六旋翼農(nóng)藥噴灑無人機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

顧文杰 賀勇 王成波等

摘要設(shè)計(jì)了一種適合中小田塊的六旋翼農(nóng)藥噴灑無人機(jī)。通過分析六旋翼無人機(jī)的工作原理，采用solidworks軟件進(jìn)行建模，確定機(jī)體中央倉、機(jī)臂折疊件和噴灑裝置腳架安裝結(jié)構(gòu)，機(jī)臂整體實(shí)現(xiàn)上翹3°，以增強(qiáng)無人機(jī)抗風(fēng)能力；噴灑裝置與機(jī)體采用快裝架安裝，方便添加農(nóng)藥。所設(shè)計(jì)的六旋翼農(nóng)藥噴灑無人機(jī)飛行穩(wěn)定，研究結(jié)果為多旋翼農(nóng)藥噴灑無人機(jī)的進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)和技術(shù)參考。

關(guān)鍵詞六旋翼；農(nóng)藥噴灑；無人機(jī)；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

中圖分類號S252+.3文獻(xiàn)標(biāo)識碼A文章編號0517-6611（2015）31-335-03

Structural Design of Sixrotor UAV for Pesticide Spraying

GU Wenjie1， HE Yong2， WANG Chengbo1， GE Zhenyang1* et al

（1. Faculty of Modern Agricultural Engineering， Kunming University of Science and Technology， Kunming， Yunnan 650500； 2. Hubei Mechanical and Electrical Research and Design Institute Co. Ltd.， Wuhan， Hubei 430000）

Abstract A sixrotor UAV for pesticide spraying was designed which is suitable for small plots. Using solidworks software for modeling by analyzing the principle of sixrotor UAV， the structure of the body central， arm folding member and sprinkler tripod was determined. The arm overall realization upturned 3°to enhance the ability of UAV wind； Spray device and the body using quick frame to install， can add the pesticide easily. The designed sixrotor UAV for pesticides spraying flying stability， the results can provide theoretical basis and technical reference for further optimal design of the multirotor UAV for pesticide spraying.

Key words Sixrotor； Pesticide spraying； UAV； Structural design

無人機(jī)施藥，具有作業(yè)高度低，霧滴漂移少，旋翼產(chǎn)生的向下氣流有助于增加霧滴對作物的穿透性，可以將藥液霧滴吹到植物葉片的背面，防治效果好；遠(yuǎn)距離遙控操作使人員避免了暴露于農(nóng)藥的危險(xiǎn)等諸多優(yōu)點(diǎn)[1]，非常適合中小田塊的病蟲害防治和大田內(nèi)局部的精準(zhǔn)施藥[2]。因此，采用無人機(jī)進(jìn)行農(nóng)藥噴灑已成為農(nóng)藥噴灑技術(shù)的研究熱點(diǎn)之一[3]。雖然農(nóng)業(yè)航空已在國內(nèi)外有較多研究，農(nóng)用飛機(jī)在農(nóng)藥噴灑作業(yè)中有很好的應(yīng)用，但以往對農(nóng)用飛機(jī)的研究主要以固定翼和直升機(jī)等有人駕駛為主，小型無人直升機(jī)，特別是多旋翼無人機(jī)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上的應(yīng)用研究正受到重視[4-9]。

六旋翼無人機(jī)通過調(diào)節(jié)6個電機(jī)轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)升力的變化，針對六旋翼無人機(jī)原理，該文自主設(shè)計(jì)了一款六旋翼農(nóng)藥噴灑無人機(jī)，以期為多旋翼無人機(jī)施藥提供理論和技術(shù)基礎(chǔ)。

