便攜式農用無人機整體設計

吳愛民　宋迎剛　楊帥

摘要 本文介紹一種農用病蟲害監測以及災害損失評估的便攜式無人偵察機。該無人機采用三段式折疊機翼，減少占地空間，便于攜帶，此外，該無人機具有一定的攜帶能力，可攜帶偵察監測設備對地面田間進監測。采用無人機對農田進行監測快速簡單，可以節省大量的人力資源及時間。

關鍵詞 無人機；便攜式；折疊機翼；農業監測

中圖分類號 V211.52 文獻標識碼 A 文章編號 1007-5739（2016）08-0186-02

隨著改革開放、國家規劃的推進，農業經濟得到了快速發展。但在從傳統農業向現代農業轉變的過程中，尚未從根本上改變100多年來造成的農業生產的落后狀態。目前，我國農林有害生物災害檢測主要依靠傳統的人工地面檢測，需要大量的人力并且工作效率低，遠遠不能夠滿足農林災害防治的需求。近幾年無人機快速發展，其價格不斷降低，性能越來越穩定，無人機高效便捷的優勢展露出來并逐漸出現在各種民用領域，如農用、航拍、測繪、快遞等。無人機檢測技術具有高時效、高分辨率、高機動性、低成本、低消耗、低風險等優勢和特點，能快速獲取多空間的尺度、多相向的地面觀測數據，必將成為農林生物災害災情監測的重要手段。介于無人機的優良性能，將無人機和農業監測相結合，研制一款便攜式農用偵察無人機意義重大。

1 試驗無人機

本文介紹的無人機是小型的以鋰電為動力的無人機，采用遙控飛行，添加無人機輔助飛行系統后可進行手動、半自動以及全自動飛行，簡單易操作，性能安全可靠。其機翼采用三段式折疊的方法，機身采用兩段對折的設計，以此來滿足便于攜帶，適用各種農田地形的要求。折疊后整機以及所有監測設備可以放在60 cm×50 cm×30 cm的箱子里，并且1～2人可以在短時間內將無人機快速組裝好，進行檢查調試后即可起飛并對目標區域進行監測。該無人機通過掛載監控攝像頭以及圖像實時傳送設備來及時把航拍監測圖像回傳到地面站，從而進行圖像分析得出監測結果。

2 整機結構設計

2.1 對翼型的選擇確定

考慮到該無人機需要掛載一定的監測設備，以及對農田監測時需要慢速巡航飛行的需求，綜合要求即需要低速高升力系數的翼型。對典型平凸翼型CLARK Y、典型對稱翼NACA0012和凹凸典型翼型Benedek 12355用profili進行翼型比較分析。

由圖1可以看出，Benedek12355在相同的迎角時具有最大的升力系數，并且在一定范圍內升力系數隨著迎角增大而增大在迎角為10°時升力系數達到最大值，隨后隨著迎角增大而減小，這一現象稱為機翼的失速。由圖2可以看出，Benedek12355在升力系數最大的迎角時阻力系數較小。

圖3是3種不同翼型升阻比隨迎角變化曲線，可以看出在小迎角時Benedek12355翼型具有較高升阻比，當迎角達到5°之后雖有所減小，但仍然比較大[1-2]。綜合分析最終選取使用典型凹凸翼型Benedek12355來作為該款農用無人機的翼型。

2.2 對機身以及機翼折疊結構設計

為了便于攜帶，盡可能減小占地空間，對整體機型采取折疊設計，這樣可以極大地縮小空間。參考近幾年國內對折

疊翼的相關研究[3-6]， 以及國外方面的相關研究。Love等[7]介紹了洛克希德·馬丁的變形機翼飛行器，采用了一種“Z 型”

