六旋翼飞行机器人结构设计【含CAD图纸、说明书】
压缩包内含有CAD图纸和说明书,咨询Q 197216396 或 11970985摘要根据我国目前的农业发展前景,本身是一个农业大国,差不多有十八亿亩的农田面积。对于农田施肥这一方面还有很大改进的地方,目前大部分农田施肥都是依靠人工,工作效率低,而且撒化肥分布不均匀等情况。所以针对这一情况,结合本文设计的农田施肥旋翼飞行机器人,最主要的是能够代替人工劳动力,大大地提高农田施肥的效率。根据本文设计的农用无人机,考虑到施肥这一主要关键词,本次所设计的是多旋翼施肥无人机,对于飞行机器人的旋翼支架、着落架、化肥箱和螺旋桨等部件进行更深入的探索,参考市场上已经出现的多旋翼无人机作出改进,结合本次设计题目的实际情况进一步优化。本文所设计的要求包括旋翼支架结构、化肥箱在飞行机器人的设计位置和撒化肥的机构等,在本次论文中有明确的说明,并给出CAD各部件的零件图和飞行机器人的模型装配图,实现了多转子飞行机器人的效率、标准化和实际应用。关键词 旋翼飞行机器人;施肥;结构设计 AbstractAccording to the current agricultural development prospect in China,Our country is a big agricultural country, China has about 1.8 billion mu of farmland area.There is a lot of improvement in the field of fertilization in the field,At present, most farmland fertilization relies on labor, low efficiency, and uneven distribution of fertilizer.Therefore, in view of this situation, combined with my design of farmland fertilization rotor flying robot, the most important is to be able to replace the artificial labor force, and greatly improve the efficiency of farmland fertilization.According to the agricultural drone I designed, taking into account the main keyword of fertilization,This time I designed a multi-rotor fertilization uav.More in-depth exploration of the rotor support of the flying robot, the falling frame, the fertilizer box and the propeller, etc.The multi-rotor uav has been improved in reference market, and the actual situation of this design topic is further optimized.The requirements I have designed include the rotor support structure, the design position of the fertilizer box in the flying robot, and the chemical fertilizer mechanism, etc.In this paper, there are clear instructions, and the assembly drawing of the parts drawing and flying robot of the CAD parts is given.The efficiency, standardization and practical application of multi-rotor flying robot are realized.Keywords rotor flying robot fertilization structure design IV目 录摘要IAbstractII1 绪论11.1 农用飞行机器人的发展史21.2 农田施肥旋翼飞行机器人的前景51.3 多轴旋翼农用植保无人机更高效、更实用61.4 农用多轴旋翼飞行机器人还需解决的问题71.5 多轴旋翼农用无人机的注意事项82 六轴旋翼农用飞行机器人的机身结构设计与施肥机构92.1 六轴旋翼农用飞行机器人的基本结构设计92.1.1 六轴旋翼农用飞行机器人的整体设计92.1.2 六轴旋翼农用飞行机器人撒化肥系统设计与其工作原理102.2 六轴旋翼农用飞行机器人的自平衡原理123 无人机的动力系统设计与其工作原理143.1 基本结构143.2 动力电机与调速系统153.2.1 电机153.2.2 电调163.2.3 飞行控制器173.3 电机的主要参数和续航时间的计算173.3.1 六轴旋翼农用无人机的电机选择183.3.2 