多旋翼噴霧無(wú)人飛行器的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)研究

胡彩旗，邵明赫，王存鵬，陳大偉，蘭玉彬，王正田

(1.青島農(nóng)業(yè)大學(xué) a.機(jī)電學(xué)院；b.科技處，山東 青島 266109；2.華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院，廣州 510642；3.青島前哨風(fēng)動(dòng)工具制造技術(shù)有限公司，山東 青島 266109)

0 引言

帶有噴霧裝置的多軸無(wú)人機(jī)起降大多不需要專(zhuān)用的機(jī)場(chǎng)，且飛行穩(wěn)定性高，操控性能好，作業(yè)靈活。隨著農(nóng)業(yè)航空步伐飛速發(fā)展，無(wú)人植保機(jī)越來(lái)越受到農(nóng)民的肯定和青睞；但是各種植保飛行器的出現(xiàn)，實(shí)際質(zhì)量良莠不齊，難以達(dá)到作業(yè)、飛行穩(wěn)定及可靠續(xù)航的合理搭配[1-4]。

本文設(shè)計(jì)制作了一種成本較低、能夠?qū)崿F(xiàn)中小田塊穩(wěn)定高效作業(yè)的電動(dòng)多旋翼噴霧飛行器，旨在為今后農(nóng)業(yè)植保飛行器的設(shè)計(jì)提供一種借鑒。首先給出飛行器基本參數(shù)的選定和測(cè)試方法，然后進(jìn)行性能參數(shù)分析；經(jīng)拉力試驗(yàn)驗(yàn)證設(shè)計(jì)的可行性之后，繪制各機(jī)體結(jié)構(gòu)切割圖，由激光切割機(jī)得到所需碳纖板材。遵循可靠性和減少自重的原則，選擇合適的接合部件，對(duì)機(jī)體進(jìn)行搭建、布線、裝配，測(cè)得各電氣元件工作電流、電壓，檢查機(jī)箱內(nèi)散熱是否可靠。在各參數(shù)確定下進(jìn)行功耗分析，選擇相應(yīng)的動(dòng)力電池。田間試驗(yàn)選擇小麥地，采用水敏試紙進(jìn)行霧滴采樣，借助DepositScan軟件進(jìn)行樣本霧滴沉積分布計(jì)算，以對(duì)噴灑效果進(jìn)行分析，得到不同相對(duì)風(fēng)速和風(fēng)場(chǎng)影響下的霧滴分布規(guī)律。

1 多旋翼噴霧飛行器的設(shè)計(jì)

1.1 總體設(shè)計(jì)

多旋翼一般采用圓形對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)布局，均采用電池動(dòng)力驅(qū)動(dòng)，飛行中所產(chǎn)生的氣流是多個(gè)旋翼共同作用的結(jié)果[5-7]，飛行過(guò)程中旋翼的反扭矩抵消，飛行穩(wěn)定。圓形多軸多旋翼無(wú)人直升機(jī)除了具有作業(yè)高度低、可垂直起降、無(wú)需專(zhuān)用起降機(jī)場(chǎng)、操作靈活輕便及環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等突出優(yōu)點(diǎn)外，與單軸單旋翼無(wú)人直升機(jī)相比，還具有機(jī)械結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單、易折疊拆卸、飛行更平穩(wěn)及模塊化程度高等特點(diǎn)[8-9]。

本文所設(shè)計(jì)的八軸無(wú)人機(jī)的主要組成部分包括飛行控制系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)和噴霧作業(yè)系統(tǒng)。對(duì)于一架用于植保的無(wú)人機(jī)，使用者最關(guān)心的參數(shù)是任務(wù)載荷和續(xù)航時(shí)間，所以在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該重點(diǎn)考慮。下面列出本無(wú)人機(jī)的基本參數(shù)，如表1所示。

表1 飛行器基本參數(shù)

定義負(fù)載重Wl，機(jī)體(包括電池)重Wb，懸臂(包括電機(jī))重Wa，電機(jī)數(shù)Nmotor。

在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的無(wú)人機(jī)總重W[10-11]為

(1)

式中Ta—實(shí)際溫度(K)；

Pa—大氣壓強(qiáng)(MPa);

