农业无人机模块化设计及有限元分析

近年来，随着信息技术的不断进步，使得无人化农业成为可能，其中农业无人机产业呈现良好发展前景。本文利用Solidworks模块化设计了一种农业无人机模型，克服了传统四旋翼无人机零配件拆装困难等问题，在材料的选择上兼顾重量和承载力，在受力零件采用了7050铝合金和合金钢，轻量化的同时提升了整体的力学性能，然后导入到Ansys Workbench软件，对无人机中重要零件进行静力学分析，对结构进行分析验证合理性，最后在不同工作条件下的仿真实验条件下，确定了无人机模型。

随着无人机技术的发展，农业现代化也随之迎来崭新局面，从农业机械化到农业智能化，无人机成为现代农业不可或缺的一环。我们以农业无人机使用率非常高的黑龙江建三江地区为例，此地90%的水稻农作物都使用过无人机服务[1]。

而无人机对无人农业能提供三种信息， 分别是第一种， 空中观察作物， 及时发现土壤和灌溉问题；第二种，提供多层次的图片，可以采集普通视觉图片和红外图片，帮助农民发现肉眼无法观察到的农作物健康问题；第三种，巡航记录数据，以便分析农作物长势[2]。

目前，发达国家在20 世纪中叶就实现了农业机械化，农业植保无人机已经使用了近30 年。美国、俄罗斯、澳大利亚、日本等国家无人机的技术最为先进。在20 世纪八十年代，日本就已经自主研发出可一次可以携带20 kg 农药的农业无人机进行施药防治[3]。我国农业无人机起步时间较晚，1995 年才首次引入日本无人机进行蝗虫防治工作，但随着国家的重视以及科技的发展，我们也取得了巨大进步。

但是传统的无人机通常是一体化设计和整机制造，这限制了无人机的使用场景。在现代制造业中， 模块化设计指的是对不同功能部分的分化与接口部件的参数管理，满足不同环境下的需求，降低成本， 实现标准化生产[4]。因此，本文提出了模块化设计无人机，简化其结构，同时设计了一种螺旋输送投料装置，可提高生产效率，减少人力成本。

2. 无人机主要结构设计 本文中的农用无人机主要是由机身框架，电源模块，驱动模块和投料装置组成。其中机身框架就是其他模块提供装配空间，使其连接配合成为一个整体。电源模块就是电源和线路，为无人机提供能源动力。驱动模块就是我们的电机和马达，保证无人机的稳定性和灵活性。最后投料装置选用抓手装置和螺旋弹簧输送装置配合，保证投料。

2.1. 无人机机身框架 对农用无人机的机身框架设计原则可以概括为以下几点： 1) 实现农用无人机的轻量化和保证其结构强度。

2) 零件易于加工和装配。

对比目前的无人机常用材料有：碳纤维复合材料，7050 系列铝合金等，而碳纤维材料具有高比强度和高比刚度特性，抗疲劳能力和抗振能力强的特点，且整体重量减轻了约25%~30% [5]。但是因其材料特性不适合与其他材料零件进行配合连接，所以不适合用于模块化设计。相反地，7050 系列铝合金却能满足条件，选其作为机身材料。