用于农林侦察的太阳能无人机设计

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　　摘  要：目前全球能源短缺、环境污染和温室效应等问题越来越严重，大规模的开发新清洁能源将是未来发展趋势，太阳能的利用转换对于飞行器供能方式多样化的研究具有重要意义，无人机侦察与监测无疑对黄河三角洲农林的侦察问题更加简时省力，操作简单、速度快、效率高，而太阳能飞机和固定翼飞机拥有其他无人机不可比拟的优点。通过大展弦比的设计，自主设计针对黄河三角洲地区的机型并不断改进飞机载重、机翼结构及总体布局，以减低诱导阻力，使机翼受到翼尖涡流小;创新性地增大太阳能板铺设面积;出于配平和提供安放电池板的空间考虑，设计机头比较长;降低雷诺数，提高螺旋桨的效率;利用太阳能转换锂电池供电，增加航时航高，以实现太阳能无人机的应用;基于遥感和图传系统，通过航线规划设计，可以长时间地进行数据传输和图像采集，实时对黄河三角洲农林出現的生态环境污染和土地盐碱化等问题进行长时间、有针对性的侦察和监测，并且可以灵活执行多种任务，将具有广阔前景和应用范围。
　　关键词：太阳能转换;大展弦比;农林侦察;黄河三角洲地区;铺设面积;低雷诺数
　　中图分类号：V221          文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2019）07-0008-05
　　Abstract： At present， the global energy shortage， environmental pollution and greenhouse effect and other problems are becoming more and more serious. The large-scale development of new clean energy will be the future development trend. the utilization and conversion of solar energy is of great significance to the study of the diversification of aircraft energy supply methods. There is no doubt that UAV detection and monitoring of agriculture and forestry reconnaissance in the Yellow River Delta is more time-saving and labor-saving， simple operation， high speed and high efficiency， while solar aircraft and fixed-wing aircraft have incomparable advantages over other UAVs. Through the design of large aspect ratio， the aircraft in the Yellow River Delta region is designed independently and the load， wing structure and overall layout of the aircraft are continuously improved in order to reduce the induced drag and reduce the vortex at the wing tip. Creatively increase the laying area of solar panels; in order to balance and provide the space for placing panels， the design nose is longer; the Reynolds number is reduced and the efficiency of the propeller is improved; the solar energy is used to convert lithium battery power supply to increase the altitude during navigation. Based on remote sensing and graphic transmission system， data transmission and image acquisition can be carried out for a long time through route planning and design. In real time， the ecological environment pollution and land salinization in the Yellow River Delta will be investigated and monitored for a long time， and a variety of tasks can be carried out flexibly， which will have broad prospects and application scope.