Pw—水蒸氣分壓(MPa)。

設(shè)懸停狀態(tài)下單個(gè)電機(jī)的拉力為L(zhǎng)a，電機(jī)所需提供的最大拉力Lmax可表示為

(2)

其中，α為安全裕量，一般取為0.5。

電池容量的選擇對(duì)飛行器的飛行時(shí)間有很大影響，然而對(duì)于不同的飛行狀態(tài)，其功耗有所不同，很難精確地推導(dǎo)出電池能夠維持的飛行時(shí)間。考慮到植保作業(yè)大都為移動(dòng)狀態(tài)，功耗主要為電機(jī)的消耗，對(duì)于給定的飛行時(shí)間h,電池容量C可用式(3)近似得到，即

C≥k(NmotorIa+Ip)h

(3)

其中，Ia為作業(yè)狀態(tài)下單個(gè)電機(jī)電流；Ip為藥泵電流；k為安全系數(shù)，一般取為1.5。

1.2 制圖分析

制圖是飛行器設(shè)計(jì)的重要部分，使用的軟件通常有Auto CAD、CATIA、Solidworks及UG等。本設(shè)計(jì)采用Auto CAD和CATIA。在進(jìn)行三維制圖前，首先需要確定軸距，具體做法如下：①在 CAD 中，以螺旋槳的長(zhǎng)度為直徑畫(huà)圓;②平移該圓，保證原心距離比直徑長(zhǎng)30mm，加工時(shí)，周邊夾持余量留10mm。本設(shè)計(jì)中，由于零件較少，自行加工成本偏大，所以采用外購(gòu)的方式；對(duì)外購(gòu)件進(jìn)行測(cè)繪并畫(huà)出三維圖以合理搭配自加工件。機(jī)臂采用碳管，在CATIA中以底板為基礎(chǔ)，裝配折疊件和電機(jī)座，約束電機(jī)軸距為1 254mm，電機(jī)座和折疊件的剩余距離就是碳管長(zhǎng)度(夾持余量留10mm)。上蓋板和下蓋板的外形尺寸相同，不同之處在前者中心有一個(gè)維護(hù)孔，以便于對(duì)行控制系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)，在機(jī)頭位置畫(huà)出電源接口。起落架根據(jù)便于折疊運(yùn)輸?shù)脑瓌t進(jìn)行設(shè)計(jì)，在8個(gè)折疊件所連接的碳管和電機(jī)下放的同時(shí)，位于起落架上的噴桿可在折疊件的幫助下向上折疊，可方便在不同作業(yè)場(chǎng)地間的運(yùn)輸。植保機(jī)電路系統(tǒng)應(yīng)相對(duì)封閉，所以在上下蓋板之間加側(cè)板，防水防塵。固定孔根據(jù)強(qiáng)度，按照經(jīng)驗(yàn)畫(huà)出，具體見(jiàn)上、下蓋板。碳纖維結(jié)構(gòu)需要自行加工，遵循節(jié)約的原則，合理排版，部分零件圖和碳纖維結(jié)構(gòu)件排版設(shè)計(jì)如圖1～圖3所示。

圖1 電機(jī)座

圖2 機(jī)臂連接折疊件

圖3 機(jī)體切割板制圖

1.3 部件選用

飛機(jī)各部件的選用，盡可能選擇市面上已有的標(biāo)準(zhǔn)件，可提高互換性，節(jié)約組裝和維修成本。電機(jī)、電源、螺旋槳、電池及藥泵等選擇余地較大，一般可直接外購(gòu)。機(jī)架、折疊件、電機(jī)座等根據(jù)實(shí)際需要，在權(quán)衡成本之后確定是否自行加工。多旋翼大載重飛機(jī)，選擇低 KV 值的盤(pán)式電機(jī)，此類(lèi)電機(jī)轉(zhuǎn)速低、扭矩大、耗電小，結(jié)合無(wú)人機(jī)的飛行經(jīng)驗(yàn)，選擇零度智控公司的主流駕駛儀—X4V2。折疊件優(yōu)先選用市面上成熟的結(jié)構(gòu)，且要具有一定的上反角。機(jī)臂的尺寸根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和折疊件的尺寸確定。起落架的具體尺寸要根據(jù)飛機(jī)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)選擇，當(dāng)市面現(xiàn)有起落架不能滿足要求時(shí)，要進(jìn)行定做。所以，起落架選用放在設(shè)計(jì)最后進(jìn)行。藥泵的噴灑速度靠直流電源控制，直流電源型號(hào)的選擇既受制于藥泵的輸入電壓又受制于電池的輸出電壓。電壓越大，藥泵動(dòng)力就相對(duì)較足，所以直流電源和藥泵，都選擇24V版本。鋰聚合物電池具有質(zhì)量輕、容量大、放電倍率高等優(yōu)勢(shì)，已迅速成為航空航天無(wú)人機(jī)及相關(guān)模型使用的主流動(dòng)力電流，因此在設(shè)計(jì)中，選用鋰聚合物電池。由表3知：穩(wěn)態(tài)作業(yè)時(shí)電流約為7.5A，根據(jù)式(3)，并考慮給突發(fā)情況一定的裕量時(shí)間，選用額定電壓24.2V，6S1P，16 000mAh，放電系數(shù)15C的鋰聚合物電池，該電池最大放電電流大約為240A。

