航空无人机动力系统降噪分析9篇航空无人机动力系统降噪分析 安徽农业大学学报 JournalofAnhuiAgriculturalUniversityISSN1672-352X,CN34-116下面是小编为大家整理的航空无人机动力系统降噪分析9篇,供大家参考。
篇一：航空无人机动力系统降噪分析
农业大学学报Journal of Anhui Agricultural University ISSN 1672-352X,CN 34-1162/S
《安徽农业大学学报》网络首发论文
题目：
六旋翼植保无人机飞行框架的结构设计与试验 作者：
任帅阳，高爱民，张勇，韩伟 DOI：
10.13610/j.cnki.1672-352x.20220325.002 收稿日期：
2021-03-06 网络首发日期：
2022-03-28 引用格式：
任帅阳，高爱民，张勇，韩伟．六旋翼植保无人机飞行框架的结构设计与试验[J/OL]．安徽农业大学学报. https://doi.org/10.13610/j.cnki.1672-352x.20220325.002
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收稿日期:
2021-03-06 基金项目: 国家自然科学基金( 51505088)和甘肃省产业支撑计划（项目编号 2021CYZC-39）共同资助。
作者简介:
任帅阳，硕士研究生。E-mail：2293469710@qq.com * 通信作者: 高爱民，博士，副教授。E-mail：gaoaimin@gsau.edu.cn
安徽农业大学学报, 2022, 49(1) Journal of Anhui Agricultural University
六旋翼植保无人机飞行框架的结构设计与试验
任帅阳1 ，高爱民 1* ，张
勇 2 ，韩
伟 3
(1. 甘肃农业大学机电工程学院，兰州 730070；2. 安阳工学院机械工程学院，安阳 455000；
3. 安阳全丰航空植保科技股份有限公司，安阳 455000)
摘
要：为了达到无人机轻量化的要求，以碳纤维材质为机身主体，设计了一套六旋翼植保无人机的飞行框架。基于 ANSYS 对该框架关键结构部件的刚度和强度进行了静力学分析，根据分析结果，将单层中心固定板改为了双层结构并在机臂之间加入了加强筋。分析表明：优化设计后，无人机中心板形变量降低了 104.36 倍，最大应力降低了 13.15 倍，而质量仅增加了 1.9%。最后通过实际飞行振动试验，基于 LabVIEW 对植保无人机机身 3 个不同位置竖直方向的振动信号进行小波变换降噪处理和时、频域计算评估，振动最大 RMS 值为 1.69 g，小于飞行控制系统振动报警阈值 2.5 g，表明其在稳定性和操控能力上具有良好的表现。
关键词：植保无人机设计；仿真分析；振动测试；降噪处理；LabVIEW 中图分类号：S251
文献标识码：A
文章编号 ：1672−352X (2022)01−0000−00
Structural design and experiment for six-rotor plant protection UAV flight frame
REN Shuaiyang 1 , GAO Aimin 1 , ZHANG Yong 2 , HAN Wei 3
(1. College of Mechanical and Electrical Engineering, Gansu Agricultural University, Gansu 730070;
2. School of Mechanical Engineering, Anyang Institute of Technology, Anyang 455000;
3. Anyang Quanfeng Aviation Plant Protection Technology Co., Ltd., Anyang 455000)
Abstract: In order to meet the requirements of lightweight UAV (unmanned aerial vehicle), this paper used carbon fiber material as the main body of the fuselage, and designed a set of six-rotor plant protection UAV flight frame. Based on ANSYS, the rigidity and strength of the key structural components of the frame were statically ana-lyzed. According to the analysis results, the single-layer central fixed plate was changed to