基于多旋翼自主飛行器的農(nóng)藥噴灑系統(tǒng)設(shè)計(jì)【設(shè)計(jì)報(bào)告】8300字

基于多旋翼自主飛行器的農(nóng)藥噴灑系統(tǒng)設(shè)計(jì)目錄TOC\o"1-3"\h\u268391緒論 頁(yè)1緒論1.1研究背景與意義1.1.1研究背景在農(nóng)作物生長(zhǎng)過程中，由于營(yíng)養(yǎng)不良或作物種植的蟲害，導(dǎo)致數(shù)百作物甚至死亡。因此，當(dāng)土壤養(yǎng)分不足以滿足植物日益增長(zhǎng)的需求時(shí)，必須使用補(bǔ)充植物栽培所需營(yíng)養(yǎng)素的潤(rùn)滑劑。因此，噴灑農(nóng)藥是植物發(fā)育所必需的。隨著互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的到來(lái)以及無(wú)人機(jī)領(lǐng)域技術(shù)的發(fā)展，無(wú)人機(jī)作為一種新型的農(nóng)藥噴灑方式，在我國(guó)農(nóng)業(yè)噴灑領(lǐng)域得到了積極的應(yīng)用。為了讓無(wú)人機(jī)技術(shù)得以更好地服務(wù)于農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，在過去的幾年里，我國(guó)一直致力于無(wú)人機(jī)領(lǐng)域相關(guān)技術(shù)的研究。然而，由于飛行距離、技術(shù)、成本等方面的限制，目前在農(nóng)業(yè)特別是農(nóng)藥噴灑方面，無(wú)人機(jī)仍舊沒有得到大范圍應(yīng)用。1.1.2研究意義如何有效地利用無(wú)人機(jī)對(duì)農(nóng)藥進(jìn)行噴灑，已成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。在農(nóng)業(yè)噴灑實(shí)踐中，無(wú)人機(jī)不僅需要良好的載重，可以實(shí)現(xiàn)均勻、穩(wěn)定、準(zhǔn)確噴灑，還需要一套完整的農(nóng)藥噴灑管理系統(tǒng)來(lái)管理隊(duì)伍，優(yōu)化農(nóng)藥噴灑路線，節(jié)約能源和藥品消耗。發(fā)展農(nóng)藥噴灑技術(shù)，可以提高農(nóng)藥施用效率，減少農(nóng)藥在作物中的殘留，節(jié)約資源，保護(hù)環(huán)境。因此，無(wú)人機(jī)的應(yīng)用可以對(duì)我國(guó)農(nóng)業(yè)的發(fā)展與進(jìn)步產(chǎn)生重要的推動(dòng)作用。2基于多旋翼自主飛行器的農(nóng)藥噴灑系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)多旋翼自主飛機(jī)的農(nóng)藥噴灑系統(tǒng)由多旋翼自主飛機(jī)、路徑規(guī)劃算法和農(nóng)藥噴灑系統(tǒng)組成。作為一種新型的作物保護(hù)解決方案，農(nóng)藥噴灑系統(tǒng)由農(nóng)藥噴灑系統(tǒng)的管理人員進(jìn)行管理，并派遣相應(yīng)的自主飛機(jī)，同時(shí)配備專門的操作人員來(lái)執(zhí)行噴灑任務(wù)。系統(tǒng)中配備專業(yè)的智能航跡規(guī)劃軟件，具有智能化、操作性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，可以為農(nóng)藥噴灑無(wú)人機(jī)提供植物保護(hù)航路和農(nóng)藥噴灑軌跡的數(shù)據(jù)。在噴灑任務(wù)完成之后，農(nóng)藥噴灑系統(tǒng)的經(jīng)理人員可以對(duì)于噴灑活動(dòng)進(jìn)行查驗(yàn)與反饋，以進(jìn)一步確保農(nóng)藥噴灑任務(wù)的順利完成。