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JIANGXI AGRICULTURAL UNIVERSITY 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 題目： 六旋翼農(nóng)用無人機設(shè)計 學(xué) 院： 工 學(xué) 院 姓 名： 王 炯 學(xué) 號： 20100960 專 業(yè)： 農(nóng)業(yè)機械化及其自動化 年 級： 10級 指導(dǎo)教師： 劉木華 職 稱： 教授 二零一四年 五 月 摘 要 本次設(shè)計主題為“六旋翼農(nóng)用無人機模型設(shè)計”，結(jié)合我國當(dāng)前農(nóng)業(yè)機械化發(fā)展現(xiàn)狀，通過對命題的分析得到了更加清晰開闊的設(shè)計思路，設(shè)計作品具有系統(tǒng)性、實用性和創(chuàng)新性。 針對多旋翼農(nóng)用無人機，本文確定了“六旋翼農(nóng)用噴藥、航拍功能無人機”的設(shè)計說明書，介紹了無人機的設(shè)計過程，主要通過概念性論述，經(jīng)過對無人機結(jié)構(gòu)研究、分析的整體把握，以結(jié)構(gòu)、動力、控制三部分進行設(shè)計，并結(jié)合實際通過對多旋翼農(nóng)用無人機設(shè)想進行結(jié)構(gòu)改進、設(shè)計優(yōu)化以提高設(shè)計的應(yīng)用性，這種方法對類似產(chǎn)品的設(shè)計制造同樣具有借鑒作用。 設(shè)計方案包括無人機整體機架、噴藥機構(gòu)等，并給出了CAD設(shè)計圖、整體裝配圖PRO/E等內(nèi)容，確保無人機結(jié)構(gòu)簡單、適用靈活、便于普及、成本低廉等。 關(guān)鍵詞：六旋翼農(nóng)用無人機模型;CAD;PRO/E 24 Abstract The design theme for the "six rotor UAV model design of agricultural", combining the current situation of agriculture mechanization development, through the analysis of the proposition of the design ideas more clearly open, design work is systematic, practical and innovative. For multi rotor agricultural UAV, the "design specification of six rotor agricultural spraying, aerial functional UAV", introduces the design process of UAV, mainly through the concept of exposition, according to the study, no machine structure analysis in whole, to structure, power, control three parts design, combined with the the actual rotor UAV based on agricultural ideas for optimization design of structure improvement, so as to improve the application of design, this method also has a good effect on the design and manufacture of similar products. Design includes the UAV the whole machine, spraying device, and gives the design drawings, the overall assembly drawing etc., ensure that the UAV has the advantages of simple structure, flexible application, convenient, low cost etc... Keywords: six rotor UAV model design of agricultural;CAD;PRO/E 目 錄 Abstract 2 目 錄 3 一、緒 論 4 多旋翼農(nóng)用無人機的發(fā)展簡史 4 多旋翼農(nóng)用無人機的發(fā)展現(xiàn)狀與展望 5 二、六旋翼農(nóng)用無人機的機體與噴施結(jié)構(gòu)設(shè)計 7 1、六旋翼農(nóng)用無人機整體基本構(gòu)造設(shè)計 7 2、六旋翼農(nóng)用無人機噴施設(shè)備的基本構(gòu)造設(shè)計與工作原理 8 3、六旋翼農(nóng)用無人機的自平衡原理 8 三、六旋翼農(nóng)用無人機的動力系統(tǒng)與工作原理 10 動力系統(tǒng)基本組成 10 驅(qū)動電動機與電子調(diào)速器： 11 1、驅(qū)動電機參數(shù)的確定以及巡航時間的計算 12 1.1 無人機電機的選擇 12 1.2 無人機的工作時間 13 1.3 螺旋槳的設(shè)計 14 1.4 螺旋升力的計算： 15 2、電調(diào)的使用 15 3、PCB電子集合板、陀螺儀、攝像及遙控傳感器設(shè)備應(yīng)用 16 四、六旋翼農(nóng)用無人機的保養(yǎng)與保管 21 參考文獻 22 致 謝 23 一、緒 論 隨著社會生產(chǎn)力的進一步提高，農(nóng)用航空飛機，是利用微型飛機和噴施設(shè)備進行農(nóng)業(yè)作業(yè)的機械，它除了用來噴灑農(nóng)藥和化學(xué)除草劑、作物激素及脫葉劑等藥液外，還可以進行觀察農(nóng)情等作業(yè)。 