多旋翼植保無人機(jī)動(dòng)力匹配的設(shè)計(jì)

陳立志　王偉全

摘 要：農(nóng)用多旋翼植保無人機(jī)的動(dòng)力匹配，就電動(dòng)無人機(jī)而言，其實(shí)就是根據(jù)植保無人機(jī)的作業(yè)載重，通過計(jì)算進(jìn)行選擇電機(jī)、電調(diào)、槳葉以及電池的問題。合理的動(dòng)力匹配能夠保障植保無人機(jī)安全穩(wěn)定的作業(yè)運(yùn)行，同時(shí)也可以避免因?yàn)樵O(shè)計(jì)冗余造成的動(dòng)力浪費(fèi)。

關(guān)鍵詞：動(dòng)力匹配；電機(jī)；電調(diào)；槳葉；電池

中圖分類號：V2491；TP13 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2018.08.006

0 引言

多旋翼植保無人機(jī)與普通無人機(jī)相比，有很多相通之處，但是也不能按照簡單的放大版無人機(jī)對待，植保機(jī)的特性是大負(fù)載、大體積、大電流、操作頻率極高，在這種狀態(tài)下，以往載重量較輕的中小型無人機(jī)不太注重動(dòng)力匹配的問題，在植保無人機(jī)這里必須給予足夠的重視。

1 多旋翼植保無人機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)的組成

多旋翼植保無人機(jī)的動(dòng)力系統(tǒng)通常由動(dòng)力提供部件——電池、動(dòng)力輸出部件——電機(jī)、動(dòng)力控制部件——電調(diào)和動(dòng)力轉(zhuǎn)換部件——槳葉四部分組成。

1.1 電池

電池是植保無人機(jī)的動(dòng)力來源。目前，植保無人機(jī)的電源電池一般選用鋰聚合物電池，相對普通電池來說，它具有高倍率、高能量比、放電電流大、安全性高、壽命長、環(huán)保無污染、質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn)。它的主要參數(shù)除了容量還有C數(shù)、P數(shù)、S數(shù)等。C數(shù)是指電池能正常放電的倍數(shù)，可以簡單理解為放電能力。C數(shù)乘以容量，就是電池最大放電電流。S數(shù)是指串聯(lián)鋰電池電芯的片數(shù)，1S代表3.7 V的電壓，S數(shù)越大，電池的電壓越大。P數(shù)是指并聯(lián)鋰電池電芯的片數(shù)，P數(shù)越大，電池的電流越大。

1.2 電機(jī)

植保無人機(jī)的電機(jī)，在整個(gè)飛行系統(tǒng)中，起到動(dòng)力輸出的作用。目前，多旋翼植保無人機(jī)的動(dòng)力電機(jī)普遍采用無刷電機(jī)。它的優(yōu)點(diǎn)是電子換向來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機(jī)械換向，性能可靠、效率高、體積小、故障率低，壽命比有刷電機(jī)提高了約6倍。無刷電機(jī)的參數(shù)指標(biāo)，除了外形尺寸（外徑、長度、軸徑等）、重量、電壓范圍、空載電流、最大電流等參數(shù)外，還少不了一個(gè)重要指標(biāo)——KV值，這個(gè)數(shù)值是無刷電機(jī)獨(dú)有的一個(gè)性能參數(shù)，是判斷無刷電機(jī)性能特點(diǎn)的一個(gè)重要數(shù)據(jù)。KV值用于衡量電機(jī)轉(zhuǎn)速對電壓增加的敏感度 ，它的物理學(xué)單位是rmp/V，意思為輸入電壓增加1伏特，無刷電機(jī)轉(zhuǎn)速增加的轉(zhuǎn)速值。例如：1000 KV電機(jī)，外加1 V電壓，電機(jī)空載轉(zhuǎn)速1000 r/min，外加2 V電壓，電機(jī)空載轉(zhuǎn)速2000 r/min。單從KV值，不可以評價(jià)電機(jī)的好壞，因?yàn)椴煌琄V值的電機(jī)適用不同尺寸的槳，繞線匝數(shù)多的，KV值低，最高輸出電流小，但扭力大，適合安裝大尺寸的槳；繞線匝數(shù)少的，KV值高，最高輸出電流大，但扭力小，適合安裝小尺寸的槳。電機(jī)的型號一般由四位數(shù)字組成，前2位代表電機(jī)的直徑，后面2位是電機(jī)的高度。例如：8120的電機(jī)——電機(jī)直徑為81 mm、電機(jī)高度為20 mm。

1.3 電調(diào)