最后，通過專業(yè)管理系統(tǒng)，對(duì)作物保護(hù)情況進(jìn)行分析，并自動(dòng)生成系統(tǒng)報(bào)告，對(duì)農(nóng)藥噴灑任務(wù)的完成度、精準(zhǔn)度、效果等方面進(jìn)行評(píng)估。本章設(shè)計(jì)了多旋翼自主飛機(jī)農(nóng)藥噴灑系統(tǒng)的三個(gè)組成部分。2.1多旋翼自主飛行器的的總體設(shè)計(jì)多旋翼自主飛行器由飛行控制系統(tǒng)、噴淋系統(tǒng)、地面站系統(tǒng)和供電系統(tǒng)等幾部分組成。根據(jù)農(nóng)藥噴灑任務(wù)的主要要求，此多旋翼自主飛行器要滿足載重、噴灑等較為復(fù)雜的任務(wù)要求。因此，車架的整體機(jī)械結(jié)構(gòu)、電氣系統(tǒng)和噴灑系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是其主要任務(wù)。對(duì)于多旋翼無(wú)人機(jī)來(lái)說，其核心框架應(yīng)為機(jī)械結(jié)構(gòu)，在設(shè)計(jì)中必須根據(jù)農(nóng)藥噴灑任務(wù)的特點(diǎn)多方面考慮，特別是總承載力和抗跌落性。因此，多旋翼無(wú)人機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)包括框架，中心板，折疊構(gòu)件，桿，馬達(dá)附件和下降結(jié)構(gòu)。為了使無(wú)人機(jī)在l0kg載荷下穩(wěn)定飛行，應(yīng)采用SolidWorks進(jìn)行三維建模。該樣機(jī)可在5米高空完成機(jī)身整體結(jié)構(gòu)的防墜落試驗(yàn)。無(wú)人機(jī)由動(dòng)力系統(tǒng)，飛行控制單元，噴灑系統(tǒng)，地面系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)組成，如圖2-1所示。圖2-1農(nóng)業(yè)無(wú)人機(jī)電氣系統(tǒng)的總體框圖飛行控制單元是無(wú)人機(jī)的核心。負(fù)責(zé)讀取傳感器信息。電子控制器可用于調(diào)節(jié)無(wú)人機(jī)的速度并調(diào)節(jié)處理數(shù)據(jù)。本文通過打開飛行控制單元Pixhawkin在飛機(jī)飛行控制單元用于控制系統(tǒng)的完成和溝通計(jì)劃，以確保飛機(jī)能執(zhí)行飛行操作。電力系統(tǒng)由電池，電子控制器，無(wú)刷電機(jī)和螺旋槳組成。根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷和節(jié)能要求計(jì)算最大電池，電動(dòng)機(jī)，電子控制器，螺旋槳升力，電池，電子控制器和電動(dòng)機(jī)電流和電壓。噴灑系統(tǒng)主要由氣缸，泵和噴霧臂組成。噴灑系統(tǒng)開關(guān)主要由電子開關(guān)控制。因此，通過設(shè)計(jì)噴灑系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)分析所述電子開關(guān)的操作并將其與以更合理和更均勻地方式噴灑到植物表面。2.2多旋翼自主飛行器路徑規(guī)劃設(shè)計(jì)根據(jù)耕地規(guī)模，無(wú)人機(jī)路徑設(shè)計(jì)方法可分為單架次和多架次路徑規(guī)劃設(shè)計(jì)。單架次路徑規(guī)劃意味著無(wú)人無(wú)人機(jī)在噴灑期間噴涂整個(gè)工作區(qū)域一次，不返回中間位置。該算法采用最短的無(wú)人機(jī)總時(shí)間來(lái)完成噴灑任務(wù)。通過對(duì)噴灑路徑總距離的計(jì)算，建立了優(yōu)化模型，并以平行于農(nóng)田多邊形的一側(cè)為約束條件。最優(yōu)算法的實(shí)現(xiàn)是選擇一組平行于不規(guī)則多邊形農(nóng)田任意邊的直線作為路線。