农用多旋翼无人机作业能耗白盒模型构建与试验

为了减少因能量有限而导致无人机飞行时间有限的问题，研究农用无人机在飞行时的作业能耗是十分必要的。本研究以农用多旋翼无人机为研究对象，采用白盒建模的方法，依照动力系统各部件原理，构建了农用无人机的飞行总效率模型，再根据农用无人机的飞行特点，建立了一种针对农用无人机的作业能耗模型，并通过对农用无人机的速度、载荷和航程这3个动态参数分组试验得到的数据进行了验证。结果表明，模型具有较高的精度，最大平均误差约为6.582%,最大绝对误差中位数约为7.654%。最后对模型的各个参数进行分析，引入模型修正系数对模型进行修正，修正后的模型精度相比修正前的最大平均误差减少约3.092个百分点，误差中位数减少约3.612个百分点，修正后效果显著。本研究构建的理论模型可以用于农用无人机作业能耗的计算和预测，在规划无人机任务前就可以得到相应的作业能耗并进行优化，也可以适配不同控制器的其他旋翼机型，具有一定的应用价值。     

基于模拟退火算法的无人机山地作业能耗最优路径规划

为提高无人机在丘陵山地区域的作业效率，以四旋翼无人机为试验对象，通过对无人机三维运动的受力分析提出无人机三维运动的能效系数；对无人机自身性能进行测试，完成无人机功率与升力模型的拟合，拟合决定系数为0.9894，并在此基础上不同负载下完成能效系数的计算；最终，通过设计相应的模拟退火算法完成无人机在山地作业情况下的能耗最优作业路径规划。试验表明，当飞行速度为2m/s时，在不同恒定负载情况下，无人机能耗最优路径比常规路径最多可节约能耗30.16%，比最短路径最多可节约能耗5.47%；在负载实时变化情况下，能耗最优路径比常规路径可节约能耗32.04%，比最短路径可节约能耗1172%。说明模拟退火算法可在能耗约束条件下对无人机进行作业路径规划，且具有较好的路径规划效果。     

植保无人机动力系统的改进及试验研究

农用无人机最重要的应用和作业项目是进行植保作业,但现在市场上的植保无人机动力系统已经远远满足不了基础农业生产的需要。本文在电动力和油动力无人机的基础上进行改进,设计出了油电混合动力无人机。经过现场试验,在空载情况下,油电混合动力无人机比电动力无人及油动力无人机的续航时间长约20～25min/L;在载重分别为6L、10L、16L、22L、25L情况下,油电混合动力无人机的续航时间比电动力无人机及油动力无人机长约30～40min/L。     

多旋翼植保无人机动力匹配的设计

农用多旋翼植保无人机的动力匹配,就电动无人机而言,其实就是根据植保无人机的作业载重,通过计算进行选择电机、电调、桨叶以及电池的问题。合理的动力匹配能够保障植保无人机安全稳定的作业运行,同时也可以避免因为设计冗余造成的动力浪费。     

植保无人机的应用特点与变量施药技术研究

多旋翼植保无人机是我国农业无人机植保的新方式,近年来不仅发展速度快,而且体现出了显著的作业优势,通过对现阶段农用植保无人机作业特点进行分析,说明了多旋翼植保无人机作业时的优势与不足,并对植保无人机应用变量施药技术的实施方式进行了研究与总结,说明了在植保无人机上应用变量施药技术的必要性。     

四旋翼无人机喷施肥控制系统的试验台分析

针对四旋翼无人机在喷施肥作业中应用少的问题,设计一台四旋翼无人机和液态肥相结合的试验台,研制一套旋翼无人机水稻叶面肥喷施控制系统。试验以四旋翼无人机为基础,以旋翼无人机的喷孔为研究对象,实现对大面积农田液态肥高效、便捷、损耗少的喷施效果。因室内不同飞行参数和外部风速变化对无人机有效喷雾范围的影响,运用Design-expert 8.0.6对液滴沉积测试结果进行数据处理,根据有效喷雾范围的理论宽度和实验室测试分析外部环境条件变化对有效喷雾范围的影响,建立有效喷幅和参数之间的回归模型,确定适合现场运行的四旋翼无人机的最佳参数组合。试验结果表明：在室内试验中,当行驶速度一定时,有效喷幅随着无人机作业高度的增加先增加后减小,最佳的无人机喷药高度在2.0～2.5m范围内,有效喷幅范围为4.6～5.5m;当无人机作业高度一定时,有效喷幅随速度的增加先增加而后变小,当无人机高度在2.5m,行驶速度为1m/s时得到最佳有效喷幅,宽度为5.5m,变异系数为24.8%。     

