基于多旋翼自主飞行器的农药喷洒系统设计【设计报告】8300字

基于多旋翼自主飞行器的农药喷洒系统设计目录TOC\o"1-3"\h\u268391绪论 页1绪论1.1研究背景与意义1.1.1研究背景在农作物生长过程中，由于营养不良或作物种植的虫害，导致数百作物甚至死亡。因此，当土壤养分不足以满足植物日益增长的需求时，必须使用补充植物栽培所需营养素的润滑剂。因此，喷洒农药是植物发育所必需的。随着互联网时代的到来以及无人机领域技术的发展，无人机作为一种新型的农药喷洒方式，在我国农业喷洒领域得到了积极的应用。为了让无人机技术得以更好地服务于农业领域，在过去的几年里，我国一直致力于无人机领域相关技术的研究。然而，由于飞行距离、技术、成本等方面的限制，目前在农业特别是农药喷洒方面，无人机仍旧没有得到大范围应用。1.1.2研究意义如何有效地利用无人机对农药进行喷洒，已成为当前研究的热点。在农业喷洒实践中，无人机不仅需要良好的载重，可以实现均匀、稳定、准确喷洒，还需要一套完整的农药喷洒管理系统来管理队伍，优化农药喷洒路线，节约能源和药品消耗。发展农药喷洒技术，可以提高农药施用效率，减少农药在作物中的残留，节约资源，保护环境。因此，无人机的应用可以对我国农业的发展与进步产生重要的推动作用。2基于多旋翼自主飞行器的农药喷洒系统总体方案设计多旋翼自主飞机的农药喷洒系统由多旋翼自主飞机、路径规划算法和农药喷洒系统组成。作为一种新型的作物保护解决方案，农药喷洒系统由农药喷洒系统的管理人员进行管理，并派遣相应的自主飞机，同时配备专门的操作人员来执行喷洒任务。系统中配备专业的智能航迹规划软件，具有智能化、操作性强等优点，可以为农药喷洒无人机提供植物保护航路和农药喷洒轨迹的数据。在喷洒任务完成之后，农药喷洒系统的经理人员可以对于喷洒活动进行查验与反馈，以进一步确保农药喷洒任务的顺利完成。最后，通过专业管理系统，对作物保护情况进行分析，并自动生成系统报告，对农药喷洒任务的完成度、精准度、效果等方面进行评估。本章设计了多旋翼自主飞机农药喷洒系统的三个组成部分。2.1多旋翼自主飞行器的的总体设计多旋翼自主飞行器由飞行控制系统、喷淋系统、地面站系统和供电系统等几部分组成。根据农药喷洒任务的主要要求，此多旋翼自主飞行器要满足载重、喷洒等较为复杂的任务要求。因此，车架的整体机械结构、电气系统和喷洒系统的设计是其主要任务。对于多旋翼无人机来说，其核心框架应为机械结构，在设计中必须根据农药喷洒任务的特点多方面考虑，特别是总承载力和抗跌落性。因此，多旋翼无人机的机械结构包括框架，中心板，折叠构件，杆，马达附件和下降结构。为了使无人机在l0kg载荷下稳定飞行，应采用SolidWorks进行三维建模。该样机可在5米高空完成机身整体结构的防坠落试验。无人机由动力系统，飞行控制单元，喷洒系统，地面系统和电气系统组成，如图2-1所示。图2-1农业无人机电气系统的总体框图飞行控制单元是无人机的核心。负责读取传感器信息。电子控制器可用于调节无人机的速度并调节处理数据。本文通过打开飞行控制单元Pixhawkin在飞机飞行控制单元用于控制系统的完成和沟通计划，以确保飞机能执行飞行操作。电力系统由电池，电子控制器，无刷电机和螺旋桨组成。根据发动机负荷和节能要求计算最大电池，电动机，电子控制器，螺旋桨升力，电池，电子控制器和电动机电流和电压。喷洒系统主要由气缸，泵和喷雾臂组成。喷洒系统开关主要由电子开关控制。因此，通过设计喷洒系统的整体结构分析所述电子开关的操作并将其与以更合理和更均匀地方式喷洒到植物表面。2.2多旋翼自主飞行器路径规划设计根据耕地规模，无人机路径设计方法可分为单架次和多架次路径规划设计。