估算六轴旋翼无人机的飞行工作时间184 无人机的螺旋桨设计204.1 影响螺旋桨的几何参数204.2 螺旋桨材料的选择214.3 无人机螺旋桨的运动特性224.3.1 螺旋桨的转速224.3.2 螺旋桨前进的速度224.3.3 螺旋桨旋转一周的距离224.4 无人机螺旋桨的动力学特性224.4.1 螺旋桨的拉力和拉力系数224.4.2 螺旋桨的扭矩和扭矩系数234.4.3 螺旋桨的功率和功率系数234.4.4 螺旋桨的前进比244.4.5 螺旋桨的效率244.5 无人机机型与电机、螺旋桨之间的关系245 PCB控制板、陀螺仪、遥控器的应用255.1 六轴转子旋转与无人机飞行的原理255.2 六轴旋翼农用无人机陀螺仪的应用265.3 无人机的遥控器26结论28致谢29参考文献30VI1 绪论随着科技的高速发展,旋翼飞行机器人慢慢地走进了人们的眼球,它不需要人去驾驶,通过手动遥控或者电脑控制等去完成不同的飞行任务,飞行机器人就是不载人的无人机,英文简称为“UAV”,无人机根据技术角度的不同分为固定式无人机、单轴旋翼无人机、多旋翼无人机等等,无人机涉及的领域有很多,比如执行系统、操作系统以及关于它们的一些参数和技术指标等方面。可以根据执行农田任务设计的结构不同来选择不同类型的农田作业无人机,比如利用无人机来给植保撒农药、春天秋天时期播种时期撒种子、还可以在无人机上装置摄影设备用于观察农田植被现状。我们现在在现实中也可以看到许多飞行机器人在空中执任务,甚至有的在各领域已经投入使用,为人们的生活带来了方便,大大减少了人力。可以说,无人机的出现给人们带来了很大的方便,而且无人机也应用在多个领域。以下统计的是无人机涉及的一些领域如图1-1,以及比例扇形图如图1-2所示:图1-1 统计无人机涉及的领域图1-2 扇形图1.1 农用飞行机器人的发展史在这几年里,无人机的产量直线上升,在无人机的应用的领域也不在变得单一,本来无人机是用于军事侦探的,而现在慢慢地往民用上靠拢,无人机在民用上应用较多的地方在于农田植保、森林侦探火情,还有无人机拍摄等等。在二十世纪十年代初,德国飞行员在世界上第一次使用有人驾驶的飞机喷洒农药和粉末,来用于预防害虫对树林造成的破坏。为以后数十年农用飞机打下了基础,美国在1918年首次用有人驾驶的飞机喷洒农药来消除棉花的害虫,从此开始,越来越多的国家使用飞机来喷施农药来达到消除害虫的效果,并一直推广至今,各国每年的植保农用飞机都不断递增,很多国家研制的农用无人机也陆陆续续出现,就在这几年美国和澳大利亚等国家出现了很多专门用于农业的小型飞机,之后根据国际农业航空部门统计,在世界上差不多有七十几个国家拥有约3.2万架农田植保无人机,利用农田植保无人机作业的耕地面积达到世界总耕地面积的百分之十七。伴随着有人驾驶飞机喷洒农药防治害虫的出现,农用无人驾驶飞行机器人也如春笋般涌现出来,很多的国家也开始效仿,因此每年的农用无人驾驶飞行器也越来越多,但是到了1960年之后,人们看到农药对于环境的影响,由于高空载人飞行器高空作业的时候,会因为风向等环境的影响把药水落入到纯净的湖水或者泥土里面,这样必然会避免不了农药对环境的影响,因此在西方农业比较发达的国家就慢慢地形成了以大型机械植保和高空植保为基础的农田施肥体系。但是因为农药的有害性,而且高空喷洒农药的不稳定性,微小农药雾滴随着风向会撒落到其他非植保面积,对土壤的破坏,对水源的污染,包括对人体的伤害。于是到1980年中后期,因为有人驾驶飞机高空喷洒农药造成的环境污染和对人体的伤害,在欧盟经决定不允许使用高空喷洒农药,到现在只能用大型机械植保用来进行喷洒农药来完成任务。但是在美国就没有欧盟那么严格的要求,因为美国是超大规模的农田,如果美国仅仅依靠人的劳动力和大型地面机械来喷洒农药,这样就大大地降低了工作的效率,而且工作量十分巨大,这并不现实,所以在美国都是利用工作效率较高的固定式飞机和有人驾驶飞机。然而,美国也总是担心无人机喷洒农药会对环境造成巨大的影响,现在一直没有通过立法让无人驾驶飞行器来完成农田施肥,但是不可忽略的是美国是世界上少有的几个关于拥有先进农田植保技术的国家之一。在整个美国用航空喷洒农药率达到百分之六十五左右,其中,水稻喷洒农药全都是采用农业航空,这可能就是因为美国的农田都比较集中,而且都是大型农场,所以对于美国而言,高空施药是他们最好的选择。在日本,平均每个农民的耕地面积都比较小,而且日本的地形大多数是山,所以日本和美国就不一样,不用有人驾驶飞行器来进行高空作业,但是他们高空作业主要是单轴旋翼飞行机器人,原来日本主要是以小型无人机未主,也是世界上少有的几个国家最先开始使用无人机来用于农田施肥的。主要是因为随着日本国内的发展,越来越多的农民开始都到城市里打工挣钱,然而农村就会缺少主要的劳动力,这样农业就会造成比较大的损失。从那时起,日本也意识到这个问题,因为他们国家本身就是一个物质极度缺乏的国家,人多地少,因此日本就从美国那里引进先进的无人机技术,并且在日本科学家的努力下,在上世纪八十年代中期诞生世界上第一架用于农田喷洒农药的无人驾驶飞行机器人,就是我们现在所说的农用无人机,这架无人机叫做“R50”,是日本山叶公司(yamaha)发明的,他们设计了一个可以搭载五千克药箱的无人机来进行高空作业。随着“R50”无人机的出现,在日本,农用无人机开始迅速发展,主要是用于农林业施肥等。