一种新型多旋翼防震荡植保无人机

谢雯

有效防控病虫害，是提升农业生产效率并实现可持续发展的前提。常规地面的植保喷洒装备成本高、操作难度大。农用植保无人飞机（以下简称无人机）是无人驾驶的用于农业植保作业的飞行器，主要分固定翼机和旋翼机，旋翼机又分单旋翼机和多旋翼机。无人机用途固定、低空低速、成本较低，相比常规背负式喷雾设备，其便捷优势在丘陵地带更加突出。

一、植保旋翼无人机的发展现状

植保旋翼无人机作业高度低，飘移少，旋翼产生的向下气流有助于增加雾流对作物的穿透性，防治效率高；而远距离遥控操作，避免了操作人员接近农药中毒的危险，喷洒作业更安全。目前，中小面积农田模式比较适合采用旋翼机。单旋翼无人机噪声较大，维护保养成本略高，维修相对复杂；而多旋翼无人机操作简单、飞行稳定、使用维护成本低，且电动多旋翼无人机噪声很小。目前，多旋翼无人机是广大航空植保作业的首选。

但是，多旋翼无人机植保相对来说续航时间短、抗风能力差、作业能力小；同时，随着机臂与旋翼电机的增加，飞机自重增加，耗电量增大，载重能力和续航时间会降低；而且占用空间大，运输不方便。为克服以上技术缺陷，我设计了一种新型农用多旋翼无人机，这对于农作物生产有着非常重要的意义。

二、新型多旋翼无人机设计方案

1. 整体机构设计

这种农用防震荡多旋翼无人机，包括机体、机架、药箱、喷杆机构、控制系统、电池及8根主轴。如图1所示，机体安装在机架上端，机架内安装有药箱，机架下部安装有与药箱连接的喷杆机构，机体上中心对称均匀安装有8根水平设置的主轴，每根主轴通过折叠机构与机体连接，且每根主轴上安装有两个螺旋桨和带动螺旋桨旋转的电机。主轴还与水平面设有一夹角，即上反角，以提高抗风能力和控制稳定性。

2. 错位双桨可折叠主轴设计

这种农用防震荡多旋翼无人机，机体上中心对称均匀安装有8根水平设置的主轴，每根主轴通过折叠机构与机体连接。喷洒作业时，主轴展开成水平状，运输时主轴向下折叠，方便收纳，节省运输空间，同时拆、收效率高。

每根主轴上安装有两个螺旋桨和与螺旋槳相匹配的电机，相对于单螺旋桨主轴，相同数量电机和螺旋桨，则轴数减少；相同轴数，则电机功率和螺旋桨尺寸可减小。在同等提升力条件下，主轴数量减少，飞机所占空间减小，同时自重也降低。这种农用防震荡多旋翼无人机，每根主轴上安装的两个螺旋桨的转轴平行设置，两个螺旋桨设置在主轴的上侧且同向旋转（如图2），或者两个螺旋桨中一个设置在主轴的上侧，另一个设置在主轴的下侧，且反向旋转（如图3）。

而一般所采用的双桨方式为共轴双桨，即两个电机共轴安装在一根主轴末端，上旋翼和下旋翼旋转方向相反（如图4）。而共轴双桨存在上下电机难以匹配的问题，而且会造成功率的损失。因此，错位双桨可以获得更高的效率和载荷能力。

3. 防震荡药箱设计

机架内安装的药箱，用来盛放液体农药，飞机在空中飞行时，由于飞行过程中加减速与改变航向转弯等动作以及空气气流的影响，会发生姿态变化，从而会引起液体在药箱内晃荡，进而引起飞机重心不稳定，使得飞行控制困难，严重时甚至引起坠机事故。为此，本文设计了一种蜂窝防震荡结构药箱（如图5）。

药箱内呈蜂窝状安装有多块隔板，且隔板底部开有导流槽，隔板将药箱隔离为多个独立空间，多个独立空间通过隔板下方的导流槽连通。导流槽限制流通速度，从而减小液体的震荡。药箱水平摆放时，药液的重心在药液容积的中心G0（如图6a），如果药箱内没有隔板，当飞机震荡药箱倾斜一定角度时，药液的重心G1会偏离G0（如图6b），如果将药箱隔离成3等分（如图6c），则当药箱倾斜一定角度时，药液的重心G2会偏离G0的距离明显减小（如图6d），如图所示，药箱倾斜15°时，重心偏离量约为不分隔时的1/8.5。从而可明显减少药箱内液体震荡对操控的影响，减少自动控制的难度，提高控制稳定性，提高控制安全性，从而可以提高载荷能力，提高作业的精准性。

为降低成本，采用普通塑料水箱进行改制，隔板采用柔性材料，如塑料板。将隔板铆接或粘接为蜂窝结构，在相邻蜂窝小格的隔板底部开一个小流通槽，可供相邻小格内液体缓慢流通。柔性蜂窝结构隔板可从水箱的开口处塞入箱内，蜂窝外围与水箱壁铆接固定，并适当密封。这样大大降低了加工难度，还省去了大笔开模费用，制得一种低成本的防震荡药箱。

（指导教师：中南大学第一附属中学 徐 鸽）

（编辑 孙世奇）endprint