多旋翼农业植保机的设计

吴伟涛

摘要由于多旋翼植保机具有垂直起降、操作方便、機动灵活等特点，被广泛应用到多个领域，在农业生产中已被应用到实地勘察、航拍、气象监控、农药喷洒等方面。通过对多旋翼农业植保飞行器结构和关键技术的分析与设计，通过对机身关键参数计算、飞行姿态设计与实践、电气控制结构设计的研究，设计了一种基于大疆飞控为核心控制单元，碳纤维机身，性价比高、制作方便的六旋翼无人农业植保机。

关键词多旋翼;植保机;结构;大疆飞控

中图分类号S220.2文献标识码A文章编号0517-6611（2020）04-0210-02

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2020.04.061

开放科学（资源服务）标识码（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

一些欧美发达国家已经将植保机广泛应用到农业领域中。远程遥控农业喷洒植保机具有结构相对简单、体型小、功能强大、低空喷洒作业面积大等特点，且同时能够负重8～10 kg的农药，每分钟可完成0.67 hm2的作业范围，作业效率是传统人工的40倍[1]。操控人员通过地面遥控单元及GPS定位系统对其飞行范围进行控制，其旋翼产生的向下气流有助于增加雾流对作物的穿透性，作业效果好，同时远距离操控施药，在大大提高了农药喷洒的安全性的同时，能够避免人与农药等有害物质的直接接触，减少人身伤害。此外，还能通过无人机搭载摄影监控云台，对农业病虫害、自然灾害等进行实时监控[2]。我国有1.218亿hm2的基本农田，农业植保任务非常巨大[3]。在我国，农业无人机的应用范围还没有普及，主要是因为目前植保无人机价格昂贵、维修成本高，这些因素制约着无人植保机技术的推广应用。因此，研发一种性价比高、结构简单、制作便捷、维修方便的多旋翼植保无人机，对于其在我国农业上的应用具有极其重要的意义。

1多旋翼植保机的结构设计

笔者设计的多旋翼植保无人机采用六旋翼结构，通过机体挂载喷洒系统实现农药的喷洒功能，整体外观结构如图1所示。无人机机身结构主要包括动力系统（聚合物电池、无刷电机、直流电调、正反桨叶）、飞行器主体（机架、起落架、云台）和控制单元（遥控无线接收单元、GPS、飞行控制单元）。飞挂机载的喷洒系统主要包括药液箱、软水管、高压隔膜泵、压力喷嘴以及电磁控制阀。目前植保无人机喷洒系统主要使用扇形压力喷头、通过高压隔膜泵产生的压力，使药液通过压力喷嘴时，在压力作用下破碎成细小液滴，形成扇形雾粒，同时药液下压力大，穿透性强，产生的药液飘逸量较小，不易因温度高、干旱等蒸发散失。

由于传统的植保无人机结构复杂、体积大、载重大，操作复杂，严重影响了应用和推广。因此，笔者自主设计制作的轻便型多旋翼植保无人机，采用六旋翼结构，桨叶以圆形360°均匀分布在机身支撑臂上。整体机身采用机构化组装，通过轻型螺栓固定联结。材质采用碳纤维材质和航空铝合金材质能够减轻机身重量、增大挂载承载力。桨叶通过螺栓固定在无刷电机上面，通过电调驱动调节这6个电机的转速比来实现旋翼升力的变化[4]。无人机承载力及其关键技术设计与计算如下文：

1.1动力系统计算

多旋翼无人机的机身机构设计基于装载需求及应用场景来设计，采用逼近的方法进行设计。通过计算单个无刷电机需提供的最大升力Lmax及动力单元来确定无刷电机所需提供的最大升力及悬停条件下电动机的拉力，其计算公式如下：

Lα=WmaxNmotor（1）

Lmax=（1+α）×Lα（2）

式中，Lα表示悬停条件下单个电动机需提供的拉力;Wmax表示无人机总重;Nmotor表示电动机数量;α为安全系数，一般取0.3。预设机体总质量（含电池及水箱）为10 kg，考虑负重要求，总质量取12 kg，将上述条件代入公式求得：Lmax=2.6 kg。

基于产品性能及成本考虑，动力系统选用SUNNY公司的X4110SKV无刷电机，该无刷电机通过XR_40A电调模块控制驱动，能持续输出电流40A。螺旋桨采用碳纤维16寸桨片。动力配置强劲，最大拉力可达4 kg>Lmax=2.6 kg，满足设计使用要求。

