電動多旋翼飛行器的設(shè)計及其在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)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(jī)、直升機(jī)、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(wù)，這決定了旋翼飛行器能夠執(zhí)行某些固定翼飛機(jī)無法完成的任務(wù)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(jī)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(jī)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(jī)和外部設(shè)各電動多旋翼飛行器由無刷電機(jī)驅(qū)動螺旋槳組成單組旋翼動力系統(tǒng)，由慣導(dǎo)系統(tǒng)、飛控系統(tǒng)、導(dǎo)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(hù)力而，簡單的機(jī)械部件組成與傳統(tǒng)直升機(jī)相比維護(hù)相當(dāng)簡單;第五，操作力而，操縱簡單，整機(jī)全電子增穩(wěn)，一個人只需要半天左右學(xué)習(xí)就基本可以獨立駕駛。

　　當(dāng)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(jī)相比差得太遠(yuǎn)，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(jī);其次，靈活性欠什蟲然電動多旋翼飛機(jī)比直升飛機(jī)略快一點，安全性也更高，但其使用靈活性卻比直升飛機(jī)差太多它的機(jī)動性遠(yuǎn)遜于直升飛機(jī)，小能懸停，更小能倒飛而且蟲然比固定翼飛機(jī)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(shè)計更多復(fù)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(shè)計

　　2.1控制系統(tǒng)硬件設(shè)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(jī)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(dǎo)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(jī)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(jī)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(kuò)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(qiáng)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(shè)計

　　直流無刷電機(jī)由電動機(jī)主體和驅(qū)動器組成，是一種典型的機(jī)電-體化產(chǎn)品直流無刷電機(jī)(BLCD)既具各直流電動機(jī)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(jī)的結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、維護(hù)力便等特點直流無刷電機(jī)主要由電機(jī)本體、位置傳感器和電子開關(guān)電路等三部分組成無刷電機(jī)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(dāng)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(jī)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(jī)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(shè)計

　　慣性導(dǎo)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(dǎo)航系統(tǒng)(SINS)是慣性導(dǎo)航的一種，它具有完全自主，全天候工作、機(jī)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(dǎo)航參數(shù)信息然而，慣導(dǎo)系統(tǒng)存在誤差隨時間迅速積累的缺點因此，具有用戶設(shè)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(dǎo)航系統(tǒng)(GLASS)在定位、測姿、測速等力而得到了廣泛應(yīng)用日前公認(rèn)的四個全球衛(wèi)星導(dǎo)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(yīng)用最為廣泛GPS和SINS具有極好的互補(bǔ)性根據(jù)實際中小同的應(yīng)用要求，SINS/GPS組合導(dǎo)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(chǔ)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(yīng)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(yīng)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(yīng)急通訊、電力應(yīng)用、海運應(yīng)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(yīng)用也將進(jìn)一步得到開發(fā)。

　　3.2農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中電動多旋翼飛行器的應(yīng)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(jìn)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(shè)各還可以對大而積植被進(jìn)行病蟲害監(jiān)測和預(yù)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(yīng)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(fù)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(dǎo)致越來越多的農(nóng)民開始規(guī)模化經(jīng)營，規(guī)�；�經(jīng)營就要求有相應(yīng)的生產(chǎn)技術(shù)作為配套，例如農(nóng)作物植保噴灑領(lǐng)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(jìn)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(shè)各還可以對大而積植被進(jìn)行病蟲害監(jiān)測和預(yù)警，做到及早發(fā)現(xiàn)，及時治理。