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六旋翼农用无人机的设计
摘要
本次设计主题为“六旋翼农用无人机模型设计”，结合我国当前农业机械化发展现状，通过对命题的分析得到了更加清晰开阔的设计思路，设计作品具有系统性、实用性和创新性。
针对多旋翼农用无人机，本文确定了“六旋翼农用喷药、航拍功能无人机”的设计说明书，介绍了无人机的设计过程，主要通过概念性论述，经过对无人机结构研究、分析的整体把握，以结构、动力、控制三部分进行设计，并结合实际通过对多旋翼农用无人机设想进行结构改进、设计优化以提高设计的应用性，这种方法对类似产品的设计制造同样具有借鉴作用。
设计方案包括无人机整体机架、喷药机构等，并给出了CAD设计图、整体装配图PRO/E等内容，确保无人机结构简单、适用灵活、便于普及、成本低廉等。
关键词：
六旋翼农用无人机模型;CAD;PRO/E
Abstract
Thedesignthemeforthe"sixrotorUAVmodeldesignofagricultural",combiningthecurrentsituationofagriculturemechanizationdevelopment,throughtheanalysisofthepropositionofthedesignideasmoreclearlyopen,designworkissystematic,practicalandinnovative.
FormultirotoragriculturalUAV,the"designspecificationofsixrotoragriculturalspraying,aerialfunctionalUAV",introducesthedesignprocessofUAV,mainlythroughtheconceptofexposition,accordingtothestudy,nomachinestructureanalysisinwhole,tostructure,power,controlthreepartsdesign,combinedwiththetheactualrotorUAVbasedonagriculturalideasforoptimizationdesignofstructureimprovement,soastoimprovetheapplicationofdesign,thismethodalsohasagoodeffectonthedesignandmanufactureofsimilarproducts.
DesignincludestheUAVthewholemachine,sprayingdevice,andgivesthedesigndrawings,theoverallassemblydrawingetc.,ensurethattheUAVhastheadvantagesofsimplestructure,flexibleapplication,convenient,lowcostetc...
Keywords:
sixrotorUAVmodeldesignofagricultural;CAD;PRO/E
目录
摘要
AbstractII
一、绪论1
多旋翼农用无人机的发展简史1
多旋翼农用无人机的发展现状与展望2
二、六旋翼农用无人机的机体与喷施结构设计4
1、六旋翼农用无人机整体基本构造设计4
2、六旋翼农用无人机喷施设备的基本构造设计与工作原理5
3、六旋翼农用无人机的自平衡原理5
三、六旋翼农用无人机的动力系统与工作原理7
动力系统基本组成7
驱动电动机与电子调速器：
8
1、驱动电机参数的确定以及巡航时间的计算9
1.1无人机电机的选择9