　　Keywords： solar energy conversion; large aspect ratio; agroforestry reconnaissance; Yellow River Delta region; laying area; low Reynolds number
　　1 概述
　　1.1 背景 　　1.1.1 全球能源问题
　　目前全球能源短缺、环境污染和温室效应等问题越来越严重，大规模的开发新清洁能源将是未来发展趋势。以太阳能利用为标志的新能源技术即是其中之一，由此形成了高科技产业——太阳能产业。研发生产各种太阳能跟踪、捕获、转换、传输和存储的技术和设备，必将产生巨大的经济效益和社会效益。
　　1.1.2 黄河三角洲生态发展问题
　　黄河三角洲坚持因地制宜发展农业原则，以“高效、生态、规模、创新”为农业发展思路，并摸索切合本地实际的生态农业模式，生态农业建设取得一定成绩，积累了丰富经验，生态环境也极大改善。
　　但黄河三角洲生态农业在发展中也存在问题， 例如：土壤盐渍化、植被减少、生态系统脆弱。
　　针对黄河三角洲的农林问题，无人机侦察与监测无疑更加简时省力，操作简单、速度快、效率高，而太阳能飞机和固定翼飞机拥有其他无人机不可比拟的优点。
　　1.2 国内外研究现状
　　早在2003年，英国QinetiQ启动了“西风”计划，先后研制了多架原型机，不断提升尺寸和性能，在澳大利亚、欧洲和美国等地进行了试飞。2010年，“西风”太阳能无人机在美国亚利桑那州上空连续飞行超过了14天，时间超过336h，最大飞行高度达到21562m，创造了无人机不间断飞行时间的新纪录。
　　2018年，在第十一届中国国际航空航天博览会上，展出了“彩虹”系列无人机和“环保”型太阳能无人机。目前，在我国已经形成了初步的太阳能产业链，并呈现出良好的发展前景，我国也积极从事太阳能利用事业。
　　2 目标设计
　　2.1 使用太阳能清洁能源
　　太阳能飞机是以太阳辐射为推进能源的飞机。它具有成本低、重量轻、清洁无污染等特点。在目前大力开发新能源的大背景下，它对于飞行器供能方式多样化的研究具有重要意义。
　　2.2 大展弦比
　　展弦比即机翼翼展和平均几何弦之比。
　　由于上下翼面气流流线的倾斜，上下翼面气流在机翼后缘会合时尽管压强一样，但展向分速是相反的，所以在后缘处要拖出轴线几乎与来流方向平行的漩涡组成的涡面。
　　展弦比的大小对飞机飞行性能有明显的影响。展弦比增大时，机翼的诱导阻力会降低，从而可以提高飞机的机动性和增加亚音速航程。
　　通过大展弦比的设计，自主设计机型并不断改进飞机载重、机翼结构及总体布局，以减低诱导阻力。
　　2.3 太阳能板铺设面积
　　增大太阳能板铺设面积，以增加太阳能利用率，提高太阳能转换供电，创新性的增加机头、尾翼的太阳能铺设。
　　飞机耗尽其可用燃料所能持续飞行的时间称为航时。飞机在飞行过程中距地球上某一基准面的垂直距离成为航高。
　　增大太阳能电池板的铺设面积有利于增加无人机的航时航高，以实现太阳能无人机的应用。
　　3 外观设计
　　3.1 材料
　　机身采用轻木和碳杆制作而成，1mm轻木片（蒙板）、2mm轻木片（翼肋）、2mm椴木板（翼肋）、5mm轻木板（襟副翼、尾翼）、1mm、2mm桐木片（腹板）、2*8mm桐木条（翼梁），并且在机翼内外端连接梁以及需要强度的地方以碳纤维杆做支撑，保证了一定的承载强度，而且使得飞机质量不至于过沉。
　　3.2翼型
　　利用PIV系统对翼型流场进行测量。不断改变翼型数据及雷诺数，数值模拟采用FLUENT软件。
　　3.3 长机身
　　所以出于配平和提供安放电池板的空间考虑机头比较长。
　　3.4 大翼展
　　翼展指固定翼飞行器的机翼左右翼尖之间的距离，也是机翼的平面形状的展长。通过升力线理论，我们可以得到，大展弦比直机翼所具有的低速升阻特性。
　　4 技术数据
　　4.1 基础数据
　　4.2 储能系统
　　传统无人机多为锂电池和油动无人机，而锂电池面临着电池性能下降、续航时间短，油动无人机稳定性差、操纵复杂、对起飞场地要求极高、震动大且危险性大。
　　太阳能电池阵列将太阳辐射能转换为电能，储能子系统可以用于储存富余的能量，在太阳辐射减弱时它能维持太阳能飞机的运行。
