農(nóng)田施肥旋翼飛行機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計含8張CAD圖,農(nóng)田,施肥,飛行,機器人,結(jié)構(gòu)設(shè)計,cad 農(nóng)田施肥旋翼飛行機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計 THE STRUCTURE DESIGN OF THE FIELD FERTILIZATION ROTOR FLYING ROBOT 摘要 根據(jù)我國目前的農(nóng)業(yè)發(fā)展前景，本身是一個農(nóng)業(yè)大國，差不多有十八億畝的農(nóng)田面積。對于農(nóng)田施肥這一方面還有很大改進的地方，目前大部分農(nóng)田施肥都是依靠人工，工作效率低，而且撒化肥分布不均勻等情況。所以針對這一情況，結(jié)合本文設(shè)計的農(nóng)田施肥旋翼飛行機器人，最主要的是能夠代替人工勞動力，大大地提高農(nóng)田施肥的效率。 根據(jù)本文設(shè)計的農(nóng)用無人機，考慮到施肥這一主要關(guān)鍵詞，本次所設(shè)計的是多旋翼施肥無人機，對于飛行機器人的旋翼支架、著落架、化肥箱和螺旋槳等部件進行更深入的探索，參考市場上已經(jīng)出現(xiàn)的多旋翼無人機作出改進，結(jié)合本次設(shè)計題目的實際情況進一步優(yōu)化。 本文所設(shè)計的要求包括旋翼支架結(jié)構(gòu)、化肥箱在飛行機器人的設(shè)計位置和撒化肥的機構(gòu)等，在本次論文中有明確的說明，并給出CAD各部件的零件圖和飛行機器人的模型裝配圖，實現(xiàn)了多轉(zhuǎn)子飛行機器人的效率、標(biāo)準(zhǔn)化和實際應(yīng)用。 關(guān)鍵詞 旋翼飛行機器人；施肥；結(jié)構(gòu)設(shè)計 Abstract According to the current agricultural development prospect in China,Our country is a big agricultural country, China has about 1.8 billion mu of farmland area.There is a lot of improvement in the field of fertilization in the field,At present, most farmland fertilization relies on labor, low efficiency, and uneven distribution of fertilizer.Therefore, in view of this situation, combined with my design of farmland fertilization rotor flying robot, the most important is to be able to replace the artificial labor force, and greatly improve the efficiency of farmland fertilization. According to the agricultural drone I designed, taking into account the main keyword of fertilization,This time I designed a multi-rotor fertilization uav.More in-depth exploration of the rotor support of the flying robot, the falling frame, the fertilizer box and the propeller, etc.The multi-rotor uav has been improved in reference market, and the actual situation of this design topic is further optimized. The requirements I have designed include the rotor support structure, the design position of the fertilizer box in the flying robot, and the chemical fertilizer mechanism, etc.In this paper, there are clear instructions, and the assembly drawing of the parts drawing and flying robot of the CAD parts is given.The efficiency, standardization and practical application of multi-rotor flying robot are realized. Keywords rotor flying robot fertilization structure design III 目 錄 摘要 I Abstract II 1 緒論 1 1.1 農(nóng)用飛行機器人的發(fā)展史 2 1.2 農(nóng)田施肥旋翼飛行機器人的前景 5 1.3 多軸旋翼農(nóng)用植保無人機更高效、更實用 6 1.4 農(nóng)用多軸旋翼飛行機器人還需解決的問題 7 1.5 多軸旋翼農(nóng)用無人機的注意事項 8 2 六軸旋翼農(nóng)用飛行機器人的機身結(jié)構(gòu)設(shè)計與施肥機構(gòu) 9 2.1 六軸旋翼農(nóng)用飛行機器人的基本結(jié)構(gòu)設(shè)計 9 2.1.1 六軸旋翼農(nóng)用飛行機器人的整體設(shè)計 9 2.1.2 六軸旋翼農(nóng)用飛行機器人撒化肥系統(tǒng)設(shè)計與其工作原理 10 2.2 六軸旋翼農(nóng)用飛行機器人的自平衡原理 12 3 無人機的動力系統(tǒng)設(shè)計與其工作原理 14 3.1 基本結(jié)構(gòu) 14 3.2 動力電機與調(diào)速系統(tǒng) 15 3.2.1 電機 15 3.2.2 電調(diào) 16 3.2.3 飛行控制器 17 3.3 電機的主要參數(shù)和續(xù)航時間的計算 17 3.3.1 六軸旋翼農(nóng)用無人機的電機選擇 18 3.3.2 估算六軸旋翼無人機的飛行工作時間 18 4 無人機的螺旋槳設(shè)計 20 4.1 影響螺旋槳的幾何參數(shù) 20 4.2 螺旋槳材料的選擇 21 4.3 無人機螺旋槳的運動特性 22 4.3.1 螺旋槳的轉(zhuǎn)速 22 4.3.2 螺旋槳前進的速度 22 4.3.3 螺旋槳旋轉(zhuǎn)一周的距離 22 4.4 