隆清賢

（國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)，湖南 長(zhǎng)沙 410000）

多旋翼無人植保機(jī)技術(shù)特點(diǎn)分析

隆清賢

（國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)，湖南 長(zhǎng)沙 410000）

近年來，伴隨我國科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，不少優(yōu)勢(shì)技術(shù)逐步朝向農(nóng)業(yè)、林業(yè)等行業(yè)發(fā)展，無人植保機(jī)是其中的一個(gè)典型。無人植保機(jī)是通過地面遙控，對(duì)農(nóng)作物進(jìn)行藥物噴灑的一種植保機(jī)械，它的高效、可靠受到了農(nóng)民朋友的喜愛。無人植保機(jī)主要由結(jié)構(gòu)承力部件、升力部件、控制部件及噴灑部件組成，需考慮各部分的有效性及相互協(xié)調(diào)性。文章通過對(duì)八旋翼無人植保機(jī)的各部分的說明，來分析植保機(jī)的技術(shù)特點(diǎn)。

無人植保機(jī)；承力部件；升力部件；控制部件；噴灑部件；技術(shù)特點(diǎn)

1 八旋翼無人植保機(jī)組成及技術(shù)參數(shù)

八旋翼無人植保機(jī)主要由結(jié)構(gòu)承力部件、升力部件、控制部件及噴灑部件等四部分組成，主要用于噴藥除害及灑水等工作。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。

圖1 八旋翼無人植保機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

結(jié)構(gòu)承力部分主要由機(jī)架、機(jī)臂及腳撐桿等組成；升力部件主要由旋翼、電機(jī)、電調(diào)等組成；控制部件主要由傳感器模塊（加速度計(jì)、陀螺），控制模塊（機(jī)載控制板、地面遙控手柄），電源模塊等組成；噴灑部件主要由藥箱、增壓泵、管路及噴頭等組成。

八旋翼無人植保機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 八旋翼無人植保機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)

2 結(jié)構(gòu)承力部件受力分析

八旋翼無人植保機(jī)結(jié)構(gòu)承力部件所受外力一部分是自身各部件的重力，另一部分是旋翼旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的升力，再有一部分是在工作過程中由于控制需求產(chǎn)生的加速度所帶來的慣性力。根據(jù)現(xiàn)階段市場(chǎng)上碳纖材料的物理屬性：抗拉強(qiáng)度7.00GPa，抗拉模量600GPa，密度2.1g/cm3，及旋翼所承受最大升力情況，對(duì)八旋翼無人植保機(jī)承力部件受力進(jìn)行簡(jiǎn)化分析。受力情況如圖2所示。

結(jié)構(gòu)承力部件在承受外界各種力的情況下，最大應(yīng)力接近65MPa，為機(jī)臂與藥箱安裝部位連接處；最大位移接近2.5mm，為機(jī)臂與旋翼連接部位。最大應(yīng)力及最大位移均不影響結(jié)構(gòu)承力部件的強(qiáng)剛度。

圖2 結(jié)構(gòu)承力部件應(yīng)力和位移分布情況

3 升力部件受力分析

八旋翼無人植保機(jī)所受到的升力來自于每個(gè)旋翼轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的力。而由于八個(gè)旋翼同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，會(huì)對(duì)氣流產(chǎn)生干擾，情況較為復(fù)雜。為了簡(jiǎn)化，我們僅針對(duì)單個(gè)旋翼的氣動(dòng)力進(jìn)行分析。旋翼在運(yùn)動(dòng)過程中受到升力T、阻力D、扭矩Q的作用，且這些作用力或作用力矩與螺旋槳的轉(zhuǎn)速有一定的聯(lián)系：

其中，ρ（空氣密度）、A（旋翼槳盤面積）、R2（旋翼直徑的平方）在特定的旋翼情況下為定值，所以通常情況下，單個(gè)旋翼所受的升力T與Cr（升力系數(shù)）和ω2有關(guān)；阻力D與CD（阻力系數(shù)）和有關(guān)；扭矩Q與CQ（扭矩系數(shù)）和ω2有關(guān)。旋翼使用的材質(zhì)與結(jié)構(gòu)承力部件一致，為碳纖材料。單個(gè)旋翼的受力分析如圖3所示。

旋翼在自身旋轉(zhuǎn)中產(chǎn)生的升力作用下，其最大應(yīng)力及最大位移均不影響結(jié)構(gòu)承力部件的強(qiáng)剛度。

4 控制部件性能分析

八旋翼無人植保機(jī)控制系統(tǒng)主要由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩部分組成。硬件系統(tǒng)主要包含傳感器分系統(tǒng)（陀螺、加速度計(jì)）、八電機(jī)控制分系統(tǒng)（電機(jī)、電調(diào)）、電源分系統(tǒng)、通信分系統(tǒng)和中心控制器。而軟件系統(tǒng)主要對(duì)硬件功能進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，包括植保機(jī)當(dāng)前狀態(tài)的檢測(cè)、控制和通訊的具體實(shí)現(xiàn)。

八旋翼無人植保機(jī)由于是無人駕駛，所以它需要地面遙控完成垂直升降運(yùn)動(dòng)、俯仰運(yùn)動(dòng)、滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、偏航運(yùn)動(dòng)等，這就要求具體了解八旋翼無人植保機(jī)的飛行機(jī)制。根據(jù)八旋翼無人植保機(jī)的飛行特點(diǎn)，設(shè)計(jì)其運(yùn)動(dòng)流程圖。具體如圖4所示。

圖3 單個(gè)旋翼應(yīng)力和位移分布情況

圖4 運(yùn)動(dòng)流程圖

5 噴灑部件工作流程

八旋翼無人植保機(jī)的工作過程其實(shí)相對(duì)簡(jiǎn)單。通過控制系統(tǒng)給泵提供一個(gè)信號(hào)，泵在接收到信號(hào)后，抽取藥箱中的農(nóng)藥，并通過泵增壓至0.3MPa的工作壓力，再通過管路輸送到各個(gè)噴頭，實(shí)現(xiàn)農(nóng)藥噴灑。

[1]樂正想，梅啟林，黃志雄.納米碳纖維性能與應(yīng)用[A].節(jié)能環(huán)保和諧發(fā)展—2007中國科協(xié)年會(huì)論文集（一）[C]，2007.

[2]何環(huán)飛.四旋翼無人直升機(jī)飛行控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[D].南京：南京理工大學(xué)，2009.

An analysis of the Technical Characteristics of Multi-rotor Plant Protection Aircraft

LONG Qing-xian
（National University of Defense Technology,Changsha,Hunan 410000，China）

In recent years,with the continuous development of science and technology in our country，a lot of advanced technologies are gradually developing toward agriculture and forestry and other industries，unmanned plant protection aircraftis one of the typical.Unmanned plant protection aircraft is a kind of plant protection machinery which spray the crops with pesticides through remote control on the ground，its efficiency and reliability are popular with peasant friends. The Unmanned plant protection plane is mainly composed of bearing parts,lifting parts,control unit and spraying parts.It is necessary to take the effectiveness and mutual coordination among parts into account.This paper mainly through to the eight rotor parts of plant protection plane to analyze the technical features of unmanned plant protection aircraft through explaining each parts of the plant protection aircraft with 8 rotors.

unmanned plant protection machine，load bearing parts，lifting parts，control unit，spraying parts，technical features

S251

A

2095-980X（2015）02-0009-02

2015-01-18

隆清賢（1987-），男，湖南邵陽人，碩士研究生，助理工程師，主要研究方向:控制工程。