1.2机架尺寸设计

无人机机架作为多旋翼无人机的承载平台，其尺寸设计是否合理，很大程度上决定了无人机性能的好坏。在实际设计中，通常以旋翼的效率评价参数作为机架设计好坏的参考依据。效率评价参数的定义如下：

σ=ρ×SrSb=ρ×N×r2R2（3）

式中，Sb为机体总面积;Sr为旋翼旋转面总面积;ρ为电池的有效利用率;R为机体半径;r为桨片半径。机体半径与旋翼半径的对应关系如图2所示，机体半径R=ro+r，其中ro为悬臂半径，则公式（3）可变换成：

σ=ρ×SrSb=ρ×N×r2（ro+r）2（4）

理论上，悬臂的长度越小，效率越高。但在实际上，为避免相邻旋翼间发生干涉对气动效率产生不利影响，悬臂长度不宜过小。综合考虑各影响因素，最终确定的设计机身参数满足表1的技术指标[5-7]。

2多旋翼植保机的飞行原理

六旋翼植保无人机的飞行原理是通过控制螺旋桨的正反转及转速来实现的。在六旋翼无人植保机中，无刷电机等距均布安装在一个同心圆上，用水平仪校正调整电机水平，确保6个旋翼处于同一高度平面，如图2所示。

旋翼的结构和半径都相同，电机对称安装在机身支臂支架端部，支架中间空间位置固定中心板，中心板分2层，上层用来安装飞行控制器和其他外部设备，下层吊装固定无人机供电电池。无人机供电采用的电压12 V的标准聚锂电池模块（容量10 000 mah），重量较重，为了保证无人机的自身平衡，通过吊装方案安装在机架下层中心板。

植保机的螺旋桨分正反桨片，按照图2所示的旋转方向安装，使螺旋桨能够产生举升力，这样才能保证无人机正常起飞。植保机的飞行姿态通过电调器调节各个电机的转速来改变旋翼的旋转速度，实现升力的变化，从而控制飞行器的姿态和位置，并依靠GPS位置，通过飞行控制器维持自平衡性。

飞行姿态包括空间直线运动、绕轴旋转运动和空中悬停，飞行姿态与速度变化关系如表2所示。空间直线运动包括前进、后退、垂直升降3种。绕轴旋转运动也包括偏航、俯仰和滚转3种。空中悬停如下：当所有旋翼产生的升力等于植保机自身的重力时，飞行器保持悬停状态。整个姿态调整由飞行控制单元完成实现[8]。

3多旋翼植保机的控制原理

无人机整体控制原理及接线方法如图 3所示。

多旋翼植保机飞行主控器采用大疆NAZA_V2型号的飞行控制单元，采用与之相配套的PMU电源管理模块，该模块的电流持续输出能力为3A@5V，最大输出电流为7.5 A，功率满足6个无刷电机的工作要求，电压12 V，电源模块同时也是维持无人机正常工作的关键。无人机的供电采用聚锂电池，选用6 S 电池模块，容量10 000 mah[9]。电调选用好盈XR_40A无刷电调模块，能持续输出电流40 A，桨叶电机采用X4110SKV无刷电机。电机外观是偏平化设计，驱动力矩大，在保证动力输出的同时减轻自身重量，有利于提高飞行时间，同时能够保证驱动大的桨叶，保证有效的举升力。

LED灯是用来指示飞机实时状态，直接过2 pin插头接到飞行控制器上。RC接收機接到飞控的舵机控制接口，用来接收来自遥控器发来的信号，实现飞机的姿态控制。电机线接到电调上面，电调插头接到飞控的6个输出接口。其中一路输出用来控制水泵电磁阀[10]。

4结语

该研究设计的多旋翼无人植保机采用通用的结构形式、模块化设计安装方法，极大地降低了植保无人机成本，

同时也便于无人机的调试维修，有着广泛的实际应用研究前景。通过实际飞行实验，该无人机飞行可靠、总体制作成本低廉。对于植保无人机在农业生产中的使用，尤其在一些地势恶劣的环境中的应用能够极大地提高农业生产率，降低生产成本，具有极大的推广价值。

参考文献

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[5] 王锋，逯振坤，周国庆，等.系留多旋翼无人机技术进展及设计方法研究 [J].机械工程师，2019（4）：68-72，75.

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[10] 马动涛.无人直升机控制系统设计及控制方法研究[D].西安：西北工业大学，2005.