单架次路径规划意味着无人无人机在喷洒期间喷涂整个工作区域一次，不返回中间位置。该算法采用最短的无人机总时间来完成喷洒任务。通过对喷洒路径总距离的计算，建立了优化模型，并以平行于农田多边形的一侧为约束条件。最优算法的实现是选择一组平行于不规则多边形农田任意边的直线作为路线。平行路线与农田多边形相交的点是飞行点。相邻路径之间的距离是喷洒范围。农田多边形中最近路径与选定边缘之间的距离是喷洒振幅的一半，最短的喷洒路径是最好的。针对无人机一次不能完成大面积耕地喷洒任务的问题，设计了一种多架次路径规划算法。该算法研究了无人机返回点在喷洒过程中的位置。首先，采用网格法对块进行划分。喷洒多个架次时，不仅要考虑喷洒过程中的电荷和能耗，还要还要考虑喷涂过程中的起飞和着陆时间以及电池和材料更换时间。这带来物力和人力成本。因此，需要选择无人机进行多架次路径设计，以最短的总飞行时间进行喷洒为目的。3农药喷洒系统多旋翼自主飞行器的设计3.1自主飞行器的飞行原理多旋翼无人机需要承受10千克农药喷洒任务。首先，无人机必须具有坚固的结构和合理的机械位置，以确保无人机在不破坏其机械结构的情况下降至5米安全着陆。其次，无人机的电气系统可以确保满载机翼提供的升力大于重量。最后，无人机必须配备喷洒系统，在执行任务的时候以完成喷洒。无人机通过六个引擎在空中飞行。飞行控制模块通过电子控制来控制转向和发动机转速，以实现升力，涡旋和水平升降功能。如图3-1所示，农用无人机原理图表明相邻发动机的不同方向可以平衡扭矩并拉动喷洒平衡。可以通过提升或降低所有发动机的速度来实现俯仰运动。通过提高（降低）1、6、5电机的转速和降低（增加）2、3、4电机的转速，可以实现滚动运动。通过提高（降低）1、3、5电机的转速，降低（增加）2、4、6电机的转速，可以实现航向运动。图3-1农业无人机飞行工作原理示意图在无人机喷洒过程中，操作员激活喷洒开关并通过2.4GHz无线通信向电路接收器发送信号。接收器接收信号并将其传输至喷洒系统的电子开关。电子开关使泵通电，药品通过软管通过泵流向喷头，完成作物的喷洒。3.2自主飞行器设计准则与要求3.2.1设计准则在多旋翼无人机的设计必须遵循一定的标准。根据之前的设计经验，一般设计思路如图3-2所示。图3-2多旋翼无人机设计思路在计划开始时，无人机的重量，即无人机的起飞重量（起飞重量不能在设计开始时确定，但起飞重量只能根据经验估算）。在设计n个转子时，可以通过将起飞重量除以n来得到n个电动机的功率，然后基于50％的发动机功率选择合适的发动机。推力是起飞重量的两倍，这确保了发动机能够快速响应控制输入的安全边界，或飞机在垂直方向快速移动的条件，即使电池电压下降。然后，根据电机类型，选择与电机匹配的叶片，尽可能要求电机与效率较高的叶片相结合。选择定期飞行电池时，必须考虑两个方面：重量和容量。在表面上，电池容量越大，飞机的飞行时间越长。然而，电池容量越大，起飞重量越重，这意味着发动机需要更努力地工作，以确保飞机在空中盘旋。因此，电池是飞机零部件选择中的一个难题。将预期的电池重量作为负载选择过程添加到电机中相对简单。飞行时间的计算应遵循电机50%输出电流（A）和功率（W）的计算，电机的最大电流不得超过控制模块的公差，并且有一定的安全裕度。然后根据所选发动机和叶片的尺寸确定无人机轴距，然后设计结构。设计完成后，材料和属性将添加到所有结构组件中。利用SolidWorks软件的质量评价属性对设计框架的权重进行评价。最后，比较了无人机的设计重量和初始估计重量之间的重量差距，它还解释了由此产生的重量差异是否与所选引擎区域相匹配。如果先前选择的发动机的功率不再给出预期的回路重量，则必须重新测试发动机并重复以上步骤直到无人机设计完成。体重和估计体重几乎没有差别。