　　能量管理与分配子系统包含太阳能控制器、稳压模块和各个子系统间的电路;在反复考察下，采用利用太阳能电池板的电路改进，将太阳能输入持续转换到聚合物锂电池上的方法。
　　4.3 飞行控制系统
　　飞控系统对飞行器的各种飞行姿态进行控制，控制舵量以保证飞机平稳飞行。
　　选用PIXHAWK2开源飞控自驾仪固定翼多旋翼垂直起降PIX飛行控制。
　　PIX作为新一代的开源飞控硬件，双处理器提供更稳定的飞行方案，核心处理器外加FPU（浮点运算单元）、故障保护协处理器、闪存2MB、内存256kb;飞控模块化，针对不同需求提供自定义模板;完全兼容RTK差分GPS，可实现厘米级精确定位;三余度惯性导航系统（IMU），3×加速计、3×陀螺仪、3×磁罗盘、2×气压计，使飞行安全更有保障;IMU内置隔离减震，相较1代，抗干扰性和稳定性都有优化;IMU恒温控制，工作温度（-10℃-55℃），内置发热电阻，在低温环境下依然能保持恒温作业。
　　 4.4 相机镜头的搭载
　　选用FPV广角摄像头，它的外壳尺寸大小为12mm×12mm×12mm（长宽高），镜头标准1.8MM，重量5.5克，信号制式PAL（默认），总像素PAL：1020H×596V（61万），有效像素PAL：976H×582V（57万），最低照度0.01 LUX/F1.2，水平清晰度700TVL，扫描频率50Hz，曝光模式为电子曝光，电子快门速度为1/50～1/100000s，信噪比>46dB，视频输出1.0Vp-p/75，操作温度-20℃-60℃，工作湿度为相对湿度低于95%，工作电压为宽电压DC3.7-5V。 　　5 性能创新
　　5.1 在机身和尾翼上安装太阳能电池板
　　尝试在机身和尾翼上安装太阳能电池板，增大太阳能接受面积，太阳能电池板的面积、位置会影响太阳能的利用率。
　　可以保证在仍可安装电池板的前提下机翼只安装少量电池板，这样就可以不需为了安装太阳能电池板而在气动上做妥协，保留了飞机大展弦比的滑翔机外形，更加适合高速飞行。
　　5.2 出于配平和提供安放电池板的空间考虑，机头比较长
　　考虑到飞机的载重平衡，但因为机尾安装了太阳能电池板，因此出于配平和提供安放电池板的空间考虑，选用长机头。
　　5.3 大展弦比，诱导阻力小
　　展弦比即机翼翼展和平均几何弦之比。
　　把飞机实际升力分解成垂直于飞行速度方向和平等于飞行速度方向的两个分力。垂直于飞行速度方向的分力，起着升力的作用;平行于飞行速度方向的分力，则起着阻碍飞机前进的作用，成为一部分附加阻力，这部分附加阻力称为诱导阻力。
　　大展弦比的机翼受到翼尖涡流的影响，比起小展弦比受到的影响相对要轻。所以大展弦比的诱导阻力要小。
　　5.4 低雷诺数
　　雷诺数（Reynolds number）：一种可用来表征流体流动情况的无量纲数。
　　空气动力学的发展将逐步提高螺旋桨的效率。飞机的雷诺数表达式为：Re=（ρ÷μ）×V×L，其中ρ、μ为流体密度和动力粘性系数，V、L为流场的特征速度和特征长度，式中：空气的参考粘度为0.0000179kg/（m·s-1）。
　　雷诺数较小时，粘滞力对流场的影响大于惯性，流场中流速的扰动会因粘滞力而衰减，流体流动稳定，为层流;反之，若雷诺数较大时，流体流动较不稳定，流速的微小变化容易发展、增强，形成紊乱、不规则的紊流流场。因此低雷诺数空气动力学的发展将逐步提高螺旋桨的效率。
　　5.5 采用太阳能——清洁能源
　　当今世界能源消耗量大幅上升，化石能源枯竭问题和能源环境污染问题依然困扰人类，能源的生产和消费影响了全球气候变化，造成了环境污染和生态破坏，并产生了能源安全问题。
　　作为无限可再生和零排放能源的太阳能，它无噪音，且对当地环境没有影响。
　　我国拥有丰富的太阳能资源。据统计，每年中国陆地接收的太阳辐射总量，相当于24000亿吨煤，全国总面积2/3地区年日照时间都超过2000h。另一方面，随着当前世界光电技术及其应用材料的飞速发展，光电材料成本成倍下降，光电转换率不断提高，这将带来太阳能发电成本的大幅度下降。
　　6 应用方向与前景
　　6.1 优点特色
　　使用清洁能源，环保，无废气，符合国家节能环保和绿色有机农业发展要求;起飞调校短、效率高、出勤率高;超长航时，续航时间长，重量轻;易保养，使用、维护成本低;地形要求低，作业不受海拔限制;采用高效无刷电机作为动力，机身振动小，可以搭载精密仪器，使得无人机作业时等更加精准。
　　6.2 应用前景
　　在黄河三角洲，太阳能无人机在基于遥感和图传系统，结合太阳能飞机和固定翼飞机的优点，通过航线规划设计，可以长时间地对农林实时侦察与监测，实时对黄河三角洲农林出现的生态环境污染和土地盐碱化等问题进行长时间、有针对性的侦察和监测，并且可以灵活执行多种任务。本项目将具有广阔前景和应用范围。
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