而多旋翼農(nóng)用無人機，作為一種有動力、可控制、能攜帶完成農(nóng)用任務(wù)的設(shè)備，近幾年已倍受農(nóng)業(yè)科技人員的青睞。它沒有駕駛艙，但安裝了自駕儀、航拍攝像、飛行姿態(tài)控制等設(shè)備，以輔助無人機水平移動、垂直起降等方式運動，通過超低空飛行完成農(nóng)用任務(wù)和降落，便于多次作業(yè)。 多旋翼農(nóng)用無人機的發(fā)展簡史 多旋翼農(nóng)用無人機是飛機的一種，其發(fā)展歷史可以追溯到1903年，世界上第一架飛機的發(fā)明創(chuàng)造為其發(fā)展奠定基礎(chǔ)。而此后數(shù)十年間，該飛行設(shè)備分別在德國、美國、蘇聯(lián)等國的植保農(nóng)業(yè)中廣泛推廣使用，截止1978年，全世界擁有航空植保飛機25000余架，近幾年以每年遞增約2000架的幅度上升。同時，各國的農(nóng)用飛機有60余種，其中定翼型飛機40多種、旋翼型（直升）飛機20多種，有數(shù)據(jù)顯示世界上主要國家植保飛機數(shù)量和作業(yè)面積，如下（其中，1ha等于1公頃）： 表1 世界上主要國家植保飛機數(shù)量和作業(yè)面積（1990年統(tǒng)計） 主要國家 飛機數(shù)量（架） 作業(yè)面積（kha） 主要國家 飛機數(shù)量（架） 作業(yè)面積（kha） 蘇聯(lián) 8，000 81，000 古巴 184 5,152 美國 6，100 42,100 秘魯 174 1,000 加拿大 666 2,130 日本 158 1,622 墨西哥 450 3,000 危地馬拉 157 3,432 阿根廷 450 5,000 薩爾瓦多 136 1,395 澳大利亞 260 6,170 德國 100 1,840 新西蘭 213 3,320 南斯拉夫 92 1,200 哥倫比亞 208 5,229 世界上62個國家共有 18,800 506,667 尼加拉瓜 190 3,834 隨著專用航空植保飛機的先后設(shè)計和制造，作為技術(shù)較為成熟的農(nóng)用無人機也相繼出現(xiàn)，并迅速發(fā)展起來了。如美國的“農(nóng)貓式”航空植保飛機等，而1960年荷蘭就成立了國際航空植保中心，進一步擴大了農(nóng)用植保飛機的規(guī)模。截止到上世紀(jì)80年代，世界上擁有航空植保飛機數(shù)量超過100架的國家就有近20個。 1953年，我國民航部門專門成立了專業(yè)航空植保機械業(yè)務(wù)，并在1957年成功制造第一架-5型航空植保飛機。我國航空農(nóng)用機械事業(yè)是在北方平原地帶開展起來的，主要對小麥、棉花、水稻等作物進行航空植保。 隨著社會主義建設(shè)事業(yè)的輝煌成就，農(nóng)牧經(jīng)濟也得到了較快的發(fā)展，尤其是改革開放以來我國各項技術(shù)的突破性發(fā)展，關(guān)系到國計民生的農(nóng)牧經(jīng)濟對航空植保的需要愈來愈迫切。近幾年，我國自行設(shè)計制造的蜜蜂2號、3號和蜻蜓5號等超輕型飛機相繼試飛成功并投入生產(chǎn)。根據(jù)近幾年的實際生產(chǎn)狀況，航空植保在農(nóng)、林、牧各業(yè)中得到了廣泛的推廣使用，不但能夠及時、準(zhǔn)確、高質(zhì)量完成植保作業(yè)任務(wù)，而且在一定程度上可以大幅度提高勞動生產(chǎn)率，降低生產(chǎn)成本，減少了農(nóng)作物的損失。 然而，相對于我們地緣廣袤的農(nóng)業(yè)大國來說，國內(nèi)航空植保飛機數(shù)量還是相對較少，而且大部分是通用型飛機，技術(shù)技能、經(jīng)濟性、實用性以及效率等都比較落后。尤其是相對于南方多丘陵、山區(qū)地帶，通用型飛機不能很好地推廣使用，而微型多旋翼（直升）農(nóng)用無人機更合適，并十分順應(yīng)當(dāng)下農(nóng)業(yè)勞動者減少的現(xiàn)狀，達到提高工作效率的作用。 多旋翼農(nóng)用無人機的發(fā)展現(xiàn)狀與展望 我國現(xiàn)有的超輕型飛機，代表有蜜蜂2、3號和蜻蜓5號等，這些是根據(jù)我國國情設(shè)計制造的新型航空植保飛機。其中，這些型號的飛機結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、耗費少、載重大，尤其是易于駕駛，加上維護簡便，作為農(nóng)用飛機是十分經(jīng)濟的。 目前，我國使用較多的定翼植保飛機是1957年設(shè)計投產(chǎn)的，在國內(nèi)技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，但是與國外的先進機型相比，差距相當(dāng)大，在經(jīng)濟性、效率、飛行性上遠遠不夠，尤其是爬升率和加速性能。這些都是今后需要攻克的難關(guān)，所以本次六旋翼無人機是在傳承國內(nèi)先進技術(shù)的前提下，旨在進一步改善其性能，不僅要滿足南方多丘陵、山區(qū)地帶的農(nóng)業(yè)作業(yè)，而且要滿足當(dāng)前農(nóng)業(yè)勞動力下降的要求，提高一個人控制農(nóng)用飛機作業(yè)的勞動效率與積極性。 目前，農(nóng)用無人機在河南、山東、河北等地已經(jīng)出現(xiàn)，較多的為四旋翼、八旋翼等微型無人機，相比于平原地帶，類似江西、湖南等多丘陵、山區(qū)地帶，本次設(shè)計的六旋翼農(nóng)用無人機在性能與結(jié)構(gòu)上更加適合個體戶和大種植戶的適用于推廣。 