这是一个往复过程，需要在设计中多次尝试。3.2.2设计要求无人机多旋翼喷洒机身的设计应符合上述设计标准。除设计外，还必须考虑以下要求：（1）可靠的电池固定方法所有无人机动力均由电池供电。电池松动会导致严重事故。因此，需要牢固电池，这样可以保证电池的安全。更换电池的快慢，在操作过程中也非常重要。（2）机架强度无人机机架是所有组件的载体。如果主轴不够坚固，它会在飞行过程中发生碰撞。在正常飞行中，主轴上的负载是发动机及其所有部件的重量。在设计中，六个螺旋应该在同一平面内，并且螺旋的中心轴应该垂直于叶片平面。这确保了飞机的动态特性，对飞行控制系统的影响很小，并确保飞行安全。（3）机架重量三个因素影响飞机的飞行时间：电池性能、发动机叶片组合效率和飞机重量。因此，如果确保了机架强度，则可以尽可能地减轻货架重量，这对于较长的飞行时间是有利的。（4）震动抑制性由于电机转速高，电机转子-叶片系统不能保证重心在旋转轴上。旋转时会产生偏心轮效应，其引起影响主体附接的振动（例如松动的螺钉）。因此，有必要测量静止叶片，即研磨和解决这些问题，使叶片的两个叶片尽可能基本平衡，将重心放在电机轴上。（5）自加设备的固定位置目前，多旋翼无人机主要用于航空摄影和航空航天测量。由于农药喷洒系统的尺寸很大，因此，为了设计多旋翼无人机，必须考虑喷洒装置的安装位置。（6）组装更换方便装配问题应考虑机架装配的难度，使飞机不可避免地发生碰撞、碰撞等。机架可能部分损坏。如果损坏，应尽可能方便地更换。（7）GPS应至少比机架高出l0cm，以减少电气调节引起的电磁干扰，提高GPS的稳定性和精度。（8）机架外壳耐热。对于炎热的夏季天气，外壳必须由耐高温材料制成。3.3自主飞行器电气部分设计3.3.1通信模块设计无人机通信分为总线模块通信、USB模块通信和S-PI模块通信。数据传输由上位机数据传输，有线通信和无线通信构成。（1）S.BUS模块通信S.BUS协议的特征在于数字化和路由。一方面，数字化使用现有的数字通信接口作为通信协议。微控制器系统需要特殊的软件协议。Pixhawk开源空中交通管制员的理想选择。纯数字通信协议使用硬件协议来验证数据以改善干扰处理能力。另一方面，通道意味着数字接口同时连接到许多设备。这些设备通过分配器连接到S.bus总线，由此Pixhawk接收控制信息并调整电气设置。图3-3S.BUS智能总线输入输出图如图3-3所示，S.BUS智能通道输入和输出在PX4I0电源上运行，PPM信号通过PX410PA8端子分配。用于S.BUS输入的公共连接器端子，软件确定使用哪个接收器，J901-4是用于外部S.BUS输出的飞行控制装置。（2）USB模块通信USB驱动器具有内置microUSB接口，可通过外部microUSB插槽进行扩展，可与USB电路或SD卡电路共享。电路图如图3-4和图3-5所示。图3-4USB电路如图3-3所示，J302是USB连接器，VBUS/1.1A是USB电源，OTG_FS_DP和OTG_FS_DP是USB驱动器的输出，FM11的PA11，PA12和NUF042XU分别是防静电芯片，安装的目的是损坏MCU。图3-5SD卡电路如图3-4所示，U301为microSD卡槽，输出6个SDIO接口，由FMU_VDD_3V3/2.1A连接FMU电源为SD卡供电。（3）SPI模块通信J403外接扩展SPI接口，使用的是FMUSPI4oSPI模块的原理图如图3-6所示。图3-6SPI模块原理图3.3.2动力系统设计动力系统在无人机工作负载过程中起着至关重要的作用，可用作为无人机性能的衡量标准。电力系统的过功率会减少无人机单架次喷洒作业的面积，增加无人机返回供应点的数量，从而增加无人机不喷洒作业的时间和能源浪费。