無人機螺旋槳的動力學(xué)特性 22 4.4.1 螺旋槳的拉力和拉力系數(shù) 22 4.4.2 螺旋槳的扭矩和扭矩系數(shù) 23 4.4.3 螺旋槳的功率和功率系數(shù) 23 4.4.4 螺旋槳的前進比 24 4.4.5 螺旋槳的效率 24 4.5 無人機機型與電機、螺旋槳之間的關(guān)系 24 5 PCB控制板、陀螺儀、遙控器的應(yīng)用 25 5.1 六軸轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)與無人機飛行的原理 25 5.2 六軸旋翼農(nóng)用無人機陀螺儀的應(yīng)用 26 5.3 無人機的遙控器 26 結(jié)論 28 致謝 29 參考文獻 30 V 1 緒論 隨著科技的高速發(fā)展，旋翼飛行機器人慢慢地走進了人們的眼球，它不需要人去駕駛，通過手動遙控或者電腦控制等去完成不同的飛行任務(wù)，飛行機器人就是不載人的無人機，英文簡稱為“UAV”，無人機根據(jù)技術(shù)角度的不同分為固定式無人機、單軸旋翼無人機、多旋翼無人機等等，無人機涉及的領(lǐng)域有很多，比如執(zhí)行系統(tǒng)、操作系統(tǒng)以及關(guān)于它們的一些參數(shù)和技術(shù)指標(biāo)等方面?？梢愿鶕?jù)執(zhí)行農(nóng)田任務(wù)設(shè)計的結(jié)構(gòu)不同來選擇不同類型的農(nóng)田作業(yè)無人機，比如利用無人機來給植保撒農(nóng)藥、春天秋天時期播種時期撒種子、還可以在無人機上裝置攝影設(shè)備用于觀察農(nóng)田植被現(xiàn)狀。我們現(xiàn)在在現(xiàn)實中也可以看到許多飛行機器人在空中執(zhí)任務(wù)，甚至有的在各領(lǐng)域已經(jīng)投入使用，為人們的生活帶來了方便，大大減少了人力?？梢哉f，無人機的出現(xiàn)給人們帶來了很大的方便，而且無人機也應(yīng)用在多個領(lǐng)域。以下統(tǒng)計的是無人機涉及的一些領(lǐng)域如圖1-1，以及比例扇形圖如圖1-2所示： 圖1-1 統(tǒng)計無人機涉及的領(lǐng)域 圖1-2 扇形圖 1.1 農(nóng)用飛行機器人的發(fā)展史 在這幾年里，無人機的產(chǎn)量直線上升，在無人機的應(yīng)用的領(lǐng)域也不在變得單一，本來無人機是用于軍事偵探的，而現(xiàn)在慢慢地往民用上靠攏，無人機在民用上應(yīng)用較多的地方在于農(nóng)田植保、森林偵探火情，還有無人機拍攝等等。 在二十世紀(jì)十年代初，德國飛行員在世界上第一次使用有人駕駛的飛機噴灑農(nóng)藥和粉末，來用于預(yù)防害蟲對樹林造成的破壞。為以后數(shù)十年農(nóng)用飛機打下了基礎(chǔ)，美國在1918年首次用有人駕駛的飛機噴灑農(nóng)藥來消除棉花的害蟲，從此開始，越來越多的國家使用飛機來噴施農(nóng)藥來達到消除害蟲的效果，并一直推廣至今，各國每年的植保農(nóng)用飛機都不斷遞增，很多國家研制的農(nóng)用無人機也陸陸續(xù)續(xù)出現(xiàn)，就在這幾年美國和澳大利亞等國家出現(xiàn)了很多專門用于農(nóng)業(yè)的小型飛機，之后根據(jù)國際農(nóng)業(yè)航空部門統(tǒng)計，在世界上差不多有七十幾個國家擁有約3.2萬架農(nóng)田植保無人機，利用農(nóng)田植保無人機作業(yè)的耕地面積達到世界總耕地面積的百分之十七。 伴隨著有人駕駛飛機噴灑農(nóng)藥防治害蟲的出現(xiàn)，農(nóng)用無人駕駛飛行機器人也如春筍般涌現(xiàn)出來，很多的國家也開始效仿，因此每年的農(nóng)用無人駕駛飛行器也越來越多，但是到了1960年之后，人們看到農(nóng)藥對于環(huán)境的影響，由于高空載人飛行器高空作業(yè)的時候，會因為風(fēng)向等環(huán)境的影響把藥水落入到純凈的湖水或者泥土里面，這樣必然會避免不了農(nóng)藥對環(huán)境的影響，因此在西方農(nóng)業(yè)比較發(fā)達的國家就慢慢地形成了以大型機械植保和高空植保為基礎(chǔ)的農(nóng)田施肥體系。但是因為農(nóng)藥的有害性，而且高空噴灑農(nóng)藥的不穩(wěn)定性，微小農(nóng)藥霧滴隨著風(fēng)向會撒落到其他非植保面積，對土壤的破壞，對水源的污染，包括對人體的傷害。于是到1980年中后期，因為有人駕駛飛機高空噴灑農(nóng)藥造成的環(huán)境污染和對人體的傷害，在歐盟經(jīng)決定不允許使用高空噴灑農(nóng)藥，到現(xiàn)在只能用大型機械植保用來進行噴灑農(nóng)藥來完成任務(wù)。 但是在美國就沒有歐盟那么嚴(yán)格的要求，因為美國是超大規(guī)模的農(nóng)田，如果美國僅僅依靠人的勞動力和大型地面機械來噴灑農(nóng)藥，這樣就大大地降低了工作的效率，而且工作量十分巨大，這并不現(xiàn)實，所以在美國都是利用工作效率較高的固定式飛機和有人駕駛飛機。然而，美國也總是擔(dān)心無人機噴灑農(nóng)藥會對環(huán)境造成巨大的影響，現(xiàn)在一直沒有通過立法讓無人駕駛飛行器來完成農(nóng)田施肥，但是不可忽略的是美國是世界上少有的幾個關(guān)于擁有先進農(nóng)田植保技術(shù)的國家之一。在整個美國用航空噴灑農(nóng)藥率達到百分之六十五左右，其中，水稻噴灑農(nóng)藥全都是采用農(nóng)業(yè)航空，這可能就是因為美國的農(nóng)田都比較集中，而且都是大型農(nóng)場，所以對于美國而言，高空施藥是他們最好的選擇。 在日本，平均每個農(nóng)民的耕地面積都比較小，而且日本的地形大多數(shù)是山，所以日本和美國就不一樣，不用有人駕駛飛行器來進行高空作業(yè)，但是他們高空作業(yè)主要是單軸旋翼飛行機器人，原來日本主要是以小型無人機未主，也是世界上少有的幾個國家最先開始使用無人機來用于農(nóng)田施肥的。主要是因為隨著日本國內(nèi)的發(fā)展，越來越多的農(nóng)民開始都到城市里打工掙錢，然而農(nóng)村就會缺少主要的勞動力，這樣農(nóng)業(yè)就會造成比較大的損失。從那時起，日本也意識到這個問題，因為他們國家本身就是一個物質(zhì)極度缺乏的國家，人多地少，因此日本就從美國那里引進先進的無人機技術(shù)，并且在日本科學(xué)家的努力下，在上世紀(jì)八十年代中期誕生世界上第一架用于農(nóng)田噴灑農(nóng)藥的無人駕駛飛行機器人，就是我們現(xiàn)在所說的農(nóng)用無人機，這架無人機叫做“R50”，是日本山葉公司（yamaha）發(fā)明的，他們設(shè)計了一個可以搭載五千克藥箱的無人機來進行高空作業(yè)。隨著“R50”無人機的出現(xiàn)，在日本，農(nóng)用無人機開始迅速發(fā)展，主要是用于農(nóng)林業(yè)施肥等。