1、具有良好的起飛、著落性能 六旋翼農(nóng)用無人機的作業(yè)現(xiàn)場都是農(nóng)場、林場以及牧場，沒有現(xiàn)成的飛機起飛降落場地。而六旋翼農(nóng)用無人機的機型較小，起飛的靈活性較好，更重要的是無人駕駛，所以其起飛、降落的場地可以是臨時性小面積空地即可，也就是說，六旋翼農(nóng)用無人機具有直升飛機降落特性、靈活性好。 2、噪音小、能見度較好 六旋翼農(nóng)用無人機是通過六個螺旋槳提供機械動力進行作業(yè)的，噪音相比于以往的蜜蜂型、蜻蜓型飛機十分小。另外，在飛行器上已經(jīng)安裝有航拍設(shè)備，便于工作人員在地面監(jiān)視工作現(xiàn)狀，通過無線電子設(shè)備傳輸清晰的工作畫面，利于達到對無人機的巡航操作。 3、操作性能好 六旋翼農(nóng)用無人機一次性連續(xù)作業(yè)可以達到近2小時，在具備直升機性能的條件下加上遠程控制，其加速性能、爬升率較大，能夠飛越電線、建筑物等障礙物；轉(zhuǎn)彎靈敏，便于噴施作業(yè)并節(jié)約時間，同時，六旋翼農(nóng)用無人機十分適合超低空作業(yè)飛行，其超低空控制性能也比較好，能夠保證噴施任務(wù)的順利完成，并不會傷害作物。 4、一次載重較大 航空植保飛機的結(jié)構(gòu)效率是飛機載重和起飛重量的百分比，而六旋翼農(nóng)用無人機能夠完成無人駕駛，在減少載荷的前提下一次性載重能夠達到100kg，屬于超輕型無人機，因此可以根據(jù)實際情況一次性作業(yè)可以多裝一些農(nóng)藥。 5、能源清潔、污染小 六旋翼農(nóng)用無人機的能源來自蓄電池，電能作為一種清潔、無污染能源，尤其是作業(yè)時噪音小，不會影響周圍人們的正常生活。 6、航行時間可再續(xù) 由于六旋翼農(nóng)用無人機的能量來源是蓄電池，所以設(shè)計中的蓄電池部件可以更換，因此在作業(yè)中，可以帶上備用蓄電池，以達到巡航時間的可再續(xù)性，便于長作業(yè)時間。 7、安全性能較好、便于檢查維護 六旋翼農(nóng)用無人機的結(jié)構(gòu)比較簡單，其中六個旋翼的堅固性能以及支架的合理結(jié)構(gòu)，能夠保證升降過程的安全性能；尤其是在其靈活的超低空飛行性能下，無人機的平穩(wěn)降落、升起性能較好。六旋翼農(nóng)用無人機的大部分零件都可以到市場上購置，而結(jié)構(gòu)也十分簡單，便于拆裝，利于對內(nèi)部構(gòu)件進行檢查維修，同時損壞的物件也方便更換，不至于影響現(xiàn)場作業(yè)。 8、減輕勞動強度、經(jīng)濟實用，并易于推廣 基于當(dāng)前農(nóng)業(yè)勞動者的文明程度的提升，六旋翼農(nóng)用無人機十分適合當(dāng)代熱衷于電子設(shè)備的青年人，并減輕他們的勞動強度；同時，六旋翼農(nóng)用無人機的造價比較低廉，適于農(nóng)業(yè)用戶的購置實用。 諸如以上綜合考慮，六旋翼農(nóng)用無人機作為一種創(chuàng)新型農(nóng)用設(shè)備十分適合當(dāng)代社會發(fā)展現(xiàn)狀，便于推廣使用。同時隨著人民群眾各方面文化素質(zhì)的提高，綠色環(huán)保、低能耗、高效益等理念深入人心，農(nóng)用無人機的多功能技術(shù)也倍受廣大農(nóng)田工作者和行業(yè)內(nèi)外人士的關(guān)注與研究，本次六旋翼農(nóng)用無人機的設(shè)計僅僅作為一個參考，希望能夠得到大家的認可。 二、六旋翼農(nóng)用無人機的機體與噴施結(jié)構(gòu)設(shè)計 1、六旋翼農(nóng)用無人機整體基本構(gòu)造設(shè)計 六旋翼農(nóng)用無人機主要有三個部分構(gòu)成，即為：機體部分、控制部分、動力部分。三個部分的功能各不相同,相互作用。機體部分指的是機身骨架,它為其他部分提供固定安裝和機械連接；動力部分指的是電池、電動機、液泵、機翼等部分,它為控制部分提供電力,并進行作業(yè)；控制部分指的是無人機的控制系統(tǒng),它為運動部分提供精密準(zhǔn)確的控制指令。 其中，六旋翼農(nóng)用無人機的整體設(shè)計如下圖： 該六旋翼農(nóng)用無人機的六個螺旋槳位于同一個平面上，通過六根長度不等的軸相連接在機架固定板上。這樣做的好處，主要是保證了機架上半部分（除去藥箱、活塞泵等下部部件）的重心位于中心的前提下，能夠承擔(dān)更大的負載。重心位于中心的位置將在以下內(nèi)容重點講述。 機體上半部分包括有螺旋槳、六個軸、上下固定板、GPS、電池、PCB電路板、電子陀螺儀、六個電機、攝像設(shè)備等重要部件及零件，主要完成動力、信息傳輸、控制、航拍等任務(wù)。 機體下半部分包括有藥箱、活塞泵、藥桿及噴頭、底座、支撐架等重要部件，主要完成噴藥任務(wù)。 2、六旋翼農(nóng)用無人機噴施設(shè)備的基本構(gòu)造設(shè)計與工作原理 六旋翼農(nóng)用無人機噴施結(jié)構(gòu)如下圖（簡圖），是由藥箱、活塞泵、傳感器、噴射部件和電子操縱控制裝置等組成。 1、藥箱； 2、 活塞泵； 3、 調(diào)壓設(shè)備； 4、 電源； 5、 噴藥桿； 6、 噴頭。 藥箱：用來盛裝藥液的箱體。箱體是一個圓柱筒，上端靠邊緣處設(shè)計了加液口（內(nèi)置過濾網(wǎng)、帶有小孔的蓋子等），下端安裝有壓力傳感器和泄液出端，并在上中下部位安有密度傳感器。當(dāng)液泵工作時，箱體的藥液便可以通過進液管源源不斷進入液泵中，同時，壓力傳感器就將箱體內(nèi)藥液產(chǎn)生的壓力數(shù)據(jù)傳輸給接收端，便于辨知箱體內(nèi)藥液的剩余量。 活塞泵：用來提供一定壓力和流量的液體到噴灑部件中去。它用卡箍固定在藥箱頂部，通過電動驅(qū)動液泵工作。