一直到现在,日本大部分是以单轴旋翼无人驾驶直升机来进行农业喷雾,现在他们国家已经很少用有人驾驶直升机,农用无人机发展到现在,在日本已经有了四十几年的历史了,可以说日本在植保无人机技术方面已经领先于世界上很多国家,日本研制的农用无人机类型如图1-3所示。图1-3 日本研制的农用无人机类型我们国家是一个农业大国,因为我们国家有十四亿人口,对于粮食的需求远远多于其他任何国家,在1950年之后,我国一直致力于发展农用飞机用于小麦,水稻等主要农作物来防治害虫对农作物的破坏,一开始,我国也拥用了几架固定式载人飞机如“Y-5B”、“蜜蜂二号”、“蜜蜂三号”,用于农田植保的小型驾驶飞机,其中在1957年,我国自行制造出第一架5型农用飞机,从此开始,我国对于农作物的需求越来越大,植保飞机的发展也越来越快,不仅仅对农作物进行施肥,还对森林害虫、草原等广泛的使用,最重要的是节省了大量的劳动力,提高了效率,大大减少了害虫给农田、森林、草原带来的危害。据统计,目前为止,我国的植保无人机有一万余架,农用和森林的固定式飞机和直升机差不多有一千四百六十余架,中国拥有农用飞机的数目还远远不如其他国家;利用农用植保无人机进行高空作业面积还不到耕地总面积的百分之二,但是仅仅我们国家使用航空作业无人机来进行农田和森林预防害虫和施肥的面积多达两百多万公顷,可想而知,我国还是比较依赖于使用植保无人机,但是看到上面统计到的数据来看,我们国家和世界上其他的发达国家还是有很大的差距。自从我国“863”计划开始,我们国家在研制植保无人机已经有了十几年了,而且尤其对于农田植保这一方面的无人机发展十分迅速,在这其中,因为其他国家出于军事用途禁止向我国出售该农用飞机和技术,于是,到2008年,我国“863”计划关于“农田低空、低量喷洒农药的研究与设备开发”的项目就随之启动,并且经过多家研究所科学家的共同努力下研制出“Z-3”的单转子农用植保无人机,这架植保无人机可以搭载十千克的药箱,并使用两个雾化喷头进行喷洒农药,见图1-4所示。图1-4 “Z-3”型油动单旋翼植保无人机伴随着油动单转子农田植保无人机的问世,我国也开始着手研发农田植保无人机,在2010年,我国研制出世界上第一架多旋翼电动农用无人机,一种是八旋翼植保无人机能够装配十千克的药箱,另一种是十八旋翼植保无人机装配十五千克的药箱,搭载两个专门为其研发的变量离心喷头,研制的这两架低空、低量的多转子农田植保无人机利用手动遥控器来执行农田洒药的飞行任务,在之后的几年里,这种多转子农田植保无人机在我国多个省市得到了广泛的推广。1.2 农田施肥旋翼飞行机器人的前景到目前为止,农用无人机有三种飞行平台,包括固定式无人机、单轴旋翼无人机和多轴旋翼无人机三种。固定式无人机主要对农田进行信息采集,固定式无人机具有速度快、载荷大、农田作业效率高等特点,对农作物作业差不多高度在五到七米,属于低空作业,但是固定式无人机对地形的要求却比较高,一般不适合在有电线、树木的地区作业,不然会对无人机的正常植保作业造成影响。单旋翼无人机使用的燃油发动机居多,所以比较耗油,但是它的载荷大,可以随时起飞降落,相对于固定式无人机而言,单轴旋翼无人机相对于地形、环境而言并没有太大的影响。最后一种就是本次毕业设计所考虑的机型,多轴旋翼无人机,它主要是由蓄电池为动力来源,操作方便,噪音小,无污染,这是油动无人机所比不了的,差不多一次作业在二十到三十分钟,主要适用于小型农田。农用多轴旋翼无人机简单点说就是为了防止农田农作物受到害虫侵害或者增加土壤的肥料,而且农用无人机的结构非常简单,它是由上面所提到的三个飞行平台、撒化肥系统和飞控GPS装置构成的,我们可以手动遥控并且对农田进行喷洒农药、植物的种子或者撒化肥等多种植保作业,所以说,以一个手动遥控式的农用无人机为例,如果它的有效载荷是16千克,那么它的效率差不多将是人的三十倍,一天作业可达到500亩,三种飞行平台的农用无人机优缺点见表1-1所示。表1-1 三种飞行平台农用无人机的优缺点类型应用分类动力优点缺点固定式信息采集燃油载荷大、工作效率高、飞行速度快,用于超低空飞行,飞行高度在5到7米对环境和地形的影响比较大续表1-1 类型应用分类动力优点缺点直升机空中植保作业单轴旋翼燃油用于大型农田植保作业,载荷达到三十千克,飞行时间可达一个小时以上可以随意地起飞和降落,飞行灵敏,可用于地形复杂的环境耗油,结构复杂,维修成本大,价格较高飞机载荷小,飞行时间短,不适合大风天气锂电池自重轻,载荷小飞行时间短,需充电油电混合飞行时间大概在一个小时,载荷达到三十五千克以上能源消耗大多轴旋翼价格低廉,操作方便,维修简单应用于小型农田,飞行时间小于三十分钟到现在为止,我们国家的农用无人机主要分为单轴旋翼农用无人机和多轴旋翼农用无人机,而本次设计的是农田施肥多轴旋翼无人驾驶飞机,按照它们的动力系统主要分为油动和电动二种形式,设计的多轴旋翼飞行器的核心是旋翼电机,因为以电池为主要动力的手动遥控农用无人机操作起来比较方便,而且启动比较快。而油动植保无人机是以电动机为主要动力,它的飞行时间相对于电动的来说要长一点,但是因为油动无人机它自身的重量比较大,所以它的启动上升和降落时间相对来说并不如电动无人机。现在,随着遥控多旋翼无人机喷洒农药的前景,现在这种机型在农田和果园出现的越来越频繁,随着农用无人机的推广,相对于我们古老的植保方式,农用无人机比传统方式更高效,更安全,降低成本等优点,但是我国的植保无人机还处在萌芽阶段,技术还远远低于美国、日本等发达国家,随着农用无人机得到广泛的推广,很多企业开始重视这个新型科技,而且在农村也越来越受欢迎,所以对于农用旋翼无人机而言,有很大的发展前景,本次设计的六旋翼农田施肥无人机主要就是用于农田植保,因为六旋翼无人机的成本不高、操作方便、还有飞行优势更加明显,随着六旋翼飞行机器人的发展给人们带来很大的方便,有益于当代社会新型科技的发展。