CN105438455A - 桨叶弧面分布六旋翼的农用植保无人机 - Google Patents

Abstract

用两对四个旋翼组成内外两套“共杆反桨”，且四个旋翼弧面分布，镜像对称，旋翼的转轴线共面，用一对两个旋翼组成一套“共轴反浆”，再通过几根碳纤维管和连接固定件，构成一个左右镜像对称，前后不对称的六旋翼无人机结构,“杆”垂直“轴”。下洗气流的方向，就是弧面的外向法线方向。所以取名为：“桨叶弧面分布六旋翼的农用植保无人机”，这种结构相对于市面上的，“桨叶平面分布中心对称结构的六旋翼无人机”，有效地降低了，下洗气流的流速，增大了下洗气流的面积，保护了农作物，提高了作业效率。

Description

桨叶弧面分布六旋翼的农用植保无人机

技术领域

1、农业植保。

2、空气流体力学。

3、受力平衡分析。

背景技术

1、目前市场上，用于农业植保、施肥的旋翼机，旋翼都是平面分布，即每个旋翼的轴是相互平行的，以致下洗气流流速很大，若飞机离农作物近一点，就会把农作物压塌，若是松土，则泥土都会被吹走，特别是自重超过50KG的旋翼植保机。若飞机飞得很高，那药雾又会漂移，造成漏喷，药害和污染。

2、没有根据农业作业的特点，来进行设计，作业效率还有很大的提升空间，市面上的植保机大都是凑出来的试验品。

发明内容

1、增加无人机左右作业的动力旋翼数量，扩展喷幅，减少前后平衡旋翼数量，使无人机动力分布呈：左右镜像对称，前后不对称结构。

2、多旋翼呈弧面分布。

优点：经过上述的改进，喷幅增大，加上空气的黏性，下洗气流速度减少，面积增大，有力地保护了农作物，药雾与下洗气流混合，作业的效率大大提高！且飞机稳定性也得到提高。

缺点：由于旋翼弧面分布，非垂直转轴的旋翼，拉力中有一小部分没有转换成升力，因此无人机飞行需要比旋翼平面分布的输出更大的功率。但下洗气流面积增大，作业效率(单位时间作业的面积)与无人机输出功率的比值还是提高了很多，总的来说，还是节约了能量和时间。

技术方案

1、多旋翼农业植保无人机作业的方式：无人机在农作物上面2-3米处，从左至右，或者从右至左，等间隔地来回飞，间隔的宽度，就是无人机的喷幅。喷幅与作业效率直接相关。

2、多旋翼无人机飞行姿态稳定：以无人机的重心为准，对升力来讲，前后，左右所受升力力矩平衡，不一定前后所受升力力矩等于左右所受升力力矩，对反扭力来说，整机的反扭力力矩为零。

3、从效果上来看，下洗气流的方向是垂直于其旋翼扫掠而形成形状(桨盘)的下表面。

据上三点，多旋翼农业植保无人机可设计为：左右方向，即喷幅方向，可以多布置动力旋翼，作为主升力部分，且左右呈镜像对称，弧形布置。后端只需一个动力旋翼，作为平衡部分。

这样的动力布局结构，扩展了喷幅，提高了作业效率，减少下洗气流的流速，增大下洗气流的面积，保护农作物，提高植保的效率和效果。

附图说明

本文所有图，均由Solidworks软件制作。

标注规则：

⑴、标号由数字和字母组成。

⑵、标号的第一位，数字，表示不同器件，“1”表示“桨”，“2”表示“电机”，“3”表示“飞控和载物仓”，“4”表示无人机的机架“碳纤维管”，“5”表示各碳纤维管的“连接部件”，“6”表示“离心喷头”，“7”表示“支脚”。