工作時，通過電子操縱控制裝置操縱活門做動筒運動，使出液活門打開或關(guān)閉，控制液泵出來的藥液通過出液管送到噴灑部件。 調(diào)壓設(shè)備：也即調(diào)壓控制裝置，是通過電子設(shè)備操控出液壓力。 相關(guān)的噴量計算公式： 用Q表示噴灑量，單位為m3/公頃，主要取決于每個噴頭的噴量、噴頭的數(shù)量、噴幅和飛行速度。即為： Q = 式中 Q為所需噴量； N為噴頭數(shù)； q為噴頭排量（m3/s）； B為噴副（m）； 為飛行速度（m/s）。 檢查噴灑量時，可以把定量的藥液放入藥箱中，然后以合適的壓力定時把它噴出，根據(jù)排出箱中的藥液量能夠確定噴灑量。 3、六旋翼農(nóng)用無人機的自平衡原理 在六旋翼農(nóng)用無人飛行機中，雖然其六軸不一樣長，但是仍然位于同一圓上，而且其重心仍在中間位置。除此之外，有2個軸上的螺旋槳為主旋翼,2個主旋翼旋轉(zhuǎn)方向相反；外側(cè)4個為副旋翼,相鄰2個旋翼旋轉(zhuǎn)方向兩兩相反,2個順時針旋轉(zhuǎn),2個逆時針旋轉(zhuǎn)。其整機升力主要由2個共軸旋翼提供,飛行器的姿態(tài)調(diào)整由4個副旋翼控制。六旋翼飛行器可以通過調(diào)節(jié)各電機的轉(zhuǎn)速來改變牽引力的大小,實現(xiàn)飛行姿態(tài)與航向的控制，并具自平衡性。 當(dāng)所有旋翼產(chǎn)生的升力等于無人機自身的重力時，飛行器保持懸停狀態(tài)。無人機的升降運動有2個主共軸旋翼決定。當(dāng)2個共軸主旋翼旋的轉(zhuǎn)速共同減小,所有旋翼產(chǎn)生的升力小于飛行器自身的重力時,飛行器下降。當(dāng)2個共軸主旋翼旋的轉(zhuǎn)速共同增大,所有旋翼產(chǎn)生的升力大于飛行器自身的重力時,飛行器升高。 無人機要偏轉(zhuǎn)航向,需要所有旋翼產(chǎn)生的反扭矩不平衡。六旋翼無人機的偏航由2個共軸主旋翼決定。2個共軸主旋翼旋轉(zhuǎn)方向相反，平衡所有旋翼產(chǎn)生的反扭矩。當(dāng)2個共軸主旋翼平衡了所有旋翼產(chǎn)生的反扭矩時,無人機無偏航。當(dāng)順時針旋轉(zhuǎn)旋翼轉(zhuǎn)速降低,逆時針旋轉(zhuǎn)旋翼轉(zhuǎn)速增大,且2個共軸主旋翼所產(chǎn)生的升力之和保持不變時,無人機順時針偏航。當(dāng)逆時針旋轉(zhuǎn)旋翼轉(zhuǎn)速降低,順時針旋轉(zhuǎn)旋翼轉(zhuǎn)速增大,且2個共軸主旋翼所產(chǎn)生的升力之和保持不變時,無人機逆時針偏航。 無人機水平移動由4個副旋翼決定。由于所有旋翼無法產(chǎn)生水平方向上的牽引力,所以飛行器需要產(chǎn)生傾斜,由升力在水平方向上的分力推動飛行器水平移動。當(dāng)一側(cè)的2個副旋翼轉(zhuǎn)速增大,產(chǎn)生的升力增大,而另一側(cè)的2個副旋翼轉(zhuǎn)速降低,產(chǎn)生的升力降低時,無人機的姿態(tài)產(chǎn)生傾斜,無人機朝姿態(tài)降低的一側(cè)水平移動。當(dāng)轉(zhuǎn)速共同變化發(fā)生在前后兩側(cè),無人機產(chǎn)生姿態(tài)發(fā)生俯仰,并產(chǎn)生前后運動。當(dāng)轉(zhuǎn)速共同變化發(fā)生在左右兩側(cè),無人機產(chǎn)生姿態(tài)發(fā)生翻滾,并產(chǎn)生左右運動。由于無人機任意一個側(cè)面的兩個副旋翼的旋轉(zhuǎn)方向都是相反的。因此,同側(cè)副旋翼轉(zhuǎn)速共同增大和降低,不會引起反扭矩的平衡。 綜上所述,六旋翼無人機實現(xiàn)了空間6個自由度(分別沿3個坐標(biāo)軸作平移和旋轉(zhuǎn)運動)的運動。在實際使用情況下,有用的主要運動為沿3個坐標(biāo)軸作平移運動和繞垂直軸的旋轉(zhuǎn)運動，俯仰運動和翻滾運動為水平運動的誘導(dǎo)運動。 三、六旋翼農(nóng)用無人機的動力系統(tǒng)與工作原理 農(nóng)用無人飛機的動力大致可分為燃油動力、電動和其它三類。其它主要有噴氣發(fā)動機、渦輪發(fā)動機和火箭發(fā)動機等幾種；而燃油動力是指用汽油、煤油和甲醇等燃料發(fā)動機做動力；電動則是指以電池推動電動機做動力的動力系統(tǒng)。? 相比較而言，前兩類是傳統(tǒng)的動力系統(tǒng)，其發(fā)展幾近百年，而電動則是最近幾年才發(fā)展起來的，而且是由于手機廠家為增加待機時間和減輕手機重量，不斷推出容量大、體積小、重量輕的鋰電池為前提而推廣起來的。因此，基于蓄電池的基本特點優(yōu)勢和便捷的可再充電模式，鋰電池就是本次無人機設(shè)計所使用的動力來源，并給電機等部件工作提供能量。 動力系統(tǒng)基本組成 電動無人機的動力系統(tǒng)主要由四個部件組成：電池、電動機、電子調(diào)速器和螺旋槳等。 電池：現(xiàn)在可用做模型動力的電池種類很多，鎳氫(Ni-MH)、鎳錳(NiOH-MnO2)、鋰金屬(Li)、鋰聚合物（Li-Poly）等電池都行，其中以鎳氫電池和鋰聚合物電池以其優(yōu)異的性能和低廉的價格成為本次農(nóng)用無人機設(shè)計中的首選。? 表示電池性能的標(biāo)稱有很多，我們最關(guān)心的是電壓、容量和放電能力這三個。? 電池的電壓是用伏特（V）來表示的。標(biāo)稱電壓只是廠家按照國家標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)示的電壓，實際上使用時電池的電壓是不斷變化的。例如鋰電池的標(biāo)稱電壓是11.2V，充電后電壓可達12V，放電后的保護電壓就為11V。在實際使用過程中，電池的電壓會產(chǎn)生壓降，這是和電池所帶動的負載有關(guān)的，也就是說電池所帶的負載越大，電流越大，電池的電壓就越小，在去掉負載后電池的電壓還可恢復(fù)到一定值。? 