一直到現(xiàn)在，日本大部分是以單軸旋翼無人駕駛直升機來進行農(nóng)業(yè)噴霧，現(xiàn)在他們國家已經(jīng)很少用有人駕駛直升機，農(nóng)用無人機發(fā)展到現(xiàn)在，在日本已經(jīng)有了四十幾年的歷史了，可以說日本在植保無人機技術(shù)方面已經(jīng)領(lǐng)先于世界上很多國家，日本研制的農(nóng)用無人機類型如圖1-3所示。 圖1-3 日本研制的農(nóng)用無人機類型 我們國家是一個農(nóng)業(yè)大國，因為我們國家有十四億人口，對于糧食的需求遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于其他任何國家，在1950年之后，我國一直致力于發(fā)展農(nóng)用飛機用于小麥，水稻等主要農(nóng)作物來防治害蟲對農(nóng)作物的破壞，一開始，我國也擁用了幾架固定式載人飛機如“Y-5B”、“蜜蜂二號”、“蜜蜂三號”，用于農(nóng)田植保的小型駕駛飛機，其中在1957年，我國自行制造出第一架5型農(nóng)用飛機，從此開始，我國對于農(nóng)作物的需求越來越大，植保飛機的發(fā)展也越來越快，不僅僅對農(nóng)作物進行施肥，還對森林害蟲、草原等廣泛的使用，最重要的是節(jié)省了大量的勞動力，提高了效率，大大減少了害蟲給農(nóng)田、森林、草原帶來的危害。 據(jù)統(tǒng)計，目前為止，我國的植保無人機有一萬余架，農(nóng)用和森林的固定式飛機和直升機差不多有一千四百六十余架，中國擁有農(nóng)用飛機的數(shù)目還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如其他國家；利用農(nóng)用植保無人機進行高空作業(yè)面積還不到耕地總面積的百分之二，但是僅僅我們國家使用航空作業(yè)無人機來進行農(nóng)田和森林預(yù)防害蟲和施肥的面積多達兩百多萬公頃，可想而知，我國還是比較依賴于使用植保無人機，但是看到上面統(tǒng)計到的數(shù)據(jù)來看，我們國家和世界上其他的發(fā)達國家還是有很大的差距。 自從我國“863”計劃開始，我們國家在研制植保無人機已經(jīng)有了十幾年了，而且尤其對于農(nóng)田植保這一方面的無人機發(fā)展十分迅速，在這其中，因為其他國家出于軍事用途禁止向我國出售該農(nóng)用飛機和技術(shù)，于是，到2008年，我國“863”計劃關(guān)于“農(nóng)田低空、低量噴灑農(nóng)藥的研究與設(shè)備開發(fā)”的項目就隨之啟動，并且經(jīng)過多家研究所科學(xué)家的共同努力下研制出“Z-3”的單轉(zhuǎn)子農(nóng)用植保無人機，這架植保無人機可以搭載十千克的藥箱，并使用兩個霧化噴頭進行噴灑農(nóng)藥，見圖1-4所示。 圖1-4 “Z-3”型油動單旋翼植保無人機 伴隨著油動單轉(zhuǎn)子農(nóng)田植保無人機的問世，我國也開始著手研發(fā)農(nóng)田植保無人機，在2010年，我國研制出世界上第一架多旋翼電動農(nóng)用無人機，一種是八旋翼植保無人機能夠裝配十千克的藥箱，另一種是十八旋翼植保無人機裝配十五千克的藥箱，搭載兩個專門為其研發(fā)的變量離心噴頭，研制的這兩架低空、低量的多轉(zhuǎn)子農(nóng)田植保無人機利用手動遙控器來執(zhí)行農(nóng)田灑藥的飛行任務(wù)，在之后的幾年里，這種多轉(zhuǎn)子農(nóng)田植保無人機在我國多個省市得到了廣泛的推廣。 1.2 農(nóng)田施肥旋翼飛行機器人的前景 到目前為止，農(nóng)用無人機有三種飛行平臺，包括固定式無人機、單軸旋翼無人機和多軸旋翼無人機三種。 固定式無人機主要對農(nóng)田進行信息采集，固定式無人機具有速度快、載荷大、農(nóng)田作業(yè)效率高等特點，對農(nóng)作物作業(yè)差不多高度在五到七米，屬于低空作業(yè)，但是固定式無人機對地形的要求卻比較高，一般不適合在有電線、樹木的地區(qū)作業(yè)，不然會對無人機的正常植保作業(yè)造成影響。 單旋翼無人機使用的燃油發(fā)動機居多，所以比較耗油，但是它的載荷大，可以隨時起飛降落，相對于固定式無人機而言，單軸旋翼無人機相對于地形、環(huán)境而言并沒有太大的影響。 最后一種就是本次畢業(yè)設(shè)計所考慮的機型，多軸旋翼無人機，它主要是由蓄電池為動力來源，操作方便，噪音小，無污染，這是油動無人機所比不了的，差不多一次作業(yè)在二十到三十分鐘，主要適用于小型農(nóng)田。 農(nóng)用多軸旋翼無人機簡單點說就是為了防止農(nóng)田農(nóng)作物受到害蟲侵害或者增加土壤的肥料，而且農(nóng)用無人機的結(jié)構(gòu)非常簡單，它是由上面所提到的三個飛行平臺、撒化肥系統(tǒng)和飛控GPS裝置構(gòu)成的，我們可以手動遙控并且對農(nóng)田進行噴灑農(nóng)藥、植物的種子或者撒化肥等多種植保作業(yè)，所以說，以一個手動遙控式的農(nóng)用無人機為例，如果它的有效載荷是16千克，那么它的效率差不多將是人的三十倍，一天作業(yè)可達到500畝，三種飛行平臺的農(nóng)用無人機優(yōu)缺點見表1-1所示。 表1-1 三種飛行平臺農(nóng)用無人機的優(yōu)缺點 類型 應(yīng)用 分類 動力 優(yōu)點 缺點 固定式 信息采集 燃油 載荷大、工作效率高、飛行速度快，用于超低空飛行，飛行高度在5到7米 對環(huán)境和地形的影響比較大 續(xù)表1-1 類型 應(yīng)用 分類 動力 優(yōu)點 缺點 直升機 空中植保作業(yè) 單軸旋翼 燃油 用于大型農(nóng)田植保作業(yè)，載荷達到三十千克，飛行時間可達一個小時以上 可以隨意地起飛和降落，飛行靈敏，可用于地形復(fù)雜的環(huán)境 耗油，結(jié)構(gòu)復(fù)雜， 維修成本大，價格較高 飛機載荷小，飛行時間短，不適合大風(fēng)天氣 鋰電池 自重輕，載荷小 飛行時間短，需充電 油電混合 飛行時間大概在一個小時，載荷達到三十五千克以上 能源消耗大 多軸旋翼 價格低廉，操作方便，維修簡單 應(yīng)用于小型農(nóng)田，飛行時間小于三十分鐘 到現(xiàn)在為止，我們國家的農(nóng)用無人機主要分為單軸旋翼農(nóng)用無人機和多軸旋翼農(nóng)用無人機，而本次設(shè)計的是農(nóng)田施肥多軸旋翼無人駕駛飛機，按照它們的動力系統(tǒng)主要分為油動和電動二種形式，設(shè)計的多軸旋翼飛行器的核心是旋翼電機，因為以電池為主要動力的手動遙控農(nóng)用無人機操作起來比較方便，而且啟動比較快。而油動植保無人機是以電動機為主要動力，它的飛行時間相對于電動的來說要長一點，但是因為油動無人機它自身的重量比較大，所以它的啟動上升和降落時間相對來說并不如電動無人機。 