多旋翼植保無人機動力匹配的設計

陳立志　王偉全

摘 要：農用多旋翼植保無人機的動力匹配，就電動無人機而言，其實就是根據植保無人機的作業載重，通過計算進行選擇電機、電調、槳葉以及電池的問題。合理的動力匹配能夠保障植保無人機安全穩定的作業運行，同時也可以避免因為設計冗余造成的動力浪費。

關鍵詞：動力匹配；電機；電調；槳葉；電池

中圖分類號：V2491；TP13 文獻標識碼：A

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2018.08.006

0 引言

多旋翼植保無人機與普通無人機相比，有很多相通之處，但是也不能按照簡單的放大版無人機對待，植保機的特性是大負載、大體積、大電流、操作頻率極高，在這種狀態下，以往載重量較輕的中小型無人機不太注重動力匹配的問題，在植保無人機這里必須給予足夠的重視。

1 多旋翼植保無人機動力系統的組成

多旋翼植保無人機的動力系統通常由動力提供部件——電池、動力輸出部件——電機、動力控制部件——電調和動力轉換部件——槳葉四部分組成。

1.1 電池

電池是植保無人機的動力來源。目前，植保無人機的電源電池一般選用鋰聚合物電池，相對普通電池來說，它具有高倍率、高能量比、放電電流大、安全性高、壽命長、環保無污染、質量輕等優點。它的主要參數除了容量還有C數、P數、S數等。C數是指電池能正常放電的倍數，可以簡單理解為放電能力。C數乘以容量，就是電池最大放電電流。S數是指串聯鋰電池電芯的片數，1S代表3.7 V的電壓，S數越大，電池的電壓越大。P數是指并聯鋰電池電芯的片數，P數越大，電池的電流越大。

1.2 電機

植保無人機的電機，在整個飛行系統中，起到動力輸出的作用。目前，多旋翼植保無人機的動力電機普遍采用無刷電機。它的優點是電子換向來代替傳統的機械換向，性能可靠、效率高、體積小、故障率低，壽命比有刷電機提高了約6倍。無刷電機的參數指標，除了外形尺寸（外徑、長度、軸徑等）、重量、電壓范圍、空載電流、最大電流等參數外，還少不了一個重要指標——KV值，這個數值是無刷電機獨有的一個性能參數，是判斷無刷電機性能特點的一個重要數據。KV值用于衡量電機轉速對電壓增加的敏感度 ，它的物理學單位是rmp/V，意思為輸入電壓增加1伏特，無刷電機轉速增加的轉速值。例如：1000 KV電機，外加1 V電壓，電機空載轉速1000 r/min，外加2 V電壓，電機空載轉速2000 r/min。單從KV值，不可以評價電機的好壞，因為不同KV值的電機適用不同尺寸的槳，繞線匝數多的，KV值低，最高輸出電流小，但扭力大，適合安裝大尺寸的槳；繞線匝數少的，KV值高，最高輸出電流大，但扭力小，適合安裝小尺寸的槳。電機的型號一般由四位數字組成，前2位代表電機的直徑，后面2位是電機的高度。例如：8120的電機——電機直徑為81 mm、電機高度為20 mm。

1.3 電調

電調全稱電子調速器，英文electronic speed controller，簡稱ESC。針對電機不同可以分為有刷電調和無刷電調，植保無人機的電調需要與電機匹配，選用無刷電調。在整個飛行系統中，電調主要提供驅動電機的指令，來控制電機，完成規定的速度和動作等。電調主要根據應用情況和電機的功率進行選擇。

1.4 槳葉

槳葉是通過自身旋轉，將電機轉動所做的功轉化為動力的裝置。在整個飛行系統中，槳葉主要起到提供飛行所需的動能。槳葉的性能對飛行效率產生十分重要的影響，直接影響飛行的續航時間。按材質一般可分為尼龍槳、碳纖維槳和木槳等。多旋翼植保無人機通常選用碳纖維槳。槳葉的選擇和電機KV值有關，一般KV值較大的電機選擇高速槳，KV值較小的選擇低速槳。槳葉主要參數指標有螺距和長度。它的型號一般由四位數字組成，前2位代表槳的直徑，后面2位是槳的螺距（單位：英寸，1英寸=254 mm）。例如：8060的槳葉——槳長度8英寸、螺距6英寸。

2 多旋翼植保無人機動力部件的匹配選擇

2.1 電機和槳葉的選擇

本次設計選取最常見的四旋翼10 kg載重的植保無人機機型，不帶藥起飛重量在14 kg左右，帶藥之后整機起飛重量在24 kg左右。首先，對應不同旋翼的植保機，根據滿載的起飛重量計算出單軸電機拉力，四旋翼單軸額定拉力在6 kg左右。多旋翼無人機要求其所有電機總推力必須大于自身重量一定比例，才能保證無人機的飛行性能和飛行安全。這個比例被稱之為推重比，多旋翼的推重比都必須大于1，通常在16～25之間，推重比反應了無人機動力冗余情況，過低的推重比會降低無人機的飛行性能和抗風性，過高的推重比又會造成過度冗余。通過實驗和橫向對比總結得到四旋翼植保無人機的推重比在1.8～2.2最為合適。因此，可以計算得出四軸電機滿負荷的最大拉力。