当动力系统不足以支持无人机在微风中飞行或喷洒任务时，无人机将无法完成喷洒任务，甚至有坠毁的危险。因此，电力系统设计是重型喷洒任务设计的重要组成部分。（1）电机选型的设计无人机的牵引设计用于最大负载，因为无人机的最大允许起飞负载是电力系统设计的核心。让无人机的空载重量（包括电池）为Mk，农药重量为My，无人机的满载重量为Mmax。每台电机的平均拉力为F，电机数为N，无人机在微风条件下稳定喷溅。单个电机的拉力是Fm的最小值。两者的关系如下：（3-1）（3-2）（3-3）单个无人机提供的升力Fm设计如下：无人机的重量为Mk=12kg，载药量My=l0kg，装载药剂重量为My=l0kg,电机数量N=6,为安全因子，一般取安全值的30%，根据公式(3-1),(3-2),(3-3)所示，可以计算出无人机装满药剂进行喷洒任务的过程中，单个电机受到的最小拉力为4.77kg；当无人机空载时，单个电机最下拉力为2.6kg。从上面的分析可以看出，无人机要达到lOkg的负载农药的稳定喷洒，单个电机受到的最小拉力为4.77kg。如表3-1所示，喷洒过程中受到的的拉力是螺旋桨引擎决定的，通过资料研究可知，电机的kv值越小，电机的效率越高，每增加发动机1V，发动机在单位时间内增加170转的速度；在速度，扭矩增加和螺旋桨增加相同的条件下，扭力也就增大。因此，无人机使用具有较低kv电机值的Q6LKV170电机。通过表3-1，选择大型2255螺旋桨以获得最佳性能。如表3-2所示，Q6LKV170和22555螺旋桨可提供7.862kg的最大抗拉强度，符合设计标准。无人机最大电机电流为35A，电子调节器的电子电流必须大于35A。出于安全考虑，最大电机电流的30％通常用作危险值。因此，电子调节器的最大电流必须大于45.5A。XRotor80A是目前无人机电子调节器的设计要求。表3-1Q6LKV170电机参数名称参数名称参数电机重量346g转子直径68.8mm电机KV值170(r/min)/V空载电流0.9A最大电流35A最大功率1660W最大电池节数6S-12S推荐螺旋桨规格2055,2255表3-2Q6LKV170电机与2255螺旋桨性能参数电流（A）拉力（g）功率（W）力效（g/w）418781929.781829643847.7191239385766.8371648217686.2772055319605.76128710513445.28633782615844.941（2）电池的设计无人机的电池寿命一直限制了无人机的发展。如果电池容量过高，经济效率的损失伴随着高质量电池的能量损失。如果容量小，则由于喷射时间短，无人驾驶飞机无法完成喷射操作。因此，电池设计应成为重点。将电池的放电电流设置为Im（mA），单个无人机电流为In（mA），电池容量CI（mAh）和喷洒持续时间H（h）。由于电池必须与分线板（3-4）并联，因此可以获得具有安全系数（通常为1.4）k。由容量计算得到公式（3-5）。（3-4）（3-5）从公式（3-1），（3-2）和（3-3）可以看出，当无人机空载时，发动机的拉力为2.6kg。从表3-2可以看出，一个电动机的电流为8A。无负载的喷洒时间为0.31h，根据等式（3-4）和（3-5）计算出CI为20832mA.h。类似地，等式（3-1），（3-2）和（3-3）表明当无人机满载时发动机的推力为4.77kg。在表3-2中，一个电机的电流为16A。满载时的预期喷洒时间为0.16h。根据式（3-4）和（3-5）中计算出CI为21504mA.h。两种类型的22000mA.h容量的格氏电池串联连接，以便在计算后为无人机提供动力。串联后，电压为50V，容量为22000mA.h，大于无人机满载和空载时所需的电池容量。