基于上述設(shè)計(jì)選用各部件，其質(zhì)量匯總?cè)绫?所示。

表2 質(zhì)量參數(shù)表

2 多旋翼噴霧飛行器的裝配及可行性驗(yàn)證

2.1 拉力試驗(yàn)

螺旋槳系統(tǒng)是旋翼機(jī)的動(dòng)力系統(tǒng)，其升力特性是旋翼機(jī)設(shè)計(jì)與控制必須認(rèn)真考慮的重要因素[11]。本設(shè)計(jì)根據(jù)動(dòng)力系統(tǒng)理論數(shù)據(jù)，以及方便操作的原則，在發(fā)射機(jī)油門(mén)撥桿置中(實(shí)際60%油門(mén)行程)時(shí)，單個(gè)電機(jī)拉力應(yīng)達(dá)到La≥1.9kg以滿足工作負(fù)荷(5kg)下的懸停要求，La≥2.6kg以滿足最大設(shè)計(jì)起飛質(zhì)量。

由于電機(jī)安裝平面與水平面存在5°的上反角，所以實(shí)際所需拉力La約為：1.9/cos5°= 1.91kg，即總有效拉力為15.28kg，才能滿足有效載重5kg，以達(dá)到設(shè)計(jì)最大起飛質(zhì)量的要求。所選用電機(jī)在24V穩(wěn)壓下配合1755碳槳的工作參數(shù)如表3所示。

表3 電機(jī)在24伏穩(wěn)壓下的參數(shù)

表中油門(mén)代表實(shí)際可控行程，表4同。

試驗(yàn)過(guò)程用到的材料及工具有：電子秤、電機(jī)、纖維膠帶、鐵塊10kg、電池、旋翼、發(fā)射機(jī)、 接收機(jī)及電調(diào)。試驗(yàn)步驟：①將旋翼反向安裝到電機(jī)上，確保所有螺絲已經(jīng)擰緊到位并檢查；②將安裝好的電機(jī)與旋翼通過(guò)纖維膠帶固定在鐵塊上，用固定件將鐵塊夾緊在電子秤上并檢查是否牢固；③將電子秤放置在較大摩擦因數(shù)的平面上并固定，連接接收機(jī)和電調(diào)；④清空?qǐng)龅睾蟠蜷_(kāi)發(fā)射機(jī)，然后接通電源(試驗(yàn)前接收機(jī)與發(fā)射機(jī)已對(duì)頻)；⑤確認(rèn)安全后，在旋翼靜止的情況下記錄電子秤顯示數(shù)值，緩慢推油門(mén)，每提高10%記錄1次電子秤數(shù)值；將油門(mén)推至1/2處，檢查是否達(dá)到作業(yè)所需的1.91kg，繼續(xù)緩?fù)朴烷T(mén)桿，測(cè)試在達(dá)到油門(mén)最大行程之前是否滿足最大起飛質(zhì)量所需的單軸2.63kg拉力。通過(guò)反向安裝旋翼使之產(chǎn)生向下的推力，通過(guò)電子秤數(shù)值與靜態(tài)下數(shù)值的差值，測(cè)出單個(gè)電機(jī)產(chǎn)生的拉力，驗(yàn)證是否達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

