作品名稱：基于化學(xué)噴灑的固沙無人機
學(xué)校名稱：山東理工大學(xué)
參賽隊伍：絞盡腦智
參賽學(xué)生：程慶后 孫啟祥 邱浩
指導(dǎo)老師：王予彬
地球表面43%的土地分布于干旱地區(qū)，110多個國家受土地資源荒漠化的危害，全世界每年為此造成的經(jīng)濟損失達420億元之巨。同樣，我國是世界上受土地沙漠化危害最嚴(yán)重的國家之一。我國沙漠化土地面積廣大，而且其發(fā)展速率仍在加大。土地沙漠化的不斷擴展已經(jīng)嚴(yán)重影響我國的生態(tài)環(huán)境建設(shè)和社會經(jīng)濟發(fā)展，并造成了極大的傷害。但是，目前由于沙漠化土壤面積廣大，需要耗費大量的人力和時間去進行工作，并且效率極低，高科技治沙裝備的發(fā)展緩慢等等。化學(xué)固沙是指在風(fēng)沙危害地區(qū)，利用化學(xué)材料與工藝，對易產(chǎn)生沙害的沙丘或沙質(zhì)地表建造一層能夠防止風(fēng)力吹揚又化學(xué)固沙是指在風(fēng)沙危害地區(qū)，利用化學(xué)材料與工藝，對易產(chǎn)生沙害的沙丘或沙質(zhì)地表建造一層能夠防止風(fēng)力吹揚又具有保持水分和改良沙地性質(zhì)的固結(jié)層，以達到控制和改善沙害環(huán)境，提高沙地生產(chǎn)力的技術(shù)措施。利用被稀釋的具有一定膠結(jié)性的化學(xué)物質(zhì)，噴灑于松散的流動沙地表面，水分迅速滲入到沙層以下，而化學(xué)膠結(jié)物質(zhì)則滯留于一定厚度（(1～5cm）的沙層間隙中，將單粒的沙子膠結(jié)成一層保護層。以此來隔開氣流（風(fēng)）與松散沙面的直接接觸，從而起到防止風(fēng)蝕的作用。一般應(yīng)具有較好的滲透性和膠結(jié)性，噴灑后能夠迅速滲入沙丘表層并粘結(jié)沙子顆粒，形成較牢固的結(jié)皮層，可有效固結(jié)沙丘表面，防止沙丘流動。固沙劑還應(yīng)有明顯的集水和保墑增溫、改善土壤結(jié)構(gòu)、促進植物生長、抑制鹽漬土表層積鹽等作用，同時應(yīng)提高沙土中的有機物含量，改良土壤并可以生物降解。這種作用是屬于固沙型的，只能將沙地就地固定不動，而對過境風(fēng)沙流中所攜帶的沙粒卻沒有防治效能。開發(fā)這款用于防風(fēng)固沙噴灑化學(xué)藥品的無人機既能減少人力資源的使用，又能提高噴灑效率和噴灑面積。
基于化學(xué)噴灑的固沙無人機的設(shè)計原理
無人機利用旋翼實現(xiàn)前進和停止。力的相對性意味著旋翼推動空氣時，空氣也會反向推動旋翼。這是無人機能夠上上下下的基本原理。進而，旋翼旋轉(zhuǎn)地越快，升力就越大，反之亦然。而要使無人機向右轉(zhuǎn)，則需要降低旋翼的角速度。但是，雖然來自旋翼的推力缺失能使無人機改變運動方向，但與此同時向上的力不等于向下的重力，所以無人機會下降。
無人機是對稱的。這同樣適用于側(cè)向運動。一架四輪無人機就像一輛每一面都可作為正面的車，所以了如何向前也就解釋了如何向后或向兩側(cè)移動的問題。
無人機是利用無線電遙控設(shè)備和自備的程序控制裝置操縱的不載人飛機，或者由車載計算機完全地或間歇地自主地操作。
無人機由飛機機體、飛控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)、發(fā)射回收系統(tǒng)、電源系統(tǒng)等組成。飛行管理與控制系統(tǒng)，相當(dāng)于無人機系統(tǒng)的“心臟”部分，對無人機的穩(wěn)定性、數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴⒕_度、實時性等都有重要影響，對其飛行性能起決定性的作用。無人機機體的核心就是飛行器控制器——主控MCU。