平行路線與農(nóng)田多邊形相交的點(diǎn)是飛行點(diǎn)。相鄰路徑之間的距離是噴灑范圍。農(nóng)田多邊形中最近路徑與選定邊緣之間的距離是噴灑振幅的一半，最短的噴灑路徑是最好的。針對(duì)無(wú)人機(jī)一次不能完成大面積耕地噴灑任務(wù)的問題，設(shè)計(jì)了一種多架次路徑規(guī)劃算法。該算法研究了無(wú)人機(jī)返回點(diǎn)在噴灑過程中的位置。首先，采用網(wǎng)格法對(duì)塊進(jìn)行劃分。噴灑多個(gè)架次時(shí)，不僅要考慮噴灑過程中的電荷和能耗，還要還要考慮噴涂過程中的起飛和著陸時(shí)間以及電池和材料更換時(shí)間。這帶來(lái)物力和人力成本。因此，需要選擇無(wú)人機(jī)進(jìn)行多架次路徑設(shè)計(jì)，以最短的總飛行時(shí)間進(jìn)行噴灑為目的。3農(nóng)藥噴灑系統(tǒng)多旋翼自主飛行器的設(shè)計(jì)3.1自主飛行器的飛行原理多旋翼無(wú)人機(jī)需要承受10千克農(nóng)藥噴灑任務(wù)。首先，無(wú)人機(jī)必須具有堅(jiān)固的結(jié)構(gòu)和合理的機(jī)械位置，以確保無(wú)人機(jī)在不破壞其機(jī)械結(jié)構(gòu)的情況下降至5米安全著陸。其次，無(wú)人機(jī)的電氣系統(tǒng)可以確保滿載機(jī)翼提供的升力大于重量。最后，無(wú)人機(jī)必須配備噴灑系統(tǒng)，在執(zhí)行任務(wù)的時(shí)候以完成噴灑。無(wú)人機(jī)通過六個(gè)引擎在空中飛行。飛行控制模塊通過電子控制來(lái)控制轉(zhuǎn)向和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，以實(shí)現(xiàn)升力，渦旋和水平升降功能。如圖3-1所示，農(nóng)用無(wú)人機(jī)原理圖表明相鄰發(fā)動(dòng)機(jī)的不同方向可以平衡扭矩并拉動(dòng)噴灑平衡?？梢酝ㄟ^提升或降低所有發(fā)動(dòng)機(jī)的速度來(lái)實(shí)現(xiàn)俯仰運(yùn)動(dòng)。通過提高（降低）1、6、5電機(jī)的轉(zhuǎn)速和降低（增加）2、3、4電機(jī)的轉(zhuǎn)速，可以實(shí)現(xiàn)滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)。通過提高（降低）1、3、5電機(jī)的轉(zhuǎn)速，降低（增加）2、4、6電機(jī)的轉(zhuǎn)速，可以實(shí)現(xiàn)航向運(yùn)動(dòng)。圖3-1農(nóng)業(yè)無(wú)人機(jī)飛行工作原理示意圖在無(wú)人機(jī)噴灑過程中，操作員激活噴灑開關(guān)并通過2.4GHz無(wú)線通信向電路接收器發(fā)送信號(hào)。接收器接收信號(hào)并將其傳輸至噴灑系統(tǒng)的電子開關(guān)。電子開關(guān)使泵通電，藥品通過軟管通過泵流向噴頭，完成作物的噴灑。3.2自主飛行器設(shè)計(jì)準(zhǔn)則與要求3.2.1設(shè)計(jì)準(zhǔn)則在多旋翼無(wú)人機(jī)的設(shè)計(jì)必須遵循一定的標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)之前的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，一般設(shè)計(jì)思路如圖3-2所示。圖3-2多旋翼無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)思路在計(jì)劃開始時(shí)，無(wú)人機(jī)的重量，即無(wú)人機(jī)的起飛重量（起飛重量不能在設(shè)計(jì)開始時(shí)確定，但起飛重量只能根據(jù)經(jīng)驗(yàn)估算）。