復(fù)合式垂直起降固定翼植保無(wú)人機(jī)系統(tǒng)

洪其先 李潤(rùn)澤 許佳悅 劉凱翔

摘 要：植保無(wú)人機(jī)近年來(lái)快速發(fā)展，目前主流的植保無(wú)人機(jī)多是多旋翼結(jié)構(gòu)。高載荷和長(zhǎng)續(xù)航一直是多旋翼無(wú)人機(jī)的一對(duì)矛盾，針對(duì)此問(wèn)題設(shè)計(jì)了一種旋翼/固定翼復(fù)合式垂直起降固定翼植保無(wú)人機(jī)系統(tǒng)。此系統(tǒng)由固定機(jī)翼、機(jī)身、尾翼、四旋翼、噴灑機(jī)構(gòu)組成，起降時(shí)由四旋翼提供升力，巡航作業(yè)時(shí)由固定機(jī)翼提供升力，可以滿足原地起降、高載荷起飛、長(zhǎng)時(shí)間續(xù)航的要求。

關(guān)鍵詞：垂直起降固定翼無(wú)人機(jī);植保無(wú)人機(jī);農(nóng)業(yè)航空;精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)

Compound Vertical Takeoff and Landing Fixed Wing Unmanned Aerial Vehicle System for Plant Protection

Abstract： Plant protection unmanned aerial vehicle （UAV） have developed rapidly in recent years， most of the current UAVs are multicopter layout based， yet conflict always converged between high load and long endurance. Therefore， a multicopter structure UAV system combined with fixed-wing for plant protection is proposed， which embodies both vertical take-off and landing feature. The system consists of fixed wing， fuselage， tail wing， four rotors and spray mechanism. The lift force during takeoff and landing is produced by the four rotors， while fixed wing lifts the fuselage during the cruise operation， which is in? demand of vertical takeoff and landing， high-load takeoff and long-term endurance.

Key words： Vertical take-off and landing fixed-wing UAV; Plant protection UAV; Agricultural aviation; Precision agriculture

應(yīng)用于農(nóng)林植物保護(hù)作業(yè)的植保無(wú)人機(jī)，由導(dǎo)航飛控、飛行平臺(tái)和噴灑機(jī)構(gòu)三部分組成。通過(guò)地面操作人員遙控或飛控智能控制完成噴灑作業(yè)。可以用于噴施農(nóng)藥、種子、粉劑等。植保無(wú)人機(jī)的出現(xiàn)和發(fā)展極大改變了原有背負(fù)式噴霧器的低效率、高人力負(fù)擔(dān)的狀況[1-2]。

我國(guó)目前進(jìn)行植保作業(yè)的無(wú)人機(jī)多為六旋翼或者八旋翼的無(wú)人機(jī)。這種多旋翼無(wú)人機(jī)通過(guò)控制各旋翼轉(zhuǎn)速以實(shí)現(xiàn)懸停、俯仰、滾轉(zhuǎn)和偏航等運(yùn)動(dòng)姿態(tài)。升力全部由高速旋轉(zhuǎn)的旋翼提供的多旋翼無(wú)人機(jī)耗電快，續(xù)航短[3]。固定翼無(wú)人機(jī)的升力由流過(guò)機(jī)翼表面的氣流提供，發(fā)動(dòng)機(jī)只提供水平方向牽引力，耗電慢，續(xù)航長(zhǎng)且起飛載荷大，但具有無(wú)法懸停、起降條件苛刻等諸多弊端，不能廣泛適應(yīng)植保作業(yè)環(huán)境條件。

將四旋翼和固定翼無(wú)人機(jī)結(jié)合為一款新型的復(fù)合式垂直起降固定翼植保無(wú)人機(jī)，相較于傳統(tǒng)的多旋翼或固定翼結(jié)構(gòu)，復(fù)合式垂直起降固定翼無(wú)人機(jī)兼具二者的優(yōu)勢(shì)[4]，將二者起飛條件要求低、可垂直起降、穩(wěn)定懸停、良好的低速/高速飛行性能、續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)的優(yōu)勢(shì)結(jié)合，具有較好的應(yīng)用前景。

1 飛行平臺(tái)總體設(shè)計(jì)

1.1技術(shù)指標(biāo)

最大有效載重：30kg;最大起飛重量：40kg;巡航作業(yè)高度：10m;

巡航作業(yè)速度：15m/s;續(xù)航時(shí)間：≧30min

1.2 總體布局

總體采用上單翼常規(guī)布局形式，融合H型四旋翼布局，四個(gè)旋翼對(duì)稱安裝于機(jī)身兩側(cè)，如圖1所示，可獲得良好的穩(wěn)定裕度。為減小旋翼的下洗氣流對(duì)固定翼的影響，旋翼水平安裝位置在固定翼下翼面;旋翼與固定翼之間的安裝距離為0.1米以減少旋翼平飛阻力 [5]。

1.3參數(shù)確定

1.3.1 固定機(jī)翼參數(shù)

為得到較低的巡航阻力和較高的巡航升力[6]，固定翼翼型確定為高升阻比翼型MH114 ，參考Profili分析得到的MH 114 翼型在不同雷諾數(shù)下不同迎角的升力系數(shù)和阻力系數(shù)，見圖2，在5度氣動(dòng)迎角得到最大升阻比，雷諾數(shù)取25000時(shí)升阻比約為99.5，升力系數(shù)約為1.35。則可確定機(jī)翼安裝角為5度。

設(shè)計(jì)起飛重量40kg，則平飛巡航時(shí)升力L=398N，升力系數(shù)Cl=1.35，取標(biāo)況空氣密度ρ=1.297kg/ m3，巡航速度15m/s，根據(jù)升力計(jì)算公式