電調(diào)全稱電子調(diào)速器，英文electronic speed controller，簡稱ESC。針對電機(jī)不同可以分為有刷電調(diào)和無刷電調(diào)，植保無人機(jī)的電調(diào)需要與電機(jī)匹配，選用無刷電調(diào)。在整個(gè)飛行系統(tǒng)中，電調(diào)主要提供驅(qū)動(dòng)電機(jī)的指令，來控制電機(jī)，完成規(guī)定的速度和動(dòng)作等。電調(diào)主要根據(jù)應(yīng)用情況和電機(jī)的功率進(jìn)行選擇。

1.4 槳葉

槳葉是通過自身旋轉(zhuǎn)，將電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)所做的功轉(zhuǎn)化為動(dòng)力的裝置。在整個(gè)飛行系統(tǒng)中，槳葉主要起到提供飛行所需的動(dòng)能。槳葉的性能對飛行效率產(chǎn)生十分重要的影響，直接影響飛行的續(xù)航時(shí)間。按材質(zhì)一般可分為尼龍槳、碳纖維槳和木槳等。多旋翼植保無人機(jī)通常選用碳纖維槳。槳葉的選擇和電機(jī)KV值有關(guān)，一般KV值較大的電機(jī)選擇高速槳，KV值較小的選擇低速槳。槳葉主要參數(shù)指標(biāo)有螺距和長度。它的型號一般由四位數(shù)字組成，前2位代表槳的直徑，后面2位是槳的螺距（單位：英寸，1英寸=254 mm）。例如：8060的槳葉——槳長度8英寸、螺距6英寸。

2 多旋翼植保無人機(jī)動(dòng)力部件的匹配選擇

2.1 電機(jī)和槳葉的選擇

本次設(shè)計(jì)選取最常見的四旋翼10 kg載重的植保無人機(jī)機(jī)型，不帶藥起飛重量在14 kg左右，帶藥之后整機(jī)起飛重量在24 kg左右。首先，對應(yīng)不同旋翼的植保機(jī)，根據(jù)滿載的起飛重量計(jì)算出單軸電機(jī)拉力，四旋翼單軸額定拉力在6 kg左右。多旋翼無人機(jī)要求其所有電機(jī)總推力必須大于自身重量一定比例，才能保證無人機(jī)的飛行性能和飛行安全。這個(gè)比例被稱之為推重比，多旋翼的推重比都必須大于1，通常在16～25之間，推重比反應(yīng)了無人機(jī)動(dòng)力冗余情況，過低的推重比會(huì)降低無人機(jī)的飛行性能和抗風(fēng)性，過高的推重比又會(huì)造成過度冗余。通過實(shí)驗(yàn)和橫向?qū)Ρ瓤偨Y(jié)得到四旋翼植保無人機(jī)的推重比在1.8～2.2最為合適。因此，可以計(jì)算得出四軸電機(jī)滿負(fù)荷的最大拉力。

（1）拉力計(jì)算公式

拉力（kg）= 槳葉直徑（m）×螺距（m）×槳寬度（m）×轉(zhuǎn)速平方（r/s）×1大氣壓力（1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓）×經(jīng)驗(yàn)系數(shù)（0.25）

（2）電機(jī)和槳葉的匹配原則

電機(jī)KV值低，最高輸出電流小，但扭力大，適合安裝大尺寸的槳； 電機(jī)KV值高，最高輸出電流大，但扭力小，適合安裝小尺寸的槳。

（3）拉力與力效曲線圖（如圖1所示）。

最終，四軸電機(jī)和槳葉選取了8120電機(jī)與2911折疊槳葉的組合，其參數(shù)如表所示。

由此可以看到，在供電電壓48 V，100%油門，最大拉力為15 289 g，可以滿足四旋翼植保無人機(jī)的最大拉力要求，工作拉力的油門保持在60%左右，升效在9 g/W左右保持在較高水平，完全可以滿足冗余度要求，而且2911折疊槳葉更易于收納和運(yùn)輸。

2.2 電調(diào)的選擇

無刷電調(diào)是無刷電機(jī)的驅(qū)動(dòng)和供電部件，它們之間最簡單的關(guān)系就是，無刷電調(diào)能否滿足電機(jī)的電力需求，無刷電機(jī)的功率是否超出無刷電調(diào)的工作范圍。首先，通過四軸電機(jī)和槳葉的參數(shù)表進(jìn)行分析，當(dāng)供電電壓為48 V，電機(jī)滿負(fù)荷工作時(shí)的電流為653 A，功率為31349 W。此時(shí)，電調(diào)的選擇應(yīng)該滿足供電電壓為48 V、最大允許電流大于653 A 并留有余量，功率要求大于31349 W但不能超出過多，防止負(fù)載功率過大時(shí)對電機(jī)失去保護(hù)作用。最終，選取的電調(diào)型號為 XRotor PRO HV 80A FOC V3，其供電電壓為12 S，最大允許電流為80 A，最大允許峰值電流為100 A，且采用正弦波驅(qū)動(dòng)，在電機(jī)減速時(shí)自主制動(dòng)回收能量，而且具備更好的油門線性；與方波電調(diào)相比其為電流控制驅(qū)動(dòng)，具有噪聲小、溫度低、效率高、相應(yīng)快等特點(diǎn)。