電池的容量一般是用毫安時（MAH）來表示的。它的意思是電池以某個電流來放電能維持一小時，例如16000mAH就是這個電池能保持16000毫安（16安培）放電一小時。但是電池的放電并非是線性的，所以我們不能說這個電池在8000毫安時能維持2小時。不過電池在小電流時的放電時間總是大于大電流時的放電時間，所以我們可以近似的算出電池在其它電流情況下的放電時間。 一般來說，電池的體積越大，它儲存的電量就越多，這樣飛機的重量也會增加，所以選好合適的電池對飛行是很有好處的，其中蓄電池的電量是可以根據(jù)容量指數(shù)，依據(jù)W=U·I·T求出總電量。 電池的放電能力是以倍數(shù)（C）來表示的，它的意思是說按照電池的標(biāo)稱容量最大可達到多大的放電電流。例如一個16000mAH、15C的電池，最大放電電流可達16000×15=15000毫安（15*16）安培（A）。在實際使用中，電池的放電電流究竟是多少是與負載電阻有關(guān)的，根據(jù)歐姆定理我們知道，電壓等于電流乘電阻，所以電壓和電阻是定數(shù)時，電池的放電電流也是一定的。例如你使用11.1V、1000mAH、15C的電池，而你的電動機的電阻是1.5歐姆，那么在電池有12V電的情況下，忽略電調(diào)和線路的電阻不計，電流等于12÷1.5=8，結(jié)果是8安培（A）。? 在實際使用中電池的電壓和電流不一定與我們的需要相符，所以必須串聯(lián)和并聯(lián)來使用。串聯(lián)是指把幾個單節(jié)電池頭尾相接的連接起來，也就是說正極接負極、負極接正極的連接起來，其總電壓等于各節(jié)電池的總和，放電電流等于單節(jié)的放電電流，容量也等于單節(jié)的容量。并聯(lián)是指把幾節(jié)或幾組電池頭對頭、尾對尾的連接起來，也就是說正極接正極、負極接負極，并聯(lián)后的電壓等于單節(jié)電池或電池組的電壓，電流等于各電池組的總和，容量還是原來的容量?？傊姵卮?lián)后只是電壓增加，并聯(lián)后只是電流增加，而其它的則不變。 綜上所述，主要考慮到無人機載荷、體型大小和實際工作需要，通過搜索資源，我在市場上選用了一款蓄電池，品名為格氏ACE鋰電池，如右圖： 其中的性能指標(biāo)如下： 品名 格氏ACE 鋰電池 最小容量 16000mAh 放電倍率 15C 組合方式 6S1P/22.2V 尺寸 67*76*180mm 內(nèi)阻 13-17毫歐 重量 1860g 充電插頭 4針標(biāo)準(zhǔn)平衡充電插頭 放電插頭 T頭 或 JST頭 應(yīng)用范圍 大負載6軸、8軸航拍飛行器等； 需要注意的是，電池的串聯(lián)和并聯(lián)要求單節(jié)電池或電池組的性能一致，這是因為在電路中如果有個別電池的電壓過低，其它電池就會為它充電，那總電壓或總電流就會低于我們的要求，同時也會造成好電池的損壞，這也是為什么鋰電池要用平衡充電的原因。 另外，不管是鎳氫電池還是鋰電池都是可充電的電池，充電過程對電池的壽命有相當(dāng)大的影響。一般來說，電池的充電時間是和充電器的電流相關(guān)聯(lián)的。 所以，對于16000mAH的電池，充電電壓是它的額定電壓，充電器的電流是5000毫安，那么充電時間就等于16000÷5000=3.2兩小時。但這只是說從零電壓充起情況下的，屬于理想狀態(tài)，實際的充電時間還要看蓄電池的時間電量。但這不能說明使用大電流充電就能節(jié)約時間，實驗證明，大電流充電會對電池的性能造成一定程度的破壞。因此，根據(jù)廠家要求，基于鋰電池優(yōu)越的性能，所選蓄電池一次性充電時間大概為3個小時。 驅(qū)動電動機與電子調(diào)速器： 目前，微型飛行器的動力裝置主要有：電動機或內(nèi)燃機帶動螺旋槳驅(qū)動、微型渦輪發(fā)動機驅(qū)動等。雖然內(nèi)燃機具有燃料效率高、輸出功率大等特點，但是它的調(diào)速不方便、啟動困難等缺點限制了它在微型飛行器上的應(yīng)用。微型渦輪發(fā)動機從理論上說是最理想的選擇，但是世界上對微型渦輪發(fā)動機的研究還不足以達到實際應(yīng)用的水平。而電動機雖然由于電池容量的限制、存在飛行時間短等特點，但是它具有極高的可靠性、低噪音和價格經(jīng)濟等優(yōu)點，使電動機在微型飛行器的動力裝置中使用最為普遍。 作為微型無人機關(guān)鍵部件之一，驅(qū)動電機自身的工作特性，帶上螺旋槳后整個動力裝置對微型無人機的操縱、巡航時間和飛行速度等方面都會產(chǎn)生嚴重的影響，因此要慎重對待電機的選擇。 1、驅(qū)動電機參數(shù)的確定以及巡航時間的計算 在確定微型無人機基本性能指標(biāo)后，根據(jù)設(shè)計要求首選驅(qū)動電機基本參數(shù)，保證其能夠完成低空巡航。一方面要根據(jù)根據(jù)無人機飛行過程中對動力裝置的性能要求進行分析；另一方面，由于工作任務(wù)的需要，在保證動力的前提下，必須確保電機穩(wěn)定的巡航工作時間。電機額定功率過大，則電機長期處于欠載狀態(tài)，降低了效率，同時也會增加全機起飛重量。相反額定功率選擇太小，電機長期在過載狀態(tài)下運行，不僅縮短了使用壽命，而且最重要的是不能使電動機工作在經(jīng)濟狀態(tài)，過分消耗無人機上蓄電池的電能，對延長巡航時間、增加飛行距離十分不利。 除此之外，農(nóng)用無人機的電機選擇將直接影響蓄電池所提供的有限電能來完成巡航任務(wù)的有效時間。 1.1 無人機電機的選擇 全機起飛質(zhì)量是電機參數(shù)計算的重要依據(jù)之一。