無人機MCU是飛控子系統(tǒng)的核心部分，飛控系統(tǒng)是無人機完成起飛、空中飛行、執(zhí)行任務(wù)和返場回收等整個飛行過程的核心系統(tǒng)，飛控對于無人機相當(dāng)于駕駛員對于有人機的作用，我們認(rèn)為是無人機最重要的技術(shù)之一。
除了無人機MCU，無人機還需要陀螺儀、加速計、地磁感應(yīng)、氣壓傳感器，超聲波傳感器、光流傳感器、GPS模塊等想互協(xié)助工作方可完成飛行。
設(shè)計方案：
（1）設(shè)計無人機飛行器機體。
（2）開發(fā)飛行控制系統(tǒng)，舵機，機載數(shù)傳模塊與天線，搭建無人機電氣控制系統(tǒng)。
飛控系統(tǒng)是無人機的核心控制裝置，相當(dāng)于無人機的大腦，是否裝有飛控系統(tǒng)也是無人機區(qū)別于普通航空模型的重要標(biāo)志。
在經(jīng)歷了早期的遙控飛行后，目前其導(dǎo)航控制方式已經(jīng)發(fā)展為自主飛行和智能飛行。導(dǎo)航方式的改變對飛行控制計算機的精度提出了更高的要求；隨著小型無人機執(zhí)行任務(wù)復(fù)雜程度的增加，對飛控計算機運算速度的要求也更高；而小型化的要求對飛控計算機的功耗和體積也提出了很高的要求。高精度不僅要求計算機的控制精度高，而且要求能夠運行復(fù)雜的控制算法，小型化則要求無人機的體積小，機動性好，進而要求控制計算機的體積越小越好。
（3）開發(fā)無人機地面站軟件，地面數(shù)傳模塊及其天線。
（4）設(shè)計配備遙控器以及遙控裝置。
噴嘴和水箱
高壓噴嘴的設(shè)計主要集中在噴嘴的優(yōu)良射流特性和較長的使用壽命上。因此，高壓噴嘴的設(shè)計要求相對較高。為了保證射流暢通，噴嘴噴射的霧滴效果可以聚集在一個區(qū)域，保證射流范圍。高壓噴嘴應(yīng)承受高壓和磨損。
簡而言之，高壓噴嘴的原理是高速水流的裝置。其工作原理是通過收縮噴嘴內(nèi)孔的橫截面，將高壓水的壓力能轉(zhuǎn)化為動能，最后以高壓水射流的形式從噴嘴噴出。由于高壓噴嘴的原理特點，高壓噴嘴的設(shè)計廣泛應(yīng)用于清洗操作和鋼切割。
研究噴霧供水系統(tǒng)的流量、壓力和噴嘴的幾何尺寸。結(jié)構(gòu)形狀的關(guān)系提高了霧化效果。特別是城市供水系統(tǒng)的水壓對霧化效果影響較大，水壓越高，水霧顆粒越細。
水箱，其特征在于，包括箱體，所述箱體的內(nèi)部設(shè)有用以過濾水中雜質(zhì)顆粒的過濾裝置，還包括設(shè)于所述箱體、用以與無人機主體接口連接并能夠輸出所述箱體中的水至無人機主體的出水口以及與所述出水口配合連接、用以實現(xiàn)密封的密封裝置。
根據(jù)權(quán)利要求所述的水箱，其特征在于，所述箱體還設(shè)有位于所述出水口上方、用以供水進入所述箱體的進水口，所述過濾裝置包括設(shè)于所述進水口、用以過濾所述進水口的雜質(zhì)顆粒的第一濾網(wǎng)。
結(jié)構(gòu)及創(chuàng)新性設(shè)計
