提高整機的功率載荷。對于機型Ⅱ可以通過增加螺旋槳的直徑或者增加旋翼的數量來提高整機的功率載荷。

從不同機型的重量效率結果來看，動力系統的重量效率既要滿足當前機型有效載荷的要求，又要留有足夠的余量，保證無人機的操縱性和安全性。從3種機型來看，機型Ⅰ和機型Ⅲ的有效載荷是相等的，但機型Ⅰ的重量效率優于機型Ⅲ的重量效率，由于機型Ⅰ為四旋翼無人機，機型Ⅲ為八旋翼無人機，機型Ⅰ相比于機型Ⅲ結構完善的程度較高，機型Ⅲ在重量效率方面還有一定的提升空間；機型Ⅱ的重量效率較低，與其他2種機型進行對比，機型Ⅱ為16 L的六旋翼無人機，在空機質量減輕的程度上還有待提高，載質量相比其他兩種機型更大,并且機型Ⅱ結構相比于其他2種機型結構更加復雜，首先有2根機架承力桿件冗余，機身結構不夠緊湊，機械結構不夠優化。其次，機身采用鋁合金材質，沒有采用碳纖維材質，相應的增加了自身的質量，機型Ⅱ可以通過改換更輕的材質，改進承力桿件冗余部件或者增加旋翼的直徑來增加重量效率。在實際滿載飛行過程中，機型Ⅱ相比其他2種機型的操縱性比較遲緩。

從不同機型的熱效比結果來看，3種機型的熱效比關系為機型Ⅲ>機型Ⅰ>機型Ⅱ，相比于其他溫升試驗，電動多旋翼無人機在溫升方面有自身的優勢，在螺旋槳高速旋轉的過程中，本身就能夠產生較大的氣流，對電機進行降溫。載荷相當的機型，螺旋槳的直徑越大，相對的負載或輸出拉力越大，其產生的熱量也就越多，所以機型Ⅰ電機產生的熱量大于機型Ⅲ電機產生的熱量。對于螺旋槳尺寸相當的機型，消耗功率越大，產生的升力越大，電機產生的熱量越多，所以機型Ⅱ產生的熱量大于機型Ⅲ產生的熱量。

綜上所述，不能將單一指標作為多旋翼無人機升力特性的評價指標，采用功率載荷、重量效率和熱效比相結合的方式作為多旋翼無人機升力特性的評價指標，既能體現無人機動力系統的效率和空氣動力方面的水平，也體現了結構方面的設計水平。

4 結論與展望

本文搭建了半系留式多旋翼無人機性能測試平臺，建立了多旋翼無人機升力性能檢測的綜合模型。為了驗證模型的可行性，對3種不同機型進行了升力特性指標的性能測試試驗。試驗結果表明：3種機型在功率載荷、重量效率、熱效比等方面有較大差異，3種機型進行綜合評分的結果為機型Ⅲ（95.658 9）>機型Ⅰ（94.186 6）>機型Ⅱ（85.916 3），功率載荷最好的機型Ⅲ比最差的機型Ⅰ大7.6 mN/W，重量效率最好的機型Ⅰ比最差的機型Ⅱ大0.33，熱效比最好的機型Ⅲ比最差的機型Ⅱ大10.5 N/ ℃，反映出3種機型在設計過程中整個動力系統效率、機型整體結構和材料選擇上的差異，從而在整機作業性能上表現出差異。并且對不同機型提出了幾點相應的改進建議，對于機型Ⅰ可以通過改進動力系統整體的轉化效率來提高功率載荷；對于機型Ⅱ可以通過優化整體結構或者改換更輕的材質；對于機型Ⅲ可以通過優化整體結構來提高重量效率，比如減少旋翼的數量。

在上述指標測試的基礎上，結合無人機動力系統數學模型，提出了運用功率載荷、重量效率和熱效比進行電動多旋翼植保無人機升力特性綜合評價的評分方法，用此方法對在用多旋翼無人機進行大量的試驗，可以建立標準多旋翼無人機升力特性檢測數據庫，這樣可以更加客觀準確的評定無人機技術等級，加強在用多旋翼無人機的管理。

多旋翼無人機的檢測工作還處在起步階段，相應的檢測設備和技術還需進一步的完善。在多旋翼無人機的性能評價中，不能過分追求功率載荷、重量效率和能效比方面的提高，應秉持技術性能、可靠性能、安全性能、經濟性等方面的平衡理念，以研制出滿足多旋翼無人機需求型號的產品為目標，應竭力避免性能論。