1.3 多轴旋翼农用植保无人机更高效、更实用在农村或者草原以前主要是靠人的劳动力来进行撒化肥的,现在市场上前几年也出现了地面机械撒化肥,相对于老式的手撒化肥省力了许多,但是遇到大型农田、大片草原还有山区地带的地方,光是依靠人力来撒化肥并不是最佳选择,因为不仅仅是效率上落后一大截,而且对于农民来说,农用植保无人机能够代替人去撒化肥肯定会受欢迎的一件事,而且本次设计的农田施肥多旋翼飞行机器人,因为机型较小,造价低廉,比较适合个体户和大型种植户使用,现在的社会都更加趋近于高收益,新能源,低损耗,也符合当代社会新型科技的发展。1、 操作方便,飞行灵敏对于六旋翼农用无人机来说比较适合用于低空作业,这样就避免了因为飞行过高会碰到树枝和电线杆等障碍物,而且电动多旋翼无人机启停效果好,灵活性好,不需要专门的升降地点,随处可以升降,在无人机空中撒化肥的过程中可以随时控制它的作业高度,左右运动等等。2、 对地形的要求不高不会因为地形的要求而产生影响,无论是山坡或者高原地区等都可以进行工作,有些多旋翼植保无人机也可以装置侦测设备,对于操作人员来说,对于地形、飞行撒化肥等情况一目了然。3、 节能减排,噪音小本文设计的农用无人机主要是以蓄电池为主要动力,是以不会产生污染环境的气体,相对于油动植保无人机相比,机型更小,因为它是以发动机和燃油来给无人机输送动力的,产生的噪音较大,会影响别人的正常生活,所以电动农用无人机这款机型更加的符合我国节能减排的要求。4、 便于拆装,维护成本低因为六旋翼无人机本身的尺寸小,操作方便,升降平稳,对于无人机的机架和螺旋桨等等不会产生太大的影响,而且机身便于拆装,不会太大影响农田撒化肥的进度。1.4 农用多轴旋翼飞行机器人还需解决的问题在无人机发展的这几年 , 农用无人机在各个地区迅速发展 , 无人机在农作物上方作业 , 具有实用性 , 高效率 , 避免人员中毒等优点 , 但也存在农用无人机载量小 , 超低空飞行受到风雨环境的影响,虽然小型电动农用无人机的维护费用相对于其他机型来说没有那么高, 但还是比较依赖专业维修人员等缺点 , 有些因素也约束了农用植保无人机的更一步发展。本文设计的农田施肥多轴旋翼无人机具有载荷比较大、飞行相对平稳,易于操控、维护保养不复杂,也搭载不同的作业机构来完成各种不同作业植保项目。设计以下几个指标 1.无人机速度指标 2.无人机高度指标3.蓄电池续航时间 4.飞行的规定路线 5.最大有效载荷 6.无人机的几何尺寸等等。现在人们不仅仅要求产品的高效率化,更加注重的是减少产品的成本。现在农用无人机想要在市场上占有一席之位,在保证它们的主要指标之外,还要考虑农用无人机在作业过程中喷洒农药和撒化肥是否均匀,工作可靠,而且对蓄电池的要求也很高,续航时间也是一个不可忽视的问题,当然还有对农用无人机本身的要求,无人机的机身是否牢固,不能因为一两次实际操作失误的情况下,无人机就不能再用了,所以说,农用无人机还面对着一大堆需要解决的问题,这关于农用无人机的发展来说是一个巨大的挑战。1.5 多轴旋翼农用无人机的注意事项1、 农用无人机不合适在高温环境下工作,因为机身大多数是纤维材料,经过高温暴晒后会对机身产生损坏,影响农用无人机的正常工作,所以尽量避免中午高温情况下撒化肥。2、 除了高温情况下,也不适合在大风情况下工作,农用无人机本身尺寸较小,可能会因为风速的影响对无人机飞行方向造成偏离,影响农用无人机的正常工作,而且对于撒化肥的范围造成误差,大风天气下使用农用无人机撒化肥会事倍功半,会对农作物不利3、 另外还有一种天气情况也不适合撒化肥,那就是雷雨天气,雨天可能对农用无人机的影响不大,但是并不是没有影响,虽然电机本身具有防水的作用,但是农用无人机上安装的蓄电池,如果蓄电池遇到水,会对电池造成损坏,而且飞控系统也不能遇到水,会对农用无人机的控制产生影响。4、 还有关于遥控农用无人机的要求,一个遥控器只能控制一架农用无人机,因为农村的个体种植户很多,有可能出现很多同时使用无人机撒化肥的情况,如果出现遥控器混用的话,它将失去对无人机的控制,无人机的飞控系统会崩溃,这是我们要注意的地方。5、 每次使用农用无人机飞行的前后都要检查,看看是否有损坏,是否有故障,使用结束后把机身上擦干净,便于下一次使用,而且对化肥箱和撒盘检查,化肥箱是否完好无损以免出现化肥洒落的现象。6、 农用无人机撒化肥之前,你应该注意无人机的电池和遥控器的电池是否有充足的电量来供应无人机的正常飞行。7、 不允许在无人机工作的时候下方有人,以免造成人员的伤害等情况。8、 严禁在高压电线下飞行,防止碰撞,避免无人机坠落和悬挂在高压电线的情况发生。2 六轴旋翼农用飞行机器人的机身结构设计与施肥机构2.1 六轴旋翼农用飞行机器人的基本结构设计这次本文所设计的是一个适合农田、草原的六旋翼农用无人机撒化肥系统,浏览了一些参考文献和市场上已经出现的无人机结构,主要分析了六旋翼农用无人机的工作原理,本机型主要设计的是无人机的机体部分、飞行的控制系统和以蓄电池为动力的飞行动力系统。