六旋翼农用无人机设计1

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 24AbstractThe 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 录Abstract2目 录3一、绪 论4多旋翼农用无人机的发展简史4多旋翼农用无人机的发展现状与展望5二、六旋翼农用无人机的机体与喷施结构设计71、六旋翼农用无人机整体基本构造设计72、六旋翼农用无人机喷施设备的基本构造设计与工作原理83、六旋翼农用无人机的自平衡原理8三、六旋翼农用无人机的动力系统与工作原理10动力系统基本组成10驱动电动机与电子调速器：111、驱动电机参数的确定以及巡航时间的计算121.1 无人机电机的选择121.2 无人机的工作时间131.3 螺旋桨的设计141.4 螺旋升力的计算：152、电调的使用153、PCB电子集合板、陀螺仪、摄像及遥控传感器设备应用16四、六旋翼农用无人机的保养与保管21参考文献22致 谢23一、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8，00081，000古巴1845,152美国6，10042,100秘鲁1741,000加拿大6662,130日本1581,622墨西哥4503,000危地马拉1573,432阿根廷4505,000萨尔瓦多1361,395澳大利亚2606,170德国1001,840新西兰2133,320南斯拉夫921,200哥伦比亚2085,229世界上62个国家共有18,800506,667尼加拉瓜1903,834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m/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（m/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=UIT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1600015=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121.5=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160005000=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率应较大一些，并保证巡航时间最长。为了与螺旋桨达到一定的配合，并按照实际设计要求，并基于传统有刷直流电动机具有有刷换向设备、是以机械方式进行换向，存在噪声、火花及寿命短等缺点，微型无刷直流电动机作为了本次设计中最佳的机械动力设备选择。微型无刷直流电动机采用的是电子换向，其输出功率和效率较高，同时噪音小、寿命较长并无其他明显缺点，本次设计所选定的无刷直流盘式电机型号为MT3515-15，如图：电机基本参数如下：1.2 无人机的工作时间在理论上，我们所选蓄电池提供的电压为U=22.2V，电流I为（16*15）A，可持续供电时间T为1h，则蓄电池可以提供的电能为：=U*I*T假设忽略电路上损耗的部分电能，蓄电池将电能完全转化为机械能时，电机的工作时间t可以根据公式：=Pt 求出t0.99h据资料显示，目前国内的农用无人机驾驶时间大概为1.5小时左右，显然，此无人机在蓄电池供电情况下，一次性作业时间约1小时，基本符合设计需求，同时在实际作业中可根据具体情况更换能量更大的蓄电池。1.3 螺旋桨的设计螺旋桨叶片表面积相对越大，产生推力越大、效率越高。但相对较大的螺旋桨，飞机飞行起来会很耗电，因为螺旋桨产生的阻力会比较大。所以，选择什么型号的螺旋桨必须根据电机KV值和蓄电池提供的电压及容量进行搭配，尤其是不能选用较高KV值的电机，主要是避免电机连同电调烧掉。