植保无人机能量消耗规律的试验研究

发布时间：2020-11-14 20:55

　　 随着机电一体化、自动控制技术的发展,应用无人机搭载农药喷雾设备成为农作物病虫害防治的重要手段。相比人工手动喷洒方式,植保无人机更具高效作业、安全可靠、精准喷洒等好处;相比于燃油驱动植保无人机,电驱动植保无人机成本更低,操作便捷,机动性好,更为农户所接受。但电动式植保无人机续航问题严重影响其推广及应用。为解决植保无人机续航问题,众多学者针对无人机开展了最短路径研究。但是该方法没有结合植保无人机作业背景,抛开能耗寻求最短路径的研究是不全面的。此外,在实际植保作业过程中,作业人员往往根据待作业区域面积及农药的喷洒量来确定作业飞行速度,没有充分考虑到植保无人机的飞行特性,大大减少了植保无人机作业时间。为此,本文通过大量飞行试验,研究植保无人机能量消耗规律,比较相同作业路径下不同飞行速度所需要的能耗,找到经济速度值。同时,分析了植保无人机在不同飞行阶段下的能量消耗规律,从能耗角度为不同作业区域的飞行路径选择提供参考。本文提供了一种植保无人机航迹规划扩展研究的通用性方法,分析植保无人机能量消耗规律,提高了无人机的续航能力及植保作业效率。本文主要研究工作及研究结果如下:(1)本文针对电动式多旋翼植保无人机,搭建可满足以下功能的实验平台:实时监测电池工作电压、电流以及剩余电量、GPS定位、GPS测速、数据的存储和导出功能、航点飞行功能、航点飞行可设定速度、可查看3D飞行轨迹、线扫路径规划等功能。(2)利用自主搭建的试验平台,结合植保无人机飞行特性,以不同速度下的无人机自主起降与自动直线往返飞行试验为主体,结合试验场地的风力、风向以及飞行高度、飞行速度等参数,以飞行方式为依据对飞行数据归类。再对归类后的数据进行高阶多项式拟合处理,根据能耗计算公式进行能耗计算。(3)针对直线飞行不同阶段的能量消耗规律分析,得出此植保无人机在同一航线的水平方向上,减速飞行能耗最大,匀速飞行能耗最少;垂直方向上,爬升能耗最大,悬停能耗次之,降落能耗最少的结论。(4)不同于寻找最短路径解决无人机续航的方法,本研究针对不同飞行速度的能量消耗规律分析,得出此植保无人机的经济速度值为8.4 m/s。依据能量消耗规律计算经济速度与常规速度(4-6 m/s)直线飞行300 m的能耗,得出以经济速度飞行相对常规速度飞行能耗减少百分比分别为45%、33%、21%,且随直线距离的增加,两种飞行速度产生能耗相差越大。(5)将经济速度作业飞行与常规速度(4 m/s)作业飞行进行模拟喷洒能耗对比试验,用以验证经济速度值的准确性。试验得出,在设置航线距离为200 m时,以经济速度作业飞行相对于4 m/s的常规速度作业飞行,能耗减少64%。
【学位单位】：东北农业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：S252.3
【部分图文】：

9叶作为无人机动力系统设计的主要器件。图2-2为所选电机，型号中52指电机转子直径，12指电机转子高度，KV指表示外加1 V电压，电机空转时每分钟转数。图2-3为选用的碳纤维桨叶，直径为56 cm。在安装桨叶时应该注意，为了抵消反扭力，相邻电机桨叶应该正反间隔安装。表 2-1 电机全油门力效Tab.2-1 Full throttle force of

图 2-3 22 英寸碳纤维桨叶Fig.2-3 22 Inch carbon fiber blades叶后的无人机整体设计方面，为保证相邻桨叶不会相撞，应依。由于六旋翼特殊的平面结构，如图2-4，β为60度，三角形AB叶相交，桨叶的长度为最大轴距（图2-4中BD长）的1/2，22英无人机最大轴距至少为112 cm。经测量，在满足隐藏部分机臂际轴距为127.5 cm，符合相邻桨叶不相撞要求。

Fig.2-3 22 Inch carbon fiber blades在考虑桨叶后的无人机整体设计方面，为保证相邻桨叶不会相撞，应依据桨叶尺寸确定无人机轴距。由于六旋翼特殊的平面结构，如图2-4，β为60度，三角形ABC为等边三角形。当相邻桨叶相交，桨叶的长度为最大轴距（图2-4中BD长）的1/2，22英寸桨叶直径为56 cm。所以无人机最大轴距至少为112 cm。经测量，在满足隐藏部分机臂设计要求的同时，无人机实际轴距为127.5 cm，符合相邻桨叶不相撞要求。图 2-4 六旋翼无人机平面结构图Fig.2-4 Plane configuration of a six-rotor drone（2）调速器与电池电机选型确定后还需要选择相应的电子调速器与电池。电调可将自动驾驶仪发出的PWM信号转换成控制信号
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本文编号：2883943