农用无人机机体部分指的是飞行机器人的主体,比如无人机的机架、起落架等,主体结构主要起连接和固定零件(包括便于装拆)的作用;动力部分指的是蓄电池、电机、螺旋桨等部分,它主要是提供动力,并进行农田植保作业;飞行控制系统指的是由遥控器(可以远程控制)、飞控器和接受信号装置组成的设备。还有在无人机上装置的撒化肥系统,它主要由化肥箱(包括漏口、和调节漏口大小的插板)、电机、撒盘组成。2.1.1 六轴旋翼农用飞行机器人的整体设计图2-1 六转子飞行机器人的模型1-化肥箱、2-固定板、3-前旋翼支架、4-螺旋桨、5-中旋翼支架、6-旋翼电机、7-后旋翼支架、8-电池、9-着落架、10-着落架安装支架、11-雷达、12-撒盘、13-撒盘电机表2-1 主要设计参数序号设计名称设计参数(数量)序号设计名称设计参数(数量)1无人机轴距1300毫米8喷洒范围3到6米2最大长度1520毫米9喷洒速度2到10千克/每分钟3飞机自重8千克10起飞重量24到26千克4化肥箱尺寸50050026511飞行时间20到30分钟5有效载荷15千克12飞机材质碳纤维、铝合金6撒盘尺寸18020毫米13喷洒效率2到3亩/每分钟7出料口数量六个14撒盘转速700-1260r/min通过以上设计的农用飞行机器人整体结构图可以看出,本文设计的六旋翼农田施肥无人机是由六个螺旋桨组成,分别是由六个电机产生起飞的推力,它们六个旋翼支架在同一水平面内,因为考虑到农用无人机本身的重力和化肥箱装置在固定板的位置,重心是无人机飞行平衡的一个重要因素,所以说,六根旋翼支架的长度相同并且连接在机身的固定板上,在下文中将详细的描述多轴农用无人机搭载化肥箱之后的重心位置。农用无人机的机身上半部分有六个螺旋桨、和长度相等的旋翼支架、固定板、装配在固定板上的电池和接受信号器、电路板、还有螺旋桨下面的六个电机等零件。农用无人机的机身上部分主要执行的是无人机的启动飞行与其降落、信号的接受、还有对调节无人机飞行状态的控制。农用无人机的机身下半部分有着落架、化肥箱、撒盘和撒盘电机、插板。农用无人机的机身下半部分只要执行的是撒化肥系统,蓄电池让电机工作,电机带动撒盘旋转,从化肥箱漏下来的化肥落入撒盘,撒盘有六个出料口,化肥从六个出料口均匀的喷出达到化肥撒到农田的效果。2.1.2 六轴旋翼农用飞行机器人撒化肥系统设计与其工作原理六旋翼农用飞行机器人撒化肥系统结构如上图所示,是由化肥箱、电机、六个出料口的撒盘和电源装置等组成,如图2-2所示。1.化肥箱设计化肥箱结构如图所示,首先装备一个用来盛装化肥的容器,一般方形桶或者圆柱桶都可以,化肥箱的左上角有一个装化肥的口子,也就是箱口,电源控制撒盘电机,当化肥箱里装满一定量的化肥,按下电源,撒盘电机工作,带动六个出料口的撒盘,从而将化肥颗粒通过旋转的撒盘来达到化肥撒出去的效果,如果需要调节化肥喷出量,可以通过插板设备控制化肥喷洒的流量(插板水平放置,当插板往外拉时,漏口变大,化肥的流量也就随着漏口的变大而增大)。2.撒化肥系统的工作原理(带调速器并可控流量)将撒盘电机(低转速)设置在无人机的着落架上,上面是化肥箱的漏口(漏口大小可调节),用蓄电池驱动撒盘电机工作,随着撒盘电机的旋转,随着化肥箱漏下来的化肥从六个出料口喷出,根据农田对化肥的需求,可以手动调节漏口的大小,就能控制化肥的流量,这样就能达到农田均匀的撒化肥的效果,而且无人机撒化肥比人用手来撒化肥效率高多了,可以达到每分钟2到3亩地。3.插板装置插板装置就是控制漏出化肥的流量,能掌控喷洒化肥量。4.化肥喷量在考虑喷洒化肥量的时候,可以先把一定重量的化肥装入化肥箱(额定容量31.25+11.7=42.95)中,然后通过撒盘电机旋转来进行喷洒,最后通过化肥箱里化肥剩余量在推导出喷洒量(喷洒量=初始装入化肥箱的重量-化肥剩余量)图2-2 化肥箱外部机构图1-化肥箱 2-撒盘电机 3-撒盘 4-化肥箱漏口 5-插板2.2 六轴旋翼农用飞行机器人的自平衡原理本文所设计的六旋翼农田施肥飞行机器人中,连接在固定板上的六根支架长度是相等的,六个螺旋桨的中心都在同一个圆上,并且在螺旋桨下面布局着六个相对称的电机,通过电机来给螺旋桨提供升力。所以说本次设计的农用无人机的重心也很好确定,设计的重心就是在圆的圆心。从本次的设计图纸上可以看出,农用无人机上共有六个螺旋桨,其中内侧的两个螺旋桨为无人机的主要旋翼,它们两个螺旋桨的转向是相反的,一个是顺时针,一个是逆时针,在无人机的外侧有四个副旋翼,同样的道理,四个螺旋桨的转向都是相互对应的,相邻的两个螺旋桨转向是相反的,也就是说所设计的农用六轴旋翼无人机上的螺旋桨,有三个螺旋桨是顺时针旋转,其他螺旋桨是逆时针旋转。其中无人机的主要升力是由两个主旋翼来控制的,而其他四个副旋翼主要是是控制着农用无人机的姿态飞行调整,所以说,在农用无人机工作的时候,想要改变无人机飞行的姿态和它的航行路线,只需要改变相应电机的旋转速度,从而改变了无人机牵引力的大小,这样就可以改变空中作业时的飞行状态,并且具有自平衡率。1、 当无人机的推重比等于1时,也就是说无人机六个旋翼产生的向上升力=无人机的自重时,于是无人机就可以实现悬停的目的。2、 当无人机六个旋翼产生的向上升力无人机的自重时,也就是两个共轴旋翼的转速都减小,无人机就可以实现升高的作用。3、 另一种情况则相反,也就是推重比小于1的时候,无人机就可以实现降落的作用,由此可见,无人机的升降是由两个共轴旋翼的转速大小来决定的。考虑设计的无人机是六轴旋翼飞行器,当无人机需要改变它的飞行作业航线时,可以通过改变两个同轴转子的旋转转速来控制飞行器的偏航路线,当两个同轴转子以不同的速度旋转时,那么六个旋翼产生的反扭矩就不再平衡,此时无人机就会旋向转动。