为达到有效较高的效率，螺旋桨与蓄电池、电机等三者之间应有合理的搭配设置。其中，电机的转速（空载）是KV值*电压，所以KV值越大，电机提供的扭力就越小，因此电机的KV值的大小与螺旋桨有密切的关系。电机与螺旋桨的理论配置，如下：6S电池下：KV900-1000的电机配1060或1047桨，9寸桨即可；KV1200-1400配9050（9寸桨）至8、6桨；KV1600-1800左右的7至6寸桨；KV2200-2800左右的5寸桨；KV3000-3500左右的4530桨。3S电池下：KV1300-1500左右用9050桨；KV1800左右用7060桨；KV2500-3000左右用5X3桨；KV3200-4000左右用4530桨。综合上述搭配原则，考虑到喷施设备、航拍设备工作情况，在本次设计中所采用的螺旋桨是通用比例的桨，精度较好，基本尺寸是根据电机、螺旋桨、蓄电池三者之间关系设计的，便于批量生产，产品如下图：选用的螺旋桨参数如下：翼角为9.25叶片数N2个直径D20*2.45cm螺距P0.245m浆宽度C0.044m材质碳素纤维 Hexcel AS4C (3000 丝)密度1780kg/m3质量m297.93 克1.4 螺旋升力的计算：根据螺旋桨拉力计算公式：直径（米)螺距(米）浆宽度（米）转速2（转/秒）1大气压力（1标准大气压）经验系数（0.25）=拉力（公斤）一个螺旋桨的拉力=DPCV2x1x0.25=0.49x0.245x0.044xVxVx1x0.25=28.9kg综上动力系统设计，该无人机能够提供约150kg的拉力，足够现场作业使用。2、电调的使用蓄电池的供电量取决于电机和液压泵的转速。曲轴转速越大，耗电量自然就越大；反之，耗电量就减少。无人机的负载随着喷施化学药品变化较大，转速也跟着变化。具体讲就是：无人机的负载减少时，转速会升高，转速升高容易导致飞行飞行速度提升、耗电量增加，对化学药品的喷施、农田检测都十分不利。同理，无人机的负载比较大时，转速较低，也将导致一些列不利的变化。为改变这种不利因素，就要求一种根据负载变化自动调节供电量和转速，使蓄电池与用电设备达到合理的配合，便于农田作业。因此，六旋翼农用无人机要满足实际使用要求，就必须安装电调，它能根据无人机的负载等变化自动调节电机等用电设备的转速，保证无人机的正常作业。电调全称电子调速器，英文electronic speed controller,简称ESC。然而，针对不同的电机，可分为有刷电调和无刷电调，它根据控制信号调节电动机的转速，如图：对于它们的连接，一般情况下是这样的：(1) 电调的输入线与电池连接；(2) 电调的输出线（有刷两根、无刷三根）与电机连接；(3) 电调的信号线与接收机连接。另外，电调一般有电源输出功能，即在信号线的正负极之间，有5V左右的电压输出，通过信号线为接收机供电，接收机再为舵机等控制设备供电。电调的输出为三四个舵机供电是没问题的。因此，电动飞机，一般都不需要单独为接收机供电，除非舵机很多或对接收机电源有很高的要求。3、PCB电子集合板、陀螺仪、摄像及遥控传感器设备应用六轴多旋翼无人机的飞行原理是通过控制六个螺旋桨的正反转及转速进行的，基于市场上已经设计生产了多种PCB控制板，可以通过定制一款合适的PCB板集合各种需要的电子元件进行无人飞机作业操控，所以本设计中重要参考了该功能的原理，随后可能进一步的研发会进行该项目的开拓。PCB板的设计原理是在保证每一个螺旋桨的中心距相等下，在电路板上设计电路进行电机的旋转控制，以达到对无人机的控制。当对角两个轴产生的升力相同时能够保证力矩的平衡,一个六轴飞行器有六个电机呈*形排列,驱动六片桨旋转产生推力；六个电机轴距几何中方向倾转；而六个电机三个正转,三个反转的方式使得绕竖直轴方向旋转的反扭矩平衡，保证了六轴航向的稳定。六轴电机旋转方向如下图：此飞行控制板规定六轴电机的排布方式如图所示:前(3,5号)、后(4,6号)、右(1号)、左(2号)；3,1,6号电机顺时针方向旋转,5,4,2号电机逆时针方向旋转。