基于復合式橫梁的載重植保無人機設計＊

余 詣，張 璟，黎相偉，李繼業，高 堅

（中國計量大學機電工程學院，浙江 杭州 310002）

本項目核心任務在于實現新型復合式橫梁的設計、測試與運用，同時完成可控制的、高效的載重植保無人機以具有完成農業中精準、定點噴灑的功能。

1 無人機氣動布局與結構設計

1.1 氣動設計

良好的氣動布局與翼型結構設計決定了整機的基礎，本項目在進行了大量仿真與優化后確定翼型為AH 79-100B，具體研究過程如圖1 所示。

圖1 氣動設計流程

從profili 中導出了多種經典翼型（包括平凸型、對稱型、S 型、Clark-Y 型等），首先在XFLR5 中進行外形比對，并初步篩選。由于剛導入的翼型并不滿足實際要求，需要在原有基礎上建立副翼節點（SET T.E.FLAT），使得更加符合實際飛行情況。

利用profili 在相同雷諾數下，對翼型的升力系數、阻力系數、升阻比、俯仰力矩與攻角關系進行對比分析后。采用XFLR5 對選型翼型進行數據分析，得出相關翼型在不同條件下的參數曲線。選出優秀的翼型，進行整機靜態分析的數據建立。

根據CAD 圖紙進行主翼（Main Wing）、機身（Body）、水平尾翼（Elevator）、垂直尾翼（Fin）4個部分的建模，并加載上舵機、起落架、電機、電池等空機設備。模擬實際掛載性能與動態模擬如圖2 所示。

圖2 模擬實際掛載性能與動態模擬

對整機進行動態模擬分析，模態響應模擬是指在飛行中，擾動（操縱或陣風）會在不同的程度上激發所有的模態：短周期和滾轉阻尼模態受較大阻尼很快就會消失；長周期和荷蘭滾較明顯，可用眼觀察到；螺旋模態則是緩慢地被糾正。整機在受到擾動后恢復較快，模型性能較好。

1.2 整體結構

本項目主要目的為制作一架基于復合式橫梁的載重植保無人機，整機采用單發、對稱結構設計，采用梯形翼適合低速（相對于音速）飛機，優點在于制造加工很方便，同時也具有較低的誘導阻力，在低速時的升力性能較為優秀。

平直機翼或是略帶下反角機翼有利于提升靈敏度以及靜載，使飛行過程容易操縱投水。

無人機起落架采用前三角式，均采用碳纖維材質拼接而成的22 in（1 in≈2.54 cm）螺旋槳，并搭配HK-2520 電機/SKYWALKER-60 A 動力組合，使用4S鋰聚合物電池供電，使用拉力計實際測試取平均值動力F=52 N。

1.3 復合式橫梁的設計與應用

飛機橫梁是飛機結構的主要部件，相當于人體骨架的脊椎，大梁對于飛機飛行有至關重要的作用。其作用是承受全部或大部分的彎矩和剪力。橫梁由緣條、腹板和支柱等組成，剖面多為工字形。橫梁一般固支在機身上。復合式橫梁采用碳纖維板覆蓋碳纖維管而成，其縱向受力極限極強，幾乎無法通過外力使其變形，而橫向形變由于碳板本身特性，復合而成的橫梁剛度足夠，形變也較小。復合式橫梁結構圖如圖3 所示，復合式橫梁貫穿整個機翼中段如圖4 所示。

圖3 復合式橫梁結構圖

圖4 復合式橫梁貫穿整個機翼中段

2 飛行控制設計

2.1 控制流程

可使用手動操縱飛行/地面站規劃飛行切換，具體如圖5 所示。

圖5 飛行策略

2.2 地面站與程序設計

自動飛行使用目前無人機常用的Mission Planner地面站搭配相關硬件實現按照規劃航線自動飛行[2]。地面站基礎操作界面如圖6 所示，包括上位機飛控與下位機程序，下位機接收信息對電磁閥進行控制。

圖6 地面（GUⅠ）操作界面

采用ArduPilot/APM 作為導航系統，通過參數調節與編程支持多種地面站用于計劃與控制飛行[3]，部分代碼如圖7 所示。

圖7 飛控程序與下位機程序

3 無人機實物與硬件選型

3.1 設計與展示

通過AUTO CAD 繪制無人機三視圖展示如圖8 所示。

圖8 無人機展示

無人機樣機實物如圖9 所示。

圖9 實物展示

3.2 硬件選型

螺旋槳采用FALCON 金標（超輕）22 in 固定翼電動碳纖槳。飛行電機采用Scorpion HK-2520-3 500 kV 無刷電機。電子調速器采用好盈天行者SKYWALKER-60A（峰值80A）[4]。鋰電池采用格氏ACE XO-1 1 800/5 000 mAh 3S 11.1V 45C 鋰聚合物電池。

4 無人機驗證

為在飛行前保證樣機、電子設備的安全，對復合式橫梁進行實際測試驗證，需要對無人機進行靜載測試，測試樣機采用9 kg 水袋代替。

靜載測試方法為樣機按照裝裝載質量裝載重物，僅由2名項目成員從翼尖兩側將帶載的樣機托舉起來，保持5 s 以上，樣機仍然安全無損為通過，有異響、折裂、斷裂等現象者為不通過。項目成員成功進行9 kg靜載測試，完成測試后進行外場飛行，試驗機型表現較好。外場測試如圖10 所示，靜載測試如圖11 所示。

圖10 外場測試

圖11 靜載測試

無人機進行外場飛行測試中，整機（含電池）攜帶6 kg 額外負載總重7 550.2 g，起飛時油門位于最大油門的1/3 處左右，起飛距離在30 m 內。噴灑裝置如圖12 所示，實際飛行如圖13 所示。

圖12 噴灑裝置

圖13 實際飛行

噴灑裝置通過PV 材質水箱剛性連接電磁閥來控制噴灑，其總體結構較輕，可容納更多承載物。其地面測試結果較好，電磁閥噴頭可連續均勻噴灑。具體改進設想如下：①采用軟管與分接頭，連接至機翼增大噴灑面積；②采用舵機等電氣設備，設計成旋轉噴頭形式。

總體實驗結果表明，基于復合式橫梁的載重植保無人機仍有改進空間，其研究有利于解決如今國內大部分區域農業作業仍然由人工作業導致效率低下的問題，著重提高噴灑、播種等作業環節效率，本項目既能帶來社會效益又能帶來經濟效益。此項目可以應用于適合固定翼無人機農業多元化的工作當中。