长航时轻型固定翼农用遥感无人机设计与仿真

针对电动无人机应用于农业遥感监测时受其续航时间限制的问题,从实际应用角度出发,设计了一种续航时间长、适用于农业遥感监测的翼身融合布局的轻型电动固定翼无人机。提出了翼身融合布局轻型固定翼无人机的总体设计方法,确定了轻型固定翼无人机的结构参数,建立了物理模型并对其参数进行了优化分析。通过计算流体力学(Computational fluid dynamics,CFD)分析计算了翼身融合布局轻型固定翼无人机的气动性能,基于流固耦合模型动态分析了其飞行状态下的受力分布。结果表明,优化模型较初始设计模型的升阻比提高了2.6%,在迎角为6°、巡航速度为15.5 m/s时,所设计的翼身融合布局轻型固定翼无人机机身压力分布合理,且拥有良好的气动特性。起飞质量为1.5 kg时,无人机下表面压力最大,为143 Pa,升力主要集中在机翼前缘部分,计算所得理论续航时间为65 min,在巡航阶段最大变形量0.288 38 mm,符合飞行器工作条件,无人机结构和选用材料均满足设计和使用要求。本文设计的电动轻型固定翼农用遥感无人机在结构、材料和性能方面均适用于农业遥感监测。     

含障碍物多田块下旋翼无人机作业返航补给规划研究

针对同一区域内相邻多田块的无人机单机作业任务路径规划问题,从续航、负重等实际问题出发,考虑种肥药液和油电能源等消耗品的按需多次返航补给,提出并实现一套含障碍物多田块条件下单机多架次作业的农用旋翼无人机自主飞行作业的路径规划算法。在给出作业路径规划优化目标模型的基础上,提出"先路径、后航次"两步优化法,先以最短路径为优化目标规划初始作业路径,然后考虑消耗品按需返航后的补给与续作问题进行航次规划。针对变量喷播和恒量喷播2种喷播模式,分别提出两种作业航向方向安排原则、航线调度原则、补给方式和续作模式,规划出4种不同航向及航线调度组合策略下的初始作业路径,并在此基础上进一步给出4种不同组合补给续作优化策略下的航次安排方案。针对假想田块和真实田块的算例仿真测试结果表明,规划初始作业路径的4种优化策略能够稳定高效运行,算法耗时78～105 161 ms,转移路径优化效果为10.25%～33.81%;在航次优化算法方面,算法耗时略有增加,为21 170～106 393 ms,转移路径优化效果为14.00%～26.27%,补给次数的最好优化效果从15次降到10次。总体来说,相同条件下完全重置+重排续作的组合策略表现较优。     

环境风速对六旋翼无人机下洗气流和雾滴沉积影响研究

小型多旋翼植保无人机存在农药飘移、雾滴沉积不均等问题,为此本文结合RANS方程、SST k-ω湍流模型和SIMPLE算法,对耦合六旋翼植保无人机下洗气流场和喷雾雾滴的两相流场进行数值模拟计算,探析环境风速对无人机下洗气流和农药雾滴沉积的影响。机身下方空间点风速试验和模拟值相对误差在15%以内,验证了数值模型的准确性。数值模拟结果表明：植保无人机飞行作业时,来流造成无人机下洗风场出现漩涡,来流速度对机身正下方流场的影响大于其对旋翼正下方流场的影响;侧风造成无人机下洗风场出现较大漩涡,下洗风场稳定性降低;两侧旋翼正下方对称布置喷嘴提高了雾滴沉积均匀性,来流造成雾滴卷积,雾滴飘移量随着来流速度提高而增大。综合各因素,无人机喷嘴应在旋翼下方对称布置,在小型六旋翼植保无人机实际作业时,无人机作业方向需要与外界环境风向保持平行,同时在晴朗环境下施药作业,从而降低雾滴飘移,提高农药利用率。     