六旋翼農(nóng)用無人機的起飛總質(zhì)量由以下公式表示： 式中：表示無人機的起飛質(zhì)量；為無人機結(jié)構(gòu)質(zhì)量；為動力部分的質(zhì)量，包括電機、螺旋槳等不隨飛行發(fā)生變化的質(zhì)量；為蓄電池質(zhì)量，在飛行中也不會發(fā)生變化；為農(nóng)用工作部分的質(zhì)量，包括藥箱、噴灑藥液設(shè)備、液泵設(shè)備等；為航空電子、拍攝、傳感器等設(shè)備的質(zhì)量。 通過查詢資料，根據(jù)下表1可以看出，無人機在飛升狀態(tài)中需要的拉力（升力）越大，所需要的功率就越大，所以選擇提供的總升力越大，需要選擇的電動機總功率應(yīng)較大一些，并保證巡航時間最長。 為了與螺旋槳達到一定的配合，并按照實際設(shè)計要求，并基于傳統(tǒng)有刷直流電動機具有有刷換向設(shè)備、是以機械方式進行換向，存在噪聲、火花及壽命短等缺點，微型無刷直流電動機作為了本次設(shè)計中最佳的機械動力設(shè)備選擇。 微型無刷直流電動機采用的是電子換向，其輸出功率和效率較高，同時噪音小、壽命較長并無其他明顯缺點，本次設(shè)計所選定的無刷直流盤式電機型號為MT3515-15，如圖： 電機基本參數(shù)如下： 1.2 無人機的工作時間 在理論上，我們所選蓄電池提供的電壓為U=22.2V，電流I為（16*15）A，可持續(xù)供電時間T為1h，則蓄電池可以提供的電能為： =U*I*T 假設(shè)忽略電路上損耗的部分電能，蓄電池將電能完全轉(zhuǎn)化為機械能時，電機的工作時間t可以根據(jù)公式： ==P·t 求出 t0.99h 據(jù)資料顯示，目前國內(nèi)的農(nóng)用無人機駕駛時間大概為1.5小時左右，顯然，此無人機在蓄電池供電情況下，一次性作業(yè)時間約1小時，基本符合設(shè)計需求，同時在實際作業(yè)中可根據(jù)具體情況更換能量更大的蓄電池。 1.3 螺旋槳的設(shè)計 螺旋槳葉片表面積相對越大，產(chǎn)生推力越大、效率越高。但相對較大的螺旋槳，飛機飛行起來會很耗電，因為螺旋槳產(chǎn)生的阻力會比較大。所以，選擇什么型號的螺旋槳必須根據(jù)電機KV值和蓄電池提供的電壓及容量進行搭配，尤其是不能選用較高KV值的電機，主要是避免電機連同電調(diào)燒掉。 為達到有效較高的效率，螺旋槳與蓄電池、電機等三者之間應(yīng)有合理的搭配設(shè)置。其中，電機的轉(zhuǎn)速（空載）是KV值*電壓，所以KV值越大，電機提供的扭力就越小，因此電機的KV值的大小與螺旋槳有密切的關(guān)系。電機與螺旋槳的理論配置，如下： 6S電池下：KV900-1000的電機配1060或1047槳，9寸槳即可；KV1200-1400配9050（9寸槳）至8、6槳；KV1600-1800左右的7至6寸槳；KV2200-2800左右的5寸槳；KV3000-3500左右的4530槳。 3S電池下：KV1300-1500左右用9050槳；KV1800左右用7060槳；KV2500-3000左右用5X3槳；KV3200-4000左右用4530槳。 綜合上述搭配原則，考慮到噴施設(shè)備、航拍設(shè)備工作情況，在本次設(shè)計中所采用的螺旋槳是通用比例的槳，精度較好，基本尺寸是根據(jù)電機、螺旋槳、蓄電池三者之間關(guān)系設(shè)計的，便于批量生產(chǎn)，產(chǎn)品如下圖： 選用的螺旋槳參數(shù)如下： 翼角 Α為9.25° 葉片數(shù)N 2個 直徑D 20*2.45cm 螺距P 0.245m 漿寬度C 0.044m 材質(zhì) 碳素纖維 Hexcel AS4C (3000 絲) 密度ρ 1780kg/m3 質(zhì)量m 297.93 克 1.4 螺旋升力的計算： 根據(jù)螺旋槳拉力計算公式：直徑（米)×螺距(米）×漿寬度（米）×轉(zhuǎn)速2（轉(zhuǎn)/秒）×1大氣壓力（1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓）×經(jīng)驗系數(shù)（0.25）=拉力（公斤） 一個螺旋槳的拉力=DPCV2x1x0.25 =0.49x0.245x0.044xVxVx1x0.25 =28.9kg 綜上動力系統(tǒng)設(shè)計，該無人機能夠提供約150kg的拉力，足夠現(xiàn)場作業(yè)使用。 2、電調(diào)的使用 蓄電池的供電量取決于電機和液壓泵的轉(zhuǎn)速。曲軸轉(zhuǎn)速越大，耗電量自然就越大；反之，耗電量就減少。無人機的負載隨著噴施化學(xué)藥品變化較大，轉(zhuǎn)速也跟著變化。具體講就是：無人機的負載減少時，轉(zhuǎn)速會升高，轉(zhuǎn)速升高容易導(dǎo)致飛行飛行速度提升、耗電量增加，對化學(xué)藥品的噴施、農(nóng)田檢測都十分不利。同理，無人機的負載比較大時，轉(zhuǎn)速較低，也將導(dǎo)致一些列不利的變化。為改變這種不利因素，就要求一種根據(jù)負載變化自動調(diào)節(jié)供電量和轉(zhuǎn)速，使蓄電池與用電設(shè)備達到合理的配合，便于農(nóng)田作業(yè)。 因此，六旋翼農(nóng)用無人機要滿足實際使用要求，就必須安裝電調(diào)，它能根據(jù)無人機的負載等變化自動調(diào)節(jié)電機等用電設(shè)備的轉(zhuǎn)速，保證無人機的正常作業(yè)。 電調(diào)全稱電子調(diào)速器，英文electronic speed controller,簡稱ESC。然而，針對不同的電機，可分為有刷電調(diào)和無刷電調(diào)，它根據(jù)控制信號調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速，如圖： 對于它們的連接，一般情況下是這樣的： (1) 電調(diào)的輸入線與電池連接； (2) 電調(diào)的輸出線（有刷兩根、無刷三根）與電機連接； (3) 電調(diào)的信號線與接收機連接。 