多旋翼植保无人机结构设计与优化.docx

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1、多旋翼植保无人机结构设计与优化摘要植保无人机作为农业现代化的重要组成部分，由于其在农作物防害方面省时省工、省水省药、雾化程度高、打药更均匀、适合多种地形等优点，现已成为我国乃至世界上农业保护领域重要手段之一。本文通过调研和分析现有植保无人机结构以及功能的基础上，以大疆植保无人机T20为原型进行设计一款新的植保无人机。本文主要工作有：分析现有植保无人机工作原理以及结构和功能，在此基础上构建植保无人机三维模型,本文通过分析选用四旋翼植保无人机结构，在此基础上进行下一步分析和设计。植保无人机通过螺旋桨提供升力和动力，其作为植保无人机能够实现其功能性能的最重要组成部分之一，因此本文通过建立三维螺旋桨的

2、基础上，通过Fluent对其进行流场分析，计算机翼在最大转速下提供的升力，保证其可以实现飞行。植保无人机起落架不仅要选材轻盈，同时在降落过程中又要满足其强度要求，因此本文在考虑整体结构尺寸的基础上对植保无人机起落架进行建模，同时通导入Ansysworkbench软件中进行强度分析，确保其在满足强度的要求下，尽可能的减小其重量。喷泗系统是植保无人机的执行机构，其直接决定着喷洒效果的好坏，本文通过设计喷泗系统，使其满足穿透力强，雾化效果好等优点，同时对其喷杆进行模态分析，分析螺旋桨激振频率和喷杆固有频率。关键词：四旋翼植保无人机，螺旋桨，起落架，喷泗系统AbstractAs an importan

3、t part of agricultural modernization, plant protection drones have becomean important part of agricultural modernization due to their advantages of saving time andlabor, saving water and medicine, high atomization, more uniform spraying, and beingsuitable for various terrains in crop damage preventi

4、on. One of the most important means ofagricultural protection in the world. Based on the investigation and analysis of the existingplant protection drone structure and function, this paper designs a new plant protection dronewith the DJI plant protection drone T20 as the prototype. The main work of

5、this paperincludes:Analyze the working principle, structure and function of the existing plant protectiondrone, and build a three-dimensional model of the plant protection drone on this basis. Thestructure of the four-rotor plant protection drone was not selected through the analysis anddesign.The p

6、lant protection drone provides lift and power through the propeller, which is one ofthe most important components for the plant protection drone to achieve its functionalperformance. Therefore, this paper uses Fluent to analyze the flow field on the basis of theestablishment of a three-dimensional p

7、ropeller. , the lift provided by the computer wing at themaximum rotational speed ensures that it can fly.The landing gear of the plant protection drone should not only be made of light materials,but also meet its strength requirements during the landing process. Therefore, this papermodels the land

8、ing gear of the plant protection drone on the basis of considering the overallstructure and size, and imports it into Ansys. The strength analysis is carried out in theworkbench software to ensure that it can reduce its weight as much as possible while meetingthe strength requirements.The spraying s

9、ystem is the actuator of the plant protection drone, which directlydetermines the quality of the spraying effect. In this paper, the spraying system is designed tomeet the advantages of strong penetration and good atomization effect. Modal analysis toanalyze the propeller excitation frequency and th

10、e natural frequency of the boom.Key words: quadrotor plant protection UAV, propeller, landing gear, spraying system1绪论71.1 课题研究背景与意义71.2 国内外研究现状71.2 . 1国外研究现状71.3 .2国内研究现状81.3 本文研究内容92植保无人机工作设计总体方案102.1 四旋翼植保无人机基本结构102.2 四旋翼植保无人机工作原理102.3 四旋翼植保无人机总体设计122. 3.1四旋翼植保无人机性能参数122.3.2植保无人机机体结构图133 ,植保无人机螺旋