1.2无人机的工作时间10
1.3螺旋桨的设计11
1.4螺旋升力的计算：
12
2、电调的使用12
3、PCB电子集合板、陀螺仪、摄像及遥控传感器设备应用13
四、六旋翼农用无人机的保养与保管18
参考文献19
致谢20
一、绪论
随着社会生产力的进一步提高，农用航空飞机，是利用微型飞机和喷施设备进行农业作业的机械，它除了用来喷洒农药和化学除草剂、作物激素及脱叶剂等药液外，还可以进行观察农情等作业。
而多旋翼农用无人机，作为一种有动力、可控制、能携带完成农用任务的设备，近几年已倍受农业科技人员的青睐。
它没有驾驶舱，但安装了自驾仪、航拍摄像、飞行姿态控制等设备，以辅助无人机水平移动、垂直起降等方式运动，通过超低空飞行完成农用任务和降落，便于多次作业。
多旋翼农用无人机的发展简史
多旋翼农用无人机是飞机的一种，其发展历史可以追溯到1903年，世界上第一架飞机的发明创造为其发展奠定基础。
而此后数十年间，该飞行设备分别在德国、美国、苏联等国的植保农业中广泛推广使用，截止1978年，全世界拥有航空植保飞机25000余架，近几年以每年递增约2000架的幅度上升。
同时，各国的农用飞机有60余种，其中定翼型飞机40多种、旋翼型（直升）飞机20多种，有数据显示世界上主要国家植保飞机数量和作业面积，如下（其中，1ha等于1公顷）：
表1世界上主要国家植保飞机数量和作业面积（1990年统计）
主要国家
飞机数量（架）
作业面积（kha）
主要国家
飞机数量（架）
作业面积（kha）
苏联
8，000
81，000
古巴
184
5,152
美国
6，100
42,100
秘鲁
174
1,000
加拿大
666
2,130
日本
158
1,622
墨西哥
450
3,000
危地马拉
157
3,432
阿根廷
450
5,000
萨尔瓦多
136
1,395
澳大利亚
260
6,170
德国
100
1,840
新西兰
213
3,320
南斯拉夫
92
1,200
哥伦比亚
208
5,229
世界上62个国家共有
18,800
506,667
尼加拉瓜
190
3,834
随着专用航空植保飞机的先后设计和制造，作为技术较为成熟的农用无人机也相继出现，并迅速发展起来了。
如美国的“农猫式”航空植保飞机等，而1960年荷兰就成立了国际航空植保中心，进一步扩大了农用植保飞机的规模。
截止到上世纪80年代，世界上拥有航空植保飞机数量超过100架的国家就有近20个。
1953年，我国民航部门专门成立了专业航空植保机械业务，并在1957年成功制造第一架-5型航空植保飞机。
我国航空农用机械事业是在北方平原地带开展起来的，主要对小麦、棉花、水稻等作物进行航空植保。
随着社会主义建设事业的辉煌成就，农牧经济也得到了较快的发展，尤其是改革开放以来我国各项技术的突破性发展，关系到国计民生的农牧经济对航空植保的需要愈来愈迫切。
近几年，我国自行设计制造的蜜蜂2号、3号和蜻蜓5号等超轻型飞机相继试飞成功并投入生产。
根据近几年的实际生产状况，航空植保在农、林、牧各业中得到了广泛的推广使用，不但能够及时、准确、高质量完成植保作业任务，而且在一定程度上可以大幅度提高劳动生产率，降低生产成本，减少了农作物的损失。
然而，相对于我们地缘广袤的农业大国来说，国内航空植保飞机数量还是相对较少，而且大部分是通用型飞机，技术技能、经济性、实用性以及效率等都比较落后。
尤其是相对于南方多丘陵、山区地带，通用型飞机不能很好地推广使用，而微型多旋翼（直升）农用无人机更合适，并十分顺应当下农业劳动者减少的现状，达到提高工作效率的作用。
多旋翼农用无人机的发展现状与展望
我国现有的超轻型飞机，代表有蜜蜂2、3号和蜻蜓5号等，这些是根据我国国情设计制造的新型航空植保飞机。
其中，这些型号的飞机结构简单、制造方便、耗费少、载重大，尤其是易于驾驶，加上维护简便，作为农用飞机是十分经济的。