另外，電調(diào)一般有電源輸出功能，即在信號線的正負極之間，有5V左右的電壓輸出，通過信號線為接收機供電，接收機再為舵機等控制設(shè)備供電。 電調(diào)的輸出為三～四個舵機供電是沒問題的。因此，電動飛機，一般都不需要單獨為接收機供電，除非舵機很多或?qū)邮諜C電源有很高的要求。 3、PCB電子集合板、陀螺儀、攝像及遙控傳感器設(shè)備應(yīng)用 六軸多旋翼無人機的飛行原理是通過控制六個螺旋槳的正反轉(zhuǎn)及轉(zhuǎn)速進行的，基于市場上已經(jīng)設(shè)計生產(chǎn)了多種PCB控制板，可以通過定制一款合適的PCB板集合各種需要的電子元件進行無人飛機作業(yè)操控，所以本設(shè)計中重要參考了該功能的原理，隨后可能進一步的研發(fā)會進行該項目的開拓。PCB板的設(shè)計原理是在保證每一個螺旋槳的中心距相等下，在電路板上設(shè)計電路進行電機的旋轉(zhuǎn)控制，以達到對無人機的控制。 當(dāng)對角兩個軸產(chǎn)生的升力相同時能夠保證力矩的平衡,一個六軸飛行器有六個電機呈*形排列,驅(qū)動六片槳旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生推力；六個電機軸距幾何中方向傾轉(zhuǎn)；而六個電機三個正轉(zhuǎn),三個反轉(zhuǎn)的方式使得繞豎直軸方向旋轉(zhuǎn)的反扭矩平衡，保證了六軸航向的穩(wěn)定。六軸電機旋轉(zhuǎn)方向如下圖： 此飛行控制板規(guī)定六軸電機的排布方式如圖所示:前(3,5號)、后(4,6號)、右(1號)、左(2號)；3,1,6號電機順時針方向旋轉(zhuǎn),5,4,2號電機逆時針方向旋轉(zhuǎn)。 六個電機的轉(zhuǎn)速做相應(yīng)的變化即可實現(xiàn)六軸受力調(diào)整，進行橫向、縱向、豎直方向和偏航方向上的運動。當(dāng)無人機需要向前方運動時,6、4號電機保持轉(zhuǎn)速不變,3、5號電機轉(zhuǎn)速下降，6、4號電機轉(zhuǎn)速就會上升,此時6、4號電機產(chǎn)生的升力大于3、5號電機的升力,六軸就會沿幾何中心向前傾轉(zhuǎn),從而使無人機向前方運動。通過類似的原理，進過PCB板上安裝的電子信號的傳輸設(shè)備及相關(guān)電子設(shè)備，工作人員可以遠程進行控制無人機的運動。 無人機上的每一個功能都有相應(yīng)的模塊，如氣壓高度計、GPS模塊等，具有5個不同的OSD疊加界面，配件從低端到高端提供多種選擇，可根據(jù)自己的需要組成不同的組合，以達到不同的功能，相應(yīng)的功能是非常之強大的。另外，飛控的固件是可升級的，便于進一步推進無人機的人性化、平民化及適應(yīng)性。 對于需要實時控制的航模飛機來說，除了直接接收到信號，靠任何之外的無線電特性提高距離的方式都是不可靠的，盡管長波中波繞射能力極強，依然受空間環(huán)境制約，很不穩(wěn)定。因此，需要在遙控信號傳輸中添加“天線”。 全向天線:無線電專業(yè)里常叫鞭狀天線。它就象一個燈管，它的發(fā)射泛圍，垂直放置時，是在水平方向上向周圍散射，在360度泛圍內(nèi)都有均勻的場強分布，是我們比較常用的一種形式。水平放置時，假如天線是東西方向放置，場強分布是包括天空在內(nèi)的南北方向，以及天線到地面的南北方向空間泛圍內(nèi)分布。因此垂直天線，主要針對水平方向的目標(biāo)，水平天線主要針對垂直高度上的目標(biāo)，和窄范圍內(nèi)的水平目標(biāo)。 上圖為無人機上設(shè)置的電子元件，基本參數(shù)如下： 遙控飛機陀螺儀的原理就是一個旋轉(zhuǎn)物體的旋轉(zhuǎn)軸所指的方向在不受外力影響時，用它來保持方向，制造出來的儀器就叫陀螺儀。例如，騎自行車其實也是利用了這個原理。輪子轉(zhuǎn)得越快越不容易倒，因為車軸有一股保持水平的力量。遙控飛機陀螺儀在工作時要給它一個力，使它快速旋轉(zhuǎn)起來，一般能達到每分鐘幾十萬轉(zhuǎn)，可以工作很長時間。然后用多種方法讀取軸所指示的方向，并自動將數(shù)據(jù)信號傳給控制系統(tǒng)。在本次六旋翼農(nóng)用無人機的設(shè)計中，陀螺儀采用了P1-GYRO型號的飛控設(shè)備來代替，主要是配備一些傳感設(shè)備通過自動控制電機等動力系統(tǒng)，同樣能達到上述功能，使無人機保證順利的航行，產(chǎn)品如下圖： P1-GYRO產(chǎn)品介紹 體積：26*39MM；重量：6克左右；工作電壓：3.5-6V. P1-GYRO產(chǎn)品介紹在六軸增穩(wěn)的基礎(chǔ)上，增加飛控開關(guān)控制模式和六軸鎖定（AVCS）模式，該模式采用了角度向量控制算法，對飛機圍繞六個運動軸的角度偏移進行實時檢測和修正，使飛機具備始終保持上一時刻姿態(tài)的能力和趨勢，所以稱之為鎖定，鎖定與普通增穩(wěn)模式相比，鎖定模式不僅可以大大提升飛行穩(wěn)定性，甚至可以在無人為操控（脫控）的情況下，實現(xiàn)自主吊機、側(cè)飛等高難度動作。P1-GYRO產(chǎn)品可以通過一個3段式開關(guān)在普通增穩(wěn)、六軸鎖定（AVCS）和陀螺儀關(guān)閉3種飛行模式之間進行隨時切換，體驗完全不一樣的飛行樂趣。 P1-GYRO飛控對飛機的電動機翼伸展大小無限制，屬于通用型飛行控制器，可以提升飛機飛行性能和飛機可控性，抵消各種影響飛機姿態(tài)的外部因素。例如，容易失速的飛機，或者本來外形設(shè)計就不好飛的飛機，還有風(fēng)和氣流等等，飛控都能自動抵消這些負面因素。 初次使用請按照說明書安裝和調(diào)試：感度調(diào)試建議初次飛行先把感到關(guān)到最小，按每次加大5分鐘的量程來進行試飛調(diào)整，飛控板上出廠設(shè)置時50%的位置，請不要把出廠設(shè)置為標(biāo)準(zhǔn)，請根據(jù)你的飛機和動力配置調(diào)整適合的感度。 