一種新型多旋翼防震蕩植保無人機

謝雯

有效防控病蟲害，是提升農業生產效率并實現可持續發展的前提。常規地面的植保噴灑裝備成本高、操作難度大。農用植保無人飛機（以下簡稱無人機）是無人駕駛的用于農業植保作業的飛行器，主要分固定翼機和旋翼機，旋翼機又分單旋翼機和多旋翼機。無人機用途固定、低空低速、成本較低，相比常規背負式噴霧設備，其便捷優勢在丘陵地帶更加突出。

一、植保旋翼無人機的發展現狀

植保旋翼無人機作業高度低，飄移少，旋翼產生的向下氣流有助于增加霧流對作物的穿透性，防治效率高；而遠距離遙控操作，避免了操作人員接近農藥中毒的危險，噴灑作業更安全。目前，中小面積農田模式比較適合采用旋翼機。單旋翼無人機噪聲較大，維護保養成本略高，維修相對復雜；而多旋翼無人機操作簡單、飛行穩定、使用維護成本低，且電動多旋翼無人機噪聲很小。目前，多旋翼無人機是廣大航空植保作業的首選。

但是，多旋翼無人機植保相對來說續航時間短、抗風能力差、作業能力小；同時，隨著機臂與旋翼電機的增加，飛機自重增加，耗電量增大，載重能力和續航時間會降低；而且占用空間大，運輸不方便。為克服以上技術缺陷，我設計了一種新型農用多旋翼無人機，這對于農作物生產有著非常重要的意義。

二、新型多旋翼無人機設計方案

1. 整體機構設計

這種農用防震蕩多旋翼無人機，包括機體、機架、藥箱、噴桿機構、控制系統、電池及8根主軸。如圖1所示，機體安裝在機架上端，機架內安裝有藥箱，機架下部安裝有與藥箱連接的噴桿機構，機體上中心對稱均勻安裝有8根水平設置的主軸，每根主軸通過折疊機構與機體連接，且每根主軸上安裝有兩個螺旋槳和帶動螺旋槳旋轉的電機。主軸還與水平面設有一夾角，即上反角，以提高抗風能力和控制穩定性。

2. 錯位雙槳可折疊主軸設計

這種農用防震蕩多旋翼無人機，機體上中心對稱均勻安裝有8根水平設置的主軸，每根主軸通過折疊機構與機體連接。噴灑作業時，主軸展開成水平狀，運輸時主軸向下折疊，方便收納，節省運輸空間，同時拆、收效率高。

每根主軸上安裝有兩個螺旋槳和與螺旋槳相匹配的電機，相對于單螺旋槳主軸，相同數量電機和螺旋槳，則軸數減少；相同軸數，則電機功率和螺旋槳尺寸可減小。在同等提升力條件下，主軸數量減少，飛機所占空間減小，同時自重也降低。這種農用防震蕩多旋翼無人機，每根主軸上安裝的兩個螺旋槳的轉軸平行設置，兩個螺旋槳設置在主軸的上側且同向旋轉（如圖2），或者兩個螺旋槳中一個設置在主軸的上側，另一個設置在主軸的下側，且反向旋轉（如圖3）。

而一般所采用的雙槳方式為共軸雙槳，即兩個電機共軸安裝在一根主軸末端，上旋翼和下旋翼旋轉方向相反（如圖4）。而共軸雙槳存在上下電機難以匹配的問題，而且會造成功率的損失。因此，錯位雙槳可以獲得更高的效率和載荷能力。

3. 防震蕩藥箱設計

機架內安裝的藥箱，用來盛放液體農藥，飛機在空中飛行時，由于飛行過程中加減速與改變航向轉彎等動作以及空氣氣流的影響，會發生姿態變化，從而會引起液體在藥箱內晃蕩，進而引起飛機重心不穩定，使得飛行控制困難，嚴重時甚至引起墜機事故。為此，本文設計了一種蜂窩防震蕩結構藥箱（如圖5）。

藥箱內呈蜂窩狀安裝有多塊隔板，且隔板底部開有導流槽，隔板將藥箱隔離為多個獨立空間，多個獨立空間通過隔板下方的導流槽連通。導流槽限制流通速度，從而減小液體的震蕩。藥箱水平擺放時，藥液的重心在藥液容積的中心G0（如圖6a），如果藥箱內沒有隔板，當飛機震蕩藥箱傾斜一定角度時，藥液的重心G1會偏離G0（如圖6b），如果將藥箱隔離成3等分（如圖6c），則當藥箱傾斜一定角度時，藥液的重心G2會偏離G0的距離明顯減小（如圖6d），如圖所示，藥箱傾斜15°時，重心偏離量約為不分隔時的1/8.5。從而可明顯減少藥箱內液體震蕩對操控的影響，減少自動控制的難度，提高控制穩定性，提高控制安全性，從而可以提高載荷能力，提高作業的精準性。

為降低成本，采用普通塑料水箱進行改制，隔板采用柔性材料，如塑料板。將隔板鉚接或粘接為蜂窩結構，在相鄰蜂窩小格的隔板底部開一個小流通槽，可供相鄰小格內液體緩慢流通。柔性蜂窩結構隔板可從水箱的開口處塞入箱內，蜂窩外圍與水箱壁鉚接固定，并適當密封。這樣大大降低了加工難度，還省去了大筆開模費用，制得一種低成本的防震蕩藥箱。

（指導教師：中南大學第一附屬中學 徐 鴿）

（編輯 孫世奇）endprint