11、桨空气动力学性能计算163.1 计算流体动力学方法163. 1. 1 CFD的工作步骤164. 1.2湍流模型的选取165. 1.3控制方程数值离散方法173.2 流体动力学基本控制方程173. 2. 1连续性方程173.2.2动量方程193. 2. 3能量方程203.3螺旋桨流场数值分析203. 3. 1螺旋桨流场模型的构建203. 3. 2螺旋桨流场网格的划分213. 3. 3螺旋桨流场仿真结果分析243. 4螺旋桨激振频率分析分析284. 5本章小结304植保无人机起落架的仿真分析305. 1植保无人机起落架的基本机构304. 2植保无人机起落架的仿真分析334. 3植保无人机起落架的优

12、化设计354.4本章小结375植保无人机喷洒系统设计385. 1喷洒系统的组成及工作原理385. 1. 1喷洒系统的组成385. 1. 2喷洒系统的工作原理385. 2喷洒系统的模态分析395. 3本章小结42总结与展望43致谢.44.44参考文献本文主要通过对农业发展趋势进行分析，通过分析发现劳动力是制约农业发展的重要影响因素，在我国人口老龄化的时代趋势中，要发展农业就要发展现代农业,而植保无人机是现代农业发展的重要组成部分之一，因此本文选定植保无人机为本文研究课题。通过对市场上现有植保无人机进行分析，了解植保无人机工作原理及其组成部分，在此基础上设计一款植保无人机，目的主要是降低制造成本，

13、同时为植保无人机后续发展提供理论支持。本文主要从以植保无人机的螺旋桨、起落架以及喷洒系统为主要研究主体，通过理论分析结合仿真分析的手段，设计合理的螺旋桨、起落架以及喷洒系统结构，从而最终建模处一款新的植保无人机。但由于时间周期及试验器材的缺乏，本文仅从理论及原理基础上设计了一款植保无人机，在后续研究中将进一步对植保无人机进行完善设计。1绪论1.1 课题研究背景与意义随着我国人口结构老龄化逐渐加重，我国人口红利已经在逐渐消失，劳动力成本也越来越高，因此造成农业劳动力短缺趋势也越来越严重，目前我国在农业领域对植物进项保护作业仍主要依靠手工或半机械化作业为主，造成生产成本过高，同时在对植物进行防害保

14、护过程中对农药的使用量居高不下，过量使用农药也会带农产品质量下降，水污染严重以及生态危害等问题，为了降低生产生产成本和保障中国农业的稳定可持续发展，发展现代农业已成为我国目前迫在眉睫的问题。中国作为世界上人口最多的国家，对作物的需求量也是排在世界前列，我国“十四五”规划中纲要中把粮食安全作为国家安全的重要基础，体现了粮食安全作为我国重要的战略地位，我国现有农田面积18亿亩，农作物种类万余中,且由于我国地域辽阔，各地气候环境，土壤状况复杂，每年需要播种不同类别的种子，不定期喷洒相应的农药，对于农业种植者来说无疑是一个艰巨的任务，需要耗费大量的人力物力来实现播种洒药，在此基础上我国在现代农业技术上

15、有着快速的发展。如近年来我国在农业航空方面有着迅速的发展，尤其是在无人机防害技术方面已经取得瞩目的成果，植保无人机防害技术做为现代农业重要组成部分之一，与传统的人工施药和地面式机械施药相比较，其具有高效安全、节约水药、降低成本、防治效果更加显著等特点，可以有效地解决水田、丘陵山地、以及高杆作物等人工和地面机械难以作业等问题，是面对大面积作物突发性虫害防治，缓解我国人口老龄化严重，青壮年劳动力不足，减少农药对人工防害人员的伤害的重要方式之一。植保无人机与传统的直升机和固定翼飞机相比较，其更加适用于我国复杂的小面积多种植物种植地，且其不需要专门的起落场地，相比较更是具有较强的穿透性，防治效果提高了 15%35%,降低了农药使用量，在保证防害的基础上提高了作物品质。本课题在此基础上选定植保无人机作为研究课题，通过对植保无人机现有国内外现状进行分析，了解植保无人机的工作原理，在此基础上建立几何模型，重点分析其螺旋桨、起落架以及喷洒系统，从整体的学习植保无人机的基础上，理解并设计植保无人机，同时为植保无人机后续的设计和发展提供相关理论依据。1.2 国内外研究现状1.3 .