多旋翼喷雾无人飞行器的设计和试验研究

胡彩旗，邵明赫，王存鹏，陈大伟，兰玉彬，王正田

(1.青岛农业大学 a.机电学院；b.科技处，山东 青岛 266109；2.华南农业大学 工程学院，广州 510642；3.青岛前哨风动工具制造技术有限公司，山东 青岛 266109)

0 引言

带有喷雾装置的多轴无人机起降大多不需要专用的机场，且飞行稳定性高，操控性能好，作业灵活。随着农业航空步伐飞速发展，无人植保机越来越受到农民的肯定和青睐；但是各种植保飞行器的出现，实际质量良莠不齐，难以达到作业、飞行稳定及可靠续航的合理搭配[1-4]。

本文设计制作了一种成本较低、能够实现中小田块稳定高效作业的电动多旋翼喷雾飞行器，旨在为今后农业植保飞行器的设计提供一种借鉴。首先给出飞行器基本参数的选定和测试方法，然后进行性能参数分析；经拉力试验验证设计的可行性之后，绘制各机体结构切割图，由激光切割机得到所需碳纤板材。遵循可靠性和减少自重的原则，选择合适的接合部件，对机体进行搭建、布线、装配，测得各电气元件工作电流、电压，检查机箱内散热是否可靠。在各参数确定下进行功耗分析，选择相应的动力电池。田间试验选择小麦地，采用水敏试纸进行雾滴采样，借助DepositScan软件进行样本雾滴沉积分布计算，以对喷洒效果进行分析，得到不同相对风速和风场影响下的雾滴分布规律。

1 多旋翼喷雾飞行器的设计

1.1 总体设计

多旋翼一般采用圆形对称结构布局，均采用电池动力驱动，飞行中所产生的气流是多个旋翼共同作用的结果[5-7]，飞行过程中旋翼的反扭矩抵消，飞行稳定。圆形多轴多旋翼无人直升机除了具有作业高度低、可垂直起降、无需专用起降机场、操作灵活轻便及环境适应性强等突出优点外，与单轴单旋翼无人直升机相比，还具有机械结构更简单、易折叠拆卸、飞行更平稳及模块化程度高等特点[8-9]。

本文所设计的八轴无人机的主要组成部分包括飞行控制系统、动力系统和喷雾作业系统。对于一架用于植保的无人机，使用者最关心的参数是任务载荷和续航时间，所以在设计时应该重点考虑。下面列出本无人机的基本参数，如表1所示。

表1 飞行器基本参数

定义负载重Wl，机体(包括电池)重Wb，悬臂(包括电机)重Wa，电机数Nmotor。

在标准状态下的无人机总重W[10-11]为

(1)

式中Ta—实际温度(K)；

Pa—大气压强(MPa);

Pw—水蒸气分压(MPa)。

设悬停状态下单个电机的拉力为La，电机所需提供的最大拉力Lmax可表示为

(2)

其中，α为安全裕量，一般取为0.5。

电池容量的选择对飞行器的飞行时间有很大影响，然而对于不同的飞行状态，其功耗有所不同，很难精确地推导出电池能够维持的飞行时间。考虑到植保作业大都为移动状态，功耗主要为电机的消耗，对于给定的飞行时间h,电池容量C可用式(3)近似得到，即

C≥k(NmotorIa+Ip)h

(3)

其中，Ia为作业状态下单个电机电流；Ip为药泵电流；k为安全系数，一般取为1.5。

1.2 制图分析

制图是飞行器设计的重要部分，使用的软件通常有Auto CAD、CATIA、Solidworks及UG等。本设计采用Auto CAD和CATIA。在进行三维制图前，首先需要确定轴距，具体做法如下：①在 CAD 中，以螺旋桨的长度为直径画圆;②平移该圆，保证原心距离比直径长30mm，加工时，周边夹持余量留10mm。本设计中，由于零件较少，自行加工成本偏大，所以采用外购的方式；对外购件进行测绘并画出三维图以合理搭配自加工件。机臂采用碳管，在CATIA中以底板为基础，装配折叠件和电机座，约束电机轴距为1 254mm，电机座和折叠件的剩余距离就是碳管长度(夹持余量留10mm)。上盖板和下盖板的外形尺寸相同，不同之处在前者中心有一个维护孔，以便于对行控制系统进行维护，在机头位置画出电源接口。起落架根据便于折叠运输的原则进行设计，在8个折叠件所连接的碳管和电机下放的同时，位于起落架上的喷杆可在折叠件的帮助下向上折叠，可方便在不同作业场地间的运输。植保机电路系统应相对封闭，所以在上下盖板之间加侧板，防水防尘。固定孔根据强度，按照经验画出，具体见上、下盖板。碳纤维结构需要自行加工，遵循节约的原则，合理排版，部分零件图和碳纤维结构件排版设计如图1～图3所示。