經(jīng)實(shí)際測(cè)試，所有電機(jī)、電調(diào)與旋翼的組合均達(dá)到設(shè)計(jì)所需的要求，即在發(fā)射機(jī)油門(mén)桿1/2處單個(gè)旋翼產(chǎn)生2.19kg拉力，在90%油門(mén)時(shí)產(chǎn)生3.17kg拉力，完全滿足式(1)、式(2)的要求，可以用于本植保機(jī)設(shè)計(jì)。根據(jù)式(3)八旋翼最大電流總和小于2.3節(jié)中選用的鋰聚合物電池所能達(dá)到的最大放電電流。試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 拉力試驗(yàn)數(shù)據(jù)

2.2 機(jī)體組裝

材料及工具有：M3螺母及螺絲、螺紋膠、螺絲刀、機(jī)體散件電鉆、銼刀、設(shè)計(jì)圖、砂輪機(jī)、馬克筆及游標(biāo)卡尺。參與組裝所有人員通過(guò)設(shè)計(jì)圖討論焊接分工、順序以及注意事項(xiàng)。檢查零件數(shù)量，分類(lèi)并記錄，確認(rèn)零件無(wú)誤，并進(jìn)行稱(chēng)重。將肘節(jié)機(jī)構(gòu)安裝至底座，將因加工誤差產(chǎn)生的缺陷進(jìn)行處理，安裝機(jī)臂；將長(zhǎng)碳管用砂輪切割為設(shè)計(jì)的尺寸，即390mm，共切割8根，安裝電機(jī)。

2.3 電路焊接

按照飛控設(shè)計(jì)圖，進(jìn)行電路連接，焊接時(shí)應(yīng)從下至上，以免出現(xiàn)已安裝好的部分干擾下一步安裝的情況。因?yàn)楹附舆^(guò)程中產(chǎn)生的氣體會(huì)使人皮膚紅腫刺癢，焊接時(shí)最好穿著護(hù)具，若無(wú)護(hù)具，應(yīng)沾水操作，完成后徹底清洗工具及暴露的皮膚。裝配完成的樣機(jī)如圖4所示。

3 噴霧試驗(yàn)分析

3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

使用皮尺量取 30m × 25m 大小且較為空曠的小麥田塊，并放置標(biāo)記物，作為試驗(yàn)田塊。用水敏試紙反映噴霧在葉片上的效果，在預(yù)先規(guī)劃的作業(yè)航線(見(jiàn)圖5)兩側(cè)布置試紙，以南北為X軸，東西為Y軸，飛行路徑為從西向東，之后關(guān)閉噴霧就近降落以免影響測(cè)試效果。航線左右兩側(cè)(南北方向)分別設(shè)置3個(gè)采樣點(diǎn)，每個(gè)采樣點(diǎn)在作物的頂葉、中葉和離根部最近位置選取結(jié)實(shí)粗壯葉片用別針固定水敏試紙分別于上下面葉片。航線正對(duì)方向(東西)共設(shè)設(shè)置4排采樣點(diǎn)，進(jìn)行3次試驗(yàn)。

圖4 樣機(jī)實(shí)物

圖5 試驗(yàn)場(chǎng)地布置示意圖

3.2 試驗(yàn)步驟

首先在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)測(cè)取噴霧流量。具體方法是將機(jī)器放在開(kāi)闊處，取4個(gè)燒杯由支架固定在噴頭正下方，杯口要高于噴嘴底部以防止濺出。給水箱加水5L，卸去旋翼，通電并打開(kāi)藥泵，待水霧開(kāi)始噴出一段時(shí)間后檢查確定輸水管內(nèi)無(wú)氣體并暫停噴灑，清空燒杯；再次將燒杯放置完畢并打開(kāi)藥泵，計(jì)時(shí)1min，計(jì)時(shí)結(jié)束后測(cè)量4個(gè)燒杯內(nèi)總水量，再按如上步驟進(jìn)行兩次實(shí)驗(yàn)取平均值，得到平均流量為1.53L/min。

