摘要：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。

    0 引言
    多旋翼植保无人机与普通无人机相比，有很多相通之处，但是也不能按照简单的放大版无人机对待，植保机的特性是大负载、大体积、大电流、操作频率极高，在这种状态下，以往载重量较轻的中小型无人机不太注重动力匹配的问题，在植保无人机这里必须给予足够的重视。

    1 多旋翼植保无人机动力系统的组成
    多旋翼植保无人机的动力系统通常由动力提供部件—电池、动力输出部件—电机、动力控制部件—电调和动力转换部件—桨叶四部分组成。
    1.1电池
    电池是植保无人机的动力来源。目前，植保无人机的电源电池一般选用锉聚合物电池，相对普通电池来说，它具有高倍率、高能量比、放电电流大、安全性高、寿命长、环保无污染、质量轻等优点。它的主要参数除了容量还有C数、P数、S数等。C数是指电池能正常放电的倍数，可以简单理解为放电能力。C数乘以容量，就是电池最大放电电流。S数是指串联铿电池电芯的片数，1S代表3.7 V的电压，S数越大，电池的电压越大。P数是指并联锉电池电芯的片数，P数越大，电池的电流越大。
    1.2电机
    植保无人机的电机，在整个飞行系统中，起到动力输出的作用。目前，多旋翼植保无人机的动力电机普遍采用无刷电机。它的优点是电子换向来代替传统的机械换向，性能可靠、效率高、体积小、故障率低，寿命比有刷电机提高了约6倍。无刷电机的参数指标，除了外形尺寸（外径、长度、轴径等）、重量、电压范围、空载电流、最大电流等参数外，还少不了一个重要指标—KV值，这个数值是无刷电机独有的一个性能参数，是判断无刷电机性能特点的一个重要数据。KV值用于衡量电机转速对电压增加的敏感度，它的物理学单位是rmp/V，意思为输入电压增加1伏特，无刷电机转速增加的转速值。例如：1000 KV电机，外加1V电压，电机空载转速1000 r/min，外加2V电压，电机空载转速2000 r/min。单从KV值，不可以评价电机的好坏，因为不同KV值的电机适用不同尺寸的桨，绕线匝数多的，KV值低，最高输出电流小，但扭力大，适合安装大尺寸的桨；绕线匝数少的，KV值高，最高输出电流大，但扭力小，适合安装小尺寸的桨。电机的型号一般由四位数字组成，前2位代表电机的直径，后面2位是电机的高度。例如：8120的电机—电机直径为81 mm、电机高度为20 mm。
    1.3电调
    电调全称电子调速器，英文electronic speed controller、简称ESC。针对电机不同可以分为有刷电调和无刷电调，植保无人机的电调需要与电机匹配，选用无刷电调。在整个飞行系统中，电调主要提供驱动电机的指令，来控制电机，完成规定的速度和动作等。电调主要根据应用情况和电机的功率进行选择。
    1.4桨叶
    桨叶是通过自身旋转，将电机转动所做的功转化为动力的装置。在整个飞行系统中，桨叶主要起到提供飞行所需的动能。桨叶的性能对飞行效率产生十分重要的影响，直接影响飞行的续航时间。按材质一般可分为尼龙桨、碳纤维桨和木桨等。多旋翼植保无人机通常选用碳纤维桨。桨叶的选择和电机KV值有关，一般KV值较大的电机选择高速桨，KV值较小的选择低速桨。桨叶主要参数指标有螺距和长度。它的型号一般由四位数字组成，前2位代表桨的直径，后面2位是桨的螺距（单位：英寸，1英寸＝254 mm ）。例如：8060的桨叶—桨长度8英寸、螺距6英寸。

    2 多旋翼植保无人机动力部件的匹配选择
    2.1电机和桨叶的选择
    本次设计选取最常见的四旋翼10 kg载重的植保无人机机型，不带药起飞重量在14 kg左右，带药之后整机起飞重量在24 kg左右。首先，对应不同旋翼的植保机，根据满载的起飞重量计算出单轴电机拉力，四旋翼单轴额定拉力在6 kg左右。多旋翼无人机要求其所有电机总推力必须大于自身重量一定比例，才能保证无人机的飞行性能和飞行安全。这个比例被称之为推重比，多旋翼的推重比都必须大于1，通常在1.6～2.5之间，推重比反应了无人机动力冗余情况，过低的推重比会降低无人机的飞行性能和抗风性，过高的推重比又会造成过度冗余。通过实验和横向对比总结得到四旋翼植保无人机的推重比在 1.8～2.2最为合适。因此，可以计算得出四轴电机满负荷的最大拉力。

    （1）拉力计算公式
    拉力（kg）＝桨叶直径（m） ×螺距（m） ×桨宽度（m）×转速平方（r/s） ×1大气压力（1标准大气压）×经验系数（0.25）
    （2）电机和桨叶的匹配原则
    电机KV值低，最高输出电流小，但扭力大，适合安装大尺寸的桨；电机KV值高，最高输出电流大，但扭力小，适合安装小尺寸的桨。
（3）拉力与力效曲线图（如图1所示）。

    最终，四轴电机和桨叶选取了8120电机与2911折叠桨叶的组合，其参数如表所示。

    由此可以看到，在供电电压48 V 、100％油门，最大拉力为15 289 g，可以满足四旋翼植保无人机的最大拉力要求，工作拉力的油门保持在60％左右，升效在9g/W左右保持在较高水平，完全可以满足冗余度要求，而且2911折叠桨叶更易于收纳和运输。

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