无人机植保技术课件：植保旋翼无人机的基础知识

植保旋翼无人机的基础知识1.1发展概述1.我国农业植保现状2.国内外农业航空发展现状3.植保无人机的发展趋势4.我国植保无人机的发展趋势5.植保无人机的发展优势1.1.1我国农业植保现状（机械化落后）我国作为农业大国，保证粮食增产和粮食供应是农业发展的首要原则。病虫害是影响粮食产量的主要因素，病虫害的防止在农业生产中具有重要的作用，但是我国的病虫害防止依旧处于人工和半机械化，局部机械化中，（右侧图一、二)，据统计，我国目前主要使用的植保机械中，手动施药机械和背负式机动药械分别是93.07%和5.53%。国内每年的农药用量逐年递增，但是农药利用率较低，同时还带来了较为严重的水土资源污染，导致生态失衡。1.1.1我国农业植保

现状（劳动力流失）目前我国粮食的主要生产地都在农村，但是农村青壮劳动力流失，留守农村的多是老弱妇孺，劳动力有限，面对大面积发生的虫灾只能面临着减产减收，而且病虫害期间存在这雇人难、雇人贵等问题。据统计我国每年因病虫害造成的粮食减产达10%以上，（如图三、图四）。1.1.2国内外农业航空发展现状（国内农业航空发展现状）我国农业航空起始于1951年，经过几十年的发展，农业航空的作业量逐渐增加，2019年，我国农业航空作业时间超5万小时，基本为有人机，但是相对于发达国家，我国飞防喷药占有率仅仅为10%，随着无人机的推广和应用，无人机在我国农业航空应用占比逐年增加。（右图为植保有人机、无人植保机）1.1.2国内外农业航空发展现状（国外农业航空发展现状）从世界范围来看，农业航空较发达的国家主要有美国、俄罗斯、澳大利亚、加拿大、巴西、日本、韩国等国家，其中美国、日本、俄罗斯的农业航空占有率与中国农业航空占有率对比（如右图）1.1.2国内外农业航空发展现状美国是农业航空应用技术最成熟的国家之一，拥有比较完善的农业航空产业体系。俄罗斯地广人稀，拥有较多的农用飞机，每年的耕地面积约占总耕地面积的37%，主要以有人驾驶的固定翼飞机日本的农业航空以直升机为主。日本是最早讲微小型无人机用于农业生产的国家之一，并在1990年，生产了世界上第一家主要用于喷洒农药的无人机。1.1.3植保无人机的发展趋势我国逐渐重视植保无人机的发展并将其纳入农机范畴。植保无人机作为新型的农业施药机械，国内已有省份将其纳人农机补贴项目，从政策上推动了植保无人机快速发展。从业人员逐渐重视培训教育。目前国内植保无人机从业人员数量缺口较大，现有的从业人员能力素质良莠不齐，很多年轻人通过参加相关的培训开始了自己的创业之路。1.1.4我国植保无人机的发展进程在我国自“十一五”期间国家“863”计划“新型施药技术与农用药械”立项研发植保无人机至今已发展近10多年，植保无人机与低空低量航空施药技术发展迅速，经过前期准备和申报工作，2008年由农业部南京农业机械化研究所、中国农业大学、中国农业机械化研究院、南京林业大学、总参谋部第六十研究所等单位共同承担的科技部国家“863”计划项目“水田超低空低量施药技术研究与装备创制”正式启动实施，这一项目的实施，标志着国内科研机构正式开始探索植保无人机航空施药技术与装备研发。该项目研制出基于总参谋部第六十研究所已研发出的“Z-3”飞行平台的油动单旋翼植保无人机，装配10kg药箱，搭载2个超低量离心雾化喷头1.1.4我国植保无人机的发展进程2008年，中国农业大学植保机械与施药技术研究中心与山东卫士植保机械有限公司、临沂风云航空科技有限公司开始合作进行低空低量遥控多旋翼无人施药机的研发工作，于2010年研制出国内也是世界上第一款多旋翼电动植保无人机，包括搭载10L药箱的8旋翼机和搭载15L药箱的18旋翼机2种机型1.1.4我国植保无人机的发展进程2010年，中国农业大学植保机械与施药技术研究中心与珠海银通公司开始合作进行低空低量遥控电动单旋翼植保无人机的研发合作，于2012年研制出国内第一款电动单旋翼植保无人机，可搭载10L药箱的药箱，装备4个扇形喷头的国内首款电动单旋翼无人机机型。1.1.5植保无人机的发展优势2016年1月27日，中共中央、国务院联合发布了《关于落实发展新理念加快农业现代化实现全面小康目标的若干意见》，提出大力推进农业现代化，必须着力强化物质装备和技术职称，着力构建现代农业产业体系、生产体系和经营体系。2017年9月，为引导植保无人飞机技术开发和规范应用，助力农业绿色发展，农业部决定2017年选择部分省开展以农机购置补贴引导植保无人飞机规范应用试点工作。统筹考虑相关省份意愿和有关部门意见，6个省（市）开展试点，并发布了《关于开展农机购置补贴引导植保无人飞机规范应用试点工作的通知》。随后，各个试点省份纷纷出台了相关补贴试点政策。1.1.5植保无人机的发展优势性能优势：1）作业效率高：在短暂的植保黄金期，能及时作业更多的面积，产生更多的经济效益。一架多旋翼无人机日作业量约在300~500亩（1亩=666.6平方米）。2）节水节药：与传统喷药机械相比，减少农药的“跑、冒、滴、漏”。植保无人机应用的是超低量喷雾技术，有高浓度、细喷雾、低容量的特点。3）安全性好：施药过程中，人药分离，减少农药中毒的风险。4）节省劳动力：一名青壮年劳动力日喷药量约为50亩，而一架植保无人机日作业量是人工的7～10倍。5）作业效果显著：传统喷雾器打药，往往无法打到作物的叶片背面。而无人机飞过时带来强劲的下压风场可以将叶片吹翻，从而让药物附着到叶片背面，最大限度地消灭病虫害。1.2.1旋翼无人机的起源1.2飞行原理CONTENTS1.2.4多旋翼无人机的运动原理1.2.2多旋翼无人机的定义1.2.3螺旋桨升力的产生原理1.2.1旋翼无人机的起源1910年，在莱特兄弟所取得的成功的鼓舞下，来自俄亥俄州的年轻军事工程师查尔斯•科特林建议使用没有人驾驶的飞行器：用钟表机械装置控制飞机，使其在预定地点抛掉机翼并象炸弹一样落向敌人。在美国陆军的支持和资助下，他制成并试验了几个模型，取名为“科特林空中鱼雷”、“科特林虫子”。1914年第一次世界大战有人研制出一种不是有人驾驶而是用无线电控制的小飞机。美国最早于1939年开始研制无人靶机，后研制出“猎人”和“火蜂Firebee”系列靶机。1.2.1旋翼无人机的起源GeorgedeBothezat在1922年制作出来“飞天章鱼”。这个大型的四旋翼直升机是受美国军方的委托而制作，他们是希望可以开发出垂直起降的飞行器。Bothezat没有什么耐心来做原型设计，所以他直接开始制作原始尺寸的飞行器。该飞行器机身为65英尺长、65英尺宽和10英尺高，拥有180HP的发动机来帮助其重达3600磅的机身离开地面。这是早期的技术，虽然，它只是成功的在离地6英尺的空中徘徊了一分钟。1.2.1旋翼无人机的起源在20世纪50年代，陆军继续开始测试各种垂直起降方案。Curtiss-Wright是被邀请参与制定了“飞行吉普”和杠杆燃气涡轮机以提高功率与重量比的几家公司之一。Curtiss-WrightVZ-7的测试在1959年至1960年期间得到实现，虽然它相对稳定的，但是它未能达到的高度和速度的要求，并没有更进一步地推行该计划。我们在这上面已经有了现代四轴无人机的雏形。