⑶、标号的第二位，数字，表示同样功能器件，大小不一样或者安装位置不一样；字母，表示螺旋桨的旋转方向或者位置，“Z”表示“顺时针正转”，“F”表示“逆时针反转”。

⑷、若标号中含有“-”，则表示“-”两边的独立器件，可以紧固在一块，主要表示动力电机与其匹配的桨。

图1是桨的示意图，标号注解：“1F”，逆时针反桨，“1Z”，顺时针正桨。

图2是机架的侧视图，标号注解：“21”，左边电机，“22”，左边偏中电机，“23”，右边偏中电机，“24”，右边电机，“25”，机尾共轴反浆的上端电机，“26”，机尾共轴反浆的下端电机，“3”，飞控和载物仓，“41”，前端碳纤维管，“42”，左边碳纤维管，“43”，右边碳纤维管，“44”，后下碳纤维管护杆，“45”，右侧碳纤维管护杆，“46”，左侧碳纤维管护杆，“47”，机尾碳纤维管，“5”，机架碳纤维管的连接部件，“6”，表示“离心喷头”，“7”，表示“支脚”。

图3是整机的侧视图，标号注解：“1Z”，顺时针正桨，“1F”，逆时针反桨，“21”，左边电机，“22”，左边偏中电机，“23”，右边偏中电机，“24”，右边电机，“25”，机尾共轴反浆的上端电机，“26”，机尾共轴反浆的下端电机。

图4是整机的前视图，标号注解：“1Z”,顺时针正桨，“1F”,逆时针反桨，“b”，无人机水平放置时，最外端的桨盘与水平面的夹角大小，“c”，无人机水平放置时，右边偏中的桨盘与水平面的夹角大小。

图5是整机的上视图，标号注解：“1Z”,顺时针正桨，“1F”，逆时针反桨。

图6是整机的右视图。

具体实施方式

图1：桨，“1Z”和“1F”是一对桨，即一正一反(桨盘的直径和桨距的变化规律一样)。

图2：机架，前端碳纤维管“41”，和左边碳纤维管“42”，及右边碳纤维管“43”，构成了一个倒立的等腰三角形，两腰向外延伸，作为翼臂，设其所在面为“A”，“42”的末端装有电机“21”和一个离心喷头“6”，“43”的末端装有电机“24”和一个离心喷头“6”。“41”的左边装有电机“22”，右边装有电机“23”，两电机的外端，各装有离心喷头“6”和支脚“7”集成的功能器件一套。后下碳纤维管护杆“44”和机尾碳纤维管“47”，相交于机尾，设其所在面为“B”，“44”与“42”、“43”相交于一点，“47”于“41”的中点垂直“41”，设“41”、“47”所在面为“C”，则“A”、“B”、“C”相互垂直。机尾装有共轴两个小电机“25”、“26”、一套离心喷头“6”和支脚“7”集成的功能器件，且电机“25”、“26”、离心喷头“6”的轴线，在“B”上，平行“A”。右侧碳纤维管护杆“45”和左侧碳纤维管护杆“46”，连着机尾与“41”的两个外端点,防止机尾左右摆动。七根碳纤维管通过五个碳纤维管连接件“5”，构成一个刚性和强度很好的四面体机架，碳纤维管根据受力，可大小不一，最好是椭圆形管，受风阻力小。“5”由航空铝材或碳纤维制作，有紧固和快速拆卸功能的连接件，位置不一样，实际的外观结构有区别。两组电池，可靠近两电机“22”、“23”挂卡，也可集成到“41”管内，“41”和“47”的连接处，装有飞控和载物仓“3”。碳纤维管“42”、“43”和“44”构成了这个四面体的下部分，是机载设备的主要安装部位，如在植保中，管内可装药管。

重要扩展：①、两侧碳纤维管护杆“45”和“46”，可根据无人机的载重级别，对称地连接在碳纤维管“41”和“47”的外端点内侧，即离外端点有一段距离，这样缩短了“45”和“46”，可减重。②、“41”可以由两段对等长度碳纤维管组成，设计成“折叠式”、“模块化”的机架，便于运输。