图1 电机座

图2 机臂连接折叠件

图3 机体切割板制图

1.3 部件选用

飞机各部件的选用，尽可能选择市面上已有的标准件，可提高互换性，节约组装和维修成本。电机、电源、螺旋桨、电池及药泵等选择余地较大，一般可直接外购。机架、折叠件、电机座等根据实际需要，在权衡成本之后确定是否自行加工。多旋翼大载重飞机，选择低 KV 值的盘式电机，此类电机转速低、扭矩大、耗电小，结合无人机的飞行经验，选择零度智控公司的主流驾驶仪—X4V2。折叠件优先选用市面上成熟的结构，且要具有一定的上反角。机臂的尺寸根据经验和折叠件的尺寸确定。起落架的具体尺寸要根据飞机设计数据选择，当市面现有起落架不能满足要求时，要进行定做。所以，起落架选用放在设计最后进行。药泵的喷洒速度靠直流电源控制，直流电源型号的选择既受制于药泵的输入电压又受制于电池的输出电压。电压越大，药泵动力就相对较足，所以直流电源和药泵，都选择24V版本。锂聚合物电池具有质量轻、容量大、放电倍率高等优势，已迅速成为航空航天无人机及相关模型使用的主流动力电流，因此在设计中，选用锂聚合物电池。由表3知：稳态作业时电流约为7.5A，根据式(3)，并考虑给突发情况一定的裕量时间，选用额定电压24.2V，6S1P，16 000mAh，放电系数15C的锂聚合物电池，该电池最大放电电流大约为240A。

基于上述设计选用各部件，其质量汇总如表2所示。

表2 质量参数表

2 多旋翼喷雾飞行器的装配及可行性验证

2.1 拉力试验

螺旋桨系统是旋翼机的动力系统，其升力特性是旋翼机设计与控制必须认真考虑的重要因素[11]。本设计根据动力系统理论数据，以及方便操作的原则，在发射机油门拨杆置中(实际60%油门行程)时，单个电机拉力应达到La≥1.9kg以满足工作负荷(5kg)下的悬停要求，La≥2.6kg以满足最大设计起飞质量。

由于电机安装平面与水平面存在5°的上反角，所以实际所需拉力La约为：1.9/cos5°= 1.91kg，即总有效拉力为15.28kg，才能满足有效载重5kg，以达到设计最大起飞质量的要求。所选用电机在24V稳压下配合1755碳桨的工作参数如表3所示。

表3 电机在24伏稳压下的参数

表中油门代表实际可控行程，表4同。

试验过程用到的材料及工具有：电子秤、电机、纤维胶带、铁块10kg、电池、旋翼、发射机、 接收机及电调。试验步骤：①将旋翼反向安装到电机上，确保所有螺丝已经拧紧到位并检查；②将安装好的电机与旋翼通过纤维胶带固定在铁块上，用固定件将铁块夹紧在电子秤上并检查是否牢固；③将电子秤放置在较大摩擦因数的平面上并固定，连接接收机和电调；④清空场地后打开发射机，然后接通电源(试验前接收机与发射机已对频)；⑤确认安全后，在旋翼静止的情况下记录电子秤显示数值，缓慢推油门，每提高10%记录1次电子秤数值；将油门推至1/2处，检查是否达到作业所需的1.91kg，继续缓推油门杆，测试在达到油门最大行程之前是否满足最大起飞质量所需的单轴2.63kg拉力。通过反向安装旋翼使之产生向下的推力，通过电子秤数值与静态下数值的差值，测出单个电机产生的拉力，验证是否达到设计标准。

经实际测试，所有电机、电调与旋翼的组合均达到设计所需的要求，即在发射机油门杆1/2处单个旋翼产生2.19kg拉力，在90%油门时产生3.17kg拉力，完全满足式(1)、式(2)的要求，可以用于本植保机设计。根据式(3)八旋翼最大电流总和小于2.3节中选用的锂聚合物电池所能达到的最大放电电流。试验数据如表4所示。

表4 拉力试验数据

2.2 机体组装

材料及工具有：M3螺母及螺丝、螺纹胶、螺丝刀、机体散件电钻、锉刀、设计图、砂轮机、马克笔及游标卡尺。参与组装所有人员通过设计图讨论焊接分工、顺序以及注意事项。检查零件数量，分类并记录，确认零件无误，并进行称重。将肘节机构安装至底座，将因加工误差产生的缺陷进行处理，安装机臂；将长碳管用砂轮切割为设计的尺寸，即390mm，共切割8根，安装电机。

