论文部分内容阅读
[摘 要]针对农药喷洒问题，本文设计了一种六旋翼农药喷洒无人机，结合六旋翼农药喷洒无人机构造与原理，对无人机的结构设计问题展开了探讨，从而为关注这一话题的人们提供参考。
[关键词]六旋翼无人机；农药喷洒；结构设计
中图分类号：U571 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）34-0274-01
引言：在传统农业生产中，农药喷洒主要采用地面人工喷洒方式，不仅造成农药利用率较低，也容易给人员健康带来威胁。而采用无人机进行农药喷洒，可以实现高空定点喷洒作业，满足现代农业发展需求。在这类无人机中，六旋翼无人机拥有飞行灵活、成本低等优势。因此，还应加强六旋翼农药喷洒无人机的结构设计研究，从而更好的进行农用无人机的推广。
1 六旋翼农药喷洒无人机构造与原理
从构造上来看，六旋翼农药喷洒无人机由机体部分、控制部分与动力部分构成，各部分的功能不同，彼此间存在相互作用。机体部分为机身骨架，可以实现对其他部分的固定和机械连接。动力部分能够提供电力，包含电动机、电磁等结构，同时也能执行控制命令。控制部分能够实现对无人机作业的控制，能够为运动部分提供精密的控制指令[1]。六旋翼无人机包含六个位于同一平面的螺旋桨，各自利用长度不等的轴连接在机架固定板位置，以保证机架上半部分重心与中心重合，确保机身能够承受较大的负载。所以从整体布局上来看，无人机为圆形对称结构，利用6个对称电机给旋翼提供动力。在控制系统的集中控制下，各旋翼间的转速和旋转方向能够得到协调，从而共同为机身提供向上升力，并对机身的运动方向进行控制，达到平衡机身的目的。在飞行过程中，如图1所示，三个电机顺时针旋转，另外三个逆时针旋转，以平衡旋翼给机身的反扭矩。使电机同时增速旋转，可以使飞机向上运动。在1、2转速减小，4、5转速增大，3、6转速不变情况下，能使飞行器向前方运动。同时减小1、5、6转速，增大2、3、4转速，可以使飞机向左运动。因此依靠电机旋转差，则能实现飞行器动作驱动。
2 六旋翼农药喷洒无人机的结构设计
2.1 总体结构设计
在实现无人机结构设计时，需要先完成起飞重量的预估。假定无人机自身及配件重6kg，药箱重10kg，在电机选择上，还应保证6个电机能够产生2倍以上的飞行重量推力，即推力为16kg重量对应的推力，以用于悬停和改变无人机运动状态。此外，选用的电机应具有较强的快速响应能力，以便在电池电压下降时能够使电机处于安全便捷，避免飞行器坠落。综合考虑这些因素，可以选用W6340 KV230电机，配合采用2260碳纤维浆。在桨叶选择时，遵循相邻桨叶不发生干涉原则，在桨叶尺寸为22寸时，最小轴距应为（槳叶长度*25.4）*2，即为1118mm，可设定为1300mm。在电池选用上，可以采用22000mah聚合物动力锂电池，最低电压为22.2V。而单个电机消耗功率为384W，因此无人机的续航时间约为12min左右。在飞机飞行过程中，农药将逐渐减少，电机消耗也将随之减少，因此续航时间12min在安全范围内。如图2所示，为采用solidworks软件得到的无人机整体结构模型，主材采用碳纤维复合材料。在机体上半部，包含六个旋翼、六个轴、六个电机、固定板、电池、PCB电路板、电子陀螺仪和摄像设备等，能够实现提供动力、控制飞行器、信息传输和航拍等功能。在机体下半部，包含药箱、底座、起落架、支撑架、液泵、喷杆等部件，用于执行喷药任务。
2.2 农药喷洒结构设计