图3：电机“21”、“22”、“23”、“24”的转轴线均在平面“A”上，“21”和“24”及“22”和“23”都是以平面“B”镜像对称地分布，且“21”和“24”的转轴线与“41”的中心延长线构成的等腰三角形的“顶角”大于由“22”和“23”的转轴线与“41”的中心线构成的等腰三角形的“顶角”。电机“21”、“22”、“23”、“24”配桨的顺序是“1F”、“1Z”、“1F”、“1Z”。桨“1Z”、“1F”是一对，即一正一反(桨盘的直径和桨距的变化规律一样)，只要它们的转速一样，则升力相同而反扭力大小相等，方向相反。动力“22-1Z”、“23-1F”和前端碳纤维管“41”，这一组件中，若“1Z”和“1F”的转速一样，则它们的反扭力通过前端碳纤维管“41”相互抵消，对整机的效果，只有升力，我称这种结构为“共杆反桨”，“杆”就是前端碳纤维管“41”。“21-1F”、“24-1Z”和由碳纤维管“41”、“42”、“43”构成的“三角形架”也具有“共杆反桨”的效果，这儿的“杆”是由碳纤维管“41”、“42”、“43”构成的“三角形架”。机尾“25-1F”、“26-1Z”和电机的定子轴，构成了“共轴反浆”，“轴”就是电机的“定子轴”，若“1F”和“1Z”的转速一样，则这组器件对整机的效果，也只有升力，反扭力被轴抵消。

图4：从前视图来看，从左至右，螺旋桨的顺序是“1F”、“1Z”、“1F”、“1F”、“1Z”，整体一看，桨叶就构成了一个“弧面”，无人机水平放置时，“b”是最外端的桨盘与水平面的夹角大小，“c”是右边偏中的桨盘与水平面的夹角大小，在此“b”大于“c”，是构成下洗气流发散的主要原因。

对较图1至图6，可以清楚地理解此六旋翼无人机的结构：两套“共杆反桨”和一套“共轴反浆”，通过五个碳纤维管连接件“5”与七根碳纤维管构成，桨叶弧面分布，下洗气流的方向，就是弧面法线方向——发散，所以此无人机取名为“桨叶弧面分布六旋翼的农用植保无人机”。

2、无人机的受力分析和姿态阐述：

从整体来看，此六旋翼无人机的动力是左右镜像对称，前后不对称，前面两套“共杆反桨”，后面一套“共轴反浆”，若忽略此无人机“共杆反桨”中桨叶倾斜小角度的影响，也忽略“共轴反浆”升力效率(升力与输入功率比)弱低的影响，设每个桨叶在同样的转速下产生的升力和反扭力大小都一样，则此无人机的重心就在机尾碳纤维管“47”前端(靠近“41”处)三分之一处，即前、后力臂之比为：1:2，因为前端4个旋翼，后端2个旋翼，且“共杆反桨”和“共轴反浆”只要转速一样，对整机的效果只产生升力，不产生扭力。所以此种结构，非常容易平衡、稳靠。但一对反桨，只要有转速差，对整机效果，就会产生扭力，这也是多旋翼无人机飞行姿态改变的驱动力。

顺时针方向旋转的螺旋桨，其反扭力使飞机向左转向，逆时针旋转的螺旋桨，其反扭力使飞机向右转向。若此六旋翼无人机，已在空中悬停，若要向右转向，则只需机尾“共轴反浆”中的“1Z”减速，“1F”加速，前面四桨转速不变，即可。若要向左转向，则机尾“共轴反浆”中的只需“1Z”加速，“1F”减速，前面四桨转速不变，即可。若想向前，则只需机尾“共轴反浆”中的两桨“1Z”和“1F”同时加速，而前端四桨同时减一点速，即可。若想向后飞行，则只需机尾“共轴反浆”中的两桨“1Z”和“1F”同时减速，而前端四桨同时加一点速，即可。若想向右横滚，则左边两桨“1F”、“1Z”加速,右边两桨“1F”、“1Z”减速，则扭力差，使飞机向右转向，克服转向，则要求机尾“共轴反浆”中“1Z”加速，“1F”减速，即可。若想向左横滚，则左边两桨“1F”、“1Z”减速,右边两桨“1F”、“1Z”加速，则扭力差，使飞机向左转向，克服转向，则要求机尾“共轴反浆”中“1Z”减速，“1F”加速，即可，具体减速比例多少，要列出升力力矩方程和反扭力力矩方程，组合求解。