2.3 电路焊接

按照飞控设计图，进行电路连接，焊接时应从下至上，以免出现已安装好的部分干扰下一步安装的情况。因为焊接过程中产生的气体会使人皮肤红肿刺痒，焊接时最好穿着护具，若无护具，应沾水操作，完成后彻底清洗工具及暴露的皮肤。装配完成的样机如图4所示。

3 喷雾试验分析

3.1 试验设计

使用皮尺量取 30m × 25m 大小且较为空旷的小麦田块，并放置标记物，作为试验田块。用水敏试纸反映喷雾在叶片上的效果，在预先规划的作业航线(见图5)两侧布置试纸，以南北为X轴，东西为Y轴，飞行路径为从西向东，之后关闭喷雾就近降落以免影响测试效果。航线左右两侧(南北方向)分别设置3个采样点，每个采样点在作物的顶叶、中叶和离根部最近位置选取结实粗壮叶片用别针固定水敏试纸分别于上下面叶片。航线正对方向(东西)共设设置4排采样点，进行3次试验。

图4 样机实物

图5 试验场地布置示意图

3.2 试验步骤

首先在实验室内测取喷雾流量。具体方法是将机器放在开阔处，取4个烧杯由支架固定在喷头正下方，杯口要高于喷嘴底部以防止溅出。给水箱加水5L，卸去旋翼，通电并打开药泵，待水雾开始喷出一段时间后检查确定输水管内无气体并暂停喷洒，清空烧杯；再次将烧杯放置完毕并打开药泵，计时1min，计时结束后测量4个烧杯内总水量，再按如上步骤进行两次实验取平均值，得到平均流量为1.53L/min。

将飞行器平稳地放置在试验点田间道路上，接通电源等待系统初始化完毕，飞至相对作物顶点2m高处悬停，同时开启药泵进行喷雾作业，开始计时。操控飞行器按照预定轨迹飞行，速度保持约2m/s，当飞行器完成整个田块作业时记录时间，戴干燥的手套回收水敏试纸，给每个试纸做标记并和干燥剂一起放入塑料瓶内。待试验环境恢复，布置第2组试验。飞机飞至作物顶点上方2m，以2m/s的速度再次完成航线作业，以同样的方法回收采集数据。同样准备第3组试验。第3组试验开始，飞机悬停至第1个采集带前的作物定点上方2m，以逐渐加速的方式完成航线作业，同样回收采集数据，将所有采集数据细致分类后带回实验室，使用DepositScan软件对所记录的试验数据进行统计分析。试验条件和归纳后的数据分别如表5、表6所示。速度为平均飞行速度，由测量和计时计算得来，喷雾流量在测试前测出，整个试验过程采取相同流量作业。

表5 试验环境数据

3.3 数据分析

每组试验取第3排采样带汇总于表6，表6中数据为第3排采样带以作业航线为轴，以互对点中部叶片上的上下双面试纸所采集沉积量取平均值。经过汇总，同一组试验叶片上下两面沉积量极差不超过0.15，覆盖率皆在15%以上，极差不超过2.5%，雾滴分布效果良好，模拟所得的叶片受液量满足植保要求。

表6 试验样本雾滴沉积量和分布

取一般作业条件(飞行速度2m/s，作业高度为植株顶部2m)，即试验组1的第3排采样带其中一侧第2个采集点中部叶片上下两面的试纸结果为例，分析如图6所示。

图6 样本分析结果

由图6中可以看到：除个别由于叶片倾斜导致的局部不均，雾滴在叶片上的分布较为均匀。通过试验验证了该飞行器可载质量5.0kg液体药物稳定作业，总续航时间15min左右，在精量喷雾的情况下，飞行器作业最快效率可达8.78m2/s，效率较高。

根据文献[1]，该多旋翼飞行器风场能很好地吻合雾滴沉积分布规律，且垂直地面向下的气流可以有效增大雾滴沉积率，说明该无人机的下旋气流场在垂直地面方向向下对雾滴沉积效果提升影响显著。

4 结论

所设计的飞行器具有体积小、速度快、效率高及喷雾精准的特点，可以适合在一般的环境中使用，其通过电池供电且耗电量低，节能效果很好，可为此类飞行器设计提供参考。农业航空当今正走在飞速发展的道路上，很多配套设施、制度建设还不够完善。随着农业航空的需求日益旺盛，国家相关扶持和约束的政策对农业航空的健康发展起到关键性作用，相信未来将会有跨农、工等多部门的农业航空管理机构产生，也会有许多相应的标准来规范农业航空生产。