目前，我国使用较多的定翼植保飞机是1957年设计投产的，在国内技术已经相当成熟，但是与国外的先进机型相比，差距相当大，在经济性、效率、飞行性上远远不够，尤其是爬升率和加速性能。
这些都是今后需要攻克的难关，所以本次六旋翼无人机是在传承国内先进技术的前提下，旨在进一步改善其性能，不仅要满足南方多丘陵、山区地带的农业作业，而且要满足当前农业劳动力下降的要求，提高一个人控制农用飞机作业的劳动效率与积极性。
目前，农用无人机在河南、山东、河北等地已经出现，较多的为四旋翼、八旋翼等微型无人机，相比于平原地带，类似江西、湖南等多丘陵、山区地带，本次设计的六旋翼农用无人机在性能与结构上更加适合个体户和大种植户的适用于推广。
1、具有良好的起飞、着落性能
六旋翼农用无人机的作业现场都是农场、林场以及牧场，没有现成的飞机起飞降落场地。
而六旋翼农用无人机的机型较小，起飞的灵活性较好，更重要的是无人驾驶，所以其起飞、降落的场地可以是临时性小面积空地即可，也就是说，六旋翼农用无人机具有直升飞机降落特性、灵活性好。
2、噪音小、能见度较好
六旋翼农用无人机是通过六个螺旋桨提供机械动力进行作业的，噪音相比于以往的蜜蜂型、蜻蜓型飞机十分小。
另外，在飞行器上已经安装有航拍设备，便于工作人员在地面监视工作现状，通过无线电子设备传输清晰的工作画面，利于达到对无人机的巡航操作。
3、操作性能好
六旋翼农用无人机一次性连续作业可以达到近2小时，在具备直升机性能的条件下加上远程控制，其加速性能、爬升率较大，能够飞越电线、建筑物等障碍物；转弯灵敏，便于喷施作业并节约时间，同时，六旋翼农用无人机十分适合超低空作业飞行，其超低空控制性能也比较好，能够保证喷施任务的顺利完成，并不会伤害作物。
4、一次载重较大
航空植保飞机的结构效率是飞机载重和起飞重量的百分比，而六旋翼农用无人机能够完成无人驾驶，在减少载荷的前提下一次性载重能够达到100kg，属于超轻型无人机，因此可以根据实际情况一次性作业可以多装一些农药。
5、能源清洁、污染小
六旋翼农用无人机的能源来自蓄电池，电能作为一种清洁、无污染能源，尤其是作业时噪音小，不会影响周围人们的正常生活。
6、航行时间可再续
由于六旋翼农用无人机的能量来源是蓄电池，所以设计中的蓄电池部件可以更换，因此在作业中，可以带上备用蓄电池，以达到巡航时间的可再续性，便于长作业时间。
7、安全性能较好、便于检查维护
六旋翼农用无人机的结构比较简单，其中六个旋翼的坚固性能以及支架的合理结构，能够保证升降过程的安全性能；尤其是在其灵活的超低空飞行性能下，无人机的平稳降落、升起性能较好。
六旋翼农用无人机的大部分零件都可以到市场上购置，而结构也十分简单，便于拆装，利于对内部构件进行检查维修，同时损坏的物件也方便更换，不至于影响现场作业。
8、减轻劳动强度、经济实用，并易于推广
基于当前农业劳动者的文明程度的提升，六旋翼农用无人机十分适合当代热衷于电子设备的青年人，并减轻他们的劳动强度；同时，六旋翼农用无人机的造价比较低廉，适于农业用户的购置实用。
诸如以上综合考虑，六旋翼农用无人机作为一种创新型农用设备十分适合当代社会发展现状，便于推广使用。
同时随着人民群众各方面文化素质的提高，绿色环保、低能耗、高效益等理念深入人心，农用无人机的多功能技术也倍受广大农田工作者和行业内外人士的关注与研究，本次六旋翼农用无人机的设计仅仅作为一个参考，希望能够得到大家的认可。
二、六旋翼农用无人机的机体与喷施结构设计
1、六旋翼农用无人机整体基本构造设计
六旋翼农用无人机主要有三个部分构成，即为：
机体部分、控制部分、动力部分。
三个部分的功能各不相同,相互作用。
机体部分指的是机身骨架,它为其他部分提供固定安装和机械连接；动力部分指的是电池、电动机、液泵、机翼等部分,它为控制部分提供电力,并进行作业；控制部分指的是无人机的控制系统,它为运动部分提供精密准确的控制指令。