a double-layer structure, and stiffeners were added between the rotor arms. The analysis showed that: after optimizing the design, the UAV center plate shape variable was reduced by 104.36 times, and the maximum stress was reduced by 13.15 times, but the mass was only increased by 1.9%. During the actual flight vibration experiment, based on wavelet domain de-noise and calculation for vibration signal, time and frequency domain on three different location of flight frame were acquired by LabVIEW. The maximum RMS value of vibration was 1.69 g, which was less than the vibration alarm threshold of flight control system 2.5 g, indicating that it has a good performance in stability and control ability. Key words: design of plant protection UAV; simulation analysis; vibration experiment; noise reduction treatment; LabVIEW
在全球人口老龄化与加速城镇化的时代背景下，劳动力的短缺逐渐成为阻碍农业发展的重要问题，农业机械化生产必然成为未来的发展趋势。目前世界上大多数农田作业从播种到收获都采用了机械化生产 [1] 。在植保阶段，为了防止病虫害对农作物的影响，通常会采用化学防治法，合理喷洒化学农药是目前最有效的防治手段之一 [2] 。采用手动和背负式喷洒器械，效率低下且无法精准控制施药量；采用地面机械设备喷洒农药又容易对农作物造成损伤，影响作物产量 [3] ；而采用植保无人机则施药速度快，喷洒效率高，并且对农作物没有损伤，是未来植保的主要发展趋势 [4-6] 。
DOI：10.13610/j.cnki.1672-352x.20220325.002
网络首发时间：2022-03-28 09:30:17网络首发地址：https://kns.cnki.net/kcms/detail/34.1162.S.20220325.1052.004.html
2
安 徽 农 业 大 学 学 报 2022 年
植保无人机按照旋翼数量可分为单旋翼和多旋翼，按照动力方式可分为燃油驱动和电力驱动 [7] 。与单旋翼无人机相比，多旋翼无人机更容易完成垂直起降、悬停以及超低空飞行，灵活度更高 [8] 。与电力驱动相比，燃油驱动虽然续航时间长，但其飞行控制系统存在机械结构复杂、生产成本高、操作难度大及后期维护困难等问题。当前，采用电力驱动的多旋翼植保无人机，具有结构简单、容易控制、成本低等特点 [9] 。
电动多旋翼植保无人机也具有一些缺点，受限于无人机的重量，其难以携带较大的电池为其提供充足的能源，采用锂电池供电的多旋翼植保无人机其续航时间一般在 30 min 以内 [10-11] 。多旋翼植保无人机的单个无刷电机升力较小，抗风能力差，面对丘陵、山坡、不规则水田等复杂地形时无法及时避障等 [12-13] 。由于无人机的升力是由多个旋翼共同提供，如果无人机的重心不在无人机中部，则很容易造成多个旋翼所受载荷不均，从而导致无人机无法飞行或者难以控制。此外，植保无人机需要携带大容量药箱，无人机飞行过程中，药液受惯性影响会在药箱内来回震荡，不仅会影响无人机的动态响应能力，还有可能增加坠机风险。
为了解决以上问题，在上述文献已经报道成果的基础上，本文基于 SolidWorks 对六旋翼植保无人机飞行框架进行了参数化建模，并应用 ANSYS 对关键结构部件进行静力学分析，完成了其刚度强度校核与优化设计。根据优化结果，进行了无人机实体制造。在实际飞行振动试验中，以 CoCo-80X 手持式动态信号分析仪和 PCB 压电式振动加速度传感器为硬件基础，采集得到了该植保无人机机身 3个部位竖直方向的振动信号，基于 LabVIEW 软件平台对该三通道振动信号进行时域、频域的处理与计算，从而完成了对该无人机飞行框架结构的评价，以期为后续植保无人机的发展提供参考。
1
六旋翼植保无人机飞行原理与结构设计 1.1