电池的放电率为25C，连续放电电流为550A，最大电动机电流为240A。这符合无人机电流和电池设计标准要求。3.4自主飞行器机械结构设计3.4.1无人机机体结构设计图3-6显示了无人机主轴结构的3D模型。无人机的六个电动机以六边形顶点的形式均匀地分布在环周围。无人机的螺旋桨直径为22英寸，长度为1英寸。根据公式3-6，无人机的轴距至少为117.6毫米。对于无人机安全，安全系数设置为1.5，无人机轴距为1676.4毫米。为了最大限度地提高螺旋桨的效率，相邻叶片之间应留有间隙。无人机相邻两臂夹角为60度，两臂长度相等，手臂的长度为658.8毫米。为了实现折叠臂操作，无人机的落架高度必须大于轴的长度。无人机在着陆过程中，起落架高度为814毫米。起落架底部应安装海绵套，可以起到缓冲作用。（3-6）图3-6无人机机体结构设计注：1.电池组，2.螺旋桨，3.机体机架，4.转子臂，5.无刷直流电机，6.电机支架，7.转子臂联轴器，8.中心架支撑板，9.喷洒杆,10.喷洒头，11.喷洒杆锁紧装置，12.起落架，13.辅助泵，14.药箱药液出口，15.药剂箱，16.无人机机罩，17.可折叠转子臂，18.滑动门，19.锁止弹簧，20.转子臂组件，21.转向杆，22.转盘，23.支撑板，24.横梁支架，25.薄壁件3.4.2机架中心板设计中心板是无人机承重部位，由轻质和硬质碳纤维制成。结构设计的规模如图3-7所示，单位是毫米。中央板由上下中央板组成。中央部分是一个空的设计，用于存储空气单元，管道和电子控制。顶部有三个大孔，用于连接电池，GPS和飞行控制单元。上部和下部中央板具有24个螺钉孔，螺钉拧入转子臂的折叠部中。中心板的六个端部具有两个细长孔，其与中央板支撑板接合以形成整个外壳。图3-7机架中心板结构图3.4.3机臂的设计要执行无人机载重飞行，需要强度结构，由于机臂承受最大负载，需要对其进行强度校核，碳纤维材料的应力大小为7Gpa。机械臂上的最大载荷必须小于7Gpa。机臂采用直径28mm的轴和中空管的直径d是碳纤维管的2mm圆形横截面，圆形横截面情况下的碳管，水平弯矩，选择点和危险点。臂长L为658.8mm。由应力计算公式(3-7),(3-8),(3-9)可计算出应力大小。（3-7）（3-8）（3-9）其中L为臂长(mm),G为最大载荷所受的力(N)，由公式(3-7),(3-8),(3-9)可得（3-10)。（3-10）为0.268Gpa小于7Gpa且强度符合要求，因此用于臂长的碳纤维管设计合理。3.5喷洒系统设计无人机喷洒系统由药箱、水泵、喷洒杆、洒水器、软管等组成。当泵打开时，药物从软管出口从药箱出口流向泵的入口。然后药物通过泵的压力从泵出口泵出。水流过软管进入分流器。分流器将水流分成两股连接两个喷杆的股线。最后，喷头到达作物喷洒。喷洒系统的原理图结构如图3-8所示。图3-8喷洒系统结构示意图药箱采用光栅挡板，减少了液体晃动，提高了无人机飞行中的自稳定能力。挡板的形状大约是长方体。挡板长0.27m，宽0.27m，高0.15m。药箱侧面有两个凹槽。起落架的凹槽部分连接到长螺丝刀，并且辊子停在起落架的中间。泵使用微型泵，微型泵具有低压和高效率。它配备了节能和小软管。虽然压力低，但可以进行药剂喷洒。两个喷洒器对称地安装在起落架上。每个喷头有两个喷嘴。无人机喷洒系统采用德国莱赫勒的风扇喷雾器。通过调整风扇喷嘴的角度并更换喷嘴下方形成的雾气来喷洒整个农作物。喷洒工艺方便灵活，可根据不同喷洒要求调整喷洒角度。自动喷水灭火系统的开关由电子开关实现。原理如图3-9所示。它需要三个外部部件。开关的一端连接到接收器的通道，接收器接收信号，另一端连接到12V电池，另一端连接到泵。它通