現(xiàn)在，隨著遙控多旋翼無人機噴灑農(nóng)藥的前景，現(xiàn)在這種機型在農(nóng)田和果園出現(xiàn)的越來越頻繁，隨著農(nóng)用無人機的推廣，相對于我們古老的植保方式，農(nóng)用無人機比傳統(tǒng)方式更高效，更安全，降低成本等優(yōu)點，但是我國的植保無人機還處在萌芽階段，技術(shù)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于美國、日本等發(fā)達國家，隨著農(nóng)用無人機得到廣泛的推廣，很多企業(yè)開始重視這個新型科技，而且在農(nóng)村也越來越受歡迎，所以對于農(nóng)用旋翼無人機而言，有很大的發(fā)展前景，本次設(shè)計的六旋翼農(nóng)田施肥無人機主要就是用于農(nóng)田植保，因為六旋翼無人機的成本不高、操作方便、還有飛行優(yōu)勢更加明顯，隨著六旋翼飛行機器人的發(fā)展給人們帶來很大的方便，有益于當(dāng)代社會新型科技的發(fā)展。 1.3 多軸旋翼農(nóng)用植保無人機更高效、更實用 在農(nóng)村或者草原以前主要是靠人的勞動力來進行撒化肥的，現(xiàn)在市場上前幾年也出現(xiàn)了地面機械撒化肥，相對于老式的手撒化肥省力了許多，但是遇到大型農(nóng)田、大片草原還有山區(qū)地帶的地方，光是依靠人力來撒化肥并不是最佳選擇，因為不僅僅是效率上落后一大截，而且對于農(nóng)民來說，農(nóng)用植保無人機能夠代替人去撒化肥肯定會受歡迎的一件事，而且本次設(shè)計的農(nóng)田施肥多旋翼飛行機器人，因為機型較小，造價低廉，比較適合個體戶和大型種植戶使用，現(xiàn)在的社會都更加趨近于高收益，新能源，低損耗，也符合當(dāng)代社會新型科技的發(fā)展。 1、 操作方便，飛行靈敏 對于六旋翼農(nóng)用無人機來說比較適合用于低空作業(yè)，這樣就避免了因為飛行過高會碰到樹枝和電線桿等障礙物，，而且電動多旋翼無人機啟停效果好，靈活性好，不需要專門的升降地點，隨處可以升降，在無人機空中撒化肥的過程中可以隨時控制它的作業(yè)高度，左右運動等等。 2、 對地形的要求不高 不會因為地形的要求而產(chǎn)生影響，無論是山坡或者高原地區(qū)等都可以進行工作，有些多旋翼植保無人機也可以裝置偵測設(shè)備，對于操作人員來說，對于地形、飛行撒化肥等情況一目了然。 3、 節(jié)能減排，噪音小 本文設(shè)計的農(nóng)用無人機主要是以蓄電池為主要動力，是以不會產(chǎn)生污染環(huán)境的氣體，相對于油動植保無人機相比，機型更小，因為它是以發(fā)動機和燃油來給無人機輸送動力的，產(chǎn)生的噪音較大，會影響別人的正常生活，所以電動農(nóng)用無人機這款機型更加的符合我國節(jié)能減排的要求。 4、 便于拆裝，維護成本低 因為六旋翼無人機本身的尺寸小，操作方便，升降平穩(wěn)，對于無人機的機架和螺旋槳等等不會產(chǎn)生太大的影響，而且機身便于拆裝，不會太大影響農(nóng)田撒化肥的進度。 1.4 農(nóng)用多軸旋翼飛行機器人還需解決的問題 在無人機發(fā)展的這幾年 , 農(nóng)用無人機在各個地區(qū)迅速發(fā)展 , 無人機在農(nóng)作物上方作業(yè) , 具有實用性 , 高效率 , 避免人員中毒等優(yōu)點 , 但也存在農(nóng)用無人機載量小 , 超低空飛行受到風(fēng)雨環(huán)境的影響，雖然小型電動農(nóng)用無人機的維護費用相對于其他機型來說沒有那么高, 但還是比較依賴專業(yè)維修人員等缺點 , 有些因素也約束了農(nóng)用植保無人機的更一步發(fā)展。 本文設(shè)計的農(nóng)田施肥多軸旋翼無人機具有載荷比較大、飛行相對平穩(wěn)，易于操控、維護保養(yǎng)不復(fù)雜，也搭載不同的作業(yè)機構(gòu)來完成各種不同作業(yè)植保項目。設(shè)計以下幾個指標(biāo) 1.無人機速度指標(biāo) 2.無人機高度指標(biāo)3.蓄電池續(xù)航時間 4.飛行的規(guī)定路線 5.最大有效載荷 6.無人機的幾何尺寸等等。 現(xiàn)在人們不僅僅要求產(chǎn)品的高效率化，更加注重的是減少產(chǎn)品的成本?，F(xiàn)在農(nóng)用無人機想要在市場上占有一席之位，在保證它們的主要指標(biāo)之外，還要考慮農(nóng)用無人機在作業(yè)過程中噴灑農(nóng)藥和撒化肥是否均勻，工作可靠，而且對蓄電池的要求也很高，續(xù)航時間也是一個不可忽視的問題，當(dāng)然還有對農(nóng)用無人機本身的要求，無人機的機身是否牢固，不能因為一兩次實際操作失誤的情況下，無人機就不能再用了，所以說，農(nóng)用無人機還面對著一大堆需要解決的問題，這關(guān)于農(nóng)用無人機的發(fā)展來說是一個巨大的挑戰(zhàn)。 1.5 多軸旋翼農(nóng)用無人機的注意事項 1、 農(nóng)用無人機不合適在高溫環(huán)境下工作，因為機身大多數(shù)是纖維材料，經(jīng)過高溫暴曬后會對機身產(chǎn)生損壞，影響農(nóng)用無人機的正常工作，所以盡量避免中午高溫情況下撒化肥。 2、 除了高溫情況下，也不適合在大風(fēng)情況下工作，農(nóng)用無人機本身尺寸較小，可能會因為風(fēng)速的影響對無人機飛行方向造成偏離，影響農(nóng)用無人機的正常工作，而且對于撒化肥的范圍造成誤差，大風(fēng)天氣下使用農(nóng)用無人機撒化肥會事倍功半，會對農(nóng)作物不利 3、 另外還有一種天氣情況也不適合撒化肥，那就是雷雨天氣，雨天可能對農(nóng)用無人機的影響不大，但是并不是沒有影響，雖然電機本身具有防水的作用，但是農(nóng)用無人機上安裝的蓄電池，如果蓄電池遇到水，會對電池造成損壞，而且飛控系統(tǒng)也不能遇到水，會對農(nóng)用無人機的控制產(chǎn)生影響。 4、 還有關(guān)于遙控農(nóng)用無人機的要求，一個遙控器只能控制一架農(nóng)用無人機，因為農(nóng)村的個體種植戶很多，有可能出現(xiàn)很多同時使用無人機撒化肥的情況，如果出現(xiàn)遙控器混用的話，它將失去對無人機的控制，無人機的飛控系統(tǒng)會崩潰，這是我們要注意的地方。 5、 每次使用農(nóng)用無人機飛行的前后都要檢查，看看是否有損壞，是否有故障，使用結(jié)束后把機身上擦干凈，便于下一次使用，而且對化肥箱和撒盤檢查，化肥箱是否完好無損以免出現(xiàn)化肥灑落的現(xiàn)象。 6、 農(nóng)用無人機撒化肥之前，你應(yīng)該注意無人機的電池和遙控器的電池是否有充足的電量來供應(yīng)無人機的正常飛行。 7、 不允許在無人機工作的時候下方有人，以免造成人員的傷害等情況。 8、 嚴(yán)禁在高壓電線下飛行，防止碰撞，避免無人機墜落和懸掛在高壓電線的情況發(fā)生。 2 六軸旋翼農(nóng)用飛行機器人的機身結(jié)構(gòu)設(shè)計與施肥機構(gòu) 2.1 六軸旋翼農(nóng)用飛行機器人的基本結(jié)構(gòu)設(shè)計 這次本文所設(shè)計的是一個適合農(nóng)田、草原的六旋翼農(nóng)用無人機撒化肥系統(tǒng)，瀏覽了一些參考文獻和市場上已經(jīng)出現(xiàn)的無人機結(jié)構(gòu)，主要分析了六旋翼農(nóng)用無人機的工作原理，本機型主要設(shè)計的是無人機的機體部分、飛行的控制系統(tǒng)和以蓄電池為動力的飛行動力系統(tǒng)。