多旋翼植保无人机动力匹配的设计

陈立志　王伟全

摘 要：农用多旋翼植保无人机的动力匹配，就电动无人机而言，其实就是根据植保无人机的作业载重，通过计算进行选择电机、电调、桨叶以及电池的问题。合理的动力匹配能够保障植保无人机安全稳定的作业运行，同時也可以避免因为设计冗余造成的动力浪费。

关键词：动力匹配；电机；电调；桨叶；电池

中图分类号：V2491；TP13 文献标识码：A

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2018.08.006

0 引言

多旋翼植保无人机与普通无人机相比，有很多相通之处，但是也不能按照简单的放大版无人机对待，植保机的特性是大负载、大体积、大电流、操作频率极高，在这种状态下，以往载重量较轻的中小型无人机不太注重动力匹配的问题，在植保无人机这里必须给予足够的重视。

1 多旋翼植保无人机动力系统的组成

多旋翼植保无人机的动力系统通常由动力提供部件——电池、动力输出部件——电机、动力控制部件——电调和动力转换部件——桨叶四部分组成。

1.1 电池

电池是植保无人机的动力来源。目前，植保无人机的电源电池一般选用锂聚合物电池，相对普通电池来说，它具有高倍率、高能量比、放电电流大、安全性高、寿命长、环保无污染、质量轻等优点。它的主要参数除了容量还有C数、P数、S数等。C数是指电池能正常放电的倍数，可以简单理解为放电能力。C数乘以容量，就是电池最大放电电流。S数是指串联锂电池电芯的片数，1S代表3.7 V的电压，S数越大，电池的电压越大。P数是指并联锂电池电芯的片数，P数越大，电池的电流越大。

1.2 电机

植保无人机的电机，在整个飞行系统中，起到动力输出的作用。目前，多旋翼植保无人机的动力电机普遍采用无刷电机。它的优点是电子换向来代替传统的机械换向，性能可靠、效率高、体积小、故障率低，寿命比有刷电机提高了约6倍。无刷电机的参数指标，除了外形尺寸（外径、长度、轴径等）、重量、电压范围、空载电流、最大电流等参数外，还少不了一个重要指标——KV值，这个数值是无刷电机独有的一个性能参数，是判断无刷电机性能特点的一个重要数据。KV值用于衡量电机转速对电压增加的敏感度 ，它的物理学单位是rmp/V，意思为输入电压增加1伏特，无刷电机转速增加的转速值。例如：1000 KV电机，外加1 V电压，电机空载转速1000 r/min，外加2 V电压，电机空载转速2000 r/min。单从KV值，不可以评价电机的好坏，因为不同KV值的电机适用不同尺寸的桨，绕线匝数多的，KV值低，最高输出电流小，但扭力大，适合安装大尺寸的桨；绕线匝数少的，KV值高，最高输出电流大，但扭力小，适合安装小尺寸的桨。电机的型号一般由四位数字组成，前2位代表电机的直径，后面2位是电机的高度。例如：8120的电机——电机直径为81 mm、电机高度为20 mm。

1.3 电调

电调全称电子调速器，英文electronic speed controller，简称ESC。针对电机不同可以分为有刷电调和无刷电调，植保无人机的电调需要与电机匹配，选用无刷电调。在整个飞行系统中，电调主要提供驱动电机的指令，来控制电机，完成规定的速度和动作等。电调主要根据应用情况和电机的功率进行选择。

1.4 桨叶

桨叶是通过自身旋转，将电机转动所做的功转化为动力的装置。在整个飞行系统中，桨叶主要起到提供飞行所需的动能。桨叶的性能对飞行效率产生十分重要的影响，直接影响飞行的续航时间。按材质一般可分为尼龙桨、碳纤维桨和木桨等。多旋翼植保无人机通常选用碳纤维桨。桨叶的选择和电机KV值有关，一般KV值较大的电机选择高速桨，KV值较小的选择低速桨。桨叶主要参数指标有螺距和长度。它的型号一般由四位数字组成，前2位代表桨的直径，后面2位是桨的螺距（单位：英寸，1英寸=254 mm）。例如：8060的桨叶——桨长度8英寸、螺距6英寸。

2 多旋翼植保无人机动力部件的匹配选择

2.1 电机和桨叶的选择

本次设计选取最常见的四旋翼10 kg载重的植保无人机机型，不带药起飞重量在14 kg左右，带药之后整机起飞重量在24 kg左右。首先，对应不同旋翼的植保机，根据满载的起飞重量计算出单轴电机拉力，四旋翼单轴额定拉力在6 kg左右。多旋翼无人机要求其所有电机总推力必须大于自身重量一定比例，才能保证无人机的飞行性能和飞行安全。这个比例被称之为推重比，多旋翼的推重比都必须大于1，通常在16～25之间，推重比反应了无人机动力冗余情况，过低的推重比会降低无人机的飞行性能和抗风性，过高的推重比又会造成过度冗余。通过实验和横向对比总结得到四旋翼植保无人机的推重比在1.8～2.2最为合适。因此，可以计算得出四轴电机满负荷的最大拉力。