在設(shè)計(jì)n個(gè)轉(zhuǎn)子時(shí)，可以通過將起飛重量除以n來(lái)得到n個(gè)電動(dòng)機(jī)的功率，然后基于50％的發(fā)動(dòng)機(jī)功率選擇合適的發(fā)動(dòng)機(jī)。推力是起飛重量的兩倍，這確保了發(fā)動(dòng)機(jī)能夠快速響應(yīng)控制輸入的安全邊界，或飛機(jī)在垂直方向快速移動(dòng)的條件，即使電池電壓下降。然后，根據(jù)電機(jī)類型，選擇與電機(jī)匹配的葉片，盡可能要求電機(jī)與效率較高的葉片相結(jié)合。選擇定期飛行電池時(shí)，必須考慮兩個(gè)方面：重量和容量。在表面上，電池容量越大，飛機(jī)的飛行時(shí)間越長(zhǎng)。然而，電池容量越大，起飛重量越重，這意味著發(fā)動(dòng)機(jī)需要更努力地工作，以確保飛機(jī)在空中盤旋。因此，電池是飛機(jī)零部件選擇中的一個(gè)難題。將預(yù)期的電池重量作為負(fù)載選擇過程添加到電機(jī)中相對(duì)簡(jiǎn)單。飛行時(shí)間的計(jì)算應(yīng)遵循電機(jī)50%輸出電流（A）和功率（W）的計(jì)算，電機(jī)的最大電流不得超過控制模塊的公差，并且有一定的安全裕度。然后根據(jù)所選發(fā)動(dòng)機(jī)和葉片的尺寸確定無(wú)人機(jī)軸距，然后設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)完成后，材料和屬性將添加到所有結(jié)構(gòu)組件中。利用SolidWorks軟件的質(zhì)量評(píng)價(jià)屬性對(duì)設(shè)計(jì)框架的權(quán)重進(jìn)行評(píng)價(jià)。最后，比較了無(wú)人機(jī)的設(shè)計(jì)重量和初始估計(jì)重量之間的重量差距，它還解釋了由此產(chǎn)生的重量差異是否與所選引擎區(qū)域相匹配。如果先前選擇的發(fā)動(dòng)機(jī)的功率不再給出預(yù)期的回路重量，則必須重新測(cè)試發(fā)動(dòng)機(jī)并重復(fù)以上步驟直到無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)完成。體重和估計(jì)體重幾乎沒有差別。這是一個(gè)往復(fù)過程，需要在設(shè)計(jì)中多次嘗試。3.2.2設(shè)計(jì)要求無(wú)人機(jī)多旋翼噴灑機(jī)身的設(shè)計(jì)應(yīng)符合上述設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。除設(shè)計(jì)外，還必須考慮以下要求：（1）可靠的電池固定方法所有無(wú)人機(jī)動(dòng)力均由電池供電。電池松動(dòng)會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重事故。因此，需要牢固電池，這樣可以保證電池的安全。更換電池的快慢，在操作過程中也非常重要。（2）機(jī)架強(qiáng)度無(wú)人機(jī)機(jī)架是所有組件的載體。如果主軸不夠堅(jiān)固，它會(huì)在飛行過程中發(fā)生碰撞。在正常飛行中，主軸上的負(fù)載是發(fā)動(dòng)機(jī)及其所有部件的重量。在設(shè)計(jì)中，六個(gè)螺旋應(yīng)該在同一平面內(nèi)，并且螺旋的中心軸應(yīng)該垂直于葉片平面。這確保了飛機(jī)的動(dòng)態(tài)特性，對(duì)飛行控制系統(tǒng)的影響很小，并確保飛行安全。（3）機(jī)架重量三個(gè)因素影響飛機(jī)的飛行時(shí)間：電池性能、發(fā)動(dòng)機(jī)葉片組合效率和飛機(jī)重量。因此，如果確保了機(jī)架強(qiáng)度，則可以盡可能地減輕貨架重量，這對(duì)于較長(zhǎng)的飛行時(shí)間是有利的。（4）震動(dòng)抑制性由于電機(jī)轉(zhuǎn)速高，電機(jī)轉(zhuǎn)子-葉片系統(tǒng)不能保證重心在旋轉(zhuǎn)軸上。