1.2.1旋翼无人机的起源全世界都在造无人机80—90年代，除了美国和以色列外，其他国家的许多飞机制造公司也在从事无人机的研制与生产。有些无人机研制与供应订货具有跨国的特点：美国公司向以色列空军提供了“马巴特”、“沙米特”和“特勒姆”无人机；以色列飞机工业公司签订了向美军提供“先锋”和“猎人”无人机的合同，并向斯里兰卡、台湾、泰国、印度提供“搜索者”无人机。通常，在批量生产和签订购买无人机合同之前要进行长期的了解性能、试验结果和作战使用经验和选择型号的过程。例如美国的“全球鹰”1.2.2多旋翼无人机的定义无人机简称UAV（UnmannedAerialVehicle），指不载有操作人员可以自主飞行或遥控驾驶的飞行器。多旋翼无人机，是一种具有三个及以上旋翼轴的特殊的无人驾驶直升机。其通过每个轴上的电动机转动，带动旋翼，从而产生升推力。旋翼的总距固定，而不像一般直升机那样可变。通过改变不同旋翼之间的相对转速，可以改变单轴推进力的大小，从而控制飞行器的运行轨迹。1.2.2多旋翼无人机的定义无人机系统无人机及与其配套的通信站、起飞（发射）回收装置以及无人机的运输、储存和检测装置等的统称。事实上，无人机要完成任务，除需要飞机及其携带的任务设备外，还需要有地面控制设备、数据通信设备、维护设备，以及指挥控制和必要的操作、维护人员等，较大型的无人机还需要专门的发射/回收装置。所以说，完整意义上的无人机应称为无人机系统(unmannedAeriaIsystem，UAS)。1.2.3螺旋桨升力的产生原理通常机翼翼型的上表面凸起较多而下表面比较平直，再加上一定的迎角。这样，从前缘到后缘，上翼面的气流流速就比下翼面的流速快，上翼面的静压也就比下翼面的静压低，两表面的压力差产生向上的升力1.2.3螺旋桨升力的产生原理

