隨著機電一體化、自動控制技術(shù)的發(fā)展,應(yīng)用無人機搭載農(nóng)藥噴霧設(shè)備成為農(nóng)作物病蟲害防治的重要手段。相比人工手動噴灑方式,植保無人機更具高效作業(yè)、安全可靠、精準(zhǔn)噴灑等好處;相比于燃油驅(qū)動植保無人機,電驅(qū)動植保無人機成本更低,操作便捷,機動性好,更為農(nóng)戶所接受。但電動式植保無人機續(xù)航問題嚴(yán)重影響其推廣及應(yīng)用。為解決植保無人機續(xù)航問題,眾多學(xué)者針對無人機開展了最短路徑研究。但是該方法沒有結(jié)合植保無人機作業(yè)背景,拋開能耗尋求最短路徑的研究是不全面的。此外,在實際植保作業(yè)過程中,作業(yè)人員往往根據(jù)待作業(yè)區(qū)域面積及農(nóng)藥的噴灑量來確定作業(yè)飛行速度,沒有充分考慮到植保無人機的飛行特性,大大減少了植保無人機作業(yè)時間。為此,本文通過大量飛行試驗,研究植保無人機能量消耗規(guī)律,比較相同作業(yè)路徑下不同飛行速度所需要的能耗,找到經(jīng)濟速度值。同時,分析了植保無人機在不同飛行階段下的能量消耗規(guī)律,從能耗角度為不同作業(yè)區(qū)域的飛行路徑選擇提供參考。本文提供了一種植保無人機航跡規(guī)劃擴展研究的通用性方法,分析植保無人機能量消耗規(guī)律,提高了無人機的續(xù)航能力及植保作業(yè)效率。本文主要研究工作及研究結(jié)果如下:(1)本文針對電動式多旋翼植保無人機,搭建可滿足以下功能的實驗平臺:實時監(jiān)測電池工作電壓、電流以及剩余電量、GPS定位、GPS測速、數(shù)據(jù)的存儲和導(dǎo)出功能、航點飛行功能、航點飛行可設(shè)定速度、可查看3D飛行軌跡、線掃路徑規(guī)劃等功能。(2)利用自主搭建的試驗平臺,結(jié)合植保無人機飛行特性,以不同速度下的無人機自主起降與自動直線往返飛行試驗為主體,結(jié)合試驗場地的風(fēng)力、風(fēng)向以及飛行高度、飛行速度等參數(shù),以飛行方式為依據(jù)對飛行數(shù)據(jù)歸類。再對歸類后的數(shù)據(jù)進行高階多項式擬合處理,根據(jù)能耗計算公式進行能耗計算。(3)針對直線飛行不同階段的能量消耗規(guī)律分析,得出此植保無人機在同一航線的水平方向上,減速飛行能耗最大,勻速飛行能耗最少;垂直方向上,爬升能耗最大,懸停能耗次之,降落能耗最少的結(jié)論。(4)不同于尋找最短路徑解決無人機續(xù)航的方法,本研究針對不同飛行速度的能量消耗規(guī)律分析,得出此植保無人機的經(jīng)濟速度值為8.4 m/s。依據(jù)能量消耗規(guī)律計算經(jīng)濟速度與常規(guī)速度(4-6 m/s)直線飛行300 m的能耗,得出以經(jīng)濟速度飛行相對常規(guī)速度飛行能耗減少百分比分別為45%、33%、21%,且隨直線距離的增加,兩種飛行速度產(chǎn)生能耗相差越大。(5)將經(jīng)濟速度作業(yè)飛行與常規(guī)速度(4 m/s)作業(yè)飛行進行模擬噴灑能耗對比試驗,用以驗證經(jīng)濟速度值的準(zhǔn)確性。試驗得出,在設(shè)置航線距離為200 m時,以經(jīng)濟速度作業(yè)飛行相對于4 m/s的常規(guī)速度作業(yè)飛行,能耗減少64%。
【學(xué)位單位】：東北農(nóng)業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：S252.3
【部分圖文】：

9葉作為無人機動力系統(tǒng)設(shè)計的主要器件。圖2-2為所選電機，型號中52指電機轉(zhuǎn)子直徑，12指電機轉(zhuǎn)子高度，KV指表示外加1 V電壓，電機空轉(zhuǎn)時每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)。圖2-3為選用的碳纖維槳葉，直徑為56 cm。在安裝槳葉時應(yīng)該注意，為了抵消反扭力，相鄰電機槳葉應(yīng)該正反間隔安裝。表 2-1 電機全油門力效Tab.2-1 Full throttle force of

圖 2-3 22 英寸碳纖維槳葉Fig.2-3 22 Inch carbon fiber blades葉后的無人機整體設(shè)計方面，為保證相鄰槳葉不會相撞，應(yīng)依。由于六旋翼特殊的平面結(jié)構(gòu)，如圖2-4，β為60度，三角形AB葉相交，槳葉的長度為最大軸距（圖2-4中BD長）的1/2，22英無人機最大軸距至少為112 cm。經(jīng)測量，在滿足隱藏部分機臂際軸距為127.5 cm，符合相鄰槳葉不相撞要求。

Fig.2-3 22 Inch carbon fiber blades在考慮槳葉后的無人機整體設(shè)計方面，為保證相鄰槳葉不會相撞，應(yīng)依據(jù)槳葉尺寸確定無人機軸距。由于六旋翼特殊的平面結(jié)構(gòu)，如圖2-4，β為60度，三角形ABC為等邊三角形。當(dāng)相鄰槳葉相交，槳葉的長度為最大軸距（圖2-4中BD長）的1/2，22英寸槳葉直徑為56 cm。所以無人機最大軸距至少為112 cm。經(jīng)測量，在滿足隱藏部分機臂設(shè)計要求的同時，無人機實際軸距為127.5 cm，符合相鄰槳葉不相撞要求。圖 2-4 六旋翼無人機平面結(jié)構(gòu)圖Fig.2-4 Plane configuration of a six-rotor drone（2）調(diào)速器與電池電機選型確定后還需要選擇相應(yīng)的電子調(diào)速器與電池。電調(diào)可將自動駕駛儀發(fā)出的PWM信號轉(zhuǎn)換成控制信號
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本文編號：2883943