本身两个同轴转子的转向是不同的,一个逆时针,一个顺时针,这时两个主旋翼能够平衡所有旋翼产生的反扭矩,此时无人机是水平直线运动的。当六轴旋翼无人机所产生向上的升力的总和一直不变时,且顺时针的旋翼旋转速度逐渐增大,逆时针的旋翼旋转速度逐渐减小时,此时农用无人机实现逆时针偏航的效果。当共轴转子所产生向上的升力的总和一直不变时,且逆时针的旋翼旋转速度增大,顺时针的旋翼旋转速度减小时,此时农用无人机实现顺时针偏航的效果。上面说了无人机的主要升力是由两个主旋翼来控制的,而无人机的水平移动是由四个副旋翼来实现的,因为六旋翼无人机同一侧的两个副旋翼的旋转方向是相反的,所以,在同一侧的两个副旋翼的旋转速度都要同时减小或者增大,这样才不会出现反扭矩的平衡。简单的说,如果农用无人机在空中撒化肥想要执行倾斜的任务,那么需要增大同一侧旋翼的旋转速度,使之升力增加,此时,农用无人机的姿态就会偏向一边,并且农用无人机会向降低水平的一侧飞行,这样就会实现无人机的左右倾斜功能。同样的道理,如果想实现前后仰俯倾斜飞行的话,只需调节前后的副旋翼的转速,使前(后)支架旋翼的旋转速度同时增大(减小)或减小(增大),无人机的飞行模式便会随着不同执行命令而改变着不同飞行任务。还有一种飞行情况是翻转运动并左右移动,当左右两侧的的转速同时变化时就能实现翻滚运动并左右移动。更通俗易懂地说,在飞控的协调下,控制着每个螺旋桨不同的旋转速度和转向,六个旋翼给无人机向上的升力,掌握无人机的平衡和控制无人机的飞行方向。无人机的六个旋翼控制无人机的主要升力,当想要改变无人机的偏航时,只需改变电机转子的转速,相同旋向的旋转速度增大或者减小时且它们产生的升力总和不变,这样无人机就会实现偏航;如果使用六轴旋翼无人机在农田撒化肥时,想要改变无人机的飞行模式,那么将同一侧的转子旋转速度增大的同时,而另一侧的转速减小,然后无人机就会向一边倾斜。3 无人机的动力系统设计与其工作原理上文也提到关于无人机的动力系统设计,目前而言,我们所接触到无人机主要是靠三大类来提供动力的,首先是油动,靠燃油来提供动力的系统是我们生活中最常见的,比如汽车、轮船、包括火箭等等,在其次是电动,当然随着科技的发展,电动也慢慢地取代一些油动设备,如今我们现在提倡的是节能减排,随着燃油物质的匮乏,也慢慢地寻找新型能源,而电动的近几年发展,越来越多的国家开始发展电动系统,其中,我们最常见的是马路上的电动车,这是我们所观察到的进步,以前几乎都是看到摩托车比较多,现在电动车每家都有,甚至好几辆,但是为什么随着电动车的发展而取代摩托车呢?原因其实也很简单,摩托车都是使用的发动机,依靠汽油来实现动力,汽油是不可再生能源,相对于电动车使用蓄电池来说方便的多,蓄电池充完电就可以直接使用,而且产生的噪音小,无污染,最主要的还是携带方便。包括现在我们见到新型能源汽车,也是同样的道理。所以说,本次毕业设计关于无人机的动力系统,本次设计的是以锂电池来给电机提供动力的无人机,能够减少无人机的重量和体积。3.1 基本结构根据设计的农田施肥旋翼飞行机器人,该无人机主要的动力系统由电机、锂电池、螺旋桨和电调(电子调速器)四个基本部件构成的。首先我们就先从锂电池的选用来说起,电池的种类有很多,其中就以锂电池来举例,锂电池的主要优势在于价格不高、性能良好。测量一个电池的性能好不好也有很多,其中电池的容量、电池的放电性能、电池的电压最为重要。这次设计的无人机的格氏ACE锂电池的主要指标如下所示:1、电池的容量 容量的单位是MAH,举个例子来说,比如一个10000毫安时的电池,电池能够持续一个小时来释放10000毫安的电流,就是说电池释放一定的电流能使用一个小时的时间,而这里,本次设计的无人机使用是16000MAH的电池。2、电池的放电性能 电池放电倍率(C),电池放电一小时的电流强度被称为1C,最大放大电流等于电池的额定容量放电倍率,它的表达公式见(3-1)。 ()I 放电电流,单位是A;M电池放电倍率,单位是C;C 电池容量,单位是MAH。比如设计一个10000毫安时、10倍率的电池,则它的最大放大电流就等于10(安时)乘10等于100安培。3、电池的电压 电压的单位是V,本次我设计的是22.2伏特4、电池的尺寸大约在1608030mm5、重量达到1.86kg本次无人机采用的电池参考了市场上的格式ACE锂电池,如图3-1所示。因为本次设计的农田施肥旋翼无人机特点比较突出,考虑到无人机需要携带化肥进行空中作业,有效载荷达到15千克,而且无人机的机身比较大,所以选用这款16000毫安时、15倍率的蓄电池,这款蓄电池适用于大负载六旋翼、八旋翼飞行机器人等。因为锂电池是需要充电的,而且锂电池说明书上也提到,一次充电最佳时间大约在三个小时,处于对锂电池的保护,为了不让锂电池损坏,要合理地运用,不要和其他电压不一样的锂电池合用,也不能随便使用型号不同的充电器给电池充电,充电器是大功率锂电平衡充电设备,一个锂电池的寿命大约在三百到五百次充放电。图3-1 ACE锂电池锂电池的优点在于它具有无污染、使用的寿命长、价格低、性能好等特点。3.2 动力电机与调速系统3.2.1 电机小型农用无人机的电机基本上采用的是有刷电机和无刷电机两种类型。而有刷电机因为它的效率没有无刷电机高,所以现在小型农用无人机大多数使用的都是无刷电机,有刷电机基本已经很少使用了。