六个电机的转速做相应的变化即可实现六轴受力调整，进行横向、纵向、竖直方向和偏航方向上的运动。当无人机需要向前方运动时,6、4号电机保持转速不变,3、5号电机转速下降，6、4号电机转速就会上升,此时6、4号电机产生的升力大于3、5号电机的升力,六轴就会沿几何中心向前倾转,从而使无人机向前方运动。通过类似的原理，进过PCB板上安装的电子信号的传输设备及相关电子设备，工作人员可以远程进行控制无人机的运动。无人机上的每一个功能都有相应的模块，如气压高度计、GPS模块等，具有5个不同的OSD叠加界面，配件从低端到高端提供多种选择，可根据自己的需要组成不同的组合，以达到不同的功能，相应的功能是非常之强大的。另外，飞控的固件是可升级的，便于进一步推进无人机的人性化、平民化及适应性。对于需要实时控制的航模飞机来说，除了直接接收到信号，靠任何之外的无线电特性提高距离的方式都是不可靠的，尽管长波中波绕射能力极强，依然受空间环境制约，很不稳定。因此，需要在遥控信号传输中添加“天线”。全向天线:无线电专业里常叫鞭状天线。它就象一个灯管，它的发射泛围，垂直放置时，是在水平方向上向周围散射，在360度泛围内都有均匀的场强分布，是我们比较常用的一种形式。水平放置时，假如天线是东西方向放置，场强分布是包括天空在内的南北方向，以及天线到地面的南北方向空间泛围内分布。因此垂直天线，主要针对水平方向的目标，水平天线主要针对垂直高度上的目标，和窄范围内的水平目标。上图为无人机上设置的电子元件，基本参数如下：遥控飞机陀螺仪的原理就是一个旋转物体的旋转轴所指的方向在不受外力影响时，用它来保持方向，制造出来的仪器就叫陀螺仪。例如，骑自行车其实也是利用了这个原理。轮子转得越快越不容易倒，因为车轴有一股保持水平的力量。遥控飞机陀螺仪在工作时要给它一个力，使它快速旋转起来，一般能达到每分钟几十万转，可以工作很长时间。然后用多种方法读取轴所指示的方向，并自动将数据信号传给控制系统。在本次六旋翼农用无人机的设计中，陀螺仪采用了P1-GYRO型号的飞控设备来代替，主要是配备一些传感设备通过自动控制电机等动力系统，同样能达到上述功能，使无人机保证顺利的航行，产品如下图：P1-GYRO产品介绍体积：26*39MM；重量：6克左右；工作电压：3.5-6V.P1-GYRO产品介绍在六轴增稳的基础上，增加飞控开关控制模式和六轴锁定（AVCS）模式，该模式采用了角度向量控制算法，对飞机围绕六个运动轴的角度偏移进行实时检测和修正，使飞机具备始终保持上一时刻姿态的能力和趋势，所以称之为锁定，锁定与普通增稳模式相比，锁定模式不仅可以大大提升飞行稳定性，甚至可以在无人为操控（脱控）的情况下，实现自主吊机、侧飞等高难度动作。P1-GYRO产品可以通过一个3段式开关在普通增稳、六轴锁定（AVCS）和陀螺仪关闭3种飞行模式之间进行随时切换，体验完全不一样的飞行乐趣。P1-GYRO飞控对飞机的电动机翼伸展大小无限制，属于通用型飞行控制器，可以提升飞机飞行性能和飞机可控性，抵消各种影响飞机姿态的外部因素。例如，容易失速的飞机，或者本来外形设计就不好飞的飞机，还有风和气流等等，飞控都能自动抵消这些负面因素。初次使用请按照说明书安装和调试：感度调试建议初次飞行先把感到关到最小，按每次加大5分钟的量程来进行试飞调整，飞控板上出厂设置时50%的位置，请不要把出厂设置为标准，请根据你的飞机和动力配置调整适合的感度。除了上述中定制的PCB电子集合板、遥控、电调等设备外，在无人机上还有安装摄像设的设计，主要选用了型号体积偏小、重量较轻的电子摄像设备，摄像前端为单摄像头（电子眼），如下图：5.8g 无线猫眼摄像机和5寸显示屏 (90度,动态监测,100米无干扰) TE968H是我司研发的新一代便携式无线迷你DVR录像系统。5英寸超大高清显示屏，可接收和录制无线和有线摄像机AV信号，并具备拍照、移动侦测录像、自动覆盖功能。无论是安全防范，还是掌握证据，此款便携式无线迷你DVR都是最佳之选，可广泛用于农田监控。 