農(nóng)用無人機機體部分指的是飛行機器人的主體，比如無人機的機架、起落架等,主體結(jié)構(gòu)主要起連接和固定零件（包括便于裝拆）的作用；動力部分指的是蓄電池、電機、螺旋槳等部分,它主要是提供動力,并進行農(nóng)田植保作業(yè)；飛行控制系統(tǒng)指的是由遙控器（可以遠(yuǎn)程控制）、飛控器和接受信號裝置組成的設(shè)備。還有在無人機上裝置的撒化肥系統(tǒng)，它主要由化肥箱（包括漏口、和調(diào)節(jié)漏口大小的插板）、電機、撒盤組成。 2.1.1 六軸旋翼農(nóng)用飛行機器人的整體設(shè)計 圖2-1 六轉(zhuǎn)子飛行機器人的模型 1-化肥箱、2-固定板、3-前旋翼支架、4-螺旋槳、5-中旋翼支架、6-旋翼電機、7-后旋翼支架、8-電池、9-著落架、10-著落架安裝支架、11-雷達、12-撒盤、13-撒盤電機 表2-1 主要設(shè)計參數(shù) 序號 設(shè)計名稱 設(shè)計參數(shù)（數(shù)量） 序號 設(shè)計名稱 設(shè)計參數(shù)（數(shù)量） 1 無人機軸距 1300毫米 8 噴灑范圍 3到6米 2 最大長度 1520毫米 9 噴灑速度 2到10千克/每分鐘 3 飛機自重 8千克 10 起飛重量 24到26千克 4 化肥箱尺寸 500×500×265 11 飛行時間 20到30分鐘 5 有效載荷 15千克 12 飛機材質(zhì) 碳纖維、鋁合金 6 撒盤尺寸 180×20毫米 13 噴灑效率 2到3畝/每分鐘 7 出料口數(shù)量 六個 14 撒盤轉(zhuǎn)速 700-1260r/min 通過以上設(shè)計的農(nóng)用飛行機器人整體結(jié)構(gòu)圖可以看出，本文設(shè)計的六旋翼農(nóng)田施肥無人機是由六個螺旋槳組成，分別是由六個電機產(chǎn)生起飛的推力，它們六個旋翼支架在同一水平面內(nèi)，因為考慮到農(nóng)用無人機本身的重力和化肥箱裝置在固定板的位置，重心是無人機飛行平衡的一個重要因素，所以說，六根旋翼支架的長度相同并且連接在機身的固定板上，在下文中將詳細(xì)的描述多軸農(nóng)用無人機搭載化肥箱之后的重心位置。 農(nóng)用無人機的機身上半部分有六個螺旋槳、和長度相等的旋翼支架、固定板、裝配在固定板上的電池和接受信號器、電路板、還有螺旋槳下面的六個電機等零件。農(nóng)用無人機的機身上部分主要執(zhí)行的是無人機的啟動飛行與其降落、信號的接受、還有對調(diào)節(jié)無人機飛行狀態(tài)的控制。 農(nóng)用無人機的機身下半部分有著落架、化肥箱、撒盤和撒盤電機、插板。農(nóng)用無人機的機身下半部分只要執(zhí)行的是撒化肥系統(tǒng)，蓄電池讓電機工作，電機帶動撒盤旋轉(zhuǎn)，從化肥箱漏下來的化肥落入撒盤，撒盤有六個出料口，化肥從六個出料口均勻的噴出達到化肥撒到農(nóng)田的效果。 2.1.2 六軸旋翼農(nóng)用飛行機器人撒化肥系統(tǒng)設(shè)計與其工作原理 六旋翼農(nóng)用飛行機器人撒化肥系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如上圖所示，是由化肥箱、電機、六個出料口的撒盤和電源裝置等組成，如圖2-2所示。 1.化肥箱設(shè)計 化肥箱結(jié)構(gòu)如圖所示，首先裝備一個用來盛裝化肥的容器，一般方形桶或者圓柱桶都可以，化肥箱的左上角有一個裝化肥的口子，也就是箱口，電源控制撒盤電機，當(dāng)化肥箱里裝滿一定量的化肥，按下電源，撒盤電機工作，帶動六個出料口的撒盤，從而將化肥顆粒通過旋轉(zhuǎn)的撒盤來達到化肥撒出去的效果，如果需要調(diào)節(jié)化肥噴出量，可以通過插板設(shè)備控制化肥噴灑的流量（插板水平放置，當(dāng)插板往外拉時，漏口變大，化肥的流量也就隨著漏口的變大而增大）。 2.撒化肥系統(tǒng)的工作原理（帶調(diào)速器并可控流量） 將撒盤電機（低轉(zhuǎn)速）設(shè)置在無人機的著落架上，上面是化肥箱的漏口（漏口大小可調(diào)節(jié)），用蓄電池驅(qū)動撒盤電機工作，隨著撒盤電機的旋轉(zhuǎn)，隨著化肥箱漏下來的化肥從六個出料口噴出，根據(jù)農(nóng)田對化肥的需求，可以手動調(diào)節(jié)漏口的大小，就能控制化肥的流量，這樣就能達到農(nóng)田均勻的撒化肥的效果，而且無人機撒化肥比人用手來撒化肥效率高多了，可以達到每分鐘2到3畝地。 3.插板裝置 插板裝置就是控制漏出化肥的流量，能掌控噴灑化肥量。 4.化肥噴量 在考慮噴灑化肥量的時候，可以先把一定重量的化肥裝入化肥箱（額定容量31.25+11.7=42.95）中，然后通過撒盤電機旋轉(zhuǎn)來進行噴灑，最后通過化肥箱里化肥剩余量在推導(dǎo)出噴灑量（噴灑量=初始裝入化肥箱的重量-化肥剩余量） 圖2-2 化肥箱外部機構(gòu)圖 1-化肥箱 2-撒盤電機 3-撒盤 4-化肥箱漏口 5-插板 2.2 六軸旋翼農(nóng)用飛行機器人的自平衡原理 本文所設(shè)計的六旋翼農(nóng)田施肥飛行機器人中，連接在固定板上的六根支架長度是相等的，六個螺旋槳的中心都在同一個圓上，并且在螺旋槳下面布局著六個相對稱的電機，通過電機來給螺旋槳提供升力。所以說本次設(shè)計的農(nóng)用無人機的重心也很好確定，設(shè)計的重心就是在圓的圓心。從本次的設(shè)計圖紙上可以看出，農(nóng)用無人機上共有六個螺旋槳，其中內(nèi)側(cè)的兩個螺旋槳為無人機的主要旋翼，它們兩個螺旋槳的轉(zhuǎn)向是相反的，一個是順時針，一個是逆時針，在無人機的外側(cè)有四個副旋翼，同樣的道理，四個螺旋槳的轉(zhuǎn)向都是相互對應(yīng)的，相鄰的兩個螺旋槳轉(zhuǎn)向是相反的，也就是說所設(shè)計的農(nóng)用六軸旋翼無人機上的螺旋槳，有三個螺旋槳是順時針旋轉(zhuǎn)，其他螺旋槳是逆時針旋轉(zhuǎn)。其中無人機的主要升力是由兩個主旋翼來控制的，而其他四個副旋翼主要是是控制著農(nóng)用無人機的姿態(tài)飛行調(diào)整，所以說，在農(nóng)用無人機工作的時候，想要改變無人機飛行的姿態(tài)和它的航行路線，只需要改變相應(yīng)電機的旋轉(zhuǎn)速度，從而改變了無人機牽引力的大小，這樣就可以改變空中作業(yè)時的飛行狀態(tài)，并且具有自平衡率。 1、 當(dāng)無人機的推重比等于1時，也就是說無人機六個旋翼產(chǎn)生的向上升力=無人機的自重時，于是無人機就可以實現(xiàn)懸停的目的。 2、 當(dāng)無人機六個旋翼產(chǎn)生的向上升力>無人機的自重時，也就是兩個共軸旋翼的轉(zhuǎn)速都減小，無人機就可以實現(xiàn)升高的作用。 