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多旋翼植保无人机的升效设计经验指南

来源:上海航拍公司     作者:绍兴航拍     发布时间:2015-11-05 22:54    已经有:人看过

植保无人机的主要任务是装载农药进行喷洒作业,农药载重量是提高航空植保作业效率至关重要的因素。从技术上讲,植保无人机的农药载重量取决于其动力分系统的设计,而无人机的升效是动力分系统设计时最为重要的技术指标。

  无人机的升效定义为总升力与总功率的比值。与之相区别,单轴(单个旋翼)的升力与功率的比值称为桨效。作为多旋翼无人机而言,无人机升效是多个单轴桨效的合成。设计步骤如下:

一、设计桨效。

  第一步,确定单轴升力。单轴升力= 损耗补偿系数×最大起飞重量/旋翼个数。损耗补偿系数是为弥补多轴合成升力的损失设定的,是一个经验值,需要通过大量的试验数据综合归纳得出。

  第二步,设计螺旋桨形状。根据单轴升力、多旋翼结构尺寸等因素,设计螺旋桨的参数,主要包括:螺旋桨叶数、螺旋桨直径、螺旋桨螺距、螺旋桨材质等。多旋翼是定螺距桨型,设计相对简单一些。从设计桨效角度,桨型设计要充分考虑与驱动电机的转速相匹配。

  第三步,设计驱动电机。根据桨型气动力参数,设计驱动电机的各项参数,主要包括:电机额定功率、电机额定转速、电机最大转速、电机额定扭矩、电机最大扭矩、电机功重比等。多旋翼是以各个螺旋桨转速来控制升力的,因此重点围绕转速来设计驱动电机各项指标,对提高桨效是非常重要的。

  第四步,检验桨效。将设计好的螺旋桨和驱动电机组合成实验样机,就可以在检验台上进行桨效的试验工作了。检验台要求较简单,只要能容易固定实验样机,并检测出实时升力,以及同时的供电电流等参数即可。不断加大电机的转速,升力和电流都会上升,记录升力和电流的关系曲线,将可换算成实验样机的升力和桨效关系曲线。检验升力和桨效关系曲线,可清楚得出实验样机在给定设计升力范围内的桨效关系。

  重复第二步到第四步,反复调整桨型、电机各参数的设计,检验各种实验样机的升力和桨效关系曲线,从而选择出最优化的桨效设计实验样机,并将其升力和桨效关系曲线作为下一步设计的技术参数依据。

二、设计飞控。

  多旋翼无人机是一种欠驱动系统,无人机实时状态的6个自由度,完全依靠多个旋翼产生的升力来进行调整控制。因此,多旋翼无人机的升效取决于多个旋翼单轴桨效的合成效率,同时受到无人机飞行状态的极大影响。多旋翼的飞行状态控制对提高无人机升效具有十分重要的作用。

  多旋翼植保无人机作业飞行要求相对比较简单,一般要求等高、直线、匀速飞行,起降需要缓速平稳,抗风能力在五级以下。根据植保作业的特点,有效设计飞控,可较好地提高无人机的升效。

  为提高升效设计飞控分为两个层面:飞控算法层面和飞控应用层面。

  飞控算法层面:这部分过于专业,也非常复杂,涉及飞控的核心算法,一般的飞控厂家没有能力在此层面上设计研发,在此不加赘述。但设计原则应该是明确的,就是要依据桨效参数,结合植保作业特点,限定制约“过激”的飞行状态,使能量有效用于简单的植保作业飞行动作上。

  飞控应用层面:可为植保无人机飞行设置一些限定条件。在无人机起降阶段,限定起降速度和加速度;在植保作业阶段,限定最大速度,限定加减速时的最大加速度。这些限定也同样是为了限定制约“过激”的飞行状态,提高植保作业的升效。

三、设计效果预期。

  无人机升效的提高,节能效果明显。我们对最大起飞重量35KG,有效载药10KG的多旋翼植保机进行过测试,平均升效只有3.5KG/KW。究其原因,主要是使用的全是航模电机和航模飞控,不是为植保无人机专门设计,桨效本身就不高,飞控对桨效的合成效率也不高。经过设计试验,我们将平均升效提高到7KG/KW以上,升效提高了一倍,最直接的效果就是完成同样的植保作业,电池节省了一半容量。目前,电池是植保作业成本的制约因素,减少了电池成本,使无人机植保更加贴近实际应用。

  无人机升效的提高,减少了机体内电磁干扰。升效提高,节省了电能消耗,电池供电的电流相对有较大的减小,从而使在狭窄机体内通过大电流的导线辐射出的电磁干扰下降,这对提高飞控系统的稳定性十分有利。

  无人机升效的提高,增加了植保无人机操控的稳定性。为提高升效,飞控根据植保作业的特点,进行了限定制约“过激”飞行状态的设计,这实际上起到了操控的增稳作用。对于植保无人机操控手来讲,提高了可操控性,减少了植保作业的劳动强度。

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