旋轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生偏心輪效應(yīng)，其引起影響主體附接的振動(dòng)（例如松動(dòng)的螺釘）。因此，有必要測(cè)量靜止葉片，即研磨和解決這些問題，使葉片的兩個(gè)葉片盡可能基本平衡，將重心放在電機(jī)軸上。（5）自加設(shè)備的固定位置目前，多旋翼無(wú)人機(jī)主要用于航空攝影和航空航天測(cè)量。由于農(nóng)藥噴灑系統(tǒng)的尺寸很大，因此，為了設(shè)計(jì)多旋翼無(wú)人機(jī)，必須考慮噴灑裝置的安裝位置。（6）組裝更換方便裝配問題應(yīng)考慮機(jī)架裝配的難度，使飛機(jī)不可避免地發(fā)生碰撞、碰撞等。機(jī)架可能部分損壞。如果損壞，應(yīng)盡可能方便地更換。（7）GPS應(yīng)至少比機(jī)架高出l0cm，以減少電氣調(diào)節(jié)引起的電磁干擾，提高GPS的穩(wěn)定性和精度。（8）機(jī)架外殼耐熱。對(duì)于炎熱的夏季天氣，外殼必須由耐高溫材料制成。3.3自主飛行器電氣部分設(shè)計(jì)3.3.1通信模塊設(shè)計(jì)無(wú)人機(jī)通信分為總線模塊通信、USB模塊通信和S-PI模塊通信。數(shù)據(jù)傳輸由上位機(jī)數(shù)據(jù)傳輸，有線通信和無(wú)線通信構(gòu)成。（1）S.BUS模塊通信S.BUS協(xié)議的特征在于數(shù)字化和路由。一方面，數(shù)字化使用現(xiàn)有的數(shù)字通信接口作為通信協(xié)議。微控制器系統(tǒng)需要特殊的軟件協(xié)議。Pixhawk開源空中交通管制員的理想選擇。純數(shù)字通信協(xié)議使用硬件協(xié)議來(lái)驗(yàn)證數(shù)據(jù)以改善干擾處理能力。另一方面，通道意味著數(shù)字接口同時(shí)連接到許多設(shè)備。這些設(shè)備通過分配器連接到S.bus總線，由此Pixhawk接收控制信息并調(diào)整電氣設(shè)置。圖3-3S.BUS智能總線輸入輸出圖如圖3-3所示，S.BUS智能通道輸入和輸出在PX4I0電源上運(yùn)行，PPM信號(hào)通過PX410PA8端子分配。用于S.BUS輸入的公共連接器端子，軟件確定使用哪個(gè)接收器，J901-4是用于外部S.BUS輸出的飛行控制裝置。（2）USB模塊通信USB驅(qū)動(dòng)器具有內(nèi)置microUSB接口，可通過外部microUSB插槽進(jìn)行擴(kuò)展，可與USB電路或SD卡電路共享。電路圖如圖3-4和圖3-5所示。圖3-4USB電路如圖3-3所示，J302是USB連接器，VBUS/1.1A是USB電源，OTG_FS_DP和OTG_FS_DP是USB驅(qū)動(dòng)器的輸出，F(xiàn)M11的PA11，PA12和NUF042XU分別是防靜電芯片，安裝的目的是損壞MCU。圖3-5SD卡電路如圖3-4所示，U301為microSD卡槽，輸出6個(gè)SDIO接口，由FMU_VDD_3V3/2.1A連接FMU電源為SD卡供電。（3）SPI模塊通信J403外接擴(kuò)展SPI接口，使用的是FMUSPI4oSPI模塊的原理圖如圖3-6所示。圖3-6SPI模塊原理圖3.3.2動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)動(dòng)力系統(tǒng)在無(wú)人機(jī)工作負(fù)載過程中起著至關(guān)重要的作用，可用作為無(wú)人機(jī)性能的衡量標(biāo)準(zhǔn)。電力系統(tǒng)的過功率會(huì)減少無(wú)人機(jī)單架次噴灑作業(yè)的面積，增加無(wú)人機(jī)返回供應(yīng)點(diǎn)的數(shù)量，從而增加無(wú)人機(jī)不噴灑作業(yè)的時(shí)間和能源浪費(fèi)。