便携式农用无人机整体设计

吴爱民　宋迎刚　杨帅

摘要 本文介绍一种农用病虫害监测以及灾害损失评估的便携式无人侦察机。该无人机采用三段式折叠机翼，减少占地空间，便于携带，此外，该无人机具有一定的携带能力，可携带侦察监测设备对地面田间进监测。采用无人机对农田进行监测快速简单，可以节省大量的人力资源及时间。

关键词 无人机；便携式；折叠机翼；农业监测

中图分类号 V211.52 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2016）08-0186-02

随着改革开放、国家规划的推进，农业经济得到了快速发展。但在从传统农业向现代农业转变的过程中，尚未从根本上改变100多年来造成的农业生产的落后状态。目前，我国农林有害生物灾害检测主要依靠传统的人工地面检测，需要大量的人力并且工作效率低，远远不能够满足农林灾害防治的需求。近几年无人机快速发展，其价格不断降低，性能越来越稳定，无人机高效便捷的优势展露出来并逐渐出现在各种民用领域，如农用、航拍、测绘、快递等。无人机检测技术具有高时效、高分辨率、高机动性、低成本、低消耗、低风险等优势和特点，能快速获取多空间的尺度、多相向的地面观测数据，必将成为农林生物灾害灾情监测的重要手段。介于无人机的优良性能，将无人机和农业监测相结合，研制一款便携式农用侦察无人机意义重大。

1 试验无人机

本文介绍的无人机是小型的以锂电为动力的无人机，采用遥控飞行，添加无人机辅助飞行系统后可进行手动、半自动以及全自动飞行，简单易操作，性能安全可靠。其机翼采用三段式折叠的方法，机身采用两段对折的设计，以此来满足便于携带，适用各种农田地形的要求。折叠后整机以及所有监测设备可以放在60 cm×50 cm×30 cm的箱子里，并且1～2人可以在短时间内将无人机快速组装好，进行检查调试后即可起飞并对目标区域进行监测。该无人机通过挂载监控摄像头以及图像实时传送设备来及时把航拍监测图像回传到地面站，从而进行图像分析得出监测结果。

2 整机结构设计

2.1 对翼型的选择确定

考虑到该无人机需要挂载一定的监测设备，以及对农田监测时需要慢速巡航飞行的需求，综合要求即需要低速高升力系数的翼型。对典型平凸翼型CLARK Y、典型对称翼NACA0012和凹凸典型翼型Benedek 12355用profili进行翼型比较分析。

由图1可以看出，Benedek12355在相同的迎角时具有最大的升力系数，并且在一定范围内升力系数随着迎角增大而增大在迎角为10°时升力系数达到最大值，随后随着迎角增大而减小，这一现象称为机翼的失速。由图2可以看出，Benedek12355在升力系数最大的迎角时阻力系数较小。

图3是3种不同翼型升阻比随迎角变化曲线，可以看出在小迎角时Benedek12355翼型具有较高升阻比，当迎角达到5°之后虽有所减小，但仍然比较大[1-2]。综合分析最终选取使用典型凹凸翼型Benedek12355来作为该款农用无人机的翼型。

2.2 对机身以及机翼折叠结构设计

为了便于携带，尽可能减小占地空间，对整体机型采取折叠设计，这样可以极大地缩小空间。参考近几年国内对折

叠翼的相关研究[3-6]， 以及国外方面的相关研究。Love等[7]介绍了洛克希德·马丁的变形机翼飞行器，采用了一种“Z 型”

折叠翼； 对此“Z型”折叠翼，Snyder等[8]进一步做了振动和颤振特性研究，Tang 等[9-10]研究了其气动弹性特性； Wang 等[10-11]对不同数量翼面的折叠翼飞机模型的气动弹性和结构动力学做了相关研究。2010年，美国Terrafugia 公司推出了一款名为“The Transition”的飞行汽车。考虑到可操作性以及制作难度最终决定机翼采用三段式的折叠方式即机翼2段向下折叠180°和中段重叠，机身采用两段式折叠的方式即后半段机身在中间处向上折叠180°。由于后半部机身需要与前半部重叠，为避免单垂尾的影响故采用双垂尾设计，这样折叠完后机头螺旋桨恰好处在两垂尾之间，效果良好。