可知翼面積S=1.99㎡。表1 給出了固定機(jī)翼的其他參數(shù)。

巡航動(dòng)力采用T-MOTOR的U15? 100KV無(wú)刷直流電機(jī)，可滿足高載荷巡航要求，推重比大于0.5。

1.3.2 多旋翼參數(shù)

多旋翼部分采用T-MOTOR的U12 II 120KV無(wú)刷直流電機(jī)作為動(dòng)力，搭配120A FOC電調(diào)、T-MOTOR G30×10.5 螺旋槳、10～14s 三元鋰電池可以達(dá)到最大單個(gè)19.8kg的拉力，四旋翼共79.2kg的拉力，保證強(qiáng)陣風(fēng)等突發(fā)極端情況下有充足動(dòng)力維持姿態(tài)穩(wěn)定。軸距為1.5m。

2 電子控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

復(fù)合式垂直起降固定翼植保無(wú)人機(jī)的電子控制系統(tǒng)由Pixhawk自駕儀[7]、GPS模塊、光流模塊、舵機(jī)和電子羅盤組成。

（1）Pixhawk自駕儀擁有高性能單片機(jī)控制核心，搭載ArduPlane開源固件，完美支持VTOL飛行方式，雙核心冗余控制系統(tǒng)，處理速度快，工作穩(wěn)定。其內(nèi)置的電子陀螺儀可以實(shí)時(shí)監(jiān)控飛行器姿態(tài)并將姿態(tài)數(shù)據(jù)輸出給主控芯片，由主控芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并控制舵機(jī)和各個(gè)電機(jī)實(shí)現(xiàn)姿態(tài)閉環(huán)控制。Pixhawk內(nèi)置的氣壓計(jì)以及外置光流模塊可以實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)定高飛行，穩(wěn)定的高度對(duì)噴灑施藥極為重要[8]。

（2）舵機(jī)是控制系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，通過(guò)操縱各個(gè)舵面實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)巡航過(guò)程中的俯仰，橫滾和偏航控制。

（3）GPS模塊給出無(wú)人機(jī)定位信息，實(shí)現(xiàn)航線規(guī)劃功能，在導(dǎo)入地形數(shù)據(jù)后可沿地形作業(yè)以良好適應(yīng)山地丘陵等農(nóng)業(yè)作業(yè)環(huán)境。

（4）電子羅盤實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)無(wú)人機(jī)偏航角，巡航時(shí)融合gps航向數(shù)據(jù)，為飛行器提供穩(wěn)定的航向控制;在垂直起降階段，無(wú)人機(jī)偏航感知完全依賴電子羅盤，依靠電子羅盤的偏航角數(shù)據(jù)進(jìn)行航向控制。

3.植保噴灑系統(tǒng)設(shè)計(jì)

植保噴灑系統(tǒng)由30L大容量水箱、流量控制電機(jī)、壓力傳感器、流量傳感器、噴管、噴頭組成。

3.1植保噴灑系統(tǒng)工作原理[9]

無(wú)人機(jī)植保噴灑系統(tǒng)受Pixhawk主控核心控制，將巡航作業(yè)高度、速度數(shù)據(jù)計(jì)算后輸出流量控制信號(hào)給四路流量控制電機(jī)，電機(jī)分別從水箱中抽取藥水通過(guò)噴管輸送到噴頭噴施藥液。主控核心通過(guò)檢測(cè)壓力傳感器和流量傳感器反饋的信號(hào)再次輸出流量控制信號(hào)，形成閉環(huán)控制系統(tǒng)，精準(zhǔn)控制每個(gè)噴頭噴施藥量，達(dá)到均勻噴施效果。

3.2植保噴灑系統(tǒng)安裝

為減小噴灑系統(tǒng)對(duì)巡航過(guò)程的氣動(dòng)影響，選擇將水箱安裝于四旋翼幾何中心上，此點(diǎn)同時(shí)為整機(jī)重心。為高效利用無(wú)人機(jī)巡航作業(yè)時(shí)產(chǎn)生的流場(chǎng)，四路施藥噴頭沿展向均勻安裝在距機(jī)翼后緣水平位置后0.1m垂直位置下0.1m處。此處處于固定翼下洗氣流之中，強(qiáng)大的下洗氣流可以有效抑制農(nóng)藥漂移[10-11]，從而減少施藥量。

結(jié)論

本復(fù)合式垂直起降固定翼植保無(wú)人機(jī)系統(tǒng)結(jié)合了多旋翼無(wú)人機(jī)和固定翼無(wú)人機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，為植保無(wú)人機(jī)提供了一種新的解決方案。通過(guò)合理的氣動(dòng)布局設(shè)計(jì)，利用基于市場(chǎng)現(xiàn)售動(dòng)力產(chǎn)品組合，設(shè)計(jì)了一款30kg有效載重，30分鐘長(zhǎng)續(xù)航的復(fù)合式垂直起降固定翼植保無(wú)人機(jī)，具有原地垂直起降，低空高速巡航作業(yè)，可規(guī)劃航線自主飛行作業(yè)，精準(zhǔn)定量噴施等優(yōu)點(diǎn)，能夠良好適應(yīng)植保應(yīng)用場(chǎng)景。有效改善了多旋翼植保無(wú)人機(jī)續(xù)航時(shí)間短，載重量小的缺點(diǎn)。

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作者簡(jiǎn)介：

洪其先（1998-），男，滿族，河北承德人，就讀于河北農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)。

基金項(xiàng)目：本文系大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目研究成果

項(xiàng)目編號(hào)：S202010086014

（河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 河北 保定 071001）