3、 另一種情況則相反，也就是推重比小于1的時候，無人機就可以實現(xiàn)降落的作用，由此可見，無人機的升降是由兩個共軸旋翼的轉(zhuǎn)速大小來決定的。 考慮設(shè)計的無人機是六軸旋翼飛行器，當(dāng)無人機需要改變它的飛行作業(yè)航線時，可以通過改變兩個同軸轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速來控制飛行器的偏航路線，當(dāng)兩個同軸轉(zhuǎn)子以不同的速度旋轉(zhuǎn)時，那么六個旋翼產(chǎn)生的反扭矩就不再平衡，此時無人機就會旋向轉(zhuǎn)動。本身兩個同軸轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)向是不同的，一個逆時針，一個順時針，這時兩個主旋翼能夠平衡所有旋翼產(chǎn)生的反扭矩，此時無人機是水平直線運動的。 當(dāng)六軸旋翼無人機所產(chǎn)生向上的升力的總和一直不變時，且順時針的旋翼旋轉(zhuǎn)速度逐漸增大，逆時針的旋翼旋轉(zhuǎn)速度逐漸減小時，此時農(nóng)用無人機實現(xiàn)逆時針偏航的效果。 當(dāng)共軸轉(zhuǎn)子所產(chǎn)生向上的升力的總和一直不變時，且逆時針的旋翼旋轉(zhuǎn)速度增大，順時針的旋翼旋轉(zhuǎn)速度減小時，此時農(nóng)用無人機實現(xiàn)順時針偏航的效果。 上面說了無人機的主要升力是由兩個主旋翼來控制的，而無人機的水平移動是由四個副旋翼來實現(xiàn)的，因為六旋翼無人機同一側(cè)的兩個副旋翼的旋轉(zhuǎn)方向是相反的，所以，在同一側(cè)的兩個副旋翼的旋轉(zhuǎn)速度都要同時減小或者增大，這樣才不會出現(xiàn)反扭矩的平衡。簡單的說，如果農(nóng)用無人機在空中撒化肥想要執(zhí)行傾斜的任務(wù)，那么需要增大同一側(cè)旋翼的旋轉(zhuǎn)速度，使之升力增加，此時，農(nóng)用無人機的姿態(tài)就會偏向一邊，并且農(nóng)用無人機會向降低水平的一側(cè)飛行，這樣就會實現(xiàn)無人機的左右傾斜功能。同樣的道理，如果想實現(xiàn)前后仰俯傾斜飛行的話，只需調(diào)節(jié)前后的副旋翼的轉(zhuǎn)速，使前（后）支架旋翼的旋轉(zhuǎn)速度同時增大(減小)或減?。ㄔ龃螅?，無人機的飛行模式便會隨著不同執(zhí)行命令而改變著不同飛行任務(wù)。還有一種飛行情況是翻轉(zhuǎn)運動并左右移動，當(dāng)左右兩側(cè)的的轉(zhuǎn)速同時變化時就能實現(xiàn)翻滾運動并左右移動。 更通俗易懂地說，在飛控的協(xié)調(diào)下，控制著每個螺旋槳不同的旋轉(zhuǎn)速度和轉(zhuǎn)向，六個旋翼給無人機向上的升力，掌握無人機的平衡和控制無人機的飛行方向。無人機的六個旋翼控制無人機的主要升力，當(dāng)想要改變無人機的偏航時，只需改變電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，相同旋向的旋轉(zhuǎn)速度增大或者減小時且它們產(chǎn)生的升力總和不變，這樣無人機就會實現(xiàn)偏航；如果使用六軸旋翼無人機在農(nóng)田撒化肥時，想要改變無人機的飛行模式，那么將同一側(cè)的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度增大的同時，而另一側(cè)的轉(zhuǎn)速減小，然后無人機就會向一邊傾斜。 3 無人機的動力系統(tǒng)設(shè)計與其工作原理 上文也提到關(guān)于無人機的動力系統(tǒng)設(shè)計，目前而言，我們所接觸到無人機主要是靠三大類來提供動力的，首先是油動，靠燃油來提供動力的系統(tǒng)是我們生活中最常見的，比如汽車、輪船、包括火箭等等，在其次是電動，當(dāng)然隨著科技的發(fā)展，電動也慢慢地取代一些油動設(shè)備，如今我們現(xiàn)在提倡的是節(jié)能減排，隨著燃油物質(zhì)的匱乏，也慢慢地尋找新型能源，而電動的近幾年發(fā)展，越來越多的國家開始發(fā)展電動系統(tǒng)，其中，我們最常見的是馬路上的電動車，這是我們所觀察到的進步，以前幾乎都是看到摩托車比較多，現(xiàn)在電動車每家都有，甚至好幾輛，但是為什么隨著電動車的發(fā)展而取代摩托車呢？原因其實也很簡單，摩托車都是使用的發(fā)動機，依靠汽油來實現(xiàn)動力，汽油是不可再生能源，相對于電動車使用蓄電池來說方便的多，蓄電池充完電就可以直接使用，而且產(chǎn)生的噪音小，無污染，最主要的還是攜帶方便。包括現(xiàn)在我們見到新型能源汽車，也是同樣的道理。所以說，本次畢業(yè)設(shè)計關(guān)于無人機的動力系統(tǒng)，本次設(shè)計的是以鋰電池來給電機提供動力的無人機，能夠減少無人機的重量和體積。 3.1 基本結(jié)構(gòu) 根據(jù)設(shè)計的農(nóng)田施肥旋翼飛行機器人，該無人機主要的動力系統(tǒng)由電機、鋰電池、螺旋槳和電調(diào)（電子調(diào)速器）四個基本部件構(gòu)成的。 首先我們就先從鋰電池的選用來說起，電池的種類有很多，其中就以鋰電池來舉例，鋰電池的主要優(yōu)勢在于價格不高、性能良好。測量一個電池的性能好不好也有很多，其中電池的容量、電池的放電性能、電池的電壓最為重要。 這次設(shè)計的無人機的格氏ACE鋰電池的主要指標(biāo)如下所示： 1、電池的容量 容量的單位是MAH，舉個例子來說，比如一個10000毫安時的電池，電池能夠持續(xù)一個小時來釋放10000毫安的電流，就是說電池釋放一定的電流能使用一個小時的時間，而這里，本次設(shè)計的無人機使用是16000MAH的電池。 2、電池的放電性能 電池放電倍率（C），電池放電一小時的電流強度被稱為1C，最大放大電流等于電池的額定容量×放電倍率，它的表達公式見（3-1）。 （） I ——放電電流，單位是A； M——電池放電倍率，單位是C； C ——電池容量，單位是MAH。 比如設(shè)計一個10000毫安時、10倍率的電池，則它的最大放大電流就等于10（安時）乘10等于100安培。 3、電池的電壓 電壓的單位是V，本次我設(shè)計的是22.2伏特 4、電池的尺寸大約在160×80×30mm 5、重量達到1.86kg 本次無人機采用的電池參考了市場上的格式ACE鋰電池，如圖3-1所示。因為本次設(shè)計的農(nóng)田施肥旋翼無人機特點比較突出，考慮到無人機需要攜帶化肥進行空中作業(yè)，有效載荷達到15千克，而且無人機的機身比較大，所以選用這款16000毫安時、15倍率的蓄電池，這款蓄電池適用于大負(fù)載六旋翼、八旋翼飛行機器人等。因為鋰電池是需要充電的，而且鋰電池說明書上也提到，一次充電最佳時間大約在三個小時，處于對鋰電池的保護，為了不讓鋰電池?fù)p壞，要合理地運用，不要和其他電壓不一樣的鋰電池合用，也不能隨便使用型號不同的充電器給電池充電，充電器是大功率鋰電平衡充電設(shè)備，一個鋰電池的壽命大約在三百到五百次充放電。 