1.升力公式

其中：影响飞机升力的因素：机翼面积、相对速度、空气密度、机翼剖面形状和安装角。1.2.3螺旋桨升力的产生原理当多旋翼飞行器产生的向上的升力大于飞行器自身向下的重力时，多旋翼无人机就可以实现爬升和在空中悬停。1.2.4多旋翼无人机的运动原理（结构形式）从数量上有：3旋翼，4旋翼，6旋翼，8旋翼等；从结构和分布位置上有：Y型，X型，＋型和H型等。多旋翼飞行器可以以旋翼的数量及排列形式进行气动布局分类：1.2.4多旋翼无人机的运动原理（结构形式）X型X型4 轴飞行器左前方的旋翼一般多为俯视顺时针旋转。X型前后左右飞行时加减速电机较多，操纵性好。1.2.4多旋翼无人机的运动原理（结构形式）＋型优点：前后左右飞行控制比较直观，只需改变少了电机转速即可实现；缺点：飞行正前方有螺旋桨，航拍等应用时会造成影响。1.2.4多旋翼无人机的运动原理（工作原理）（以四旋翼为例）对于多轴飞行器旋翼既是升力面又是纵横向和航向的操纵面，通过改变旋翼速度来实现。垂直运动通过控制四个旋翼的转速产生升力实现垂直运动或者悬停，且四个螺旋桨转速必须一致。1.2.4多旋翼无人机的运动原理（工作原理）俯仰运动横轴前后侧的螺旋桨转速不同，可实现俯仰运动。如实现向后移动则横轴前侧的螺旋桨加速，横轴后侧的螺旋桨减速。1.2.4多旋翼无人机的运动原理（工作原理）滚转运动纵轴左右侧的螺旋桨转速不同，可实现滚转运动。如实现向左移动则纵轴右侧的螺旋桨加速，纵轴左侧的螺旋桨减速。1.2.4多旋翼无人机的运动原理（工作原理）偏航运动反扭力矩改变航向。多轴飞行器的旋翼旋转方向一般为俯视多轴飞行器两两对应，相邻旋翼旋转方向则相反，当转速一致时，可抵消反扭力矩。如：六轴飞行器安装有3个顺时针旋转螺旋桨，3个逆时针旋转螺旋桨。当相对的2个桨加速，另2个桨减速，反扭力矩不平衡，飞机改变航向。1.3系统组成1.3.3链路通信系统1.3.2导航控制系统1.3.1机身组件系统1.3.1机身组件系统无人机及与其配套的通信站、起飞（发射）回收装置以及无人机的运输、储存和检测装置等的统称。事实上，无人机要完成任务，除需要飞机及其携带的任务设备外，还需要有地面控制设备、数据通信设备、维护设备，以及指挥控制和必要的操作、维护人员等，较大型的无人机还需要专门的发射/回收装置。所以说，完整意义上的无人机应称为无人机系统(unmannedAeriaIsystem，UAS)1.3.1机身组件系统多旋翼飞行器平台分系统主要包括：机体结构、飞控系统、动力系统、机载链路系统。机臂脚架机架药箱机体结构是其他所有机载设备、模块的载体。典型的机体结构包括：机架、支臂、脚架、云台。1.3.1机身组件系统机架：装载各类设备、动力电池或燃料，同时它是其他结构部件的安装基础。支臂：机架结构的延伸，用以扩充轴距，安装动力电机，有些多旋翼的脚架也安装在支臂上。1.3.1机身组件系统药箱：任务设备的承载结构。脚架：用来支撑停放、起飞和着陆的部件。多旋翼无人机动力子系统的组成为：螺旋桨、电机、电调、电池。螺旋桨是给无人机提供升力的装置1.3.1机身组件系统1.3.1机身组件系统螺旋桨的主要指标有桨径和桨距（也叫螺距、总距），型号使用4位数字表示，例如：11×4或者1104.前两位代表螺旋桨的直径，后两位代表桨距。单位：英寸，1英寸=25.4mm。例如：某多轴螺旋桨长254毫米，螺距114毫米，那么它的型号可表述为1045。1.3.1机身组件系统电子调速器ESC简称电调。其作用是根据飞控的控制信号，将电池的直流输入转变成一定频率的交流输出，用于控制电机转速。多轴飞行器使用的电调通常被划分为有刷电调和无刷电调，多轴飞行器一般使用无刷电调。1.3.1机身组件系统电调上最粗的红线和黑线用来连接动力电池；较细的白红黑3色排线，也叫杜邦线，用来连接飞控；另一端3根单色线连接电机，如任意调换其中2根与电机的连接顺序，则电机反向运转。多旋翼飞控系统全部集成在一块电路板上，我们称之为飞控板。飞控板可集成全部的传感器：3轴角速度陀螺仪、3轴加速度计、3轴磁力计、高度计、空速传感器、GPS接收机以及计算单元。1.3.1机身组件系统飞控硬件——多旋翼飞控板多轴飞行器的飞控硬件尽量安装在飞行器中心。1.3.1机身组件系统任务载荷：大多数无人机系统升空执行任务，需要搭载任务载荷。无人机的设计通常围绕所应用的任务载荷进行，例如“天途M6E-1P”植保无人机下面搭载的药箱，如右图所示。1.3.2