3、作业效率的提高论证

市面上现有的六旋翼植保机，大都是：直径、桨距相同的三对旋翼，平面均匀分布在重心的周围(中心对称结构)，对称旋翼臂上的两个旋翼，旋转方向相同。这种机型的旋翼下面的最大下洗气流宽度，就是对称旋翼的两旋翼尖的最大距离，我们用“K”表示，由于空气的粘性，下洗气流的外层会带旋更外层的空气，自己的流速减少，与更外层的空气一起往下旋行一段距离，下洗气流中，外层以内的那层气流，会在下一点，与外层气流一样，做着同样的消耗，所以下洗气流的水平横切面积越往下就越小，侧面看，就是一个倒锥形，若旋翼离地不高，则下洗气流会从地面向外扩散，这样土也会被吹走。很多公司的植保机，喷幅是这样测的，很不合理。若在农作物高于70cm的水稻、小麦之上3米喷洒作业，一般喷幅在K+2米之内，这里的2米，就是下洗气流扰动周围气流的厚度。若在相同的总功率条件下，“桨叶弧面分布六旋翼农用无人机”前端旋翼就有四个、两对。喷幅远大于“K”，也就是说，这种机型因前端增加两个旋翼的原因，喷幅就要大于市面上中心对称结构的电动六旋翼植保机的喷幅，

再者，这桨叶弧形分布的六旋翼无人机，左右两端的桨叶与水平面有夹角：见图4，取b＝20°，c＝10°，飞机3米高，则无人机下洗气流，左右所覆盖的宽度增加为：2×3×tan20°＝2.18(米)同样，桨叶弧面分布六旋翼农用无人机的下洗气流也会扰动其外围的空气，而增加喷幅的宽度。目前市面上，中心对称结构的电动六旋翼植保机的喷幅，没有超过6米的，则取K＝4。桨叶与水平面的夹角为20°，仅这一项，(2.18÷6＝0.363)，即效率增加了36.3％。

而升力损失为：2×(1-cos10°)+2×(1-cos20°)＝0.15，即能量需要增加15％，两者比：36.3％大于15％，所以是提高了效率。

更有益的是，下洗气流，面积增宽，流速减慢，保护了农作物。

此六旋翼无人机重心靠前，便于装卸农用物资，如农药、肥料。

Claims (3)

1.桨叶弧面分布六旋翼的农用植保无人机，其结构特征是：内外两套“共杆反桨”，和一套“共轴反浆”，经几根碳纤维管和几个具有紧固和快速拆卸功能的连接件，组成左右镜像对称，前后不对称的六旋翼无人机结构，且“杆”与“轴”垂直。

2.根据权利要求1所述的桨叶弧面分布六旋翼的农用植保无人机，其特征是：内外两套“共杆反桨”中的四个“桨”，弧面分布，镜像对称，旋翼的转轴线共面。

3.根据权利要求1所述的桨叶弧面分布六旋翼的农用植保无人机，其特征是：三根碳纤维管组成一个“倒立的等腰三角形”，两“腰”向外延伸，作为翼臂，等腰三角形的“底”和延伸的“腰”是“共杆反桨”四个电机的载体，两根碳纤维管和等腰三角形的“高”构成一个“直角三角形”，“直角长边”垂直等腰三角形的“底”，“斜边”连着等腰三角形的“顶”，这“直角长边”顶端是“共轴反浆”的载体，两根碳纤维护杆对称地在“直角长边”的两边，并连着“直角长边”和等腰三角形的“底”，进行加固。