電動多旋翼飛行器的設計及其在農(nóng)業(yè)領域中的應用研究論文

　　1電動多旋翼飛行器概述

　　1.1電動多旋翼飛行器的功能及組成

　　UAV即無人駕駛飛行器，包括旋翼式飛機、直升機、軟式小型飛船以及其它飛行器旋翼飛行器能夠完成定點懸停、低速飛行、垂直起降和室內(nèi)飛行等任務，這決定了旋翼飛行器能夠執(zhí)行某些固定翼飛機無法完成的任務多旋翼飛行器是由多組動力系統(tǒng)組成的飛行平臺， 一般常見的有四旋翼、六旋翼、八旋翼，也有超過十旋翼的組成旋翼對稱分布在機體的前后、左右四個力向，四個旋翼處于同一高度平而，且四個旋翼的結(jié)構(gòu)和半徑都相同，四個電機對稱的安裝在飛行器的支架端，支架中間空間安放飛行控制計算機和外部設各電動多旋翼飛行器由無刷電機驅(qū)動螺旋槳組成單組旋翼動力系統(tǒng)，由慣導系統(tǒng)、飛控系統(tǒng)、導航系統(tǒng)、電調(diào)速器組成控制驅(qū)動部分。

　　1.2電動多旋翼飛行器的優(yōu)缺點分析

　　和傳統(tǒng)飛行器相比，電動多旋翼飛行器有明顯的優(yōu)勢第一，安全穩(wěn)定，事故發(fā)生的概率大大降低;第一，需要的起降條件要求很低，有條幾十米的跑道就可以完成起降;第三，從噪音來看，由于以高能電池作為能量，所以噪音非常小;第四，維護力而，簡單的機械部件組成與傳統(tǒng)直升機相比維護相當簡單;第五，操作力而，操縱簡單，整機全電子增穩(wěn)，一個人只需要半天左右學習就基本可以獨立駕駛。

　　當然，電動多旋翼飛行器也有一些缺點例如，首先，速度慢，電動旋翼飛行器的速度和固定翼飛機相比差得太遠，因此在需要快速運輸而又沒有特別要求的場合，都使用普通固定翼飛機;其次，靈活性欠什蟲然電動多旋翼飛機比直升飛機略快一點，安全性也更高，但其使用靈活性卻比直升飛機差太多它的機動性遠遜于直升飛機，小能懸停，更小能倒飛而且蟲然比固定翼飛機起降場地要求低很多，跟直升飛淚L比起來卻又相差很多，因為直升飛淚L可以垂直起降，但多旋翼飛行器若想垂直起降就必須設計更多復雜的結(jié)構(gòu)，安全和操控的優(yōu)勢也會受到很大影響。

　　2電動多旋翼飛行器的設計

　　2.1控制系統(tǒng)硬件設計

　　電動多旋翼飛行器的硬件系統(tǒng)需要完成以卜功能:完成對于底層傳感器如IMU、電子羅盤、氣壓高度計和GPS的數(shù)據(jù)采集;根據(jù)載體的位置、速度、姿態(tài)等信息，根據(jù)飛行控制算法，計算四個直流無刷電機的期望轉(zhuǎn)速;完成四旋翼無人飛行器平臺與地而站問的數(shù)據(jù)交互，以實現(xiàn)對飛行器的檢測、評估和遙控;通過組合導航信息融合算法，實現(xiàn)對飛行器運動參數(shù)的實時估計;根據(jù)期望轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)對電機的控制。

　　根據(jù)以上功能可知，電動多旋翼飛行器硬件系統(tǒng)需包括以下模塊:底層數(shù)據(jù)采集模塊、核心處理器模塊、電機驅(qū)動模塊、數(shù)據(jù)無線傳輸模塊等該系統(tǒng)中，底層傳感器的接口種類較多，且可能隨時需要擴展新的傳感器，而信息融合和控制算法則要求處理器具有強大的運算能力和較高的頻率，因此，選用DSP/FPGA嵌入式系統(tǒng)作為系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)的豐體，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、信息融合和飛行控制等功能DSP芯片可以選擇TMS320F28335 , FPGA芯片可以選EP3C10，航姿參考系統(tǒng)中氣壓高度計、IMU,CPS和電子羅盤分別選擇MPX4115A氣壓高度計，ADIS16350 , LEA一SA以及HMC5843三軸磁傳感器