其中，六旋翼农用无人机的整体设计如下图：
该六旋翼农用无人机的六个螺旋桨位于同一个平面上，通过六根长度不等的轴相连接在机架固定板上。
这样做的好处，主要是保证了机架上半部分（除去药箱、活塞泵等下部部件）的重心位于中心的前提下，能够承担更大的负载。
重心位于中心的位置将在以下内容重点讲述。
机体上半部分包括有螺旋桨、六个轴、上下固定板、GPS、电池、PCB电路板、电子陀螺仪、六个电机、摄像设备等重要部件及零件，主要完成动力、信息传输、控制、航拍等任务。
机体下半部分包括有药箱、活塞泵、药杆及喷头、底座、支撑架等重要部件，主要完成喷药任务。
2、六旋翼农用无人机喷施设备的基本构造设计与工作原理
六旋翼农用无人机喷施结构如下图（简图），是由药箱、活塞泵、传感器、喷射部件和电子操纵控制装置等组成。
1、药箱；
2、活塞泵；
3、调压设备；
4、电源；
5、喷药杆；
6、喷头。
药箱：
用来盛装药液的箱体。
箱体是一个圆柱筒，上端靠边缘处设计了加液口（内置过滤网、带有小孔的盖子等），下端安装有压力传感器和泄液出端，并在上中下部位安有密度传感器。
当液泵工作时，箱体的药液便可以通过进液管源源不断进入液泵中，同时，压力传感器就将箱体内药液产生的压力数据传输给接收端，便于辨知箱体内药液的剩余量。
活塞泵：
用来提供一定压力和流量的液体到喷洒部件中去。
它用卡箍固定在药箱顶部，通过电动驱动液泵工作。
工作时，通过电子操纵控制装置操纵活门做动筒运动，使出液活门打开或关闭，控制液泵出来的药液通过出液管送到喷洒部件。
调压设备：
也即调压控制装置，是通过电子设备操控出液压力。
相关的喷量计算公式：
用Q表示喷洒量，单位为m³/公顷，主要取决于每个喷头的喷量、喷头的数量、喷幅和飞行速度。
即为：
Q=
式中Q为所需喷量；
N为喷头数；
q为喷头排量（m³/s）；
B为喷副（m）；
为飞行速度（m/s）。
检查喷洒量时，可以把定量的药液放入药箱中，然后以合适的压力定时把它喷出，根据排出箱中的药液量能够确定喷洒量。
3、六旋翼农用无人机的自平衡原理
在六旋翼农用无人飞行机中，虽然其六轴不一样长，但是仍然位于同一圆上，而且其重心仍在中间位置。
除此之外，有2个轴上的螺旋桨为主旋翼,2个主旋翼旋转方向相反；外侧4个为副旋翼,相邻2个旋翼旋转方向两两相反,2个顺时针旋转,2个逆时针旋转。
其整机升力主要由2个共轴旋翼提供,飞行器的姿态调整由4个副旋翼控制。
六旋翼飞行器可以通过调节各电机的转速来改变牵引力的大小,实现飞行姿态与航向的控制，并具自平衡性。
当所有旋翼产生的升力等于无人机自身的重力时，飞行器保持悬停状态。
无人机的升降运动有2个主共轴旋翼决定。
当2个共轴主旋翼旋的转速共同减小,所有旋翼产生的升力小于飞行器自身的重力时,飞行器下降。
当2个共轴主旋翼旋的转速共同增大,所有旋翼产生的升力大于飞行器自身的重力时,飞行器升高。
无人机要偏转航向,需要所有旋翼产生的反扭矩不平衡。
六旋翼无人机的偏航由2个共轴主旋翼决定。
2个共轴主旋翼旋转方向相反，平衡所有旋翼产生的反扭矩。
当2个共轴主旋翼平衡了所有旋翼产生的反扭矩时,无人机无偏航。
当顺时针旋转旋翼转速降低,逆时针旋转旋翼转速增大,且2个共轴主旋翼所产生的升力之和保持不变时,无人机顺时针偏航。
当逆时针旋转旋翼转速降低,顺时针旋转旋翼转速增大,且2个共轴主旋翼所产生的升力之和保持不变时,无人机逆时针偏航。
无人机水平移动由4个副旋翼决定。
由于所有旋翼无法产生水平方向上的牵引力,所以飞行器需要产生倾斜,由升力在水平方向上的分力推动飞行器水平移动。
当一侧的2个副旋翼转速增大,产生的升力增大,而另一侧的2个副旋翼转速降低,产生的升力降低时,无人机的姿态产生倾斜,无人机朝姿态降低的一侧水平移动。
