多旋翼農業植保機的設計

吳偉濤

摘要由于多旋翼植保機具有垂直起降、操作方便、機動靈活等特點，被廣泛應用到多個領域，在農業生產中已被應用到實地勘察、航拍、氣象監控、農藥噴灑等方面。通過對多旋翼農業植保飛行器結構和關鍵技術的分析與設計，通過對機身關鍵參數計算、飛行姿態設計與實踐、電氣控制結構設計的研究，設計了一種基于大疆飛控為核心控制單元，碳纖維機身，性價比高、制作方便的六旋翼無人農業植保機。

關鍵詞多旋翼;植保機;結構;大疆飛控

中圖分類號S220.2文獻標識碼A文章編號0517-6611（2020）04-0210-02

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2020.04.061

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Design of a Plant Protection Aircraft

WU Wei-tao

（Liaoning Equipment Manufacturing Technical College，Shenyang， Liaoning 110000）

AbstractBecause the multi-rotor plant can vertical takeoff and landing ，and it is simple，good flexibility， the protection aircraft has been applied in many fields， including field survey， aerial photography， meteorological monitoring， pesticide spraying and so on. Through the analysis and design of the structure and key technology of the multi-rotor agricultural plant protection aircraft， through the research of the key parameters calculation of the fuselage， flight attitude design and practice， and electrical control structure design， the author designed a six-rotor agricultural plant protection aircraft with carbon fiber fuselage based on the flight control of DJ as control unit， cost-effective and easily production.

Key wordsMulti-rotor;Plant protection aircrafts;Structure;DJ fly control

一些歐美發達國家已經將植保機廣泛應用到農業領域中。遠程遙控農業噴灑植保機具有結構相對簡單、體型小、功能強大、低空噴灑作業面積大等特點，且同時能夠負重8～10 kg的農藥，每分鐘可完成0.67 hm2的作業范圍，作業效率是傳統人工的40倍[1]。操控人員通過地面遙控單元及GPS定位系統對其飛行范圍進行控制，其旋翼產生的向下氣流有助于增加霧流對作物的穿透性，作業效果好，同時遠距離操控施藥，在大大提高了農藥噴灑的安全性的同時，能夠避免人與農藥等有害物質的直接接觸，減少人身傷害。此外，還能通過無人機搭載攝影監控云臺，對農業病蟲害、自然災害等進行實時監控[2]。我國有1.218億hm2的基本農田，農業植保任務非常巨大[3]。在我國，農業無人機的應用范圍還沒有普及，主要是因為目前植保無人機價格昂貴、維修成本高，這些因素制約著無人植保機技術的推廣應用。因此，研發一種性價比高、結構簡單、制作便捷、維修方便的多旋翼植保無人機，對于其在我國農業上的應用具有極其重要的意義。

1多旋翼植保機的結構設計

筆者設計的多旋翼植保無人機采用六旋翼結構，通過機體掛載噴灑系統實現農藥的噴灑功能，整體外觀結構如圖1所示。無人機機身結構主要包括動力系統（聚合物電池、無刷電機、直流電調、正反槳葉）、飛行器主體（機架、起落架、云臺）和控制單元（遙控無線接收單元、GPS、飛行控制單元）。飛掛機載的噴灑系統主要包括藥液箱、軟水管、高壓隔膜泵、壓力噴嘴以及電磁控制閥。目前植保無人機噴灑系統主要使用扇形壓力噴頭、通過高壓隔膜泵產生的壓力，使藥液通過壓力噴嘴時，在壓力作用下破碎成細小液滴，形成扇形霧粒，同時藥液下壓力大，穿透性強，產生的藥液飄逸量較小，不易因溫度高、干旱等蒸發散失。

由于傳統的植保無人機結構復雜、體積大、載重大，操作復雜，嚴重影響了應用和推廣。因此，筆者自主設計制作的輕便型多旋翼植保無人機，采用六旋翼結構，槳葉以圓形360°均勻分布在機身支撐臂上。整體機身采用機構化組裝，通過輕型螺栓固定聯結。材質采用碳纖維材質和航空鋁合金材質能夠減輕機身重量、增大掛載承載力。槳葉通過螺栓固定在無刷電機上面，通過電調驅動調節這6個電機的轉速比來實現旋翼升力的變化[4]。無人機承載力及其關鍵技術設計與計算如下文：

1.1動力系統計算

多旋翼無人機的機身機構設計基于裝載需求及應用場景來設計，采用逼近的方法進行設計。通過計算單個無刷電機需提供的最大升力Lmax及動力單元來確定無刷電機所需提供的最大升力及懸停條件下電動機的拉力，其計算公式如下：

Lα=WmaxNmotor（1）

Lmax=（1+α）×Lα（2）

式中，Lα表示懸停條件下單個電動機需提供的拉力;Wmax表示無人機總重;Nmotor表示電動機數量;α為安全系數，一般取0.3。預設機體總質量（含電池及水箱）為10 kg，考慮負重要求，總質量取12 kg，將上述條件代入公式求得：Lmax=2.6 kg。

