樊佳婧 霍宇航 刘畅
华北理工大学 河北唐山 063210
一、设计背景
依靠科技进步提升传统农业已成当务之急，目前我国的农业生产仍未摆脱传统的生产技术的束缚，这种传统的农业生产方式主要存在以下问题。效率低下，传统的农业生产方式属于劳动密集型运作方式且运作效率极其低下。产品质量低下，利用传统的农业生产方式（依靠人力、依靠经验、依靠天合）其农作物无论是从产量还是质量上来说都是存在着不足的。
二、农业植保无人机的结构设计
农业植保无人机机架采用全铝折叠机臂。整个机身采用全碳纤维材料，机身轻巧，硬度较大，一键式操作，携带方便，操作简单。机架结构如图一所示。
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图一 无人机结构框架
六旋翼农业植保无人机主要由无人机机体及机载农药喷洒系统组成。其中，六旋翼无人机主要由动力系统(包括:电池、电机、电调、桨);飞行器主体(包含:机架，起落架)和控制系统(包括:遥控器、接收器、飞行控制器)组成。
农业植保无人机载重较大，需要选择合适的电机、电调与桨叶。开始选择电机之前，需要计算多少推力能保持飞行器在空中稳定，基本的规律是6个电机可以产生两倍于起飞重量的推力。因为电机产生的推力除了要将无人机悬停以外，还要用一部分力来完成前进后退，左右横滚等运动状态，这样保证电机具有快速响应能力的安全边界，而且设计了低电压保护和失控保护。从而能保证即使在电池电压下降的情况下飞行器不致坠落。
二、农业植保无人机的喷洒结构
农业植保无人机机载农药喷洒系统包括:药箱、软管、液泵、喷杆、喷头以及无线电子开关。其中药箱挂载在起落架上，液泵固定在药箱上，药箱出口通过软管和液泵进口连接，液泵的出口与喷杆进液口连接，喷杆上设有液力式雾化喷头。液泵与电源连接，采用无线电子开关控制其工作通断，实现了远程控制其喷洒，避免农药对操作人员的伤害。我公司机载农药喷洒系统的原理是:当进行农药喷洒时，操作人员将无人机飞行到指定作业区域上空，打开无线遥控开关，液泵通电运转，将药箱中的药液通过软管输送到喷杆，最后由喷头喷出。
图二 喷洒结构
无线遥控电子开关控制继电器的通断，能及时地控制液泵的工作状态，从而能实现对受灾作物的喷洒，对其他作物的少喷或不喷，合理有效地提高了农药的利用率。
水箱容量为10L，当挂载8kg农药时，六旋翼无人机及其喷洒装置重量约为10kg，整机重量约为18kg，在飞行时当六旋翼无人机能在空中悬停，6个电机的出力应该与重力相抵消，单个电机出力应为2833g，此时对应单个电机消耗的功率是384W，选用22000mAh锂电池，最低电压为22．2V，旋翼个数为6，故六旋翼无人机的续航时间为13．62min，这是理想的状态，因为在飞行的过程中，随着农药的减少，整机质量将会慢慢减轻，电机消耗的功率会相应减少，所以续航时间15分钟在安全范围之内。
三、农业植保无人机的飞行原理
六旋翼无人机整体布局为圆形，由6个对称布置的电机给相应的旋翼提供动力。在飞控向上的升系统的集中控制下，通过协调各个旋翼之间的不同转速和旋转方向，共同给机身提供力、控制机身的运动方向并保持机身平衡。如图三所示所示为六旋翼无人机飞行原理图解。当电机1、3、5顺时针旋转的同时，电机2、4、6逆时针旋转，可以平衡旋翼对机身的反扭矩。飞行器动作依靠6个电机的转速差进行控制，其机械结构相对简单，可由电机直接驱动，无需复杂的传动装置。图1中，6个电机转速同时增大(减少)使飞机产生向上(向下)的运动;电机1和2转速减小(增大)，同时电机4和5转速增大(减小)，而电机3和6的转速不变，使飞机产生向前(后)方向的运动;电机1、6、5转速减小(增大)，同时电机2、3、4转速增大(减小)，使飞机产生向左(右)方向的运动;电机1、3、5转速减小(增大)，同时电机2、4、6转速增大(减小)，使飞机产生左旋(右旋)的旋转运动。
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图三 无人机结构框架
四、农业植保无人机的云端飞行轨迹管理系统
针对 GPS 定位系统在复杂环境下的稳定性差、定位精度有限、无法为农业植保无人机提供高精度稳定的定位服务的问题，提出了一种基于GPS和GPRS的混合农业植保无人机高精度定位系统的设计，通过该系统可以有效地弥补GPS在复杂环境的定位不足，提高农业植保无人机的定位精度。
农业植保无人机的定位导航硬件控制系统如图四所示。
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图四 农业植保无人机高精度定位系统硬件结构
整个飞行导航控制系统包括飞行主控、电机 PWM控制器、GPS /GPRS 接收模块、加速度传感器单元及电源模块 5 个部分。其中，飞行主控器采用 STM32 控制器作为控制核心，对 GPS/GPRS传感器、加速度传感器等模块的信息进行采集，根据这些模块提供的位置信息执行相应的控制算法输出 PWM 控制信号实现对电机的控制，进而实现无人飞行器的精准稳定控制。GPS/GPRS模块主要 是为飞行器提供接收GPS和GPRS 信号支持，采用华为提供的mu609 GPS /GPRS 模块。在确定了无人机起始点后，无人机航路规划在特定的约束条件下，寻找从起飞点到目标点之间的符合特定性能指标的最优或可飞航路，其本质是多约束条件下最优或可行解的求解问题。无人机航路规划系统主要由约束条件处理模块、敌情信息处理模块、地形数据处理模块和航路生成模块构成。
五、技术创新意义
1、机械结构。整个机身采用全碳纤维材料，折叠机臂。机身轻巧，硬度较大，一键式操作，携带方便，续航时间较长，结构紧凑载重质量大。
2、喷洒结构。创新设计的农业植保无人机专用喷头，在飞行过程中产生的下降气流吹动叶片，能使叶片正反面均能着药，防治效果相比人工与机械提高15%～35%。
3、定位系统。采用单一的 GPS 定位系统提供的位置服务的精度低、容易被干扰等问题，我们设计了基于 GPS和 GPＲS 混合定位的无人机高精度定位系统，给出了具体的硬件设计和软件实现方案，最后开发了测试系统。
4、多机协同操作。单架植保无人机操作大面积作业区域时单人操作速率较慢，我们采用多机协同操作系统，最高可达到八台植保机器在同一作业区域分工完成作业项目。单人操作，多机协同运行，大大节省人力，提高效率。
5、安全性能。具有低电压保护以及失控保护功能。当电量低于设定电压，不足以按照规划路线飞行完时会进行电量报警，并且记录当前位置。等更换电池可仍继续按照记录位置完成飞行作业。当信号丢失，操作失控，会进行安全降落，并发出警报提醒周围的人注意避让。
参考文献：
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