李凯 韩瑞鹏 钱超 韩晨 张波 卢承领
皖西学院电气与光电工程学院，安徽省 六安市 237012
摘要：本文针对当前农业存在的喷洒问题进行了分析，提出设计一款六旋翼智能植保机产品，并进行了结构设计及原理分析，最终设计产品能达到各项所需参数。设计产品具有自动航行作业，飞回预设地点，不会出现失控、失联，常规相比能节约35%以上的农药和90%的水，更加环保也间接节省成本等优点，具有较强的社会应用价值。
关键词：植保机，六旋翼，智慧农业，设计
1.前言
当前，我国新一代农业发展在农作物的深耕、播种、收割等已经基本上实现了半机械化和机械化，但在农作物生长过程当中所需的工作还不能实现大量的机械化，例如作物生长过程的作物生长状况的检测、农药喷洒等，仍需要大量的人力。而且，在传统的农药喷洒中，暴露了大量的问题，例如传统式的农药喷洒过程中，存在农药使用不专业、重复喷洒作物、喷洒目标不准确等问题，导致农药残留量大，并间接地加大了对环境的污染等。一些自动化程度低的植保机，粗放式的施药方式仍不能够解决当前在农作物生长的系列问题。近年来，虽然存在部分新型的自走式喷雾机投入农业使用，但其作业功能单一，对工作环境有较高的要求，所以难以得到大规模的推广。
随着我国农业生产的改革，种田大户和农民专业合作社的出现，进行大规模、专业化的农业生产是现代化农业生产的发展趋势。大规模的农业生产将会面临更多的植保问题，那么，智能化程度高、功能齐全、高效率的植保机已经成为迫切需求。在农作物生长过程中，工作效率和生产质量随着植保机的研发和运营大大提高，虽然提高了一点点成本，但节省了大量人工操作等。
本文设计了一款基于六旋翼无人机的智能植保机，能够自动航行作业。本产品根据用户在地面站预设的路径、飞行速度等，进行自动航行作业，用户也可通过无线遥控，对无人植保机进行实时控制。
2.产品结构组成
本产品由以下几个部分组成：(1)机架：提供一个整体框架以安装起落架和提供安全保护装置，并提供其他器件的安装接口如螺丝孔等。浆片和电机：浆片特指空气螺旋桨，它由电机驱动高速旋转产生向上的力。两者配合成为植保机的动力来源，并且在电机方面我们采用的是无刷电机，其因用电调来实现电子换向而具有在转速调节方便，不产生换向火花等。（2）电调：又称电子调速器。连接于电机和自动驾驶仪中间，我们采用的是无刷电调，这样能接受自动驾驶仪传来的直流信号然后转换成三相交流信号传给无刷电机，从而控制电机转速。（3）电池：选用锂电池为植保机供电。（4）自动驾驶仪：又称飞控。植保机的核心部件，其主要功能是处理飞行参数，接受飞行状态数据，然后处理，操控飞行状态，测量电池电量，并且添加各种传感器配合完成工作。各种另外搭配的传感器，例如气压计、超声检测模块等等。结构模型如图1所示。
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图1 设计模型图
3.工作原理及性能参数
进行GPS导航定位配合地面站路径规划，实现植保机自动航行作业。用户在地面站将作业路径规划发送给无人植保机，植保机便能够进行自动航行，飞到预设的路径点后，开始作业。机身姿态检测及电池电量监测报警功能，保证无人植保机航行的安全性、稳定性。本产品内有MPU6050，能够对机身的姿态进行检测，为自动调整机身航行姿态，确保航行稳定提供数据支持。同时在电源模块设有报警功能，在电量不足进行报警，提醒用户停止飞行，确保飞行的安全性。可通过无线遥控对无人植保机进行实时航行控制，拓宽了本产品工作领域。地面站的路径规划主要针对植保，但无线遥控功能可以打破产品的局限性，提高产品工作领域的适应性。
表1 主要技术参数
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4.设计产品优势
基于以上设计，设计产品具有以下优势：(1)本产品可以自动航行作业，按照地面站规划的路径航行，大大降低无人机的操作难与推广难度，同时规避人工在重喷漏喷等方面失误。(2)出现故障或与地面站、遥控端信息传输中断时，无人植保机会停止作业，飞回预设地点，不会出现失控、失联等现象。(3)本产品采用特殊喷头，与常规相比能节约35%以上的农药和90%的水，更加环保也间接节省成本。
5.结论
结合项目研发需求，设计了一款六旋翼智能植保机，结构设计合理，功能强大，具有自动航行作业，飞回预设地点，不会出现失控、失联，常规相比能节约35%以上的农药和90%的水，更加环保也间接节省成本等优点。
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基金项目：本文系“大学生创客实验室（wxxy2018066）、基层教研室示范项目（wxxy2019037）”研究成果。