當(dāng)動(dòng)力系統(tǒng)不足以支持無(wú)人機(jī)在微風(fēng)中飛行或噴灑任務(wù)時(shí)，無(wú)人機(jī)將無(wú)法完成噴灑任務(wù)，甚至有墜毀的危險(xiǎn)。因此，電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)是重型噴灑任務(wù)設(shè)計(jì)的重要組成部分。（1）電機(jī)選型的設(shè)計(jì)無(wú)人機(jī)的牽引設(shè)計(jì)用于最大負(fù)載，因?yàn)闊o(wú)人機(jī)的最大允許起飛負(fù)載是電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心。讓無(wú)人機(jī)的空載重量（包括電池）為Mk，農(nóng)藥重量為My，無(wú)人機(jī)的滿載重量為Mmax。每臺(tái)電機(jī)的平均拉力為F，電機(jī)數(shù)為N，無(wú)人機(jī)在微風(fēng)條件下穩(wěn)定噴濺。單個(gè)電機(jī)的拉力是Fm的最小值。兩者的關(guān)系如下：（3-1）（3-2）（3-3）單個(gè)無(wú)人機(jī)提供的升力Fm設(shè)計(jì)如下：無(wú)人機(jī)的重量為Mk=12kg，載藥量My=l0kg，裝載藥劑重量為My=l0kg,電機(jī)數(shù)量N=6,為安全因子，一般取安全值的30%，根據(jù)公式(3-1),(3-2),(3-3)所示，可以計(jì)算出無(wú)人機(jī)裝滿藥劑進(jìn)行噴灑任務(wù)的過程中，單個(gè)電機(jī)受到的最小拉力為4.77kg；當(dāng)無(wú)人機(jī)空載時(shí)，單個(gè)電機(jī)最下拉力為2.6kg。從上面的分析可以看出，無(wú)人機(jī)要達(dá)到lOkg的負(fù)載農(nóng)藥的穩(wěn)定噴灑，單個(gè)電機(jī)受到的最小拉力為4.77kg。如表3-1所示，噴灑過程中受到的的拉力是螺旋槳引擎決定的，通過資料研究可知，電機(jī)的kv值越小，電機(jī)的效率越高，每增加發(fā)動(dòng)機(jī)1V，發(fā)動(dòng)機(jī)在單位時(shí)間內(nèi)增加170轉(zhuǎn)的速度；在速度，扭矩增加和螺旋槳增加相同的條件下，扭力也就增大。因此，無(wú)人機(jī)使用具有較低kv電機(jī)值的Q6LKV170電機(jī)。通過表3-1，選擇大型2255螺旋槳以獲得最佳性能。如表3-2所示，Q6LKV170和22555螺旋槳可提供7.862kg的最大抗拉強(qiáng)度，符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。無(wú)人機(jī)最大電機(jī)電流為35A，電子調(diào)節(jié)器的電子電流必須大于35A。出于安全考慮，最大電機(jī)電流的30％通常用作危險(xiǎn)值。因此，電子調(diào)節(jié)器的最大電流必須大于45.5A。XRotor80A是目前無(wú)人機(jī)電子調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)要求。表3-1Q6LKV170電機(jī)參數(shù)名稱參數(shù)名稱參數(shù)電機(jī)重量346g轉(zhuǎn)子直徑68.8mm電機(jī)KV值170(r/min)/V空載電流0.9A最大電流35A最大功率1660W最大電池節(jié)數(shù)6S-12S推薦螺旋槳規(guī)格2055,2255表3-2Q6LKV170電機(jī)與2255螺旋槳性能參數(shù)電流（A）拉力（g）功率（W）力效（g/w）418781929.781829643847.7191239385766.8371648217686.2772055319605.76128710513445.28633782615844.941（2）電池的設(shè)計(jì)無(wú)人機(jī)的電池壽命一直限制了無(wú)人機(jī)的發(fā)展。