首先是動力系統(tǒng)，該無人機采用四旋翼方式，螺旋槳為雙葉螺旋槳，整體布局為流線型，流線型的機身設(shè)計能夠大大減少飛行時的阻力，提高續(xù)航能力和飛行速度。有四個對稱布置的電機為相應(yīng)的無人機旋翼提供動力，同時在飛控系統(tǒng)的控制之下，可以協(xié)調(diào)各個旋翼之間的不同轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向,同時又可以為無人機的飛行平穩(wěn)和上升平穩(wěn)性提供支持。動力系統(tǒng)的創(chuàng)新性在于優(yōu)化了動力傳輸裝置，其工作效率比六旋翼無人機的工作效率還要高，同時電機的約束裝置可以根據(jù)飛行方向的不同和速度的不同進行改變，進而改變螺旋槳的朝向提高速度；其次是噴灑裝置該無人機涉及一種多角度噴灑農(nóng)藥的噴灑裝置,該裝置包括機架，噴灑閥口和農(nóng)藥噴灑儲液箱,在該農(nóng)藥噴灑儲液箱的上面安裝無人機限位鎖,在無人機限位鎖的上面安裝萬向轉(zhuǎn)動裝置,機架通過萬向轉(zhuǎn)動裝置與農(nóng)藥噴灑儲液箱連接,農(nóng)藥噴灑儲液箱上面安裝微型高壓水泵,在農(nóng)藥噴灑儲液箱下面安裝有噴頭,所述噴頭為蜂窩煤狀,也就是該盤狀的底部設(shè)有多個噴水孔;該裝置固定在機架下方同時機架上方安裝的為四個旋翼動力電機；然后是起落架裝置，起落架是無人機飛行完畢著陸時，整個機體重量的承受部件，必須具有良好的的支撐和減震功能，以保護飛行器降落時震動對部件的損壞。藥箱布置在起落架中心，并盡量使無人機的整體重心處于無人人機四個機翼的中心部位，同時起落架由空心鋁管制成，由于鋁金屬質(zhì)量較輕可以大大減少無人機的重量，另外在底部鋁管上安裝高彈減震海綿，可以大大減少無人機下降過程中帶來的震動。藥箱的設(shè)計由防腐蝕，耐酸堿的材料制成，可以大大提高藥箱的使用壽命，同時藥箱內(nèi)置NFC芯片，在灌藥機灌裝藥品的同時可以將灌入的藥量信息寫入NFC芯片，藥量的掌控從源頭開始，藥量數(shù)字化，讓藥量數(shù)據(jù)實現(xiàn)有效傳遞，為精準(zhǔn)噴灑提供可靠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。無人機機身內(nèi)置定位芯片，攝像拍攝鏡頭和控制系統(tǒng)，可以借助北斗導(dǎo)航系統(tǒng)進行位置定位和路線導(dǎo)航，可以讓無人機按照規(guī)劃好的路線進行工作，同時通過中控顯示屏可以觀察無人機的飛行姿態(tài)和運行軌跡。
無人機農(nóng)藥噴灑的優(yōu)點
實用性分析
一、安全性好
1、施藥人員安全，施藥人員遙控操作植保機噴灑，使人體不容易受到藥物侵害，避免中毒中暑。
2、環(huán)境安全，可在空中定向定點噴灑農(nóng)藥，植保無人機旋翼產(chǎn)生的強大氣流將藥液直接壓迫作用于作物的各個層面農(nóng)藥隨氣流可深入到農(nóng)作物的根部，葉子的背面，能使害蟲無處可逃，環(huán)保安全。
3、植保機飛行安全，飛機可懸停、 定高定遠飛行，其中多旋翼植保機飛行平穩(wěn)，安全性能可靠。
二、高效節(jié)水
1、效率高，每分鐘可噴灑1-2畝，一天(按6-8小時計)一架植保機可噴灑 300-600畝，相當(dāng)于30-100個人的工效，解放了勞動力。
2、施藥效果好，可貼近農(nóng)作物0.5-2米噴藥，霧流上下穿透力強，漂移少，霧滴細勻，可提高農(nóng)藥利用率30%以上。3、節(jié)水環(huán)保，使用超低容量施藥技術(shù)，每畝施藥僅需，400--600毫升。
三、操作簡便
1、易學(xué)易用，
操作人員需經(jīng)過10-15天的培訓(xùn)，即可學(xué)會
植保機的飛行施藥操作及日常維護。
2、操作簡單，植保機只需要在田間地頭空地就能帶藥垂直噴灑。