当转速共同变化发生在前后两侧,无人机产生姿态发生俯仰,并产生前后运动。
当转速共同变化发生在左右两侧,无人机产生姿态发生翻滚,并产生左右运动。
由于无人机任意一个侧面的两个副旋翼的旋转方向都是相反的。
因此,同侧副旋翼转速共同增大和降低,不会引起反扭矩的平衡。
综上所述,六旋翼无人机实现了空间6个自由度（分别沿3个坐标轴作平移和旋转运动）的运动。
在实际使用情况下,有用的主要运动为沿3个坐标轴作平移运动和绕垂直轴的旋转运动，俯仰运动和翻滚运动为水平运动的诱导运动。
三、六旋翼农用无人机的动力系统与工作原理
农用无人飞机的动力大致可分为燃油动力、电动和其它三类。
其它主要有喷气发动机、涡轮发动机和火箭发动机等几种；而燃油动力是指用汽油、煤油和甲醇等燃料发动机做动力；电动则是指以电池推动电动机做动力的动力系统。
相比较而言，前两类是传统的动力系统，其发展几近百年，而电动则是最近几年才发展起来的，而且是由于手机厂家为增加待机时间和减轻手机重量，不断推出容量大、体积小、重量轻的锂电池为前提而推广起来的。
因此，基于蓄电池的基本特点优势和便捷的可再充电模式，锂电池就是本次无人机设计所使用的动力来源，并给电机等部件工作提供能量。
动力系统基本组成
电动无人机的动力系统主要由四个部件组成：
电池、电动机、电子调速器和螺旋桨等。
电池：
现在可用做模型动力的电池种类很多，镍氢（Ni-MH）、镍锰（NiOH-MnO2）、锂金属（Li）、锂聚合物（Li-Poly）等电池都行，其中以镍氢电池和锂聚合物电池以其优异的性能和低廉的价格成为本次农用无人机设计中的首选。
表示电池性能的标称有很多，我们最关心的是电压、容量和放电能力这三个。
电池的电压是用伏特（V）来表示的。
标称电压只是厂家按照国家标准标示的电压，实际上使用时电池的电压是不断变化的。
例如锂电池的标称电压是11.2V，充电后电压可达12V，放电后的保护电压就为11V。
在实际使用过程中，电池的电压会产生压降，这是和电池所带动的负载有关的，也就是说电池所带的负载越大，电流越大，电池的电压就越小，在去掉负载后电池的电压还可恢复到一定值。
电池的容量一般是用毫安时（MAH）来表示的。
它的意思是电池以某个电流来放电能维持一小时，例如16000mAH就是这个电池能保持16000毫安（16安培）放电一小时。
但是电池的放电并非是线性的，所以我们不能说这个电池在8000毫安时能维持2小时。
不过电池在小电流时的放电时间总是大于大电流时的放电时间，所以我们可以近似的算出电池在其它电流情况下的放电时间。
一般来说，电池的体积越大，它储存的电量就越多，这样飞机的重量也会增加，所以选好合适的电池对飞行是很有好处的，其中蓄电池的电量是可以根据容量指数，依据W=U·I·T求出总电量。
电池的放电能力是以倍数（C）来表示的，它的意思是说按照电池的标称容量最大可达到多大的放电电流。
例如一个16000mAH、15C的电池，最大放电电流可达16000×15=15000毫安（15*16）安培（A）。
在实际使用中，电池的放电电流究竟是多少是与负载电阻有关的，根据欧姆定理我们知道，电压等于电流乘电阻，所以电压和电阻是定数时，电池的放电电流也是一定的。
例如你使用11.1V、1000mAH、15C的电池，而你的电动机的电阻是1.5欧姆，那么在电池有12V电的情况下，忽略电调和线路的电阻不计，电流等于12÷1.5=8，结果是8安培（A）。
在实际使用中电池的电压和电流不一定与我们的需要相符，所以必须串联和并联来使用。
串联是指把几个单节电池头尾相接的连接起来，也就是说正极接负极、负极接正极的连接起来，其总电压等于各节电池的总和，放电电流等于单节的放电电流，容量也等于单节的容量。
并联是指把几节或几组电池头对头、尾对尾的连接起来，也就是说正极接正极、负极接负极，并联后的电压等于单节电池或电池组的电压，电流等于各电池组的总和，容量还是原来的容量。