如果電池容量過高，經(jīng)濟(jì)效率的損失伴隨著高質(zhì)量電池的能量損失。如果容量小，則由于噴射時(shí)間短，無(wú)人駕駛飛機(jī)無(wú)法完成噴射操作。因此，電池設(shè)計(jì)應(yīng)成為重點(diǎn)。將電池的放電電流設(shè)置為Im（mA），單個(gè)無(wú)人機(jī)電流為In（mA），電池容量CI（mAh）和噴灑持續(xù)時(shí)間H（h）。由于電池必須與分線板（3-4）并聯(lián)，因此可以獲得具有安全系數(shù)（通常為1.4）k。由容量計(jì)算得到公式（3-5）。（3-4）（3-5）從公式（3-1），（3-2）和（3-3）可以看出，當(dāng)無(wú)人機(jī)空載時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的拉力為2.6kg。從表3-2可以看出，一個(gè)電動(dòng)機(jī)的電流為8A。無(wú)負(fù)載的噴灑時(shí)間為0.31h，根據(jù)等式（3-4）和（3-5）計(jì)算出CI為20832mA.h。類似地，等式（3-1），（3-2）和（3-3）表明當(dāng)無(wú)人機(jī)滿載時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的推力為4.77kg。在表3-2中，一個(gè)電機(jī)的電流為16A。滿載時(shí)的預(yù)期噴灑時(shí)間為0.16h。根據(jù)式（3-4）和（3-5）中計(jì)算出CI為21504mA.h。兩種類型的22000mA.h容量的格氏電池串聯(lián)連接，以便在計(jì)算后為無(wú)人機(jī)提供動(dòng)力。串聯(lián)后，電壓為50V，容量為22000mA.h，大于無(wú)人機(jī)滿載和空載時(shí)所需的電池容量。電池的放電率為25C，連續(xù)放電電流為550A，最大電動(dòng)機(jī)電流為240A。這符合無(wú)人機(jī)電流和電池設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求。3.4自主飛行器機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3.4.1無(wú)人機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖3-6顯示了無(wú)人機(jī)主軸結(jié)構(gòu)的3D模型。無(wú)人機(jī)的六個(gè)電動(dòng)機(jī)以六邊形頂點(diǎn)的形式均勻地分布在環(huán)周圍。無(wú)人機(jī)的螺旋槳直徑為22英寸，長(zhǎng)度為1英寸。根據(jù)公式3-6，無(wú)人機(jī)的軸距至少為117.6毫米。對(duì)于無(wú)人機(jī)安全，安全系數(shù)設(shè)置為1.5，無(wú)人機(jī)軸距為1676.4毫米。為了最大限度地提高螺旋槳的效率，相鄰葉片之間應(yīng)留有間隙。無(wú)人機(jī)相鄰兩臂夾角為60度，兩臂長(zhǎng)度相等，手臂的長(zhǎng)度為658.8毫米。為了實(shí)現(xiàn)折疊臂操作，無(wú)人機(jī)的落架高度必須大于軸的長(zhǎng)度。無(wú)人機(jī)在著陸過程中，起落架高度為814毫米。起落架底部應(yīng)安裝海綿套，可以起到緩沖作用。（3-6）圖3-6無(wú)人機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)注：1.電池組，2.螺旋槳，3.機(jī)體機(jī)架，4.轉(zhuǎn)子臂，5.無(wú)刷直流電機(jī)，6.電機(jī)支架，7.轉(zhuǎn)子臂聯(lián)軸器，8.中心架支撐板，9.噴灑桿,10.噴灑頭，11.噴灑桿鎖緊裝置，12.起落架，13.輔助泵，14.藥箱藥液出口，15.藥劑箱，16.無(wú)人機(jī)機(jī)罩，17.