基于產品性能及成本考慮，動力系統選用SUNNY公司的X4110SKV無刷電機，該無刷電機通過XR_40A電調模塊控制驅動，能持續輸出電流40A。螺旋槳采用碳纖維16寸槳片。動力配置強勁，最大拉力可達4 kg>Lmax=2.6 kg，滿足設計使用要求。

1.2機架尺寸設計

無人機機架作為多旋翼無人機的承載平臺，其尺寸設計是否合理，很大程度上決定了無人機性能的好壞。在實際設計中，通常以旋翼的效率評價參數作為機架設計好壞的參考依據。效率評價參數的定義如下：

σ=ρ×SrSb=ρ×N×r2R2（3）

式中，Sb為機體總面積;Sr為旋翼旋轉面總面積;ρ為電池的有效利用率;R為機體半徑;r為槳片半徑。機體半徑與旋翼半徑的對應關系如圖2所示，機體半徑R=ro+r，其中ro為懸臂半徑，則公式（3）可變換成：

σ=ρ×SrSb=ρ×N×r2（ro+r）2（4）

理論上，懸臂的長度越小，效率越高。但在實際上，為避免相鄰旋翼間發生干涉對氣動效率產生不利影響，懸臂長度不宜過小。綜合考慮各影響因素，最終確定的設計機身參數滿足表1的技術指標[5-7]。

2多旋翼植保機的飛行原理

六旋翼植保無人機的飛行原理是通過控制螺旋槳的正反轉及轉速來實現的。在六旋翼無人植保機中，無刷電機等距均布安裝在一個同心圓上，用水平儀校正調整電機水平，確保6個旋翼處于同一高度平面，如圖2所示。

旋翼的結構和半徑都相同，電機對稱安裝在機身支臂支架端部，支架中間空間位置固定中心板，中心板分2層，上層用來安裝飛行控制器和其他外部設備，下層吊裝固定無人機供電電池。無人機供電采用的電壓12 V的標準聚鋰電池模塊（容量10 000 mah），重量較重，為了保證無人機的自身平衡，通過吊裝方案安裝在機架下層中心板。

植保機的螺旋槳分正反槳片，按照圖2所示的旋轉方向安裝，使螺旋槳能夠產生舉升力，這樣才能保證無人機正常起飛。植保機的飛行姿態通過電調器調節各個電機的轉速來改變旋翼的旋轉速度，實現升力的變化，從而控制飛行器的姿態和位置，并依靠GPS位置，通過飛行控制器維持自平衡性。

飛行姿態包括空間直線運動、繞軸旋轉運動和空中懸停，飛行姿態與速度變化關系如表2所示。空間直線運動包括前進、后退、垂直升降3種。繞軸旋轉運動也包括偏航、俯仰和滾轉3種。空中懸停如下：當所有旋翼產生的升力等于植保機自身的重力時，飛行器保持懸停狀態。整個姿態調整由飛行控制單元完成實現[8]。

3多旋翼植保機的控制原理

無人機整體控制原理及接線方法如圖 3所示。

多旋翼植保機飛行主控器采用大疆NAZA_V2型號的飛行控制單元，采用與之相配套的PMU電源管理模塊，該模塊的電流持續輸出能力為3A@5V，最大輸出電流為7.5 A，功率滿足6個無刷電機的工作要求，電壓12 V，電源模塊同時也是維持無人機正常工作的關鍵。無人機的供電采用聚鋰電池，選用6 S 電池模塊，容量10 000 mah[9]。電調選用好盈XR_40A無刷電調模塊，能持續輸出電流40 A，槳葉電機采用X4110SKV無刷電機。電機外觀是偏平化設計，驅動力矩大，在保證動力輸出的同時減輕自身重量，有利于提高飛行時間，同時能夠保證驅動大的槳葉，保證有效的舉升力。

LED燈是用來指示飛機實時狀態，直接過2 pin插頭接到飛行控制器上。RC接收機接到飛控的舵機控制接口，用來接收來自遙控器發來的信號，實現飛機的姿態控制。電機線接到電調上面，電調插頭接到飛控的6個輸出接口。其中一路輸出用來控制水泵電磁閥[10]。

4結語

該研究設計的多旋翼無人植保機采用通用的結構形式、模塊化設計安裝方法，極大地降低了植保無人機成本，

同時也便于無人機的調試維修，有著廣泛的實際應用研究前景。通過實際飛行實驗，該無人機飛行可靠、總體制作成本低廉。對于植保無人機在農業生產中的使用，尤其在一些地勢惡劣的環境中的應用能夠極大地提高農業生產率，降低生產成本，具有極大的推廣價值。

參考文獻

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