除了上述中定制的PCB電子集合板、遙控、電調(diào)等設(shè)備外，在無人機上還有安裝攝像設(shè)的設(shè)計，主要選用了型號體積偏小、重量較輕的電子攝像設(shè)備，攝像前端為單攝像頭（電子眼），如下圖： 5.8g 無線貓眼攝像機和5寸顯示屏 (90度,動態(tài)監(jiān)測,100米無干擾) TE968H是我司研發(fā)的新一代便攜式無線迷你DVR錄像系統(tǒng)。5英寸超大高清顯示屏，可接收和錄制無線和有線攝像機AV信號，并具備拍照、移動偵測錄像、自動覆蓋功能。無論是安全防范，還是掌握證據(jù)，此款便攜式無線迷你DVR都是最佳之選，可廣泛用于農(nóng)田監(jiān)控。 一、主要特性： 1、無干擾5.8G頻率；黃銅的外殼，高貴耐用； 2、和原光學(xué)貓眼一樣的外觀，更換之后外觀保持原樣； 3、0.008LUX超低照度，在微光下看清訪客； 4、90°寬視角； 5、13.8mm超小尺寸直徑，使用方便，不用鉆洞，直接安裝； 6、低功耗，保證長時間的工作壽命； 7、操作方便、無需穿孔引線，無線監(jiān)視器或DVR在客廳或房間進行監(jiān)控,方便快捷。 8、打開無線監(jiān)視器或DVR，調(diào)到與貓眼攝像機相同的頻道即可進行監(jiān)控。 二、 產(chǎn)品規(guī)格 工作頻率 5．8G帶內(nèi)1 CH1:5865MHz; CH2: 5845MHz; CH3: 5825MHz; CH4: 5805MHz. 工作頻道24選1 CH5:5785MHz; CH6: 5765MHz; CH7: 5745MHz; CH8: 5725MHz 5．8G帶外 CH9:5705MHz;CH10:5685MHz;CH11: 5665MHz; CH12: 5645MHz. CH13:5885MHz; CH14:5905MHz;CH15:5925MHz;CH16: 5945MHz 5．8G帶內(nèi)2 CH17:5733MHz;CH18:5752MHz;CH19:5771MHz;CH20: 5790MHz. CH21:5809MHz;CH22:5828MHz;CH23:5847MHz; CH24: 5866MHz 天線 外置天線 RF輸出功率 25mW 傳輸距離 100米 像素 NTSC：720（H）×480（V） PAL：720（H）×576（V） 水平清晰度 480TV Lines 最低照度 0.008Lux/F1.2 鏡頭 & 視角 0.5mm F1.2 / 90 ° 門孔尺寸(L x D) 38-60mm X 14mm 凈重（克） 20克 電流 230mA 電壓 DC 4V 環(huán)境溫度 - 20°C ~ + 50°C ，相對濕度85﹪ 配件：使用說明書X 1本、立體聲耳機X1副、USB線X 1根、電源適配器X 1個 在本設(shè)計中，用到的傳感器有：動力傳感器、風(fēng)力傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器、壓力傳感器等。 四、六旋翼農(nóng)用無人機的保養(yǎng)與保管 六旋翼農(nóng)用無人機的保養(yǎng)與保管主要在于電子元件的保管、機架的除塵以及各連接處的緊固情況。 1、確保每次使用完之后，徹底清除機架上殘留的藥液、灰塵，最好進行干燥處理。 2、每次使用完要及時限量充電，避免電子元件老化。 3、使用前要確保電池電量充足，避免作業(yè)中途出現(xiàn)異常。 4、對機架、藥箱、固定架等零部件進行涂漆，避免腐蝕。 5、對零動部件如螺旋槳、活塞泵等幾十進行潤滑處理。 6、機具的入庫。一次作業(yè)結(jié)束后，在確保之前處理的前提下，將機具入庫，最好放置在室內(nèi)，并墊木塊或遮蓋物。如果有條件，最好要有專人負責(zé)，定期檢查。 7、六旋翼農(nóng)用無人機的設(shè)計制造要求較多，在保養(yǎng)和保管中，要結(jié)合制作過程和最后的成品條件進行妥善養(yǎng)護。 參考文獻 （1） 王 榮等，植保機械學(xué)，第一版，北京：機械工業(yè)出版社 1990 （2） 王忠群、王利民等，植保機械的使用與維修，北京：機械工業(yè)出版社，2000 （3） 錢東平、楊欣等，植保機械使用與維修，石家莊：河北科技技術(shù)出版社，2008 （4） 李寶筏.農(nóng)業(yè)機械學(xué)，北京：中國農(nóng)業(yè)出版社，2003 （5） 王保國、劉淑艷、劉艷明、于勇，空氣動力學(xué)基礎(chǔ)，第一版，北京：國防工業(yè)出版社，2009 致 謝 首先，要特別感謝我的導(dǎo)師劉木華教授對我的指導(dǎo)，重要的是劉院長兼任工學(xué)院院長一職，并有自己的科研團隊，劉院長并沒有因為自己工作繁忙而忽略對我的指導(dǎo)。在劉院長老師身上，時刻體現(xiàn)著教育工作者和科研工作者所特有的嚴謹求實的精神，他勇于探索的工作態(tài)度和求同思變、不斷創(chuàng)新的治學(xué)理念，不知疲倦的敬業(yè)精神和精益求精的治學(xué)要求，讓我受益匪淺，不僅端正了我的學(xué)習(xí)態(tài)度，更端正了我的人生態(tài)度。 另外，感謝所有給予我關(guān)心和支持的老師和同學(xué)使我能如期完成這次畢業(yè)設(shè)計。謝謝各位老師和同學(xué)！ 最后，還要感謝班上的其他同學(xué)尤其是我的室友，他們在尋找資料，解答疑惑等方面，都給了我很大的幫助和借鑒。 做畢業(yè)設(shè)計是再一次系統(tǒng)學(xué)習(xí)的過程，畢業(yè)設(shè)計的完成，同樣也意味著新的生活的開始。 希望大家在將來的生活中繼續(xù)追逐最初的夢想，永不放棄。