基于復合式橫梁的載重植保無人機設計＊

余 詣，張 璟，黎相偉，李繼業(yè)，高 堅

（中國計量大學機電工程學院，浙江 杭州 310002）

本項目核心任務在于實現(xiàn)新型復合式橫梁的設計、測試與運用，同時完成可控制的、高效的載重植保無人機以具有完成農(nóng)業(yè)中精準、定點噴灑的功能。

1 無人機氣動布局與結(jié)構(gòu)設計

1.1 氣動設計

良好的氣動布局與翼型結(jié)構(gòu)設計決定了整機的基礎，本項目在進行了大量仿真與優(yōu)化后確定翼型為AH 79-100B，具體研究過程如圖1 所示。

圖1 氣動設計流程

從profili 中導出了多種經(jīng)典翼型（包括平凸型、對稱型、S 型、Clark-Y 型等），首先在XFLR5 中進行外形比對，并初步篩選。由于剛導入的翼型并不滿足實際要求，需要在原有基礎上建立副翼節(jié)點（SET T.E.FLAT），使得更加符合實際飛行情況。

利用profili 在相同雷諾數(shù)下，對翼型的升力系數(shù)、阻力系數(shù)、升阻比、俯仰力矩與攻角關系進行對比分析后。采用XFLR5 對選型翼型進行數(shù)據(jù)分析，得出相關翼型在不同條件下的參數(shù)曲線。選出優(yōu)秀的翼型，進行整機靜態(tài)分析的數(shù)據(jù)建立。

根據(jù)CAD 圖紙進行主翼（Main Wing）、機身（Body）、水平尾翼（Elevator）、垂直尾翼（Fin）4個部分的建模，并加載上舵機、起落架、電機、電池等空機設備。模擬實際掛載性能與動態(tài)模擬如圖2 所示。

圖2 模擬實際掛載性能與動態(tài)模擬

對整機進行動態(tài)模擬分析，模態(tài)響應模擬是指在飛行中，擾動（操縱或陣風）會在不同的程度上激發(fā)所有的模態(tài)：短周期和滾轉(zhuǎn)阻尼模態(tài)受較大阻尼很快就會消失；長周期和荷蘭滾較明顯，可用眼觀察到；螺旋模態(tài)則是緩慢地被糾正。整機在受到擾動后恢復較快，模型性能較好。

1.2 整體結(jié)構(gòu)

本項目主要目的為制作一架基于復合式橫梁的載重植保無人機，整機采用單發(fā)、對稱結(jié)構(gòu)設計，采用梯形翼適合低速（相對于音速）飛機，優(yōu)點在于制造加工很方便，同時也具有較低的誘導阻力，在低速時的升力性能較為優(yōu)秀。

平直機翼或是略帶下反角機翼有利于提升靈敏度以及靜載，使飛行過程容易操縱投水。

無人機起落架采用前三角式，均采用碳纖維材質(zhì)拼接而成的22 in（1 in≈2.54 cm）螺旋槳，并搭配HK-2520 電機/SKYWALKER-60 A 動力組合，使用4S鋰聚合物電池供電，使用拉力計實際測試取平均值動力F=52 N。

1.3 復合式橫梁的設計與應用

飛機橫梁是飛機結(jié)構(gòu)的主要部件，相當于人體骨架的脊椎，大梁對于飛機飛行有至關重要的作用。其作用是承受全部或大部分的彎矩和剪力。橫梁由緣條、腹板和支柱等組成，剖面多為工字形。橫梁一般固支在機身上。復合式橫梁采用碳纖維板覆蓋碳纖維管而成，其縱向受力極限極強，幾乎無法通過外力使其變形，而橫向形變由于碳板本身特性，復合而成的橫梁剛度足夠，形變也較小。復合式橫梁結(jié)構(gòu)圖如圖3 所示，復合式橫梁貫穿整個機翼中段如圖4 所示。

圖3 復合式橫梁結(jié)構(gòu)圖

圖4 復合式橫梁貫穿整個機翼中段

2 飛行控制設計

2.1 控制流程

可使用手動操縱飛行/地面站規(guī)劃飛行切換，具體如圖5 所示。

圖5 飛行策略

2.2 地面站與程序設計

自動飛行使用目前無人機常用的Mission Planner地面站搭配相關硬件實現(xiàn)按照規(guī)劃航線自動飛行[2]。地面站基礎操作界面如圖6 所示，包括上位機飛控與下位機程序，下位機接收信息對電磁閥進行控制。

圖6 地面（GUⅠ）操作界面

采用ArduPilot/APM 作為導航系統(tǒng)，通過參數(shù)調(diào)節(jié)與編程支持多種地面站用于計劃與控制飛行[3]，部分代碼如圖7 所示。

圖7 飛控程序與下位機程序

3 無人機實物與硬件選型

3.1 設計與展示

通過AUTO CAD 繪制無人機三視圖展示如圖8 所示。

圖8 無人機展示

無人機樣機實物如圖9 所示。

圖9 實物展示

3.2 硬件選型

螺旋槳采用FALCON 金標（超輕）22 in 固定翼電動碳纖槳。飛行電機采用Scorpion HK-2520-3 500 kV 無刷電機。電子調(diào)速器采用好盈天行者SKYWALKER-60A（峰值80A）[4]。鋰電池采用格氏ACE XO-1 1 800/5 000 mAh 3S 11.1V 45C 鋰聚合物電池。

4 無人機驗證

為在飛行前保證樣機、電子設備的安全，對復合式橫梁進行實際測試驗證，需要對無人機進行靜載測試，測試樣機采用9 kg 水袋代替。

靜載測試方法為樣機按照裝裝載質(zhì)量裝載重物，僅由2名項目成員從翼尖兩側(cè)將帶載的樣機托舉起來，保持5 s 以上，樣機仍然安全無損為通過，有異響、折裂、斷裂等現(xiàn)象者為不通過。項目成員成功進行9 kg靜載測試，完成測試后進行外場飛行，試驗機型表現(xiàn)較好。外場測試如圖10 所示，靜載測試如圖11 所示。

圖10 外場測試

圖11 靜載測試

無人機進行外場飛行測試中，整機（含電池）攜帶6 kg 額外負載總重7 550.2 g，起飛時油門位于最大油門的1/3 處左右，起飛距離在30 m 內(nèi)。噴灑裝置如圖12 所示，實際飛行如圖13 所示。

圖12 噴灑裝置

圖13 實際飛行

噴灑裝置通過PV 材質(zhì)水箱剛性連接電磁閥來控制噴灑，其總體結(jié)構(gòu)較輕，可容納更多承載物。其地面測試結(jié)果較好，電磁閥噴頭可連續(xù)均勻噴灑。具體改進設想如下：①采用軟管與分接頭，連接至機翼增大噴灑面積；②采用舵機等電氣設備，設計成旋轉(zhuǎn)噴頭形式。

總體實驗結(jié)果表明，基于復合式橫梁的載重植保無人機仍有改進空間，其研究有利于解決如今國內(nèi)大部分區(qū)域農(nóng)業(yè)作業(yè)仍然由人工作業(yè)導致效率低下的問題，著重提高噴灑、播種等作業(yè)環(huán)節(jié)效率，本項目既能帶來社會效益又能帶來經(jīng)濟效益。此項目可以應用于適合固定翼無人機農(nóng)業(yè)多元化的工作當中。