基于农业应用的多旋翼无人机

杨有刚　刁琦林

摘 要 随着控制技术的不断提升，无人机的可靠性及智能化水平越来越高，农业方面也成了新的方向之一。本设计为一款基于农业设计的六旋翼中型飞行平台，可用于农药喷洒，状态检测等工作。

关键词 无人机 智能控制 植保应用

中图分类号：V275.1文献标识码：A

1项目背景及发展概况

随着无人机控制技术的不断发展，无人机越来越多的出现在大众的视野，逐渐融入人们生活的各个领域。随着飞行系统稳定性的提升以及对操控者的技术要求进一步降低。无人机在农业应用方面的优势开始逐渐展现出来。在大面积数据监测、农药喷洒等方面具有极大的开发潜力和应用空间。

用于农业方面的无人机又称为植保无人机，其主要是用于为农业作物的保护作业，此类无人飞行器一般由飞行平台、飞行控制系统、作业模块等部分组成，以人工遥控和飞行控制系统导航控制相结合的方式完成作业。可实现农药喷洒、农作物状态检测、物资运输等工作。目前来讲我国植保无人机的发展正处于蓬勃发展阶段。以大疆创新为主的一系列无人机公司竞相开发出属于自己的行业级植保无人机。以大疆M600为代表的植保无人机雨后春笋般发展起来。目前国内植保无人机市场较为广阔，但无人机技术水平和产品性能良莠不齐。看似产品众多但真正能够满足高强度作业需求的产品缺只有少数几家。多数为打着行业级的幌子作者玩具级的产品。

2机械设计及硬件选型

本设计采用伞状可折叠六旋翼结构，具有结构简单，便于携带，任务载荷大，动力冗余大，飞行可靠性高等特点。机体主要结构件使用碳纤维材料加工而成，碳纤维材料具有结构强度大，重量轻等特点，可在保证工件结构强度的同时尽可能降低其重量，在飞行器设计领域具有及其广泛的应用。机臂部分采用内径14mm，壁厚2mm的碳纤维管，空心碳纤维管具有结构刚性强，重量轻的特点，机臂作为飞行器动力系统的机体的连接部分，在实际飞行过程中承受飞行器全部有效载荷及过载，机臂结构强度不足极易导致飞行器在实际飞行过程中出现机体共振严重影响飞行安全。为保证结构强度使用碳纤维管来作为机臂及起落架等受力部件，可大幅简化结构设计部分的工作量，降低装配工艺复杂度提高可维护性。有利于进一步降低飞行器对使用者的维护技术要求，有利于进一步推广。

起落架部分采用自动折叠式起落架，在保证其正常功能的同时解决在飞行过程中任务载荷和起落架之间的空间冲突问题。可将机体下方视野空间完全留给任务模块。可大幅降低飞行器任务模块的通用型，以便于后期的功能拓展及进一步升级工作。飞行器轴距1200mm，搭配为动力系统采用6010无刷电机配备2170螺旋桨，最大起飞重量16kg左右，可在6级风力等级下稳定执行飞行任务。使用大容量6s动力电池为飞行器提供能量，可供给飞行器30分钟作业需求。作为一款通用飞行平台，可搭各种任务模块来满足不同的任务需求。

飞行控制器采用雷迅科技的pixv5飞行控制器，V5 AutoPilot采用了全新的V5 CORE平台;将飞控核心部分集成于V5 core上，底板可拆卸，只作为对外接口载体，V5 AutoPilot是CUAV基于FMU V5開源硬件全新打造的高性能飞行控制系统。FMU v5开源硬件的特点就是采用比FMU V3更加先进的处理器、更大的flash及RAM、更稳定可靠的传感器。V5 AutoPilot是CUAV基于FMU V5开源硬件全新打造的高性能飞行控制系统。FMU v5开源硬件的特点就是采用比FMU V3更加先进的处理器、更大的flash及RAM、更稳定可靠的传感器，此飞行控制器可适用于3到8旋翼无人机，能够满足飞行器的智能化控制需求。此飞行控制器具有操作简单、工作稳定可靠、智能化程度高等特点。作为产品级的飞行控制器，操作者只需要进行简单培训，即可担任操作手执行飞行任务。

相较于传统的植保无人机，本设计可最大程度降低飞行器对操作手的依赖，将操作手从单一乏味的飞行中解放出来。在实际任务执行过程中，操作手可以使用搭配飞行控制器的地面站提前进行飞行任务规划，将飞行任务中的关键参数信息输入飞行控制器，利用其智能任务管理系统根据不同的任务需求生成最佳飞行航线并存储于飞行控制器中。到了任务的实际执行阶段，操作手只需要将飞行器带到任务区并监控其工作状态即可。机载传感器系统及飞行控制系统可保证飞行器安全高效的完成飞行任务。一般条件下，可实现飞行器从起飞到任务执行到返航的全自动作业，操作手只需监控其工作状态即可。最大限度降低操作手的工作强度。可在提高作业效率的同时降低人员疲劳程度。

3项目总结

使用多旋翼无人机作为作业载具具有飞行高度低，定位精度高，对起降场地要求低等特点，可深入田间地头灵活展开植保作业。可大幅提作业效率，且飞行器飞行过程中旋翼产生的下降气流有利于增加喷雾对作物的穿透性，使用药物利用率得以提高。在作业过程中，操作者可在安全距离遥控监视作业，有效降低了人员作业风险，使得安全性进一步提高。此外，与油动无人机相比，电动无人机具有重量轻，折旧率低，作业人工成本较低、易于保养维护等优势。本设计作为一块多旋翼无人平台，具有操控简单、通用性强等特点，可灵活搭配各种任务模块满足不同用户群体的作业需求。且平台本身具有极大的改进潜力和发展空间。有利于进一步的推广和发展。

基金项目：项目名称：大学生创新创业训练项目，项目号是201810061153。