飞行原理 六旋翼植保无人机通过改变 6 个电机的转速来实现其升降、滚转、俯仰、偏航等运动。其中，编号 M1、M3 和 M5 的螺旋桨俯视时逆时针旋转，该桨称为正桨；编号为 M2、M4 和 M6 的螺旋桨则为反桨。正桨和反桨交替对称分布平衡了无人机螺旋桨旋转所产生的扭矩。
六旋翼无人机上升运动时，假设外界扰动为零，只需要 6 个螺旋桨同步增大油门输出，使 6 个螺旋桨的提升力之和（F = F1 + F2 + F3 + F4 + F5 + F6）大于无人机总重力 G。同理，无人机悬停和下降时，需要螺旋桨的总升力 F 等于和小于总重力 G。
图 1
六旋翼无人机运动分析图 Figure 1
Motion analysis diagram of six-rotor UAV
当六旋翼无人机需要俯仰动作时，M1、M6 号电机减速，M3、M4 号电机加速，无人机产生后仰，机身出现一定的倾角，该合力的水平分量，使无人机向前运动。当 M1、M6 号电机加速，M3、M4 号电机减速，无人机会产生前仰，使得无人机向后运动。同理，当需要滚转时，则分别调整 M1、M2、M3 号电机和 M4、M5、M6 号电机的转速。
偏航运动则是依靠螺旋桨正、反旋转所产生的反扭力矩。当无人机右偏航时，M1、M3、M5 号电机提速，对无人机的扭矩增加，M2、M4、M6 号电机降速，相反方向的扭矩降低，前者扭矩大于后者，使得无人机向右偏航。同理，当无人机左偏航时，M1、M3、M5 号电机降速，M2、M4 和 M6 号电机增速。
1.2
飞行框架结构设计 基于 SolidWorks 软件，采用自顶向下的设计模式，即先确立药液箱、电池和起落支撑架与飞行框架之间的安装关系，再对各零部件进行实时设计调整以确保无人机整体结构的协调 [14] 。最终设计结果（图 2（a））显示，该六旋翼植保无人机由螺旋桨、无刷电机、机臂、中心固定板、电池、药液箱和起落支撑架等部件组成。药液箱和电池占据无人机飞行框架中心，药液箱设计成中间凹陷的结构，为电池留出了安装位置，同时药液箱与起落支撑架相互仿形、互补融合，使飞行框架整体结构更为紧凑。如图 2（b）所示，无人机的设计尺寸为 1 976 mm × 1 585 mm × 470 mm，六旋翼呈 60° 均匀分布。无人机飞行框架主要采用 T700 碳纤维和 6061-T6 铝合金材料，尽可能保证飞行框架的结构强度，同时又尽可能减轻其重量。最终，由 SolidWorks 软件计算出该六旋翼植保无人机含电池重量约为 23 kg，药液箱设计容量为 16 L。
49 卷 1 期 任帅阳等: 六旋翼植保无人机飞行框架的结构设计与试验 3
图 2
无人机飞行框架整体结构(a)和尺寸(b) Figure 2
Overall structure of UAV flight frame(a) and the dimensions (b)
无人机起飞、降落、悬停等在空中的一系列运动，都与无人机的动力系统息息相关。电机和螺旋桨是动力系统的关键部件，其技术参数也决定了无人机的性能。载满药液时，无人机总重约为 39 kg，要满足无人机正常起降，无人机飞行框架单臂所提供的升力要大于 6.5 kg。我们对现有植保无人机电机和螺旋桨进行筛选，最终选择出了植保无人机专用电机 XRotor PRO X8 和螺旋桨 XRotor 3090 Blades，该套动力系统在油门 100%时最大可提供16.183 kg 的提升力，单臂动力富裕系数为 2.49，满足了无人机快速升降以及姿态控制时的加速需求。
2
六旋翼植保无人机关键部件设计与优化 2.1
关键部件设计 六旋翼植保无人机在飞行过程中，螺旋桨是产生升力的唯一来源，起落架承受了药液箱的重力，这两个力共同作用在植保无人机中心固定板上，但升力的作用点距离无人机的重心过远，这样会导致中心固定板和机臂总变形过大，最大的应力有可能发生在机臂、铝合金固定块、中心固定板三者连接的部位，这些部位有可能发生结构方面的损坏 [14] 。因此，机臂与中心固定板的连接方式和中心固定板的结构是六旋翼植保无人机的关键设计部件。
如图 3（a）所示，无人机的机臂安装在固定块上，通过螺栓和锁紧环固定。起落支架安装在中心固定板的底部，具体结构如图 3（b）所示。机身框架所用到的材质属性如表 1 所示。
2.2
仿真模型建立与优化 由于机臂较长且与机架端固定长度较短，中心固定板承受较大力矩，可能导致无人机中心板产生较大变形甚至断裂失效，此时属于静力学分析范畴，因此笔者对无人机的框架结构进行了静力学分析，并进行了结构优化。考虑到结构的复杂性，进行有限元分析时对结构进行了简化。由于本次主要考虑中心板的应力应变情况，所以将机臂与铝合金固定块之间的连接进行了简化，简化后的模型如图 4 所示。本文选用的螺旋桨动力系统最大可提供 158.59
N 的拉力（重力加速度按 9.8 m·s -2 计算），即植保无人机单翼所承受的极限载荷是 158.59 N。为了测试极限状态下无人机框架的整体静态特性，在无人机中心施加一个固定支撑，在无人机的 6 个机臂上分别施加 1 个 158.59 N 的竖直向上的提升力，模拟无人机在极限动...