关于折叠处的结构设计，考虑到整体的强度以及气动弹性的因素最后采用小型弹簧合页作为连接，机翼翼梁采用工字梁以及碳杆加强的方式来确保强度

2.3 对动力及控制系统的选择

经过最初的试验设计制作，最终整机加外载设备在1.5 kg左右。考虑到后续增加挂载重量结合不同规格电机的拉力值最终选用朗宇X2820 KV1200无刷电机提供动力，其在不同螺旋桨不同电压的测试结果见表4。

根据测试数据为了最大限度地提高拉力，提高桨效选用EMP12x6螺旋桨、60A无刷电子调速器搭配作为动力组合。另外需4颗9 g银燕金属舵机分别控制航模的升降舵面、副翼舵面以及方向舵面。另外为降低无人机的驾驶操作难度，将在无人机上配备无人机自主飞行控制系统，在经过对市面常见的几款民用自主飞行控制系统进行比较后确定使用APM6.0飞控，这样降低操控门槛便于普及，并且提高飞行稳定安全性。

3 整机外形的构建及制作

一是根据对机身及机翼的整体设计要求，使用CAD建模软件对飞机模型进行整体建模设计以及各个部分图纸的构建。二是采用大型激光切割機按照设计好的图纸将飞机的各部分切割好。考虑到重量以及强度的要求，整机采用轻木作为主体航空层板做加强碳杆做翼梁的方式制作。三是对切割好的各部分零件进行尝试性的搭建，确定好各个位置时开始逐步对各模型部分进行搭建粘接。首先搭建机翼龙骨，将各翼肋按大小顺序逐个地拼插在横梁的卡口处，固定好再分别安装前缘和后缘最后进行矫正粘固。然后，搭建机身方法同机翼的搭建。四是将所有骨架都粘和牢固后，晾置半天等彻底牢固，对机身全部进行打磨然后开始对飞机骨架进行蒙皮。五是折叠机构的组装，安装电子设备，进行调试。

4 監测设备的选择及安装

由于该无人机将要进行对农作物的病虫害监测以及灾害受损评估，需要将实时的田间情况发送到地面站，因此需要在飞机上安装高清的摄像头以及图像实时传送装置，还要有一些相应的感应器以及传感器。对市面上现有的设备进行筛选，最后确定使用性能较好的aomway 1W图传结合微型高清摄像头，对设备进行地面距离测试，在空旷地域传送距离可以达5 km，可以满足对农田监测的要求。将检测设备调试好安装在无人机上，进行最后的检查、调试。对重心调整以及对摄像头角度进行调节，以确保可以得到最好的监测效果。

5 对试验机实践应用进行综合评价

选取一块试验田，采用无人机对试验田进行灾害受损评估。先在地面对无人机航线进行规划，无人机起飞后在试验田上空60 m的高度进行往返巡航飞行，对整片试验田进行监测观察，同时实时把监测视频回传到地面站，监测员对采集到的视频资料进行分析对试验田的灾害损失进行评估。

6 结论

一是介绍了一种将无人机技术应用到农业灾害监测评估的思路，并且从前期论证到模型的设计制作以及最后的实践测试进行了简要的论述。将无人机应用在农业生产当中将极大地提高工作效率、减少人力、物力。二是对不同翼型进行对比选出凹凸翼型，但在翼型设计及优化上仍然有待于进一步的研究。三是在对农业监测方面本文只是采取微型摄像头进行信息的反馈，对更优化的红外摄像头以及其他精准农业信息索取方式及最后的分析评估需作进一步研究。

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