吳偉濤

摘要由于多旋翼植保機(jī)具有垂直起降、操作方便、機(jī)動(dòng)靈活等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用到多個(gè)領(lǐng)域，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中已被應(yīng)用到實(shí)地勘察、航拍、氣象監(jiān)控、農(nóng)藥噴灑等方面。通過(guò)對(duì)多旋翼農(nóng)業(yè)植保飛行器結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)的分析與設(shè)計(jì)，通過(guò)對(duì)機(jī)身關(guān)鍵參數(shù)計(jì)算、飛行姿態(tài)設(shè)計(jì)與實(shí)踐、電氣控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的研究，設(shè)計(jì)了一種基于大疆飛控為核心控制單元，碳纖維機(jī)身，性?xún)r(jià)比高、制作方便的六旋翼無(wú)人農(nóng)業(yè)植保機(jī)。

關(guān)鍵詞多旋翼;植保機(jī);結(jié)構(gòu);大疆飛控

中圖分類(lèi)號(hào)S220.2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A文章編號(hào)0517-6611（2020）04-0210-02

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2020.04.061

開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)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(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)將植保機(jī)廣泛應(yīng)用到農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中。遠(yuǎn)程遙控農(nóng)業(yè)噴灑植保機(jī)具有結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、體型小、功能強(qiáng)大、低空噴灑作業(yè)面積大等特點(diǎn)，且同時(shí)能夠負(fù)重8～10 kg的農(nóng)藥，每分鐘可完成0.67 hm2的作業(yè)范圍，作業(yè)效率是傳統(tǒng)人工的40倍[1]。操控人員通過(guò)地面遙控單元及GPS定位系統(tǒng)對(duì)其飛行范圍進(jìn)行控制，其旋翼產(chǎn)生的向下氣流有助于增加霧流對(duì)作物的穿透性，作業(yè)效果好，同時(shí)遠(yuǎn)距離操控施藥，在大大提高了農(nóng)藥噴灑的安全性的同時(shí)，能夠避免人與農(nóng)藥等有害物質(zhì)的直接接觸，減少人身傷害。此外，還能通過(guò)無(wú)人機(jī)搭載攝影監(jiān)控云臺(tái)，對(duì)農(nóng)業(yè)病蟲(chóng)害、自然災(zāi)害等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控[2]。我國(guó)有1.218億hm2的基本農(nóng)田，農(nóng)業(yè)植保任務(wù)非常巨大[3]。在我國(guó)，農(nóng)業(yè)無(wú)人機(jī)的應(yīng)用范圍還沒(méi)有普及，主要是因?yàn)槟壳爸脖o(wú)人機(jī)價(jià)格昂貴、維修成本高，這些因素制約著無(wú)人植保機(jī)技術(shù)的推廣應(yīng)用。因此，研發(fā)一種性?xún)r(jià)比高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制作便捷、維修方便的多旋翼植保無(wú)人機(jī)，對(duì)于其在我國(guó)農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用具有極其重要的意義。

1多旋翼植保機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

筆者設(shè)計(jì)的多旋翼植保無(wú)人機(jī)采用六旋翼結(jié)構(gòu)，通過(guò)機(jī)體掛載噴灑系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)農(nóng)藥的噴灑功能，整體外觀(guān)結(jié)構(gòu)如圖1所示。無(wú)人機(jī)機(jī)身結(jié)構(gòu)主要包括動(dòng)力系統(tǒng)（聚合物電池、無(wú)刷電機(jī)、直流電調(diào)、正反槳葉）、飛行器主體（機(jī)架、起落架、云臺(tái)）和控制單元（遙控?zé)o線(xiàn)接收單元、GPS、飛行控制單元）。飛掛機(jī)載的噴灑系統(tǒng)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(wú)人機(jī)噴灑系統(tǒng)主要使用扇形壓力噴頭、通過(guò)高壓隔膜泵產(chǎn)生的壓力，使藥液通過(guò)壓力噴嘴時(shí)，在壓力作用下破碎成細(xì)小液滴，形成扇形霧粒，同時(shí)藥液下壓力大，穿透性強(qiáng)，產(chǎn)生的藥液飄逸量較小，不易因溫度高、干旱等蒸發(fā)散失。