篇二：航空无人机动力系统降噪分析
动力学基本知识（下）目录 1 流场的基本概念 3 伯努利定理 2 连续性定理
流场的基本概念 01
流场的定义 流管和流束 流线谱 流线 定常流动与非定常流动 迹线 流
场
1.1
流场的定义 流体流动所占据的空间称为流场。
用以表征流体特性的物理量，如速度、温度、压强、密度等，称为流体的运动参数。
流场是分布运动参数的物理场。
大气层就是一个很大的空气流场。
1-2
定常流动与非定常流动
非定常流动 根据运动参数随时间的变化 定常流动
▼ 流体（气体、液体）流动时，只要压力，速度和密度中任意一个物理量随时间而变化，流体就是作非定常流动或者说流体作时变流动。
▼ 流体（气体、液体）流动时，若流体中任何一点的压力，速度和密度等物理量都不随时间变化，也称恒定流动。
是 不存在的
1-3
迹线
迹线是流体质点的运动轨迹。
迹线具有持续性，随着时间的增长，迹线不断延伸。
定常流场中通过某一固定点的迹线只有一条。
非定常流场中，通过同一点的迹线可以有多条。
迹线是流场中实际存在的线。
非定常流场中，不同时刻经过该流体质点可以走不同的轨迹。
定
义 在空气流动的流场中 在某一瞬时绘制出 许多称为流线的空间曲线。
流线的作法：在某瞬时，取流场上的某一点1，画出其速度向量v1，在1上靠近1点取2点，经过2点引同瞬时的速度向量v2，便可得该瞬时的折线1、2、3、4、5…,当各点都无限靠近时，折线便成为光滑的曲线，这条曲线就是该瞬时经过1点的流线。
1-4
流线
流线的特点 ▲ 流线代表流速方向的矢量线，其疏密程度代表流速的大小。
▲ 同一时刻的不同流线不能相交。
▲ 流线不能是折现，而是一条光滑的曲线。
▲流线的形状和位置，在定常流动中不随时间变化；而在不定常流动中随时间变化。
1-4
流线
知识点1 1-4
流线与迹线的区别 迹线是同一质点不同时刻的位秱曲线 流线是同一时刻不同质点连接起来的速度场向量线。
流线
知识点1 由许多流线所组成的流动图形称之为流线谱，是所有流线的集合。
翼剖面的流线谱 1-5
流线谱 圆柱体的流线谱 斜立平板的流线谱 ■
真实反映了空气流动的全貌，可以看出流场中各点的运动方向。
■
流线谱的疏密程度反映了该时刻流场中速度的不同。
■
空气流过不用形状物体的流动情况不同，其流线谱就不同。
知识点1 1-5
流线谱 ■
空气流过物体相对位置关系不同，流线谱也不同。
■
在空气流过物体时，在物体的后部都会形成一定的涡流区。
■
不同的流线谱产生的空气动力不一样。
1-5
流线与流线谱 (a)
流线 (b)
流线谱 1—流速
2—流线
3—翼剖面
1-6
流管与流束 在流场中取任一封闭曲线(不是流线)，通过该封闭曲线的每一点作流线，这些流线所组成的管状空间称为流管。
过流管横截面上各点作流线，则得到充满流管的一束流线簇，称为流束。当空气流向物体受到阻碍时，流管就扩张变粗。
1-6
流管与流束 横截面积为A 流体密度为
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