农用植保旋翼无人机地面监控系统的设计与实现

植保无人机凭借其低成本、高效率、精准快速作业等优点,在农业植保领域得到快速发展,成为现代农业的一种重要装备。为了能够实时远程监控农用植保旋翼无人机的飞行状态信息,提高无人机飞行作业安全和作业质量,进行更好的飞行控制管理,设计并实现了植保旋翼无人机地面监控系统,可实现与植保无人机的远距离实时通信、监测飞行姿态、显示飞行作业轨迹和飞行控制等操作。地面监控系统采用嵌入式树莓派2作为硬件平台,2.4G无线模块实现数据收发,使用跨平台C++图形用户界面应用程序框架Qt对地面监控系统软件功能和交互界面进行开发,并制定了旋翼无人机与地面监控系统之间的数据通讯协议。该系统实际测试表明:监控系统可长时间连续稳定的工作,有效实现了对农用植保旋翼无人机实时监控与操作。     

农用无人遥控飞行器优势和效益分析

<正>阜新市地处丘陵地带,耕种面积达780万亩,每年需要大量的农业植保作业(即病虫害防治、查勘灾情)。而我市农作物的植保作业基本上是手动机械即人工作业。在植保作业季节,每年都有农药中毒甚至因农药中毒死亡事件发生,且农药残留造成了环境污染的恶果。推广应用农用无人飞行器非常必要。一、农用无人机简介农用无人机由三部分组成:飞行平台(固定翼、单旋翼、多旋翼)、飞控系统、喷洒系统。其作业形式是通过     

喷洒作业下四旋翼植保无人机的轨迹跟踪控制

针对所搭载药箱内药液变化导致四旋翼植保无人机喷洒作业品质下降的问题,为实现喷洒作业下四旋翼植保无人机的轨迹跟踪控制,提出一种喷洒作业下四旋翼植保无人机的轨迹跟踪控制方法。在考虑喷洒作业下药液变化影响的前提下,建立了四旋翼植保无人机的非线性动力学模型。在原有PD控制的基础上,引入模糊控制器对控制参数进行在线自适应整定,从而实现喷洒作业下四旋翼植保无人机的轨迹跟踪控制。实验结果表明:所提出的方法能够保证喷洒作业下四旋翼植保无人机的稳定跟踪控制,且响应速度快、超调量小,满足四旋翼植保无人机喷洒作业条件下的跟踪控制需求。     

果园施药机械资源消耗水平评价模型研究

在施药机械满足喷雾质量前提下，为降低果园施药综合成本，需要对果园施药机械资源消耗水平进行评估。本文选择典型地面风送喷雾机、单旋翼和六旋翼植保无人机进行果树施药试验，对比分析冠层雾滴沉积分布、雾滴穿透性、地面雾滴流失等主要喷雾效果指标，结果表明：3种施药机械在树冠纵向各层、横向各层雾滴沉积密度均大于25滴/cm2，能够满足果园植保要求；比较冠层雾滴分布/沉积均匀性，树冠纵向沿送风方向整体呈下降趋势，树冠横向由外到内整体呈下降趋势，变异系数最高分别达63.54%和79.19%；对比雾滴穿透性，风送喷雾机较优，纵向与横向变异系数最大为5.35%，单旋翼植保无人机横向最差，变异系数为35.20%，而六旋翼植保无人机纵向最差，变异系数达40.77%。但单旋翼和六旋翼植保无人机地面雾滴流失量分别是风送喷雾机的2.78%和12.50%，减少了农药浪费。进一步综合施水量、施药量、用工量、作业时长和作业能耗等指标，采用基于变异系数客观赋权法与主观赋权法两种线性加权方法，构建了施药装备资源消耗水平评价模型，验证结果均表明，综合资源消耗由小到大依次为单旋翼植保无人机、六旋翼植保无人机、风送喷雾机；两种评价方法的资源消耗综合评价指标值变异系数分别为110.2%和74.2%，说明基于变异系数客观赋权法的评价模型，综合指标值之间差异更明显、评价效果更符合实际。     

基于目视遥控的无人机直线飞行与航线作业试验

为了得到在无导航目视遥控模式下农用无人机的直线飞行特性、检验农田作业航线的人为即时规划情况和评价实际作业质量及效果,设计了基于GPS的坐标采集无线传输系统,以水稻田边界直线为参照,通过目视和经验遥控无人机分别进行循直线飞行试验和基于作业幅宽的航线规划飞行试验。结果表明目视遥控模式下难以控制无人机沿直线飞行;人为即时规划的航线与理论航线偏离严重;在理想喷雾条件下估算出的作业遗漏率为17.1%,重复作业占8.2%,区域外浪费占0.7%;同时,目视遥控模式下无人机的高度及速度表现出无规律随机性。因此在无导航情况下,仅凭目视和经验遥控无人机难以做到精准作业。以GPS导航为主、能根据田块实际大小智能优化并生成作业航线的自主飞行作业模式是未来农用无人机进行精准作业的发展方向。     