由于傳統(tǒng)的植保無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大、載重大，操作復(fù)雜，嚴(yán)重影響了應(yīng)用和推廣。因此，筆者自主設(shè)計(jì)制作的輕便型多旋翼植保無(wú)人機(jī)，采用六旋翼結(jié)構(gòu)，槳葉以圓形360°均勻分布在機(jī)身支撐臂上。整體機(jī)身采用機(jī)構(gòu)化組裝，通過(guò)輕型螺栓固定聯(lián)結(jié)。材質(zhì)采用碳纖維材質(zhì)和航空鋁合金材質(zhì)能夠減輕機(jī)身重量、增大掛載承載力。槳葉通過(guò)螺栓固定在無(wú)刷電機(jī)上面，通過(guò)電調(diào)驅(qū)動(dòng)調(diào)節(jié)這6個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速比來(lái)實(shí)現(xiàn)旋翼升力的變化[4]。無(wú)人機(jī)承載力及其關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計(jì)與計(jì)算如下文：

1.1動(dòng)力系統(tǒng)計(jì)算

多旋翼無(wú)人機(jī)的機(jī)身機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)基于裝載需求及應(yīng)用場(chǎng)景來(lái)設(shè)計(jì)，采用逼近的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。通過(guò)計(jì)算單個(gè)無(wú)刷電機(jī)需提供的最大升力Lmax及動(dòng)力單元來(lái)確定無(wú)刷電機(jī)所需提供的最大升力及懸停條件下電動(dòng)機(jī)的拉力，其計(jì)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(gè)電動(dòng)機(jī)需提供的拉力;Wmax表示無(wú)人機(jī)總重;Nmotor表示電動(dòng)機(jī)數(shù)量;α為安全系數(shù)，一般取0.3。預(yù)設(shè)機(jī)體總質(zhì)量（含電池及水箱）為10 kg，考慮負(fù)重要求，總質(zhì)量取12 kg，將上述條件代入公式求得：Lmax=2.6 kg。

基于產(chǎn)品性能及成本考慮，動(dòng)力系統(tǒng)選用SUNNY公司的X4110SKV無(wú)刷電機(jī)，該無(wú)刷電機(jī)通過(guò)XR_40A電調(diào)模塊控制驅(qū)動(dòng)，能持續(xù)輸出電流40A。螺旋槳采用碳纖維16寸槳片。動(dòng)力配置強(qiáng)勁，最大拉力可達(dá)4 kg>Lmax=2.6 kg，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)使用要求。

1.2機(jī)架尺寸設(shè)計(jì)

無(wú)人機(jī)機(jī)架作為多旋翼無(wú)人機(jī)的承載平臺(tái)，其尺寸設(shè)計(jì)是否合理，很大程度上決定了無(wú)人機(jī)性能的好壞。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，通常以旋翼的效率評(píng)價(jià)參數(shù)作為機(jī)架設(shè)計(jì)好壞的參考依據(jù)。效率評(píng)價(jià)參數(shù)的定義如下：

σ=ρ×SrSb=ρ×N×r2R2（3）

式中，Sb為機(jī)體總面積;Sr為旋翼旋轉(zhuǎn)面總面積;ρ為電池的有效利用率;R為機(jī)體半徑;r為槳片半徑。機(jī)體半徑與旋翼半徑的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖2所示，機(jī)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(zhǎng)度越小，效率越高。但在實(shí)際上，為避免相鄰旋翼間發(fā)生干涉對(duì)氣動(dòng)效率產(chǎn)生不利影響，懸臂長(zhǎng)度不宜過(guò)小。綜合考慮各影響因素，最終確定的設(shè)計(jì)機(jī)身參數(shù)滿(mǎn)足表1的技術(shù)指標(biāo)[5-7]。

2多旋翼植保機(jī)的飛行原理

六旋翼植保無(wú)人機(jī)的飛行原理是通過(guò)控制螺旋槳的正反轉(zhuǎn)及轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在六旋翼無(wú)人植保機(jī)中，無(wú)刷電機(jī)等距均布安裝在一個(gè)同心圓上，用水平儀校正調(diào)整電機(jī)水平，確保6個(gè)旋翼處于同一高度平面，如圖2所示。

