多旋翼植保无人机的升效设计经验指南

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。