无刷电机的主要优势在于不使用电刷,这样就不会出现有刷电机在工作的时候出现电火花,因为电火花会干扰无线遥控设备的正常操作。而且无刷电机运转的时候不会产生太大的摩擦力,噪音相对于前者来说就低了许多。从经济效益上来说,无刷电机不需要做什么维护工作,顶多在农用无人机使用结束后处理一下灰尘就可以了。但无刷电机并不是完全优越于有刷电机,有刷电机具有转矩大、有着优异的性能,在这一方面无刷电机还远远不能达到的,一般来说无人机要求体积小,所以无人机的每个部分都尽可能的减体积减重量,而对无人机电机的要求尺寸也是这样。随着无人机的发展,人们越来越注重于考虑无人机的成本,为了使农用无人机更加大众化,让农民觉得农用无人机并不是遥不可及的新型科技,在考虑处于经济和效益方面,无刷电机的使用更适合小型无人机的发展。电机的转速我们用单位KV来表示,KV表示电池的电压每高1V时,电机所增加的转速,举个例子说,电机KV800,我们使用22.2伏特的电池时,电机的转速每分钟就等于80022=17600转。常见的无刷电机如图3-2所示。图3-2 无刷电机无刷电机的特点:小体积、重量轻;转矩大;摩擦小、噪音小;可以无极调速;效率高、几乎不需维护;使用寿命长等。3.2.2 电调电子调速器就是用于动力系统的调速,它被简称为ESC,电调也分为有刷电调和无刷电调。电子调速器主要接受飞行控制器发出的信号去调节电机的转速并获得无人机所需求的飞行任务。现在我们要说的是电源、电子调速器与电机他们三者之间连接的关系,首先,电子调速器的电源输入线肯定是连接的电源,其次,飞行控制器的信号线和电子调速器的信号线相连接,最后电调的输出线与电机相连接,这样就形成了它们三者之间的关系,它们三者相辅相成,互不可少,对于使用无人机的时候执行不同的飞行任务就更加易于控制了。无刷电调如图3-3所示,有刷电调如图3-4所示。图3-3 无刷电调图3-4 有刷电调3.2.3 飞行控制器六轴旋翼无人机上装置的飞控就相当与人的脑神经一样,控制着人的行走姿态,行为举止等等,无人机在执行飞行撒化肥任务时候也一样,飞控一边接受我们按动遥控器传达的信息,一边有将飞行的状态再反映给地面。飞控检测无人机在空中撒化肥时的飞行状态,主要检测无人机飞行的速度、姿态和高度等等。飞行控制器也被称作为自驾仪,同时它能让无人机自行掌控着起飞降落,所以在安装飞控的时候要注意进行调试,这个是至关重要的。3.3 电机的主要参数和续航时间的计算这次选用的无刷电机,是植保无人机专用的,具有防水、防尘、防酸碱和散热好等特点,采用型号为的高效率多旋翼盘式电机。多旋翼盘式电机如图3-5所示。图3-5 多旋翼盘式电机3.3.1 六轴旋翼农用无人机的电机选择无人机的起飞重量是选择电机性能指标的主要参考之一,所以无人机的起飞重量也就是无人机本身重量加上装置的所有设备重量之和,由此可以得出如下公式见(3-2)。 () -六旋翼无人机的起飞重量,这里起飞重量大约在2426千克; -无人机的自身重量,我所设计的无人机自重为8千克; -动力系统结构的重量,有六个旋翼电机、螺旋桨、电子调速器和飞行控制器的重量; -锂电池的重量,电池的重量达到1.86千克; -撒化肥结构的重量,包括携带化肥、化肥箱、撒盘和撒盘电机等;其中携带有效载荷在15千克,其他都是固定重量,并不改变; -其他装载在农用无人机上装置的重量。3.3.2 估算六轴旋翼无人机的飞行工作时间这次所设计的无人机蓄电池的电压是22.2伏特,电流是240安培,由此我们可以通过计算得出见(3-3)。 ()如果我们忽略其他内阻和能源消耗等情况,将蓄电池提供的电能全部转化成机械能,那么所得出的公式应该为见(3-4)。 ()我们可以从理论上可以得出多旋翼农用无人机的一次工作时间大概为一个小时,而这次所设计的农用无人机撒化肥仅仅需要20到30分钟,所以我们可以根据实际情况,无人机的工作特性来选择不同的蓄电池。4 无人机的螺旋桨设计何谓螺旋桨,就是依靠叶片在空中或者水中高速旋转而产生推力,叶片上就会产生反作用力,所以无人机飞行的动力就是这样来的。螺旋桨是农用无人机的主要部件之一,它决定着无人机性能的优劣,它是无人机唯一的升力部件。螺旋桨是由两个或者多个叶片和中间的桨毂组成,并且电机与中间的桨毂相连接,当电机转动时带动叶片一块旋转。当我们观察叶片截面的时候,就会清楚的看到螺旋桨的设计结构,而螺旋桨旋转的时候相对于气流产生前进速度和旋转速度两种。飞行的时候会产生反扭矩,反扭矩就是螺旋桨在旋转的时候,大气给螺旋桨的一种阻力,而反扭矩有电机的力矩来平衡。螺旋桨一般运用在飞机、轮船等方面,比如说无人机的起飞,当电机旋转时带动螺旋桨转动,叶片在旋转过程中把空气都推到下面,在叶片上产生一种向上的力,这就是无人机的升力。同样的道理,轮船就是因为螺旋桨的旋转而向前推进的。4.1 影响螺旋桨的几何参数首先我举一个1840螺旋桨,这就意味着1840就表示螺旋桨的直径就是18寸,40就是螺距是40mm。1、螺旋桨的直径用D来表示直径。一般来说,旋翼直径越大拉力就会越大,效率也就会越高。在允许的条件下尽可能根据无人机的类型选择大直径的旋翼,也并不是越大越好,我们要根据农用无人机的最大起飞重量和它的有效载荷来考虑螺旋桨直径的范围。2、叶片数用B来表示叶片数。螺旋桨的功率系数和拉力系数也叶片数成正比,而我所设计的小型农用无人机的螺旋桨叶片数一般是两个。所以叶片数关乎到螺旋桨的气动性,所以在设计螺旋桨的时候首先要考虑叶片数,3、实度用来表示实度。实度和叶片数一样,随着实度的增加也会使功率系数和拉力系数增大,实度就等于叶片的面积/螺旋桨旋转时的面积。