在无人机结构的中心部分，为中央仓，由上下两层碳纤维板构成，用于安装控制系统及布置导线。针对受力部分，采用铝柱连接以增加强度。在无人机上方，安装电池板，并利用手拧螺母连接，以便于更换。在喷洒脚架位置，利用碳纤维板进行连接部件制作。在起落架位置，利用4个快装架上的弹簧定位销进行仓底承重板连接。利用拉环，则能将脚架与无人机分离，从而为农药添加提供便利。无人机喷洒系统由无线开关、药箱、液泵、软管和喷杆等结构构成。在起落架上进行药箱挂载，然后在药箱上进行液泵固定。利用软管，可以将药箱出口与液泵连接在一起。液泵出口与喷杆连接，并利用无线开关对液泵连接的电源进行通断控制，以便通过远程操作进行农药喷洒控制。在药箱下端，装载有压力传感器，以确定药箱内剩余药液的量。从无人机农药喷洒过程来看，操作人员首先需要将无人机操控至作业区上空，然后将无线遥控开关打开，使液泵通电。液泵运转后，会将药液从药箱泵送至喷杆，利用液力式雾化喷头将药液喷出。通过遥控开关，能够对液泵工作进行远程遥控，实现对受灾专区作物的农药喷洒，继而使农药利用率得到提升。
2.3 起落架结构设计
起落架为无人机着地时用于承受整个机体重量的结构，需达到支撑力设计要求，以免无人机在降落过程中出现损坏。从无人机整体结构来看，药箱位于起落架中心位置，并处于无人机6个旋翼中心部位，以保证整体重心与中心重合。为减轻机身整体总量，还要利用空心铝管进行起落架制作，以满足无人机支撑强度要求[2]。除了满足支撑性能要求，无人机起落架需要起到减震作用，以免上部的部件因着地时产生的震动受到损坏。因此，在起落架外面，需要设置减震海绵，以发挥减震作用。
结论：通过研究可以发现，设计六旋翼农药喷洒无人机结构，可以使无人机在飞行状态下进行农药喷洒，并通过远程控制进行喷洒控制，保证无人机与操作者安全的同时，满足作物农药喷洒需求。因此，相信在农作物种植方面，农药喷洒无人机能够获得较好的应用前景。
参考文献
[1] 龙吉.基于STM32微控制器的无人机农药喷洒系统设计[J].科技资讯，2017，15（35）：92+94.
[2] 黄水长，栗盼，赵伟雄.农药喷洒多旋翼无人机控制系统研究[J].自动化与仪表，2015，30（05）：9-12.
作者简介：
张恩奋（1989年9月）男、汉族，籍贯（广东省佛山市顺德区）佛山安尔康姆航空科技有限公司，机械结构工程师、研究方向：飞行器及挂载的结构设计及优化。
[关键词]六旋翼无人机；农药喷洒；结构设计
中图分类号：U571 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）34-0274-01
引言：在传统农业生产中，农药喷洒主要采用地面人工喷洒方式，不仅造成农药利用率较低，也容易给人员健康带来威胁。而采用无人机进行农药喷洒，可以实现高空定点喷洒作业，满足现代农业发展需求。在这类无人机中，六旋翼无人机拥有飞行灵活、成本低等优势。因此，还应加强六旋翼农药喷洒无人机的结构设计研究，从而更好的进行农用无人机的推广。
1 六旋翼农药喷洒无人机构造与原理
从构造上来看，六旋翼农药喷洒无人机由机体部分、控制部分与动力部分构成，各部分的功能不同，彼此间存在相互作用。机体部分为机身骨架，可以实现对其他部分的固定和机械连接。动力部分能够提供电力，包含电动机、电磁等结构，同时也能执行控制命令。控制部分能够实现对无人机作业的控制，能够为运动部分提供精密的控制指令[1]。六旋翼无人机包含六个位于同一平面的螺旋桨，各自利用长度不等的轴连接在机架固定板位置，以保证机架上半部分重心与中心重合，确保机身能够承受较大的负载。所以从整体布局上来看，无人机为圆形对称结构，利用6个对称电机给旋翼提供动力。在控制系统的集中控制下，各旋翼间的转速和旋转方向能够得到协调，从而共同为机身提供向上升力，并对机身的运动方向进行控制，达到平衡机身的目的。在飞行过程中，如图1所示，三个电机顺时针旋转，另外三个逆时针旋转，以平衡旋翼给机身的反扭矩。使电机同时增速旋转，可以使飞机向上运动。在1、2转速减小，4、5转速增大，3、6转速不变情况下，能使飞行器向前方运动。同时减小1、5、6转速，增大2、3、4转速，可以使飞机向左运动。因此依靠电机旋转差，则能实现飞行器动作驱动。
