基于复合式横梁的载重植保无人机设计＊

余 诣，张 璟，黎相伟，李继业，高 坚

（中国计量大学机电工程学院，浙江 杭州 310002）

本项目核心任务在于实现新型复合式横梁的设计、测试与运用，同时完成可控制的、高效的载重植保无人机以具有完成农业中精准、定点喷洒的功能。

1 无人机气动布局与结构设计

1.1 气动设计

良好的气动布局与翼型结构设计决定了整机的基础，本项目在进行了大量仿真与优化后确定翼型为AH 79-100B，具体研究过程如图1 所示。

图1 气动设计流程

从profili 中导出了多种经典翼型（包括平凸型、对称型、S 型、Clark-Y 型等），首先在XFLR5 中进行外形比对，并初步筛选。由于刚导入的翼型并不满足实际要求，需要在原有基础上建立副翼节点（SET T.E.FLAT），使得更加符合实际飞行情况。

利用profili 在相同雷诺数下，对翼型的升力系数、阻力系数、升阻比、俯仰力矩与攻角关系进行对比分析后。采用XFLR5 对选型翼型进行数据分析，得出相关翼型在不同条件下的参数曲线。选出优秀的翼型，进行整机静态分析的数据建立。

根据CAD 图纸进行主翼（Main Wing）、机身（Body）、水平尾翼（Elevator）、垂直尾翼（Fin）4个部分的建模，并加载上舵机、起落架、电机、电池等空机设备。模拟实际挂载性能与动态模拟如图2 所示。

图2 模拟实际挂载性能与动态模拟

对整机进行动态模拟分析，模态响应模拟是指在飞行中，扰动（操纵或阵风）会在不同的程度上激发所有的模态：短周期和滚转阻尼模态受较大阻尼很快就会消失；长周期和荷兰滚较明显，可用眼观察到；螺旋模态则是缓慢地被纠正。整机在受到扰动后恢复较快，模型性能较好。

1.2 整体结构

本项目主要目的为制作一架基于复合式横梁的载重植保无人机，整机采用单发、对称结构设计，采用梯形翼适合低速（相对于音速）飞机，优点在于制造加工很方便，同时也具有较低的诱导阻力，在低速时的升力性能较为优秀。

平直机翼或是略带下反角机翼有利于提升灵敏度以及静载，使飞行过程容易操纵投水。

无人机起落架采用前三角式，均采用碳纤维材质拼接而成的22 in（1 in≈2.54 cm）螺旋桨，并搭配HK-2520 电机/SKYWALKER-60 A 动力组合，使用4S锂聚合物电池供电，使用拉力计实际测试取平均值动力F=52 N。

1.3 复合式横梁的设计与应用

飞机横梁是飞机结构的主要部件，相当于人体骨架的脊椎，大梁对于飞机飞行有至关重要的作用。其作用是承受全部或大部分的弯矩和剪力。横梁由缘条、腹板和支柱等组成，剖面多为工字形。横梁一般固支在机身上。复合式横梁采用碳纤维板覆盖碳纤维管而成，其纵向受力极限极强，几乎无法通过外力使其变形，而横向形变由于碳板本身特性，复合而成的横梁刚度足够，形变也较小。复合式横梁结构图如图3 所示，复合式横梁贯穿整个机翼中段如图4 所示。

图3 复合式横梁结构图

图4 复合式横梁贯穿整个机翼中段

2 飞行控制设计

2.1 控制流程

可使用手动操纵飞行/地面站规划飞行切换，具体如图5 所示。

图5 飞行策略

2.2 地面站与程序设计

自动飞行使用目前无人机常用的Mission Planner地面站搭配相关硬件实现按照规划航线自动飞行[2]。地面站基础操作界面如图6 所示，包括上位机飞控与下位机程序，下位机接收信息对电磁阀进行控制。

图6 地面（GUⅠ）操作界面

采用ArduPilot/APM 作为导航系统，通过参数调节与编程支持多种地面站用于计划与控制飞行[3]，部分代码如图7 所示。

图7 飞控程序与下位机程序

3 无人机实物与硬件选型

3.1 设计与展示

通过AUTO CAD 绘制无人机三视图展示如图8 所示。

图8 无人机展示

无人机样机实物如图9 所示。

图9 实物展示

3.2 硬件选型

螺旋桨采用FALCON 金标（超轻）22 in 固定翼电动碳纤桨。飞行电机采用Scorpion HK-2520-3 500 kV 无刷电机。电子调速器采用好盈天行者SKYWALKER-60A（峰值80A）[4]。锂电池采用格氏ACE XO-1 1 800/5 000 mAh 3S 11.1V 45C 锂聚合物电池。

4 无人机验证

为在飞行前保证样机、电子设备的安全，对复合式横梁进行实际测试验证，需要对无人机进行静载测试，测试样机采用9 kg 水袋代替。

静载测试方法为样机按照装装载质量装载重物，仅由2名项目成员从翼尖两侧将带载的样机托举起来，保持5 s 以上，样机仍然安全无损为通过，有异响、折裂、断裂等现象者为不通过。项目成员成功进行9 kg静载测试，完成测试后进行外场飞行，试验机型表现较好。外场测试如图10 所示，静载测试如图11 所示。

图10 外场测试

图11 静载测试

无人机进行外场飞行测试中，整机（含电池）携带6 kg 额外负载总重7 550.2 g，起飞时油门位于最大油门的1/3 处左右，起飞距离在30 m 内。喷洒装置如图12 所示，实际飞行如图13 所示。

图12 喷洒装置

图13 实际飞行

喷洒装置通过PV 材质水箱刚性连接电磁阀来控制喷洒，其总体结构较轻，可容纳更多承载物。其地面测试结果较好，电磁阀喷头可连续均匀喷洒。具体改进设想如下：①采用软管与分接头，连接至机翼增大喷洒面积；②采用舵机等电气设备，设计成旋转喷头形式。

总体实验结果表明，基于复合式横梁的载重植保无人机仍有改进空间，其研究有利于解决如今国内大部分区域农业作业仍然由人工作业导致效率低下的问题，着重提高喷洒、播种等作业环节效率，本项目既能带来社会效益又能带来经济效益。此项目可以应用于适合固定翼无人机农业多元化的工作当中。