一、主要特性：1、无干扰5.8G频率；黄铜的外壳，高贵耐用；2、和原光学猫眼一样的外观，更换之后外观保持原样；3、0.008LUX超低照度，在微光下看清访客；4、90宽视角；5、13.8mm超小尺寸直径，使用方便，不用钻洞，直接安装；6、低功耗，保证长时间的工作寿命；7、操作方便、无需穿孔引线，无线监视器或DVR在客厅或房间进行监控,方便快捷。 8、打开无线监视器或DVR，调到与猫眼摄像机相同的频道即可进行监控。 二、 产品规格工作频率58G带内1CH1:5865MHz; CH2: 5845MHz; CH3: 5825MHz; CH4: 5805MHz.工作频道24选1CH5:5785MHz; CH6: 5765MHz; CH7: 5745MHz; CH8: 5725MHz58G带外CH9:5705MHz;CH10:5685MHz;CH11: 5665MHz; CH12: 5645MHz.CH13:5885MHz; CH14:5905MHz;CH15:5925MHz;CH16: 5945MHz58G带内2CH17:5733MHz;CH18:5752MHz;CH19:5771MHz;CH20: 5790MHz.CH21:5809MHz;CH22:5828MHz;CH23:5847MHz; CH24: 5866MHz天线外置天线RF输出功率25mW传输距离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镜头 & 视角0.5mm F1.2 / 90 门孔尺寸(L x D)38-60mm X 14mm净重（克）20克电流230mA电压DC 4V环境温度- 20C + 50C ，相对湿度85 配件：使用说明书X 1本、立体声耳机X1副、USB线X 1根、电源适配器X 1个在本设计中，用到的传感器有：动力传感器、风力传感器、转速传感器、压力传感器等。四、六旋翼农用无人机的保养与保管六旋翼农用无人机的保养与保管主要在于电子元件的保管、机架的除尘以及各连接处的紧固情况。1、确保每次使用完之后，彻底清除机架上残留的药液、灰尘，最好进行干燥处理。2、每次使用完要及时限量充电，避免电子元件老化。3、使用前要确保电池电量充足，避免作业中途出现异常。4、对机架、药箱、固定架等零部件进行涂漆，避免腐蚀。5、对零动部件如螺旋桨、活塞泵等几十进行润滑处理。6、机具的入库。一次作业结束后，在确保之前处理的前提下，将机具入库，最好放置在室内，并垫木块或遮盖物。如果有条件，最好要有专人负责，定期检查。7、六旋翼农用无人机的设计制造要求较多，在保养和保管中，要结合制作过程和最后的成品条件进行妥善养护。 参考文献 （1） 王 荣等，植保机械学，第一版，北京：机械工业出版社 1990（2） 王忠群、王利民等，植保机械的使用与维修，北京：机械工业出版社，2000（3） 钱东平、杨欣等，植保机械使用与维修，石家庄：河北科技技术出版社，2008（4） 李宝筏.农业机械学，北京：中国农业出版社，2003（5） 王保国、刘淑艳、刘艳明、于勇，空气动力学基础，第一版，北京：国防工业出版社，2009致 谢首先，要特别感谢我的导师刘木华教授对我的指导，重要的是刘院长兼任工学院院长一职，并有自己的科研团队，刘院长并没有因为自己工作繁忙而忽略对我的指导。在刘院长老师身上，时刻体现着教育工作者和科研工作者所特有的严谨求实的精神，他勇于探索的工作态度和求同思变、不断创新的治学理念，不知疲倦的敬业精神和精益求精的治学要求，让我受益匪浅，不仅端正了我的学习态度，更端正了我的人生态度。另外，感谢所有给予我关心和支持的老师和同学使我能如期完成这次毕业设计。谢谢各位老师和同学！最后，还要感谢班上的其他同学尤其是我的室友，他们在寻找资料，解答疑惑等方面，都给了我很大的帮助和借鉴。做毕业设计是再一次系统学习的过程，毕业设计的完成，同样也意味着新的生活的开始。希望大家在将来的生活中继续追逐最初的梦想，永不放弃。