圖3-1 ACE鋰電池 鋰電池的優(yōu)點在于它具有無污染、使用的壽命長、價格低、性能好等特點。 3.2 動力電機與調(diào)速系統(tǒng) 3.2.1 電機 小型農(nóng)用無人機的電機基本上采用的是有刷電機和無刷電機兩種類型。而有刷電機因為它的效率沒有無刷電機高，所以現(xiàn)在小型農(nóng)用無人機大多數(shù)使用的都是無刷電機，有刷電機基本已經(jīng)很少使用了。無刷電機的主要優(yōu)勢在于不使用電刷，這樣就不會出現(xiàn)有刷電機在工作的時候出現(xiàn)電火花，因為電火花會干擾無線遙控設(shè)備的正常操作。而且無刷電機運轉(zhuǎn)的時候不會產(chǎn)生太大的摩擦力，噪音相對于前者來說就低了許多。從經(jīng)濟效益上來說，無刷電機不需要做什么維護工作，頂多在農(nóng)用無人機使用結(jié)束后處理一下灰塵就可以了。但無刷電機并不是完全優(yōu)越于有刷電機，有刷電機具有轉(zhuǎn)矩大、有著優(yōu)異的性能，在這一方面無刷電機還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能達到的，一般來說無人機要求體積小，所以無人機的每個部分都盡可能的減體積減重量，而對無人機電機的要求尺寸也是這樣。隨著無人機的發(fā)展，人們越來越注重于考慮無人機的成本，為了使農(nóng)用無人機更加大眾化，讓農(nóng)民覺得農(nóng)用無人機并不是遙不可及的新型科技，在考慮處于經(jīng)濟和效益方面，無刷電機的使用更適合小型無人機的發(fā)展。 電機的轉(zhuǎn)速我們用單位KV來表示，KV表示電池的電壓每高1V時，電機所增加的轉(zhuǎn)速，舉個例子說，電機KV800，我們使用22.2伏特的電池時，電機的轉(zhuǎn)速每分鐘就等于800×22=17600轉(zhuǎn)。常見的無刷電機如圖3-2所示。 圖3-2 無刷電機 無刷電機的特點：小體積、重量輕；轉(zhuǎn)矩大；摩擦小、噪音?。豢梢詿o極調(diào)速；效率高、幾乎不需維護；使用壽命長等。 3.2.2 電調(diào) 電子調(diào)速器就是用于動力系統(tǒng)的調(diào)速，它被簡稱為ESC，電調(diào)也分為有刷電調(diào)和無刷電調(diào)。電子調(diào)速器主要接受飛行控制器發(fā)出的信號去調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速并獲得無人機所需求的飛行任務(wù)。 現(xiàn)在我們要說的是電源、電子調(diào)速器與電機他們?nèi)咧g連接的關(guān)系，首先，電子調(diào)速器的電源輸入線肯定是連接的電源，其次，飛行控制器的信號線和電子調(diào)速器的信號線相連接，最后電調(diào)的輸出線與電機相連接，這樣就形成了它們?nèi)咧g的關(guān)系，它們?nèi)呦噍o相成，互不可少，對于使用無人機的時候執(zhí)行不同的飛行任務(wù)就更加易于控制了。 無刷電調(diào)如圖3-3所示，有刷電調(diào)如圖3-4所示。 圖3-3 無刷電調(diào) 圖3-4 有刷電調(diào) 3.2.3 飛行控制器 六軸旋翼無人機上裝置的飛控就相當(dāng)與人的腦神經(jīng)一樣，控制著人的行走姿態(tài)，行為舉止等等，無人機在執(zhí)行飛行撒化肥任務(wù)時候也一樣，飛控一邊接受我們按動遙控器傳達的信息，一邊有將飛行的狀態(tài)再反映給地面。飛控檢測無人機在空中撒化肥時的飛行狀態(tài)，主要檢測無人機飛行的速度、姿態(tài)和高度等等。飛行控制器也被稱作為自駕儀，同時它能讓無人機自行掌控著起飛降落，所以在安裝飛控的時候要注意進行調(diào)試，這個是至關(guān)重要的。 3.3 電機的主要參數(shù)和續(xù)航時間的計算 這次選用的無刷電機，是植保無人機專用的，具有防水、防塵、防酸堿和散熱好等特點，采用型號為的高效率多旋翼盤式電機。多旋翼盤式電機如圖3-5所示。 圖3-5 多旋翼盤式電機 3.3.1 六軸旋翼農(nóng)用無人機的電機選擇 無人機的起飛重量是選擇電機性能指標(biāo)的主要參考之一，所以無人機的起飛重量也就是無人機本身重量加上裝置的所有設(shè)備重量之和，由此可以得出如下公式見（3-2）。 （） --六旋翼無人機的起飛重量，這里起飛重量大約在24~26千克； --無人機的自身重量，我所設(shè)計的無人機自重為8千克； --動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的重量，有六個旋翼電機、螺旋槳、電子調(diào)速器和飛行控制器的重量； --鋰電池的重量，電池的重量達到1.86千克； --撒化肥結(jié)構(gòu)的重量，包括攜帶化肥、化肥箱、撒盤和撒盤電機等；其中攜帶有效載荷在15千克，其他都是固定重量，并不改變； --其他裝載在農(nóng)用無人機上裝置的重量。 3.3.2 估算六軸旋翼無人機的飛行工作時間 這次所設(shè)計的無人機蓄電池的電壓是22.2伏特，電流是240安培，由此我們可以通過計算得出見（3-3）。 （） 如果我們忽略其他內(nèi)阻和能源消耗等情況，將蓄電池提供的電能全部轉(zhuǎn)化成機械能，那么所得出的公式應(yīng)該為見（3-4）。 （） 我們可以從理論上可以得出多旋翼農(nóng)用無人機的一次工作時間大概為一個小時，而這次所設(shè)計的農(nóng)用無人機撒化肥僅僅需要20到30分鐘，所以我們可以根據(jù)實際情況，無人機的工作特性來選擇不同的蓄電池。 4 無人機的螺旋槳設(shè)計 何謂螺旋槳，就是依靠葉片在空中或者水中高速旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生推力，葉片上就會產(chǎn)生反作用力，所以無人機飛行的動力就是這樣來的。螺旋槳是農(nóng)用無人機的主要部件之一，它決定著無人機性能的優(yōu)劣，它是無人機唯一的升力部件。螺旋槳是由兩個或者多個葉片和中間的槳轂組成，并且電機與中間的槳轂相連接，當(dāng)電機轉(zhuǎn)動時帶動葉片一塊旋轉(zhuǎn)。當(dāng)我們觀察葉片截面的時候，就會清楚的看到螺旋槳的設(shè)計結(jié)構(gòu)，而螺旋槳旋轉(zhuǎn)的時候相對于氣流產(chǎn)生前進速度和旋轉(zhuǎn)速度兩種。飛行的時候會產(chǎn)生反扭矩，反扭矩就是螺旋槳在旋轉(zhuǎn)的時候，大氣給螺旋槳的一種阻力，而反扭矩有電機的力矩來平衡。螺旋槳一般運用在飛機、輪船等方面，比如說無人機的起飛，當(dāng)電機旋轉(zhuǎn)時帶動螺旋槳轉(zhuǎn)動，葉片在旋轉(zhuǎn)過程中把空氣都推到下面，在葉片上產(chǎn)生一種向上的力，這就是無人機的升力。同樣的道理，輪船就是因為螺旋槳的旋轉(zhuǎn)而向前推進的。 4.1 影響螺旋槳的幾何參數(shù) 首先我舉一個1840螺旋槳，這就意味著1840就表示螺旋槳的直徑就是18寸，40就是螺距是40mm。 1、螺旋槳的直徑 用D來表示直徑。