折疊翼； 對此“Z型”折疊翼，Snyder等[8]進一步做了振動和顫振特性研究，Tang 等[9-10]研究了其氣動彈性特性； Wang 等[10-11]對不同數量翼面的折疊翼飛機模型的氣動彈性和結構動力學做了相關研究。2010年，美國Terrafugia 公司推出了一款名為“The Transition”的飛行汽車。考慮到可操作性以及制作難度最終決定機翼采用三段式的折疊方式即機翼2段向下折疊180°和中段重疊，機身采用兩段式折疊的方式即后半段機身在中間處向上折疊180°。由于后半部機身需要與前半部重疊，為避免單垂尾的影響故采用雙垂尾設計，這樣折疊完后機頭螺旋槳恰好處在兩垂尾之間，效果良好。

關于折疊處的結構設計，考慮到整體的強度以及氣動彈性的因素最后采用小型彈簧合頁作為連接，機翼翼梁采用工字梁以及碳桿加強的方式來確保強度

2.3 對動力及控制系統的選擇

經過最初的試驗設計制作，最終整機加外載設備在1.5 kg左右。考慮到后續增加掛載重量結合不同規格電機的拉力值最終選用朗宇X2820 KV1200無刷電機提供動力，其在不同螺旋槳不同電壓的測試結果見表4。

根據測試數據為了最大限度地提高拉力，提高槳效選用EMP12x6螺旋槳、60A無刷電子調速器搭配作為動力組合。另外需4顆9 g銀燕金屬舵機分別控制航模的升降舵面、副翼舵面以及方向舵面。另外為降低無人機的駕駛操作難度，將在無人機上配備無人機自主飛行控制系統，在經過對市面常見的幾款民用自主飛行控制系統進行比較后確定使用APM6.0飛控，這樣降低操控門檻便于普及，并且提高飛行穩定安全性。

3 整機外形的構建及制作

一是根據對機身及機翼的整體設計要求，使用CAD建模軟件對飛機模型進行整體建模設計以及各個部分圖紙的構建。二是采用大型激光切割機按照設計好的圖紙將飛機的各部分切割好。考慮到重量以及強度的要求，整機采用輕木作為主體航空層板做加強碳桿做翼梁的方式制作。三是對切割好的各部分零件進行嘗試性的搭建，確定好各個位置時開始逐步對各模型部分進行搭建粘接。首先搭建機翼龍骨，將各翼肋按大小順序逐個地拼插在橫梁的卡口處，固定好再分別安裝前緣和后緣最后進行矯正粘固。然后，搭建機身方法同機翼的搭建。四是將所有骨架都粘和牢固后，晾置半天等徹底牢固，對機身全部進行打磨然后開始對飛機骨架進行蒙皮。五是折疊機構的組裝，安裝電子設備，進行調試。

4 監測設備的選擇及安裝

由于該無人機將要進行對農作物的病蟲害監測以及災害受損評估，需要將實時的田間情況發送到地面站，因此需要在飛機上安裝高清的攝像頭以及圖像實時傳送裝置，還要有一些相應的感應器以及傳感器。對市面上現有的設備進行篩選，最后確定使用性能較好的aomway 1W圖傳結合微型高清攝像頭，對設備進行地面距離測試，在空曠地域傳送距離可以達5 km，可以滿足對農田監測的要求。將檢測設備調試好安裝在無人機上，進行最后的檢查、調試。對重心調整以及對攝像頭角度進行調節，以確保可以得到最好的監測效果。

5 對試驗機實踐應用進行綜合評價

選取一塊試驗田，采用無人機對試驗田進行災害受損評估。先在地面對無人機航線進行規劃，無人機起飛后在試驗田上空60 m的高度進行往返巡航飛行，對整片試驗田進行監測觀察，同時實時把監測視頻回傳到地面站，監測員對采集到的視頻資料進行分析對試驗田的災害損失進行評估。

6 結論

一是介紹了一種將無人機技術應用到農業災害監測評估的思路，并且從前期論證到模型的設計制作以及最后的實踐測試進行了簡要的論述。將無人機應用在農業生產當中將極大地提高工作效率、減少人力、物力。二是對不同翼型進行對比選出凹凸翼型，但在翼型設計及優化上仍然有待于進一步的研究。三是在對農業監測方面本文只是采取微型攝像頭進行信息的反饋，對更優化的紅外攝像頭以及其他精準農業信息索取方式及最后的分析評估需作進一步研究。

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