1六旋翼無人機(jī)飛行原理

六旋翼無人機(jī)整體布局為圓形，由6個對稱布置的電機(jī)給相應(yīng)的旋翼提供動力。在飛控系統(tǒng)的集中控制下，通過協(xié)調(diào)各個旋翼之間的不同轉(zhuǎn)速和旋轉(zhuǎn)方向[10-11]，共同給機(jī)身提供向上的升力、控制機(jī)身的運(yùn)動方向并保持機(jī)身平衡[12-13]。如圖1所示為六旋翼無人機(jī)飛行原理圖解。當(dāng)電機(jī)1、3、5順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的同時(shí)，電機(jī)2、4、6逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，可以平衡旋翼對機(jī)身的反扭矩。飛行器動作依靠6個電機(jī)的轉(zhuǎn)速差進(jìn)行控制，其機(jī)械結(jié)構(gòu)相對簡單，可由電機(jī)直接驅(qū)動，無需復(fù)雜的傳動裝置。圖1中，6個電機(jī)轉(zhuǎn)速同時(shí)增大（減少）使飛機(jī)產(chǎn)生向上（向下）的運(yùn)動；電機(jī)1和2轉(zhuǎn)速減?。ㄔ龃螅?，同時(shí)電機(jī)4和5轉(zhuǎn)速增大（減小），而電機(jī)3和6的轉(zhuǎn)速不變，使飛機(jī)產(chǎn)生向前（后）方向的運(yùn)動；電機(jī)1、6、5轉(zhuǎn)速減小（增大），同時(shí)電機(jī)2、3、4轉(zhuǎn)速增大（減?。?，使飛機(jī)產(chǎn)生向左（右）方向的運(yùn)動；電機(jī)1、3、5轉(zhuǎn)速減小（增大），同時(shí)電機(jī)2、4、6轉(zhuǎn)速增大（減?。癸w機(jī)產(chǎn)生左旋（右旋）的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。

2農(nóng)藥噴灑無人機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

六旋翼農(nóng)藥噴灑無人機(jī)主要由無人機(jī)機(jī)體及機(jī)載農(nóng)藥噴灑系統(tǒng)組成，其中，

六旋翼無人機(jī)主要由動力系統(tǒng)（包括：電池、電機(jī)、電調(diào)、槳）；飛行器主體（包含：機(jī)架，起落架）和控制系統(tǒng)（包括：遙控器、接收機(jī)、飛行控制器）組成。

機(jī)載農(nóng)藥噴灑系統(tǒng)包括：藥箱、軟管、液泵、噴桿、噴頭以及無線開關(guān)。

2.1機(jī)體設(shè)計(jì)

農(nóng)藥噴灑無人機(jī)載重較大，需要選擇合適的電機(jī)、電調(diào)與槳葉。開始選擇電機(jī)之前，需要計(jì)算多少推力能保持飛行器在空中穩(wěn)定，基本的規(guī)律是6個電機(jī)可以產(chǎn)生兩倍于起飛重量的推力。因?yàn)殡姍C(jī)產(chǎn)生的推力除了要將無人機(jī)懸停以外，還要用一部分力來完成前進(jìn)后退，左右橫滾等運(yùn)動狀態(tài)，這樣保證電機(jī)具有快速響應(yīng)能力的安全邊界，也能保證即使在電池電壓下降的情況下飛行器不致墜落。

設(shè)計(jì)初期預(yù)估無人機(jī)大致的起飛重量，假設(shè)藥箱容量為10 L，加上無人機(jī)自身及其配件的重量，初步估算整體重量約為16 kg。根據(jù)電機(jī)50%出力時(shí)，產(chǎn)生的升力與重力抵消，選擇恒力源W6340 KV230電機(jī)作為動力，電機(jī)配合2260碳纖維槳時(shí)的參數(shù)如表1所示。電機(jī)的最大工作電流小于40 A，為了增加安全邊界，采用好贏樂天50 A電調(diào)驅(qū)動，單個電機(jī)最大功率為960 W，最大拉力可達(dá)4 860 g，因此，該六旋翼無人機(jī)最大起飛重量能達(dá)到29.16 kg，為了確保安全，當(dāng)電機(jī)50%出力時(shí)（留出空間以提供飛機(jī)完成除懸停外其他各種運(yùn)動狀態(tài)），單個電機(jī)對應(yīng)電流應(yīng)小于20 A，當(dāng)電機(jī)輸出電流為16 A時(shí)能使無人機(jī)整體懸停的質(zhì)量（含機(jī)載農(nóng)藥噴灑裝置）達(dá)到17.2 kg左右。