植保无人机飞防作业应用特点与存在问题分析

植保作业的能力关系到农业生产的产量和经济效益,植保无人机作业作为近年来兴起的新式农业植保形式,有效提高了植保作业的工作效率。从现阶段农用植保无人机应用情况出发,分析了多旋翼植保无人机的应用特点与优势,并总结无人机技术普及中存在的问题。     

多旋翼植保无人机试验推广探讨

介绍了单旋翼及多旋翼植保无人机的优、缺点和发展现状,通过对单旋翼及多旋翼植保无人机两款机型实际操控作业分析,提出了就从事植保作业而言,负载相同条件下,在性价比及稳定性操控方面,多旋翼植保无人机价格低廉,简单易操作,适合非专业人员操控,很受农民欢迎,具有良好推广应用前景。     

天津市农用无人机应用情况分析

<正>一、应用现状农用无人机作为一种高效、先进的农业装备,近年来在我国发展迅速,作业市场初步形成,竞争也日益激烈。天津市从几年前就开始引进农用无人机开展试验示范。近年来,随着技术的进步,尤其是民用无人机发展带动,电动多旋翼无人机迅速发展,具有体积小、操作简单、价格相对便宜等优点,符合目前市场需求,得到了快速发展。     

气流作业下雾滴粒径稻株间分布特性与风洞模拟试验

为探究气流涡旋作业方式对航空喷施雾滴粒径分布的影响,以XR-Teejet 110015型压力式扇形航空喷头为研究对象,在风洞和田间环境中进行了雾滴粒径测试试验。风洞测试模拟田间环境风速设置气流速度,同时设置了3种喷施压力,使用激光粒度分析仪测量雾滴粒径。田间试验以四旋翼无人机为施药载体,对杂交水稻进行精准对靶喷施,并对各架次无人机旋翼气流与冠层互作程度不同所形成的涡旋形态对应的雾滴粒径分布特性进行了分析。结果表明:风洞条件下,各测试喷头均处于非常细的雾化等级,雾化性能良好且稳定;田间试验中,涡旋形态对雾滴粒径分布影响显著; 3种涡旋形态下,小于200μm的雾滴粒径综合平均占比分别为73. 52%、74. 21%和84. 20%,与风洞测试结果较为一致,但田间试验所得雾滴粒径值明显偏高;明显的涡旋形态与小范围涡旋形态雾滴粒径在作物各层位分布趋势较为平缓,各层雾滴体积中径变异系数均处于3. 96%～10. 66%之间,无涡旋形态各层雾滴粒径分布则体现较大的波动性,变异系数也较高,处于9. 49%～17. 11%之间,说明较为明显的涡旋形态有助于雾滴在作物冠层垂直空间的穿透,达到更好的施药效果。研究结果可为农用无人机田间精准喷施作业提供参考。     

带播种装置的植保无人机推广应用分析

介绍了多旋翼农用植保无人机加装播种装置的工作原理,并结合该机具在金湖县的推广应用情况,分析了其作业优势及推广应用前景.     

尾座式无人机续航时间估算模型

为研究尾座式无人机翼展长、翼根弦长、翼梢弦长、机翼后掠角、小翼翼梢长、小翼展长、小翼高、小翼后掠角、小翼厚度和小翼脚长等10个结构参数对无人机续航时间的影响,利用CATIA和ANSYS建立了尾座式无人机及其外流场的三维实体模型,采用SST k-ω模型在ANSYS CFX中模拟无人机在130种不同结构参数组合下的气动特性,利用方差分析确定气动系数的特征因子为翼展长、后掠角、小翼厚度和小翼脚长,建立了4个特征因子与气动系数的多元回归模型;结合质量系数方程,最终建立了结构参数与续航时间的关系模型,精度达0. 97。采用风洞试验的方法对数值模拟结果进行验证,测量4架样机在巡航状态下的气动系数,相对误差小于14%,数值模拟方法可靠。采用定高定点盘旋的方法进行样机试飞试验,对续航时间模型进行验证,连续记录不同剩余电量时的飞行时间,结果相对误差小于15%,模型可靠。