將飛行器平穩(wěn)地放置在試驗(yàn)點(diǎn)田間道路上，接通電源等待系統(tǒng)初始化完畢，飛至相對(duì)作物頂點(diǎn)2m高處懸停，同時(shí)開(kāi)啟藥泵進(jìn)行噴霧作業(yè)，開(kāi)始計(jì)時(shí)。操控飛行器按照預(yù)定軌跡飛行，速度保持約2m/s，當(dāng)飛行器完成整個(gè)田塊作業(yè)時(shí)記錄時(shí)間，戴干燥的手套回收水敏試紙，給每個(gè)試紙做標(biāo)記并和干燥劑一起放入塑料瓶?jī)?nèi)。待試驗(yàn)環(huán)境恢復(fù)，布置第2組試驗(yàn)。飛機(jī)飛至作物頂點(diǎn)上方2m，以2m/s的速度再次完成航線作業(yè)，以同樣的方法回收采集數(shù)據(jù)。同樣準(zhǔn)備第3組試驗(yàn)。第3組試驗(yàn)開(kāi)始，飛機(jī)懸停至第1個(gè)采集帶前的作物定點(diǎn)上方2m，以逐漸加速的方式完成航線作業(yè)，同樣回收采集數(shù)據(jù)，將所有采集數(shù)據(jù)細(xì)致分類(lèi)后帶回實(shí)驗(yàn)室，使用DepositScan軟件對(duì)所記錄的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。試驗(yàn)條件和歸納后的數(shù)據(jù)分別如表5、表6所示。速度為平均飛行速度，由測(cè)量和計(jì)時(shí)計(jì)算得來(lái)，噴霧流量在測(cè)試前測(cè)出，整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程采取相同流量作業(yè)。

表5 試驗(yàn)環(huán)境數(shù)據(jù)

3.3 數(shù)據(jù)分析

每組試驗(yàn)取第3排采樣帶匯總于表6，表6中數(shù)據(jù)為第3排采樣帶以作業(yè)航線為軸，以互對(duì)點(diǎn)中部葉片上的上下雙面試紙所采集沉積量取平均值。經(jīng)過(guò)匯總，同一組試驗(yàn)葉片上下兩面沉積量極差不超過(guò)0.15，覆蓋率皆在15%以上，極差不超過(guò)2.5%，霧滴分布效果良好，模擬所得的葉片受液量滿足植保要求。

表6 試驗(yàn)樣本霧滴沉積量和分布

取一般作業(yè)條件(飛行速度2m/s，作業(yè)高度為植株頂部2m)，即試驗(yàn)組1的第3排采樣帶其中一側(cè)第2個(gè)采集點(diǎn)中部葉片上下兩面的試紙結(jié)果為例，分析如圖6所示。

圖6 樣本分析結(jié)果

由圖6中可以看到：除個(gè)別由于葉片傾斜導(dǎo)致的局部不均，霧滴在葉片上的分布較為均勻。通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了該飛行器可載質(zhì)量5.0kg液體藥物穩(wěn)定作業(yè)，總續(xù)航時(shí)間15min左右，在精量噴霧的情況下，飛行器作業(yè)最快效率可達(dá)8.78m2/s，效率較高。

根據(jù)文獻(xiàn)[1]，該多旋翼飛行器風(fēng)場(chǎng)能很好地吻合霧滴沉積分布規(guī)律，且垂直地面向下的氣流可以有效增大霧滴沉積率，說(shuō)明該無(wú)人機(jī)的下旋氣流場(chǎng)在垂直地面方向向下對(duì)霧滴沉積效果提升影響顯著。

4 結(jié)論

所設(shè)計(jì)的飛行器具有體積小、速度快、效率高及噴霧精準(zhǔn)的特點(diǎn)，可以適合在一般的環(huán)境中使用，其通過(guò)電池供電且耗電量低，節(jié)能效果很好，可為此類(lèi)飛行器設(shè)計(jì)提供參考。農(nóng)業(yè)航空當(dāng)今正走在飛速發(fā)展的道路上，很多配套設(shè)施、制度建設(shè)還不夠完善。隨著農(nóng)業(yè)航空的需求日益旺盛，國(guó)家相關(guān)扶持和約束的政策對(duì)農(nóng)業(yè)航空的健康發(fā)展起到關(guān)鍵性作用，相信未來(lái)將會(huì)有跨農(nóng)、工等多部門(mén)的農(nóng)業(yè)航空管理機(jī)構(gòu)產(chǎn)生，也會(huì)有許多相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)規(guī)范農(nóng)業(yè)航空生產(chǎn)。