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Comprehensive evaluation method for lifting characteristics of electric multi-rotor UAV for plant protection

Zang Ying, He Xingang, Zhou Zhiyan※, Ming Rui, Zang Yu, Luo Xiwen, Lan Yubin

(1.510642,; 2.510642,; 3.of,510642,)

With the rapid development of agricultural aviation, electric multi-rotor unmanned aerial vehicles (UAV) for planting protection are favored in plant protection operations due to their advantages of vertical take-off and landing, air hovering, and easy operation. However, because of its low aerodynamic efficiency, there are currently problems such as low loading mass and short battery life, and it is still necessary to optimize and improve it. The lift characteristics is one of the important parameters for the performance test of the multi-rotor UAV. However, few tests have been conducted on the lifting characteristics of multi-rotor UAV. How do we comprehensively evaluate the lifting characteristics of various types of multi-rotor UAV and make comparisons and judgments on the performance of multi-rotor UAV. At present, there are no standards to follow. Only by clearly defining the evaluation index for lift performance, and by standardizing the test methods and evaluation criteria, the performance of the multi-rotor UAV can be judged and the suggestions for optimization and improvement can be given. Based on the existing research results, this paper considered the functional effectiveness criteria of helicopters combining economy, weight reduction, and heat transfer. A method of test and evaluation for the lift characteristics of the semi-tethered multi-rotor UAV is proposed. It includes performance testing semi-tethered platform, lift characteristics test method and index, and lift characteristics evaluation method. In order to verify the feasibility of the method, the performance test of 3 different models (four-rotor, Type I; six-rotor, Type II; and eight-rotor, Type III) was carried out. The test results show that the 3 models have great difference in power load, weight efficiency and thermal efficiency ratio. Type III is the best in power load, 7.6 mN/W larger than the worst Type I. The best Type II is 0.33 larger than the worst Type Ⅱ in weight efficiency. The best Type III is 10.5 N/℃ larger than the worst Type I in thermal efficiency ratio. It reflects the difference in motor and propeller selection and structure of the 3 models of aircraft during the design process, thus showing difference in the performance of the whole machine. On the basis of the above index test, combined with the mathematical model of multi-rotor UAV power system, a scoring method is put forward to evaluate the lift characteristics of the multi-rotor UAV using the power load, weight efficiency and thermal efficiency ratio. The results of the comprehensive score of the 3 types are as follows: Type III > Type I > Type II. The results show that the proposed evaluation method can effectively evaluate the lift characteristics of different types of multi-rotor UAV. It can more objectively and accurately assess the technical level of multi-rotor UAV and strengthen the management of multi-rotor UAV in use. The test and evaluation method presented in this paper can not only be used to evaluate the performance of the multi-rotor UAV, but also provide a reference for the further improvement of the model performance. Of course, in the performance evaluation of multi-rotor UAV, the improvement of power load, weight efficiency and thermal efficiency ratio cannot be excessively pursued, and the balance of technical performance, reliability performance, safety performance, and economical efficiency should be upheld.

unmanned aerial vehicle; models;agricultural machinery; battery power; lifting characteristics; power load; weight efficiency; thermal efficiency ratio

臧 英，何新剛，周志艷，明 銳，臧 禹，羅錫文，蘭玉彬.電動多旋翼植保無人機升力特性綜合測評方法[J]. 農業工程學報，2018，34(14)：69－77. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.14.009 http://www.tcsae.org

Zang Ying, He Xingang, Zhou Zhiyan, Ming Rui, Zang Yu, Luo Xiwen, Lan Yubin. Comprehensive evaluation method for lifting characteristics of electric multi-rotor UAV for plant protection[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(14): 69－77. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.14.009 http://www.tcsae.org

2018-01-09

2018-05-04

廣東省科技計劃項目（2014A020208103， 2015B020206003，2014B090904073，2017B090907031）；廣東省現代農業產業技術體系創新團隊項目（2017LM2153）

臧 英，博士，教授，主要從事農業航空應用技術研究。Email：yingzang@scau.edu.cn

周志艷，博士，教授，主要從事農業航空應用技術研究。Email：zyzhou@scau.edu.cn。中國農業工程學會會員：周志艷（E042100021M）

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.14.009

S25

A

1002-6819(2018)-14-0069-09