旋翼的結(jié)構(gòu)和半徑都相同，電機(jī)對(duì)稱(chēng)安裝在機(jī)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(lái)安裝飛行控制器和其他外部設(shè)備，下層吊裝固定無(wú)人機(jī)供電電池。無(wú)人機(jī)供電采用的電壓12 V的標(biāo)準(zhǔn)聚鋰電池模塊（容量10 000 mah），重量較重，為了保證無(wú)人機(jī)的自身平衡，通過(guò)吊裝方案安裝在機(jī)架下層中心板。

植保機(jī)的螺旋槳分正反槳片，按照?qǐng)D2所示的旋轉(zhuǎn)方向安裝，使螺旋槳能夠產(chǎn)生舉升力，這樣才能保證無(wú)人機(jī)正常起飛。植保機(jī)的飛行姿態(tài)通過(guò)電調(diào)器調(diào)節(jié)各個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)改變旋翼的旋轉(zhuǎn)速度，實(shí)現(xiàn)升力的變化，從而控制飛行器的姿態(tài)和位置，并依靠GPS位置，通過(guò)飛行控制器維持自平衡性。

飛行姿態(tài)包括空間直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)、繞軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和空中懸停，飛行姿態(tài)與速度變化關(guān)系如表2所示?？臻g直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)包括前進(jìn)、后退、垂直升降3種。繞軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)也包括偏航、俯仰和滾轉(zhuǎn)3種。空中懸停如下：當(dāng)所有旋翼產(chǎn)生的升力等于植保機(jī)自身的重力時(shí)，飛行器保持懸停狀態(tài)。整個(gè)姿態(tài)調(diào)整由飛行控制單元完成實(shí)現(xiàn)[8]。

3多旋翼植保機(jī)的控制原理

無(wú)人機(jī)整體控制原理及接線(xiàn)方法如圖 3所示。

多旋翼植保機(jī)飛行主控器采用大疆NAZA_V2型號(hào)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(xù)輸出能力為3A@5V，最大輸出電流為7.5 A，功率滿(mǎn)足6個(gè)無(wú)刷電機(jī)的工作要求，電壓12 V，電源模塊同時(shí)也是維持無(wú)人機(jī)正常工作的關(guān)鍵。無(wú)人機(jī)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(diào)選用好盈XR_40A無(wú)刷電調(diào)模塊，能持續(xù)輸出電流40 A，槳葉電機(jī)采用X4110SKV無(wú)刷電機(jī)。電機(jī)外觀(guān)是偏平化設(shè)計(jì)，驅(qū)動(dòng)力矩大，在保證動(dòng)力輸出的同時(shí)減輕自身重量，有利于提高飛行時(shí)間，同時(shí)能夠保證驅(qū)動(dòng)大的槳葉，保證有效的舉升力。

LED燈是用來(lái)指示飛機(jī)實(shí)時(shí)狀態(tài)，直接過(guò)2 pin插頭接到飛行控制器上。RC接收機(jī)接到飛控的舵機(jī)控制接口，用來(lái)接收來(lái)自遙控器發(fā)來(lái)的信號(hào)，實(shí)現(xiàn)飛機(jī)的姿態(tài)控制。電機(jī)線(xiàn)接到電調(diào)上面，電調(diào)插頭接到飛控的6個(gè)輸出接口。其中一路輸出用來(lái)控制水泵電磁閥[10]。

4結(jié)語(yǔ)

該研究設(shè)計(jì)的多旋翼無(wú)人植保機(jī)采用通用的結(jié)構(gòu)形式、模塊化設(shè)計(jì)安裝方法，極大地降低了植保無(wú)人機(jī)成本，

同時(shí)也便于無(wú)人機(jī)的調(diào)試維修，有著廣泛的實(shí)際應(yīng)用研究前景。通過(guò)實(shí)際飛行實(shí)驗(yàn)，該無(wú)人機(jī)飛行可靠、總體制作成本低廉。對(duì)于植保無(wú)人機(jī)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的使用，尤其在一些地勢(shì)惡劣的環(huán)境中的應(yīng)用能夠極大地提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)率，降低生產(chǎn)成本，具有極大的推廣價(jià)值。

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