总之，电池串联后只是电压增加，并联后只是电流增加，而其它的则不变。
综上所述，主要考虑到无人机载荷、体型大小和实际工作需要，通过搜索资源，我在市场上选用了一款蓄电池，品名为格氏ACE锂电池，如右图：
其中的性能指标如下：
品名
格氏ACE锂电池
最小容量
16000mAh
放电倍率
15C
组合方式
6S1P/22.2V
尺寸
67*76*180mm
内阻
13-17毫欧
重量
1860g
充电插头
4针标准平衡充电插头
放电插头
T头或JST头
应用范围
大负载6轴、8轴航拍飞行器等；
需要注意的是，电池的串联和并联要求单节电池或电池组的性能一致，这是因为在电路中如果有个别电池的电压过低，其它电池就会为它充电，那总电压或总电流就会低于我们的要求，同时也会造成好电池的损坏，这也是为什么锂电池要用平衡充电的原因。
另外，不管是镍氢电池还是锂电池都是可充电的电池，充电过程对电池的寿命有相当大的影响。
一般来说，电池的充电时间是和充电器的电流相关联的。
所以，对于16000mAH的电池，充电电压是它的额定电压，充电器的电流是5000毫安，那么充电时间就等于16000÷5000=3.2两小时。
但这只是说从零电压充起情况下的，属于理想状态，实际的充电时间还要看蓄电池的时间电量。
但这不能说明使用大电流充电就能节约时间，实验证明，大电流充电会对电池的性能造成一定程度的破坏。
因此，根据厂家要求，基于锂电池优越的性能，所选蓄电池一次性充电时间大概为3个小时。
驱动电动机与电子调速器：
目前，微型飞行器的动力装置主要有：
电动机或内燃机带动螺旋桨驱动、微型涡轮发动机驱动等。
虽然内燃机具有燃料效率高、输出功率大等特点，但是它的调速不方便、启动困难等缺点限制了它在微型飞行器上的应用。
微型涡轮发动机从理论上说是最理想的选择，但是世界上对微型涡轮发动机的研究还不足以达到实际应用的水平。
而电动机虽然由于电池容量的限制、存在飞行时间短等特点，但是它具有极高的可靠性、低噪音和价格经济等优点，使电动机在微型飞行器的动力装置中使用最为普遍。
作为微型无人机关键部件之一，驱动电机自身的工作特性，带上螺旋桨后整个动力装置对微型无人机的操纵、巡航时间和飞行速度等方面都会产生严重的影响，因此要慎重对待电机的选择。
1、驱动电机参数的确定以及巡航时间的计算
在确定微型无人机基本性能指标后，根据设计要求首选驱动电机基本参数，保证其能够完成低空巡航。
一方面要根据根据无人机飞行过程中对动力装置的性能要求进行分析；另一方面，由于工作任务的需要，在保证动力的前提下，必须确保电机稳定的巡航工作时间。
电机额定功率过大，则电机长期处于欠载状态，降低了效率，同时也会增加全机起飞重量。
相反额定功率选择太小，电机长期在过载状态下运行，不仅缩短了使用寿命，而且最重要的是不能使电动机工作在经济状态，过分消耗无人机上蓄电池的电能，对延长巡航时间、增加飞行距离十分不利。
除此之外，农用无人机的电机选择将直接影响蓄电池所提供的有限电能来完成巡航任务的有效时间。
1.1无人机电机的选择
全机起飞质量是电机参数计算的重要依据之一。
六旋翼农用无人机的起飞总质量由以下公式表示：
式中：
表示无人机的起飞质量；
为无人机结构质量；
为动力部分的质量，包括电机、螺旋桨等不随飞行发生变化的质量；
为蓄电池质量，在飞行中也不会发生变化；
为农用工作部分的质量，包括药箱、喷洒药液设备、液泵设备等；
为航空电子、拍摄、传感器等设备的质量。
通过查询资料，根据下表1可以看出，无人机在飞升状态中需要的拉力（升力）越大，所需要的功率就越大，所以选择提供的总升力越大，需要选择的电动机总功
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