可折疊轉(zhuǎn)子臂，18.滑動(dòng)門，19.鎖止彈簧，20.轉(zhuǎn)子臂組件，21.轉(zhuǎn)向桿，22.轉(zhuǎn)盤，23.支撐板，24.橫梁支架，25.薄壁件3.4.2機(jī)架中心板設(shè)計(jì)中心板是無(wú)人機(jī)承重部位，由輕質(zhì)和硬質(zhì)碳纖維制成。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的規(guī)模如圖3-7所示，單位是毫米。中央板由上下中央板組成。中央部分是一個(gè)空的設(shè)計(jì)，用于存儲(chǔ)空氣單元，管道和電子控制。頂部有三個(gè)大孔，用于連接電池，GPS和飛行控制單元。上部和下部中央板具有24個(gè)螺釘孔，螺釘擰入轉(zhuǎn)子臂的折疊部中。中心板的六個(gè)端部具有兩個(gè)細(xì)長(zhǎng)孔，其與中央板支撐板接合以形成整個(gè)外殼。圖3-7機(jī)架中心板結(jié)構(gòu)圖3.4.3機(jī)臂的設(shè)計(jì)要執(zhí)行無(wú)人機(jī)載重飛行，需要強(qiáng)度結(jié)構(gòu)，由于機(jī)臂承受最大負(fù)載，需要對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)度校核，碳纖維材料的應(yīng)力大小為7Gpa。機(jī)械臂上的最大載荷必須小于7Gpa。機(jī)臂采用直徑28mm的軸和中空管的直徑d是碳纖維管的2mm圓形橫截面，圓形橫截面情況下的碳管，水平彎矩，選擇點(diǎn)和危險(xiǎn)點(diǎn)。臂長(zhǎng)L為658.8mm。由應(yīng)力計(jì)算公式(3-7),(3-8),(3-9)可計(jì)算出應(yīng)力大小。（3-7）（3-8）（3-9）其中L為臂長(zhǎng)(mm),G為最大載荷所受的力(N)，由公式(3-7),(3-8),(3-9)可得（3-10)。（3-10）為0.268Gpa小于7Gpa且強(qiáng)度符合要求，因此用于臂長(zhǎng)的碳纖維管設(shè)計(jì)合理。3.5噴灑系統(tǒng)設(shè)計(jì)無(wú)人機(jī)噴灑系統(tǒng)由藥箱、水泵、噴灑桿、灑水器、軟管等組成。當(dāng)泵打開時(shí)，藥物從軟管出口從藥箱出口流向泵的入口。然后藥物通過泵的壓力從泵出口泵出。水流過軟管進(jìn)入分流器。分流器將水流分成兩股連接兩個(gè)噴桿的股線。最后，噴頭到達(dá)作物噴灑。噴灑系統(tǒng)的原理圖結(jié)構(gòu)如圖3-8所示。圖3-8噴灑系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖藥箱采用光柵擋板，減少了液體晃動(dòng)，提高了無(wú)人機(jī)飛行中的自穩(wěn)定能力。擋板的形狀大約是長(zhǎng)方體。擋板長(zhǎng)0.27m，寬0.27m，高0.15m。藥箱側(cè)面有兩個(gè)凹槽。起落架的凹槽部分連接到長(zhǎng)螺絲刀，并且輥?zhàn)油Ｔ谄鹇浼艿闹虚g。泵使用微型泵，微型泵具有低壓和高效率。它配備了節(jié)能和小軟管。雖然壓力低，但可以進(jìn)行藥劑噴灑。兩個(gè)噴灑器對(duì)稱地安裝在起落架上。每個(gè)噴頭有兩個(gè)噴嘴。無(wú)人機(jī)噴灑系統(tǒng)采用德國(guó)萊赫勒的風(fēng)扇噴霧器。通過調(diào)整風(fēng)扇噴嘴的角度并更換噴嘴下方形成的霧氣來(lái)噴灑整個(gè)農(nóng)作物。噴灑工藝方便靈活，可根據(jù)不同噴灑要求調(diào)整噴灑角度。自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)的開關(guān)由電子開關(guān)實(shí)現(xiàn)。原理如圖3-9所示。它需要三個(gè)外部部件。開關(guān)的一端連接到接收器的通道，接收器接收信號(hào)，另一端連接到12V電池，另一端連接到泵。它通