（1）拉力计算公式

拉力（kg）= 桨叶直径（m）×螺距（m）×桨宽度（m）×转速平方（r/s）×1大气压力（1标准大气压）×经验系数（0.25）

（2）电机和桨叶的匹配原则

电机KV值低，最高输出电流小，但扭力大，适合安装大尺寸的桨； 电机KV值高，最高输出电流大，但扭力小，适合安装小尺寸的桨。

（3）拉力与力效曲线图（如图1所示）。

最终，四轴电机和桨叶选取了8120电机与2911折叠桨叶的组合，其参数如表所示。

由此可以看到，在供电电压48 V，100%油门，最大拉力为15 289 g，可以满足四旋翼植保无人机的最大拉力要求，工作拉力的油门保持在60%左右，升效在9 g/W左右保持在较高水平，完全可以满足冗余度要求，而且2911折叠桨叶更易于收纳和运输。

2.2 电调的选择

无刷电调是无刷电机的驱动和供电部件，它们之间最简单的关系就是，无刷电调能否满足电机的电力需求，无刷电机的功率是否超出无刷电调的工作范围。首先，通过四轴电机和桨叶的参数表进行分析，当供电电压为48 V，电机满负荷工作时的电流为653 A，功率为31349 W。此时，电调的选择应该满足供电电压为48 V、最大允许电流大于653 A 并留有余量，功率要求大于31349 W但不能超出过多，防止负载功率过大时对电机失去保护作用。最终，选取的电调型号为 XRotor PRO HV 80A FOC V3，其供电电压为12 S，最大允许电流为80 A，最大允许峰值电流为100 A，且采用正弦波驱动，在电机减速时自主制动回收能量，而且具备更好的油门线性；与方波电调相比其为电流控制驱动，具有噪声小、温度低、效率高、相应快等特点。

2.3 电池的选择

电池是电动无人机的动力来源，目前普遍采用锂聚合物電池，所以电池的选择，就是对电池电压、电池容量和放电倍数进行合理的选择。

电池电压的选择，根据之前确定的电机和电调都是采用12 S供电，所以电池的供电电压必须满足12 S要求，通常考虑到电池体积和安装拆卸方便，我们采用两组6 S的电池进行串联供电。

电池容量的选择，根据植保无人机的续航时间计算电池容量，植保无人机续航时间通常是从无人机满载荷起飞到空载荷降落的时间，即一箱药喷洒作业的时间，就目前成熟的喷洒机构来说，10 kg药的喷洒作业时间不超过10 min，所以电池容量的选择即是计算植保无人机连续作业10 min所消耗的电量。以四旋翼植保机为例带药的起飞重量为24 kg，单轴的拉升力需要大于6 kg·N，由前面的四旋翼电机和桨叶参数表，我们可以看到其单轴电流不应小于15 A，四轴总电流不应小于60 A。考虑到在作业过程中，随着药量的减少，负荷会慢慢降低，所以可以选择60 A电流为工作的平均电流，那么60 A的电流工作10 min所消耗的电量就是10 Ah，即为10 000 mAh。但是考虑到电池在阀值电压时，电量不可能100%使用。通过下面锂聚合物电池单电芯放电曲线可以看到（如图2所示），当电池阀值电压在3.75 V左右时，消耗的电量曲线集中在70%左右，所以在电池的容量选择上至少应为10 000/07=14 286 mAh，最后通过计算根据常用电池容量选择16 000 mAh电池较为合理。

电池放电倍数的选择，一般根据电机和电调实际工作的最大电流进行计算电池的放电倍数，通过上面电机和桨叶参数表可以看到，四旋翼单轴的最大工作电流在70 A左右。因而，四旋翼最大工作电流为280 A左右。通过公式：电池的放电电流=电池容量×放电倍数，可以求得四旋翼电池的理论放电倍数不应小于175 C。从成本和电池标定放电倍数的综合考虑，选取电池的放电倍数为25 C。

通过电池电压、电池容量和放电倍数分别进行计算分析，电池的选择为两组6 S/16 000 mAh/25 C锂聚合物电池。

3 结论

本设计以四旋翼植保无人机动力系统进行计算分析和论述，分别对各动力部件进行了选型。通过实际的安装调试、作业飞行测试，无人机作业运行稳定，作业时间满足设计要求，电池电量利用正常。因而，可以证明以上的动力匹配设计合理，同时此设计理论也可应用到六旋翼、八旋翼等多种机型。

参考文献：

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