6個電機(jī)對稱的布置在圓周上，采用22寸槳葉時(shí)，根據(jù)相鄰兩個槳葉不發(fā)生干涉的原則，最小軸距=（槳的長度×25.4）×2，無人機(jī)軸距至少應(yīng)大于1 118 mm，但并不是軸距越大越好，因?yàn)檩S距越大，機(jī)臂就越長，相應(yīng)的材料也就越多，會導(dǎo)致整機(jī)重量變大，采用1.2倍系數(shù)擴(kuò)大最小軸距，并取整數(shù)，初步設(shè)定軸距為1 300 mm。采用solidworks軟件進(jìn)行建模，整體結(jié)構(gòu)如圖2所示，并對各個零件賦予材料，機(jī)架主體采用碳纖維材料。

其中折疊件如圖3所示，向內(nèi)拉動滑柱，機(jī)臂管孔繞轉(zhuǎn)動軸向下折疊，以滿足無人機(jī)運(yùn)輸及作業(yè)的需要。飛行時(shí)將機(jī)臂展開，滑柱在彈簧的作用下往外將機(jī)臂管孔卡住，支撐板右端面與水平面成87度內(nèi)傾角，與機(jī)臂管孔的端面對齊時(shí)，使得機(jī)臂管孔上翹3°，這種結(jié)構(gòu)使得槳葉提供垂直向下風(fēng)力的同時(shí)還具有往側(cè)方的風(fēng)力，提高無人機(jī)的抗風(fēng)能力。

對所設(shè)計(jì)的機(jī)架及選擇的配件進(jìn)行起飛重量預(yù)估，查詢所選電機(jī)每個重量為322 g，每個槳葉約50 g，每個電調(diào)約50 g，6組總重量為2 532 g；利用solidworks軟件的質(zhì)量屬性評估機(jī)架的重量，約為1 500 g；噴灑裝置腳架及藥箱的重量約為2 700 g；選用22 000 mah聚合物動力鋰電池重量為2 500 g，飛控及其導(dǎo)線的重量為100 g。將所選設(shè)備的重量作為負(fù)載加入飛機(jī)整體重量，不裝農(nóng)藥時(shí)無人機(jī)整體質(zhì)量已經(jīng)達(dá)到了9 332 g，藥箱再加上10 kg農(nóng)藥，整體重量約為19 kg，超過了預(yù)先設(shè)計(jì)的重量，對比所選的電機(jī)，如果使飛機(jī)能滿載起飛，電機(jī)輸出電流應(yīng)該在16～24 A之間，在電機(jī)的合理輸出范圍之內(nèi)，因此所選電機(jī)滿足其載重要求。如果所選電機(jī)不滿足載重要求，需再重新進(jìn)行電機(jī)選型的計(jì)算，這是一個循環(huán)往復(fù)的過程，直到最終選擇的電機(jī)滿足要求。

對所設(shè)計(jì)的無人機(jī)的飛行時(shí)間進(jìn)行理論計(jì)算，確保設(shè)計(jì)的合理性。

飛行時(shí)間的計(jì)算公式：

t=u×c1 000n×p×60（1）

式中：t-飛行時(shí)間，min；

u-電池電壓，v；

c-電池容量，mAh；

n-電機(jī)個數(shù)，個；

p-當(dāng)前負(fù)載下的電機(jī)消耗的功率，W。

水箱容量為10 L，為使整體質(zhì)量接近設(shè)計(jì)要求，當(dāng)掛載8 kg農(nóng)藥時(shí)，六旋翼無人機(jī)及其噴灑裝置重量約為9 kg，整機(jī)重量約為17 kg，在飛行時(shí)要想使六旋翼無人機(jī)能在空中懸停，6個電機(jī)的出力應(yīng)該與重力相抵消，單個電機(jī)出力應(yīng)為2 833 g，此時(shí)對應(yīng)單個電機(jī)消耗的功率是384 W，選用22 000 mAh鋰電池，最低電壓為22.2 V，旋翼個數(shù)為6，代入公式（1）算得此六旋翼無人機(jī)的續(xù)航時(shí)間為12.72 min，這是理想的狀態(tài)，因?yàn)樵陲w行的過程中，隨著農(nóng)藥的減少，整機(jī)質(zhì)量將會慢慢減輕，電機(jī)消耗的功率會相應(yīng)減少，所以續(xù)航時(shí)間12分鐘在安全范圍之內(nèi)。