2.3 電池的選擇

電池是電動(dòng)無人機(jī)的動(dòng)力來源，目前普遍采用鋰聚合物電池，所以電池的選擇，就是對電池電壓、電池容量和放電倍數(shù)進(jìn)行合理的選擇。

電池電壓的選擇，根據(jù)之前確定的電機(jī)和電調(diào)都是采用12 S供電，所以電池的供電電壓必須滿足12 S要求，通?？紤]到電池體積和安裝拆卸方便，我們采用兩組6 S的電池進(jìn)行串聯(lián)供電。

電池容量的選擇，根據(jù)植保無人機(jī)的續(xù)航時(shí)間計(jì)算電池容量，植保無人機(jī)續(xù)航時(shí)間通常是從無人機(jī)滿載荷起飛到空載荷降落的時(shí)間，即一箱藥噴灑作業(yè)的時(shí)間，就目前成熟的噴灑機(jī)構(gòu)來說，10 kg藥的噴灑作業(yè)時(shí)間不超過10 min，所以電池容量的選擇即是計(jì)算植保無人機(jī)連續(xù)作業(yè)10 min所消耗的電量。以四旋翼植保機(jī)為例帶藥的起飛重量為24 kg，單軸的拉升力需要大于6 kg·N，由前面的四旋翼電機(jī)和槳葉參數(shù)表，我們可以看到其單軸電流不應(yīng)小于15 A，四軸總電流不應(yīng)小于60 A?？紤]到在作業(yè)過程中，隨著藥量的減少，負(fù)荷會(huì)慢慢降低，所以可以選擇60 A電流為工作的平均電流，那么60 A的電流工作10 min所消耗的電量就是10 Ah，即為10 000 mAh。但是考慮到電池在閥值電壓時(shí)，電量不可能100%使用。通過下面鋰聚合物電池單電芯放電曲線可以看到（如圖2所示），當(dāng)電池閥值電壓在3.75 V左右時(shí)，消耗的電量曲線集中在70%左右，所以在電池的容量選擇上至少應(yīng)為10 000/07=14 286 mAh，最后通過計(jì)算根據(jù)常用電池容量選擇16 000 mAh電池較為合理。

電池放電倍數(shù)的選擇，一般根據(jù)電機(jī)和電調(diào)實(shí)際工作的最大電流進(jìn)行計(jì)算電池的放電倍數(shù)，通過上面電機(jī)和槳葉參數(shù)表可以看到，四旋翼單軸的最大工作電流在70 A左右。因而，四旋翼最大工作電流為280 A左右。通過公式：電池的放電電流=電池容量×放電倍數(shù)，可以求得四旋翼電池的理論放電倍數(shù)不應(yīng)小于175 C。從成本和電池標(biāo)定放電倍數(shù)的綜合考慮，選取電池的放電倍數(shù)為25 C。

通過電池電壓、電池容量和放電倍數(shù)分別進(jìn)行計(jì)算分析，電池的選擇為兩組6 S/16 000 mAh/25 C鋰聚合物電池。

3 結(jié)論

本設(shè)計(jì)以四旋翼植保無人機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算分析和論述，分別對各動(dòng)力部件進(jìn)行了選型。通過實(shí)際的安裝調(diào)試、作業(yè)飛行測試，無人機(jī)作業(yè)運(yùn)行穩(wěn)定，作業(yè)時(shí)間滿足設(shè)計(jì)要求，電池電量利用正常。因而，可以證明以上的動(dòng)力匹配設(shè)計(jì)合理，同時(shí)此設(shè)計(jì)理論也可應(yīng)用到六旋翼、八旋翼等多種機(jī)型。

參考文獻(xiàn)：

[1] 李俊，李運(yùn)堂.四旋翼飛行器的動(dòng)力學(xué)建模及PID控制[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2012（1）.

[2] 劉剛.永磁無刷直流電機(jī)控制技術(shù)與應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

[3] 劉沛清.空氣螺旋槳理論及其應(yīng)用[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2006.