基于農業應用的多旋翼無人機

楊有剛　刁琦林

摘 要 隨著控制技術的不斷提升，無人機的可靠性及智能化水平越來越高，農業方面也成了新的方向之一。本設計為一款基于農業設計的六旋翼中型飛行平臺，可用于農藥噴灑，狀態檢測等工作。

關鍵詞 無人機 智能控制 植保應用

中圖分類號：V275.1文獻標識碼：A

1項目背景及發展概況

隨著無人機控制技術的不斷發展，無人機越來越多的出現在大眾的視野，逐漸融入人們生活的各個領域。隨著飛行系統穩定性的提升以及對操控者的技術要求進一步降低。無人機在農業應用方面的優勢開始逐漸展現出來。在大面積數據監測、農藥噴灑等方面具有極大的開發潛力和應用空間。

用于農業方面的無人機又稱為植保無人機，其主要是用于為農業作物的保護作業，此類無人飛行器一般由飛行平臺、飛行控制系統、作業模塊等部分組成，以人工遙控和飛行控制系統導航控制相結合的方式完成作業。可實現農藥噴灑、農作物狀態檢測、物資運輸等工作。目前來講我國植保無人機的發展正處于蓬勃發展階段。以大疆創新為主的一系列無人機公司競相開發出屬于自己的行業級植保無人機。以大疆M600為代表的植保無人機雨后春筍般發展起來。目前國內植保無人機市場較為廣闊，但無人機技術水平和產品性能良莠不齊。看似產品眾多但真正能夠滿足高強度作業需求的產品缺只有少數幾家。多數為打著行業級的幌子作者玩具級的產品。

2機械設計及硬件選型

本設計采用傘狀可折疊六旋翼結構，具有結構簡單，便于攜帶，任務載荷大，動力冗余大，飛行可靠性高等特點。機體主要結構件使用碳纖維材料加工而成，碳纖維材料具有結構強度大，重量輕等特點，可在保證工件結構強度的同時盡可能降低其重量，在飛行器設計領域具有及其廣泛的應用。機臂部分采用內徑14mm，壁厚2mm的碳纖維管，空心碳纖維管具有結構剛性強，重量輕的特點，機臂作為飛行器動力系統的機體的連接部分，在實際飛行過程中承受飛行器全部有效載荷及過載，機臂結構強度不足極易導致飛行器在實際飛行過程中出現機體共振嚴重影響飛行安全。為保證結構強度使用碳纖維管來作為機臂及起落架等受力部件，可大幅簡化結構設計部分的工作量，降低裝配工藝復雜度提高可維護性。有利于進一步降低飛行器對使用者的維護技術要求，有利于進一步推廣。

起落架部分采用自動折疊式起落架，在保證其正常功能的同時解決在飛行過程中任務載荷和起落架之間的空間沖突問題。可將機體下方視野空間完全留給任務模塊。可大幅降低飛行器任務模塊的通用型，以便于后期的功能拓展及進一步升級工作。飛行器軸距1200mm，搭配為動力系統采用6010無刷電機配備2170螺旋槳，最大起飛重量16kg左右，可在6級風力等級下穩定執行飛行任務。使用大容量6s動力電池為飛行器提供能量，可供給飛行器30分鐘作業需求。作為一款通用飛行平臺，可搭各種任務模塊來滿足不同的任務需求。

飛行控制器采用雷迅科技的pixv5飛行控制器，V5 AutoPilot采用了全新的V5 CORE平臺;將飛控核心部分集成于V5 core上，底板可拆卸，只作為對外接口載體，V5 AutoPilot是CUAV基于FMU V5開源硬件全新打造的高性能飛行控制系統。FMU v5開源硬件的特點就是采用比FMU V3更加先進的處理器、更大的flash及RAM、更穩定可靠的傳感器。V5 AutoPilot是CUAV基于FMU V5開源硬件全新打造的高性能飛行控制系統。FMU v5開源硬件的特點就是采用比FMU V3更加先進的處理器、更大的flash及RAM、更穩定可靠的傳感器，此飛行控制器可適用于3到8旋翼無人機，能夠滿足飛行器的智能化控制需求。此飛行控制器具有操作簡單、工作穩定可靠、智能化程度高等特點。作為產品級的飛行控制器，操作者只需要進行簡單培訓，即可擔任操作手執行飛行任務。

相較于傳統的植保無人機，本設計可最大程度降低飛行器對操作手的依賴，將操作手從單一乏味的飛行中解放出來。在實際任務執行過程中，操作手可以使用搭配飛行控制器的地面站提前進行飛行任務規劃，將飛行任務中的關鍵參數信息輸入飛行控制器，利用其智能任務管理系統根據不同的任務需求生成最佳飛行航線并存儲于飛行控制器中。到了任務的實際執行階段，操作手只需要將飛行器帶到任務區并監控其工作狀態即可。機載傳感器系統及飛行控制系統可保證飛行器安全高效的完成飛行任務。一般條件下，可實現飛行器從起飛到任務執行到返航的全自動作業，操作手只需監控其工作狀態即可。最大限度降低操作手的工作強度。可在提高作業效率的同時降低人員疲勞程度。

3項目總結

使用多旋翼無人機作為作業載具具有飛行高度低，定位精度高，對起降場地要求低等特點，可深入田間地頭靈活展開植保作業。可大幅提作業效率，且飛行器飛行過程中旋翼產生的下降氣流有利于增加噴霧對作物的穿透性，使用藥物利用率得以提高。在作業過程中，操作者可在安全距離遙控監視作業，有效降低了人員作業風險，使得安全性進一步提高。此外，與油動無人機相比，電動無人機具有重量輕，折舊率低，作業人工成本較低、易于保養維護等優勢。本設計作為一塊多旋翼無人平臺，具有操控簡單、通用性強等特點，可靈活搭配各種任務模塊滿足不同用戶群體的作業需求。且平臺本身具有極大的改進潛力和發展空間。有利于進一步的推廣和發展。

基金項目：項目名稱：大學生創新創業訓練項目，項目號是201810061153。