（1）拉力計算公式

拉力（kg）= 槳葉直徑（m）×螺距（m）×槳寬度（m）×轉速平方（r/s）×1大氣壓力（1標準大氣壓）×經驗系數（0.25）

（2）電機和槳葉的匹配原則

電機KV值低，最高輸出電流小，但扭力大，適合安裝大尺寸的槳； 電機KV值高，最高輸出電流大，但扭力小，適合安裝小尺寸的槳。

（3）拉力與力效曲線圖（如圖1所示）。

最終，四軸電機和槳葉選取了8120電機與2911折疊槳葉的組合，其參數如表所示。

由此可以看到，在供電電壓48 V，100%油門，最大拉力為15 289 g，可以滿足四旋翼植保無人機的最大拉力要求，工作拉力的油門保持在60%左右，升效在9 g/W左右保持在較高水平，完全可以滿足冗余度要求，而且2911折疊槳葉更易于收納和運輸。

2.2 電調的選擇

無刷電調是無刷電機的驅動和供電部件，它們之間最簡單的關系就是，無刷電調能否滿足電機的電力需求，無刷電機的功率是否超出無刷電調的工作范圍。首先，通過四軸電機和槳葉的參數表進行分析，當供電電壓為48 V，電機滿負荷工作時的電流為653 A，功率為31349 W。此時，電調的選擇應該滿足供電電壓為48 V、最大允許電流大于653 A 并留有余量，功率要求大于31349 W但不能超出過多，防止負載功率過大時對電機失去保護作用。最終，選取的電調型號為 XRotor PRO HV 80A FOC V3，其供電電壓為12 S，最大允許電流為80 A，最大允許峰值電流為100 A，且采用正弦波驅動，在電機減速時自主制動回收能量，而且具備更好的油門線性；與方波電調相比其為電流控制驅動，具有噪聲小、溫度低、效率高、相應快等特點。

2.3 電池的選擇

電池是電動無人機的動力來源，目前普遍采用鋰聚合物電池，所以電池的選擇，就是對電池電壓、電池容量和放電倍數進行合理的選擇。

電池電壓的選擇，根據之前確定的電機和電調都是采用12 S供電，所以電池的供電電壓必須滿足12 S要求，通常考慮到電池體積和安裝拆卸方便，我們采用兩組6 S的電池進行串聯供電。

電池容量的選擇，根據植保無人機的續航時間計算電池容量，植保無人機續航時間通常是從無人機滿載荷起飛到空載荷降落的時間，即一箱藥噴灑作業的時間，就目前成熟的噴灑機構來說，10 kg藥的噴灑作業時間不超過10 min，所以電池容量的選擇即是計算植保無人機連續作業10 min所消耗的電量。以四旋翼植保機為例帶藥的起飛重量為24 kg，單軸的拉升力需要大于6 kg·N，由前面的四旋翼電機和槳葉參數表，我們可以看到其單軸電流不應小于15 A，四軸總電流不應小于60 A。考慮到在作業過程中，隨著藥量的減少，負荷會慢慢降低，所以可以選擇60 A電流為工作的平均電流，那么60 A的電流工作10 min所消耗的電量就是10 Ah，即為10 000 mAh。但是考慮到電池在閥值電壓時，電量不可能100%使用。通過下面鋰聚合物電池單電芯放電曲線可以看到（如圖2所示），當電池閥值電壓在3.75 V左右時，消耗的電量曲線集中在70%左右，所以在電池的容量選擇上至少應為10 000/07=14 286 mAh，最后通過計算根據常用電池容量選擇16 000 mAh電池較為合理。

電池放電倍數的選擇，一般根據電機和電調實際工作的最大電流進行計算電池的放電倍數，通過上面電機和槳葉參數表可以看到，四旋翼單軸的最大工作電流在70 A左右。因而，四旋翼最大工作電流為280 A左右。通過公式：電池的放電電流=電池容量×放電倍數，可以求得四旋翼電池的理論放電倍數不應小于175 C。從成本和電池標定放電倍數的綜合考慮，選取電池的放電倍數為25 C。

通過電池電壓、電池容量和放電倍數分別進行計算分析，電池的選擇為兩組6 S/16 000 mAh/25 C鋰聚合物電池。

3 結論

本設計以四旋翼植保無人機動力系統進行計算分析和論述，分別對各動力部件進行了選型。通過實際的安裝調試、作業飛行測試，無人機作業運行穩定，作業時間滿足設計要求，電池電量利用正常。因而，可以證明以上的動力匹配設計合理，同時此設計理論也可應用到六旋翼、八旋翼等多種機型。

參考文獻：

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