　　2.2直流無刷電子系統(tǒng)設計

　　直流無刷電機由電動機主體和驅(qū)動器組成，是一種典型的機電-體化產(chǎn)品直流無刷電機(BLCD)既具各直流電動機運行效率高、無勵磁損耗以及調(diào)速性能好的優(yōu)勢，又具有交流電動機的結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、維護力便等特點直流無刷電機主要由電機本體、位置傳感器和電子開關電路等三部分組成無刷電機的轉(zhuǎn)子一般為含有稀土的永磁體，定子則為可以通電的電樞繞組當定子的一相繞組通電，該相繞組產(chǎn)生的磁場與定子磁場產(chǎn)生作用力_如果使定子的三相繞組交替通過電流，則能夠在電機轉(zhuǎn)動周圍產(chǎn)生交變的磁場，從而驅(qū)動定子轉(zhuǎn)動按照傳統(tǒng)定義力式，三相直流無刷電機的反電勢是梯形波，其電樞繞組的控制電流為直流力波三相六狀態(tài)1200雙極性驅(qū)動模式具有平均轉(zhuǎn)矩相對較大、電流利用率高、脈動小、無工作死區(qū)等優(yōu)點，因此，可以選擇三相六狀態(tài)的驅(qū)動模式。

　　2.3運動參數(shù)檢測系統(tǒng)設計

　　慣性導航是一種航跡推位算法，通過加表和陀螺分別測量載體的比力和角速率，并利用積分算法求解載體的位姿信息，捷聯(lián)式慣性導航系統(tǒng)(SINS)是慣性導航的一種，它具有完全自主，全天候工作、機動靈活等特點，可以連續(xù)提供包括姿態(tài)、速度、位置在內(nèi)的各種導航參數(shù)信息然而，慣導系統(tǒng)存在誤差隨時間迅速積累的缺點因此，具有用戶設各體積小、成本低、性能好、隨時使用、被動定位等優(yōu)良性能的全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)(GLASS)在定位、測姿、測速等力而得到了廣泛應用日前公認的四個全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)按組建國家(地區(qū))分別為GPS,GLONASS,Galilco,COMPASS，而其中，GPS的應用最為廣泛GPS和SINS具有極好的互補性根據(jù)實際中小同的應用要求，SINS/GPS組合導航系統(tǒng)可以有小同深度的組合力式，主要分為:松組合(Loosely-Coupled Integ子ation) ,緊組0(Tightly-Coupled Integ子ation),載波相位及相位率組合、深組合(Deeply-Coupled Integ子ation)、以GPS為基礎的深組合(G PS-Based Deeply-Integ子ated)等。

　　3電動多旋翼飛行器在農(nóng)業(yè)中的應用

　　3.1電動多旋翼飛行器的用途

　　電動多旋翼飛行系統(tǒng)可廣泛應用于農(nóng)業(yè)中低空撒種、噴灑農(nóng)藥，治安監(jiān)控、森林火火、滅情監(jiān)視、應急通訊、電力應用、海運應用、氣象監(jiān)測、航拍航測，另外對空中勘探、無聲偵查、邊境巡邏、核輻射探測、航空探礦、交通巡邏等三十多個行業(yè)力而的應用也將進一步得到開發(fā)。

　　3.2農(nóng)業(yè)領域中電動多旋翼飛行器的應用

　　電動多旋翼飛行器以穩(wěn)定飛行和操作簡單的特性，攜帶藥液進行低空噴灑(比農(nóng)作物高2米)，可以實現(xiàn)噴灑均勻，藥效好，極大的節(jié)約了人力，實現(xiàn)高效率作業(yè)飛行器攜帶病蟲色譜攝影設各還可以對大而積植被進行病蟲害監(jiān)測和預警，做到及早發(fā)現(xiàn)，及時治理具體講，電動多旋翼飛行器在農(nóng)業(yè)中的應用體現(xiàn)在兩大力而:

　　第一，農(nóng)田信息獲取由于傳統(tǒng)農(nóng)田信息獲取力式受}S}于成本和作業(yè)周期等的影響，加上我國作物種植情況復雜、作物品種多樣，因此低空農(nóng)田信息獲取系統(tǒng)有著更好的發(fā)展前景而電動多旋翼飛行器具有懸停、小范圍采集農(nóng)田信息、小受空域影響、對農(nóng)田沒有破壞性等優(yōu)點，因此適合農(nóng)田信息采集與獲取，替代大多數(shù)的人工采集

　　第二，農(nóng)作物植保噴灑農(nóng)村土地流轉(zhuǎn)的加速導致越來越多的農(nóng)民開始規(guī)�；�經(jīng)營，規(guī)�；�經(jīng)營就要求有相應的生產(chǎn)技術作為配套，例如農(nóng)作物植保噴灑領域多旋翼飛行器以穩(wěn)定飛行和操作簡單的特性，攜帶藥液進行低空噴灑，可以實現(xiàn)噴灑均勻，藥效好，極大地節(jié)約了人力，實現(xiàn)高效率作業(yè);飛行器攜帶病蟲色譜攝影設各還可以對大而積植被進行病蟲害監(jiān)測和預警，做到及早發(fā)現(xiàn)，及時治理。