多旋翼无人植保机技术特点分析

隆清贤

（国防科学技术大学，湖南 长沙 410000）

多旋翼无人植保机技术特点分析

隆清贤

（国防科学技术大学，湖南 长沙 410000）

近年来，伴随我国科学技术的不断发展，不少优势技术逐步朝向农业、林业等行业发展，无人植保机是其中的一个典型。无人植保机是通过地面遥控，对农作物进行药物喷洒的一种植保机械，它的高效、可靠受到了农民朋友的喜爱。无人植保机主要由结构承力部件、升力部件、控制部件及喷洒部件组成，需考虑各部分的有效性及相互协调性。文章通过对八旋翼无人植保机的各部分的说明，来分析植保机的技术特点。

无人植保机；承力部件；升力部件；控制部件；喷洒部件；技术特点

1 八旋翼无人植保机组成及技术参数

八旋翼无人植保机主要由结构承力部件、升力部件、控制部件及喷洒部件等四部分组成，主要用于喷药除害及洒水等工作。其结构简图如图1所示。

图1 八旋翼无人植保机结构简图

结构承力部分主要由机架、机臂及脚撑杆等组成；升力部件主要由旋翼、电机、电调等组成；控制部件主要由传感器模块（加速度计、陀螺），控制模块（机载控制板、地面遥控手柄），电源模块等组成；喷洒部件主要由药箱、增压泵、管路及喷头等组成。

八旋翼无人植保机的主要技术参数如表1所示。

表1 八旋翼无人植保机的主要技术参数

2 结构承力部件受力分析

八旋翼无人植保机结构承力部件所受外力一部分是自身各部件的重力，另一部分是旋翼旋转所产生的升力，再有一部分是在工作过程中由于控制需求产生的加速度所带来的惯性力。根据现阶段市场上碳纤材料的物理属性：抗拉强度7.00GPa，抗拉模量600GPa，密度2.1g/cm3，及旋翼所承受最大升力情况，对八旋翼无人植保机承力部件受力进行简化分析。受力情况如图2所示。

结构承力部件在承受外界各种力的情况下，最大应力接近65MPa，为机臂与药箱安装部位连接处；最大位移接近2.5mm，为机臂与旋翼连接部位。最大应力及最大位移均不影响结构承力部件的强刚度。

图2 结构承力部件应力和位移分布情况

3 升力部件受力分析

八旋翼无人植保机所受到的升力来自于每个旋翼转动产生的力。而由于八个旋翼同时转动过程中，会对气流产生干扰，情况较为复杂。为了简化，我们仅针对单个旋翼的气动力进行分析。旋翼在运动过程中受到升力T、阻力D、扭矩Q的作用，且这些作用力或作用力矩与螺旋桨的转速有一定的联系：

其中，ρ（空气密度）、A（旋翼桨盘面积）、R2（旋翼直径的平方）在特定的旋翼情况下为定值，所以通常情况下，单个旋翼所受的升力T与Cr（升力系数）和ω2有关；阻力D与CD（阻力系数）和有关；扭矩Q与CQ（扭矩系数）和ω2有关。旋翼使用的材质与结构承力部件一致，为碳纤材料。单个旋翼的受力分析如图3所示。

旋翼在自身旋转中产生的升力作用下，其最大应力及最大位移均不影响结构承力部件的强刚度。

4 控制部件性能分析

八旋翼无人植保机控制系统主要由硬件系统和软件系统两部分组成。硬件系统主要包含传感器分系统（陀螺、加速度计）、八电机控制分系统（电机、电调）、电源分系统、通信分系统和中心控制器。而软件系统主要对硬件功能进行实现，包括植保机当前状态的检测、控制和通讯的具体实现。

八旋翼无人植保机由于是无人驾驶，所以它需要地面遥控完成垂直升降运动、俯仰运动、滚转运动、偏航运动等，这就要求具体了解八旋翼无人植保机的飞行机制。根据八旋翼无人植保机的飞行特点，设计其运动流程图。具体如图4所示。

图3 单个旋翼应力和位移分布情况

图4 运动流程图

5 喷洒部件工作流程

八旋翼无人植保机的工作过程其实相对简单。通过控制系统给泵提供一个信号，泵在接收到信号后，抽取药箱中的农药，并通过泵增压至0.3MPa的工作压力，再通过管路输送到各个喷头，实现农药喷洒。

[1]乐正想，梅启林，黄志雄.纳米碳纤维性能与应用[A].节能环保和谐发展—2007中国科协年会论文集（一）[C]，2007.

[2]何环飞.四旋翼无人直升机飞行控制系统的研究与设计[D].南京：南京理工大学，2009.

An analysis of the Technical Characteristics of Multi-rotor Plant Protection Aircraft

LONG Qing-xian
（National University of Defense Technology,Changsha,Hunan 410000，China）

In recent years,with the continuous development of science and technology in our country，a lot of advanced technologies are gradually developing toward agriculture and forestry and other industries，unmanned plant protection aircraftis one of the typical.Unmanned plant protection aircraft is a kind of plant protection machinery which spray the crops with pesticides through remote control on the ground，its efficiency and reliability are popular with peasant friends. The Unmanned plant protection plane is mainly composed of bearing parts,lifting parts,control unit and spraying parts.It is necessary to take the effectiveness and mutual coordination among parts into account.This paper mainly through to the eight rotor parts of plant protection plane to analyze the technical features of unmanned plant protection aircraft through explaining each parts of the plant protection aircraft with 8 rotors.

unmanned plant protection machine，load bearing parts，lifting parts，control unit，spraying parts，technical features

S251

A

2095-980X（2015）02-0009-02

2015-01-18

隆清贤（1987-），男，湖南邵阳人，硕士研究生，助理工程师，主要研究方向:控制工程。