2 六旋翼农药喷洒无人机的结构设计
2.1 总体结构设计
在实现无人机结构设计时，需要先完成起飞重量的预估。假定无人机自身及配件重6kg，药箱重10kg，在电机选择上，还应保证6个电机能够产生2倍以上的飞行重量推力，即推力为16kg重量对应的推力，以用于悬停和改变无人机运动状态。此外，选用的电机应具有较强的快速响应能力，以便在电池电压下降时能够使电机处于安全便捷，避免飞行器坠落。综合考虑这些因素，可以选用W6340 KV230电机，配合采用2260碳纤维浆。在桨叶选择时，遵循相邻桨叶不发生干涉原则，在桨叶尺寸为22寸时，最小轴距应为（槳叶长度*25.4）*2，即为1118mm，可设定为1300mm。在电池选用上，可以采用22000mah聚合物动力锂电池，最低电压为22.2V。而单个电机消耗功率为384W，因此无人机的续航时间约为12min左右。在飞机飞行过程中，农药将逐渐减少，电机消耗也将随之减少，因此续航时间12min在安全范围内。如图2所示，为采用solidworks软件得到的无人机整体结构模型，主材采用碳纤维复合材料。在机体上半部，包含六个旋翼、六个轴、六个电机、固定板、电池、PCB电路板、电子陀螺仪和摄像设备等，能够实现提供动力、控制飞行器、信息传输和航拍等功能。在机体下半部，包含药箱、底座、起落架、支撑架、液泵、喷杆等部件，用于执行喷药任务。
2.2 农药喷洒结构设计
在无人机结构的中心部分，为中央仓，由上下两层碳纤维板构成，用于安装控制系统及布置导线。针对受力部分，采用铝柱连接以增加强度。在无人机上方，安装电池板，并利用手拧螺母连接，以便于更换。在喷洒脚架位置，利用碳纤维板进行连接部件制作。在起落架位置，利用4个快装架上的弹簧定位销进行仓底承重板连接。利用拉环，则能将脚架与无人机分离，从而为农药添加提供便利。无人机喷洒系统由无线开关、药箱、液泵、软管和喷杆等结构构成。在起落架上进行药箱挂载，然后在药箱上进行液泵固定。利用软管，可以将药箱出口与液泵连接在一起。液泵出口与喷杆连接，并利用无线开关对液泵连接的电源进行通断控制，以便通过远程操作进行农药喷洒控制。在药箱下端，装载有压力传感器，以确定药箱内剩余药液的量。从无人机农药喷洒过程来看，操作人员首先需要将无人机操控至作业区上空，然后将无线遥控开关打开，使液泵通电。液泵运转后，会将药液从药箱泵送至喷杆，利用液力式雾化喷头将药液喷出。通过遥控开关，能够对液泵工作进行远程遥控，实现对受灾专区作物的农药喷洒，继而使农药利用率得到提升。
2.3 起落架结构设计
起落架为无人机着地时用于承受整个机体重量的结构，需达到支撑力设计要求，以免无人机在降落过程中出现损坏。从无人机整体结构来看，药箱位于起落架中心位置，并处于无人机6个旋翼中心部位，以保证整体重心与中心重合。为减轻机身整体总量，还要利用空心铝管进行起落架制作，以满足无人机支撑强度要求[2]。除了满足支撑性能要求，无人机起落架需要起到减震作用，以免上部的部件因着地时产生的震动受到损坏。因此，在起落架外面，需要设置减震海绵，以发挥减震作用。
结论：通过研究可以发现，设计六旋翼农药喷洒无人机结构，可以使无人机在飞行状态下进行农药喷洒，并通过远程控制进行喷洒控制，保证无人机与操作者安全的同时，满足作物农药喷洒需求。因此，相信在农作物种植方面，农药喷洒无人机能够获得较好的应用前景。
参考文献
[1] 龙吉.基于STM32微控制器的无人机农药喷洒系统设计[J].科技资讯，2017，15（35）：92+94.
[2] 黄水长，栗盼，赵伟雄.农药喷洒多旋翼无人机控制系统研究[J].自动化与仪表，2015，30（05）：9-12.
作者简介：
张恩奋（1989年9月）男、汉族，籍贯（广东省佛山市顺德区）佛山安尔康姆航空科技有限公司，机械结构工程师、研究方向：飞行器及挂载的结构设计及优化。