一般來說，旋翼直徑越大拉力就會越大，效率也就會越高。在允許的條件下盡可能根據(jù)無人機的類型選擇大直徑的旋翼，也并不是越大越好，我們要根據(jù)農(nóng)用無人機的最大起飛重量和它的有效載荷來考慮螺旋槳直徑的范圍。 2、葉片數(shù) 用B來表示葉片數(shù)。螺旋槳的功率系數(shù)和拉力系數(shù)也葉片數(shù)成正比，而我所設(shè)計的小型農(nóng)用無人機的螺旋槳葉片數(shù)一般是兩個。所以葉片數(shù)關(guān)乎到螺旋槳的氣動性，所以在設(shè)計螺旋槳的時候首先要考慮葉片數(shù)， 3、實度 用來表示實度。實度和葉片數(shù)一樣，隨著實度的增加也會使功率系數(shù)和拉力系數(shù)增大，實度就等于葉片的面積/螺旋槳旋轉(zhuǎn)時的面積。 4、槳葉角 用來表示槳葉角。它會半徑的變化而變化，槳葉角的變化是影響旋翼工作的最根本的原因之一。 5、螺距 螺距分為幾何螺距（H）、實際螺距（HG）、理論螺距（HT），幾何螺距就說當(dāng)葉片截面的迎角為0時，葉片旋轉(zhuǎn)一周時移動的距離。而實際螺距我們可以用來計算獲得，一般，我們用H=1.1~1.3來估算幾何螺距的數(shù)值，而理論螺距一般都會比實際螺距大。 6、葉片寬度 用C來表示葉片寬度，葉片寬度就是螺旋槳的弦線長度，一般情況下，葉片的頭部與根部的寬度都比中間的葉片寬度小，這樣設(shè)計的理由是為了螺旋槳有更好的氣動性能 7、葉片厚度 用t來表示葉片厚度，葉片厚度就是螺旋槳旋翼的最大厚度。 而這次設(shè)計的螺旋槳的螺旋角為9.25°，葉片數(shù)是兩片，螺距是24.5mm，螺旋槳所用的材料是碳纖維，密度為1780，如圖4-1所示。 圖4-1 螺旋槳模型圖 4.2 螺旋槳材料的選擇 現(xiàn)在多旋翼無人機的螺旋槳制作材料有尼龍塑料、玻璃纖維和碳纖維三大種，大型飛機的螺旋槳用的特殊合金材料，與小型無人機不同的是，載荷不大，不適合用體積重量大的材質(zhì)。 上面所說三種材料，其中尼龍材料比較便宜，但是容易損壞，遇到高溫等惡劣環(huán)境老化速度快，因為尼龍塑料本身的特性，脆性大，容易斷裂，而玻璃纖維的材料雖然沒有尼龍塑料對環(huán)境的要求那么大，但是也存在不耐磨，容易折斷的缺點，而本次設(shè)計的無人機就是采用的是碳纖維材料，碳纖維是這三種材料中價格最貴的，當(dāng)然性能也最優(yōu)異的，無人機撒化肥對載荷要求比較大，可以在惡劣的環(huán)境下工作，除了螺旋槳之外，大多數(shù)機身也都是由碳纖維材料制成的。 4.3 無人機螺旋槳的運動特性 所謂運動特性，就是螺旋槳在前進或者旋向轉(zhuǎn)動的過程的運動指標(biāo)，螺旋槳主要是以電機來提供動力，根據(jù)飛行任務(wù)來改變它的飛行狀態(tài)。 4.3.1 螺旋槳的轉(zhuǎn)速 用n來表示螺旋槳的轉(zhuǎn)速，表示無人機飛行過程中每分鐘螺旋槳旋轉(zhuǎn)的次數(shù)，所以上面提到說，葉片的直徑直接會影響到螺旋槳的轉(zhuǎn)速，而且螺旋槳的旋轉(zhuǎn)速度在搭配驅(qū)動裝置的時候需要考慮它的轉(zhuǎn)動速度、功率和扭矩，一般在飛行過程中，可以通過遙控裝置來獲得不同的螺旋槳旋轉(zhuǎn)速度。 4.3.2 螺旋槳前進的速度 用來表示螺旋槳前進的速度，指在無人機飛行過程中單位時間內(nèi)朝前運動的距離，在設(shè)計六旋翼無人機的時候我們將它的飛行速度來判斷螺旋槳前進的速度，因為我們要保證無人機在空中作業(yè)時飛行效率的最大化。 4.3.3 螺旋槳旋轉(zhuǎn)一周的距離 用來表示六旋翼農(nóng)用無人機螺旋槳在旋轉(zhuǎn)一周的時候前進的距離，我們把螺旋槳每秒的轉(zhuǎn)速用來表示，而每秒前進的距離用來表示，所以得出以下公式（4-1）。 （4-1） 4.4 無人機螺旋槳的動力學(xué)特性 無人機螺旋槳的動力學(xué)特性表示無人機在飛行前進或者旋轉(zhuǎn)過程中的動力學(xué)特性，其動力學(xué)特性包括拉力、拉力系數(shù)、扭矩、扭矩系數(shù)、功率、功率系數(shù)、前進比、效率和力效等等。 4.4.1 螺旋槳的拉力和拉力系數(shù) 表示螺旋槳在旋轉(zhuǎn)過程中前后的壓力差從而產(chǎn)生的力叫做螺旋槳的拉力，我們用來表示，拉力系數(shù)用來表示，所以我們得出拉力的公式（4-2）。 （4-2） 其中，--空氣的密度 --螺旋槳的轉(zhuǎn)速 --螺旋槳的直徑 拉力系數(shù)為 （4-3） 4.4.2 螺旋槳的扭矩和扭矩系數(shù) 螺旋槳的扭矩就是無人機在飛行過程中前進或者旋轉(zhuǎn)時螺旋槳克服空氣阻力的力矩大小，我們用來表示，而扭矩系數(shù)我們用來表示，所以得出扭矩的公式（4-4）。 （4-4） 扭矩系數(shù)為 （4-5） 4.4.3 螺旋槳的功率和功率系數(shù) 螺旋槳的功率分為兩種，（1）螺旋槳的吸收功率（2）螺旋槳的有效功率。前者表示螺旋槳得到驅(qū)動裝置功率的多少，螺旋槳的有效功率表示螺旋槳產(chǎn)生向上的升力使飛機在空中執(zhí)行工作，在單位時間內(nèi)對無人機做功的大小。我們把有效功率用字母來表示，螺旋槳的有效功率用來表示，則他們的吸收功率系數(shù)來表示，所以可以得出螺旋槳的吸收功率和有效功率。 （4-6） （4-7） 在這里，表示螺旋槳的前進速度，而且。 螺旋槳的吸收功率系數(shù)，有效功率系數(shù)我們可以得出 （4-8） （4-9） 4.4.4 螺旋槳的前進比 螺旋槳的前進距離與螺旋槳的直徑之比，我們通常用J來表示，得出結(jié)論。 （4-10） 4.4.5 螺旋槳的效率 螺旋槳的有效功率也其吸收功率之比被稱為螺旋槳的效率，一般用來表示。 （4-11） 4.5 無人機機型與電機、螺旋槳之間的關(guān)系 一般來說，無人機螺旋槳的尺寸對于無人機飛行來說是影響很大的，如果旋翼的尺寸越大，那么旋翼對無人機產(chǎn)生的反扭矩就會越大，這也跟無人機的旋翼支架長度有關(guān)，但是本次設(shè)計無人機的時候不建議使用翼掌太長，這樣會大大地消耗蓄電池的電量，因為翼掌比較長的無人機，產(chǎn)生的空氣阻力也很大，不合適小型無人機的飛行，我們要清楚的了解電源、電機、ESC（電調(diào)）和旋翼之間的關(guān)系，因為再設(shè)計無人機機型、翼掌的時候要搭配合適的電機，不能隨意的搭配高KV（轉(zhuǎn)速）電機，否則，它將燒毀電機并損壞ESC，這樣會大大降低蓄電池的使用壽命。 5 PCB控制板、陀螺儀、遙控器的應(yīng)用 PCB控制板的原理是在六個螺旋槳的中心距相等的情況下，在電路板上設(shè)計電路并控制電機的旋轉(zhuǎn)，并對無人機的飛行進行控制。無人機飛行模擬圖如圖5-1所示。 圖5-1 無人機飛行模擬圖 5.1 六軸轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)與無人機飛行的原理 如上圖所示，六個電機的排列形成一個圓，我們把六個電機用數(shù)字1~6來表示，在飛行原理圖中就可以看到，當(dāng)電機