4、桨叶角用来表示桨叶角。它会半径的变化而变化,桨叶角的变化是影响旋翼工作的最根本的原因之一。5、螺距螺距分为几何螺距(H)、实际螺距(HG)、理论螺距(HT),几何螺距就说当叶片截面的迎角为0时,叶片旋转一周时移动的距离。而实际螺距我们可以用来计算获得,一般,我们用H=1.11.3来估算几何螺距的数值,而理论螺距一般都会比实际螺距大。6、叶片宽度用C来表示叶片宽度,叶片宽度就是螺旋桨的弦线长度,一般情况下,叶片的头部与根部的宽度都比中间的叶片宽度小,这样设计的理由是为了螺旋桨有更好的气动性能7、叶片厚度用t来表示叶片厚度,叶片厚度就是螺旋桨旋翼的最大厚度。而这次设计的螺旋桨的螺旋角为9.25,叶片数是两片,螺距是24.5mm,螺旋桨所用的材料是碳纤维,密度为1780,如图4-1所示。图4-1 螺旋桨模型图4.2 螺旋桨材料的选择现在多旋翼无人机的螺旋桨制作材料有尼龙塑料、玻璃纤维和碳纤维三大种,大型飞机的螺旋桨用的特殊合金材料,与小型无人机不同的是,载荷不大,不适合用体积重量大的材质。上面所说三种材料,其中尼龙材料比较便宜,但是容易损坏,遇到高温等恶劣环境老化速度快,因为尼龙塑料本身的特性,脆性大,容易断裂,而玻璃纤维的材料虽然没有尼龙塑料对环境的要求那么大,但是也存在不耐磨,容易折断的缺点,而本次设计的无人机就是采用的是碳纤维材料,碳纤维是这三种材料中价格最贵的,当然性能也最优异的,无人机撒化肥对载荷要求比较大,可以在恶劣的环境下工作,除了螺旋桨之外,大多数机身也都是由碳纤维材料制成的。4.3 无人机螺旋桨的运动特性所谓运动特性,就是螺旋桨在前进或者旋向转动的过程的运动指标,螺旋桨主要是以电机来提供动力,根据飞行任务来改变它的飞行状态。4.3.1 螺旋桨的转速用n来表示螺旋桨的转速,表示无人机飞行过程中每分钟螺旋桨旋转的次数,所以上面提到说,叶片的直径直接会影响到螺旋桨的转速,而且螺旋桨的旋转速度在搭配驱动装置的时候需要考虑它的转动速度、功率和扭矩,一般在飞行过程中,可以通过遥控装置来获得不同的螺旋桨旋转速度。4.3.2 螺旋桨前进的速度用来表示螺旋桨前进的速度,指在无人机飞行过程中单位时间内朝前运动的距离,在设计六旋翼无人机的时候我们将它的飞行速度来判断螺旋桨前进的速度,因为我们要保证无人机在空中作业时飞行效率的最大化。4.3.3 螺旋桨旋转一周的距离用来表示六旋翼农用无人机螺旋桨在旋转一周的时候前进的距离,我们把螺旋桨每秒的转速用来表示,而每秒前进的距离用来表示,所以得出以下公式(4-1)。 (4-1)4.4 无人机螺旋桨的动力学特性无人机螺旋桨的动力学特性表示无人机在飞行前进或者旋转过程中的动力学特性,其动力学特性包括拉力、拉力系数、扭矩、扭矩系数、功率、功率系数、前进比、效率和力效等等。4.4.1 螺旋桨的拉力和拉力系数表示螺旋桨在旋转过程中前后的压力差从而产生的力叫做螺旋桨的拉力,我们用来表示,拉力系数用来表示,所以我们得出拉力的公式(4-2)。 (4-2)其中,-空气的密度 -螺旋桨的转速 -螺旋桨的直径拉力系数为 (4-3)4.4.2 螺旋桨的扭矩和扭矩系数螺旋桨的扭矩就是无人机在飞行过程中前进或者旋转时螺旋桨克服空气阻力的力矩大小,我们用来表示,而扭矩系数我们用来表示,所以得出扭矩的公式(4-4)。 (4-4)扭矩系数为 (4-5)4.4.3 螺旋桨的功率和功率系数螺旋桨的功率分为两种,(1)螺旋桨的吸收功率(2)螺旋桨的有效功率。前者表示螺旋桨得到驱动装置功率的多少,螺旋桨的有效功率表示螺旋桨产生向上的升力使飞机在空中执行工作,在单位时间内对无人机做功的大小。我们把有效功率用字母来表示,螺旋桨的有效功率用来表示,则他们的吸收功率系数来表示,所以可以得出螺旋桨的吸收功率和有效功率。 (4-6) (4-7)在这里,表示螺旋桨的前进速度,而且。螺旋桨的吸收功率系数,有效功率系数我们可以得出 (4-8) (4-9)4.4.4 螺旋桨的前进比螺旋桨的前进距离与螺旋桨的直径之比,我们通常用J来表示,得出结论。 (4-10)4.4.5 螺旋桨的效率螺旋桨的有效功率也其吸收功率之比被称为螺旋桨的效率,一般用来表示。 (4-11)4.5 无人机机型与电机、螺旋桨之间的关系一般来说,无人机螺旋桨的尺寸对于无人机飞行来说是影响很大的,如果旋翼的尺寸越大,那么旋翼对无人机产生的反扭矩就会越大,这也跟无人机的旋翼支架长度有关,但是本次设计无人机的时候不建议使用翼掌太长,这样会大大地消耗蓄电池的电量,因为翼掌比较长的无人机,产生的空气阻力也很大,不合适小型无人机的飞行,我们要清楚的了解电源、电机、ESC(电调)和旋翼之间的关系,因为再设计无人机机型、翼掌的时候要搭配合适的电机,不能随意的搭配高KV(转速)电机,否则,它将烧毁电机并损坏ESC,这样会大大降低蓄电池的使用寿命。5 PCB控制板、陀螺仪、遥控器的应用PCB控制板的原理是在六个螺旋桨的中心距相等的情况下,在电路板上设计电路并控制电机的旋转,并对无人机的飞行进行控制。无人机飞行模拟图如图5-1所示。图5-1 无人机飞行模拟图5.1 六轴转子旋转与无人机飞行的原理如上图所示,六个电机的排列形成一个圆,我们把六个电机用数字16来表示,在飞行原理图中就可以看到,当电机“1”“3”“6”顺时针旋转的同时,电机“2”“4”“
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