2.2中央倉

中央倉是無人機(jī)結(jié)構(gòu)的中心部分，主要由上下兩層碳纖維板構(gòu)成，如圖4所示。中間鏤空部分便于安裝飛控及與導(dǎo)線的布置，外圍對稱的布置六個機(jī)臂折疊件，并用沉頭螺釘連接。為了增加強(qiáng)度，其余受力部分采用鋁柱連接。電池安裝板與中央倉采用手?jǐn)Q螺母進(jìn)行連接，并安裝在整個無人機(jī)的最上方，便于安裝更換電池。

其中快裝架為六旋翼無人機(jī)與噴灑腳架的連接部件，其主要材料為碳纖維板制作。其安裝過程是，將快裝架安裝在起落架上，并通過快裝架4個部位的彈簧定位銷與中央倉底部的承重板連接，將拉環(huán)拉出就能將噴灑腳架與無人機(jī)分離，方便添加農(nóng)藥。

2.3起落架

起落架是飛行器著地時(shí)，整個機(jī)體重量的承受部件，必須具有良好的支撐和減震功能，以保護(hù)飛行器降落時(shí)震動對部件的損壞。藥箱布置在起落架中心，并盡量使得整體的重心處于無人機(jī)6個旋翼的中心部位。起落架由空心鋁管制成，如圖5所示。在滿足支撐強(qiáng)度的要求前提下，減輕整體重量，另外在底部鋁管外面套上減震海綿，可以有效減少無人機(jī)下降過程中帶來的震動。

2.4噴灑系統(tǒng)

機(jī)載農(nóng)藥噴灑系統(tǒng)包括：藥箱、軟管、液泵、噴桿、噴頭以及無線開關(guān)。其中藥箱掛載在起落架上，液泵固定在藥箱上，藥箱出口通過軟管和液泵進(jìn)口連接，液泵的出口與噴桿進(jìn)液口連接，噴桿上設(shè)有液力式霧化噴頭。液泵與電源連接，并采用無線開關(guān)控制其工作通斷，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程控制其噴灑，避免農(nóng)藥對操作人員的傷害。

該機(jī)載農(nóng)藥噴灑系統(tǒng)的原理是：當(dāng)進(jìn)行農(nóng)藥噴灑時(shí)，操作人員將無人機(jī)飛行到指定作業(yè)區(qū)域上空，打開無線遙控開關(guān)，液泵通電運(yùn)轉(zhuǎn)，將藥箱中的藥液通過軟管輸送到噴桿，最后由噴頭噴出。無線遙控開關(guān)控制繼電器的通斷，能及時(shí)地控制液泵的工作狀態(tài)，從而能實(shí)現(xiàn)對受災(zāi)作物的噴灑，對其他作物的少噴或不噴，合理有效地提高了農(nóng)藥的利用率。

3驗(yàn)證

根據(jù)六旋翼無人機(jī)的工作原理，利用solidworks軟件進(jìn)行六旋翼農(nóng)藥噴灑無人機(jī)的設(shè)計(jì)，為了檢驗(yàn)設(shè)計(jì)是否合理，制作樣機(jī)并于2015年7月14日在湖北省武漢市江夏區(qū)合力村某玉米地進(jìn)行田間噴灑試驗(yàn)，玉米生長處于花粒期，株高2 m，如圖6所示。試驗(yàn)時(shí)，溫度28 ℃，空氣平均相對濕度65%，風(fēng)速小于1 m/s。

4結(jié)論

試驗(yàn)表明所設(shè)計(jì)的六旋翼無人機(jī)飛行穩(wěn)定，遠(yuǎn)距離遙控作業(yè)降低了施藥人員的中毒風(fēng)險(xiǎn)，噴藥噴灑裝置與無人機(jī)安裝方便，提高了農(nóng)藥噴灑效率，為多旋翼無人機(jī)的進(jìn)一步研究奠定了基礎(chǔ)。

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