植保農(nóng)用無(wú)人機(jī)的設(shè)計(jì)

山東科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）—1緒論1.1研究背景跟隨時(shí)間的步伐邁入21世紀(jì)后，我國(guó)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方面取得矚目成就的同時(shí)也存在著很多問(wèn)題，如水土流失、病蟲(chóng)害、自然災(zāi)害等。對(duì)此，提出了回歸農(nóng)業(yè)、可持續(xù)農(nóng)業(yè)、生態(tài)經(jīng)濟(jì)農(nóng)業(yè)、包容性農(nóng)業(yè)、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)等多種農(nóng)業(yè)發(fā)展模式，主要是為了降低投入產(chǎn)出比，提高農(nóng)業(yè)資源的利用率。，并嘗試。通過(guò)減少環(huán)境污染實(shí)現(xiàn)社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益最大化，傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)正在向“精細(xì)農(nóng)業(yè)”發(fā)展。近幾年雜交水稻等一系列農(nóng)業(yè)新技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用使我國(guó)農(nóng)作物產(chǎn)量連創(chuàng)新高。隨著各種農(nóng)作物的大面積播種，抑制糧食產(chǎn)量的另一問(wèn)題日益凸顯，即農(nóng)作物病蟲(chóng)害。農(nóng)作物病蟲(chóng)害是伴隨著整個(gè)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中最為嚴(yán)重的生物災(zāi)害。為了保證糧食產(chǎn)量，從播種到收獲的每一生長(zhǎng)階段都要對(duì)各種蟲(chóng)害進(jìn)行防治，其品種之多、影響范圍之廣、傳播速度之快、控制難度之大等問(wèn)題嚴(yán)重制約著農(nóng)作物產(chǎn)量持續(xù)穩(wěn)定提升。聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，平均每年世界糧食總產(chǎn)量的24%會(huì)由于病蟲(chóng)害的原因白白損失，造成糧食減產(chǎn)。在全球范圍內(nèi)，我國(guó)是受農(nóng)作物病蟲(chóng)害影響致使糧食產(chǎn)量下降最為嚴(yán)重的國(guó)家之一，且受害面積呈逐年增長(zhǎng)趨勢(shì)。僅2005年的褐飛風(fēng)大暴發(fā)致使上百萬(wàn)公頃的農(nóng)作物枯萎，造成高達(dá)40億元的經(jīng)濟(jì)損失。因此，為了更好的保證農(nóng)作物生長(zhǎng)，使糧食產(chǎn)量穩(wěn)中提升，對(duì)病蟲(chóng)害防治這一環(huán)節(jié)必須要有足夠高的重視?；瘜W(xué)防治、物理防治、生物防治和綜合防治是較為常見(jiàn)的病蟲(chóng)害防治方法，尤其是化學(xué)防治對(duì)于突發(fā)性、大面積爆發(fā)的病蟲(chóng)害可以做到及時(shí)控制與防治，因而在農(nóng)作物病蟲(chóng)害防治過(guò)程中應(yīng)用最為廣泛。圖1-1植保農(nóng)用無(wú)人機(jī)1.2研究目的及意義近幾年農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量備受人們關(guān)注，因此無(wú)論是對(duì)田地的農(nóng)藥噴灑還是化肥施加既要面面俱到不遺漏又不能二次重復(fù)作業(yè)，在保障農(nóng)產(chǎn)品合格的前提下最大化的減少資源浪費(fèi)和環(huán)境污染，這就要求我國(guó)的農(nóng)作物植保模式要由以往的粗獷式向精準(zhǔn)式轉(zhuǎn)變，植保無(wú)人機(jī)的應(yīng)用適合當(dāng)前農(nóng)田作業(yè)現(xiàn)代化、信息化、精準(zhǔn)化的新要求。植保無(wú)人機(jī)以其作業(yè)效率高、數(shù)字集成度好、安全穩(wěn)定、全自動(dòng)化等性能逐漸被用于精準(zhǔn)植保作業(yè)的研究，對(duì)病蟲(chóng)害災(zāi)情具有準(zhǔn)確預(yù)判和快速處理能力的新型植保方式快速發(fā)展起來(lái)。隨著航空技術(shù)和智能控制的發(fā)展，無(wú)人機(jī)自動(dòng)化程度逐漸提高，如何以低能耗、高效率的方式實(shí)現(xiàn)自主作業(yè)，也是當(dāng)前植保無(wú)人機(jī)的主要研究方向。植保無(wú)人機(jī)具有高效作業(yè)、隨時(shí)起降、具有安全性能高、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)的特點(diǎn)，可完成農(nóng)田信息采集、農(nóng)作物種植、噴灑等植保任務(wù)。同時(shí)，操作人員可以通過(guò)與國(guó)外的間接交流進(jìn)行操作和控制操作，從根本上降低了植保人員接觸藥液中毒的風(fēng)險(xiǎn)。植保無(wú)人機(jī)根據(jù)不同的標(biāo)準(zhǔn)可分為不同的類(lèi)別，根據(jù)配置可分為固定翼植保無(wú)人機(jī)、單旋翼植保無(wú)人機(jī)和多旋翼植保無(wú)人機(jī)。與固定翼和單旋翼無(wú)人機(jī)相比，多旋翼植保無(wú)人機(jī)有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)：（1）體積小，飛行速度快，操作簡(jiǎn)單，機(jī)動(dòng)靈活，可實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)作業(yè)；（2）旋翼旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生下旋氣流能打散藥滴，使藥液霧化，噴灑更均勻，作業(yè)效率更高；（3）布局緊湊，機(jī)械構(gòu)造簡(jiǎn)易，可垂直起降，不受場(chǎng)地限制；（4）低空懸停，對(duì)單株高桿農(nóng)作物有良好作業(yè)管理能力；（5）重負(fù)載，機(jī)動(dòng)靈活性強(qiáng)，受天氣和地形的影響較小。綜上所述，因多旋翼無(wú)人機(jī)具備上述優(yōu)越特點(diǎn)，適合當(dāng)前大力提倡的高效、準(zhǔn)確的農(nóng)田作業(yè)模式，尤其是針對(duì)特殊地形和單株植被的精準(zhǔn)作業(yè)有著不可替代的優(yōu)勢(shì)。加大對(duì)多旋翼植保無(wú)人機(jī)的研究力度既符合我國(guó)近幾年提出的“中國(guó)制造2025”的人工智能發(fā)展趨勢(shì)也響應(yīng)了國(guó)家對(duì)于農(nóng)業(yè)做出的“十三五”規(guī)劃的號(hào)召。多旋翼植保無(wú)人機(jī)的研制順應(yīng)了廣泛采用航空植保作業(yè)的世界潮流，在減輕農(nóng)民勞動(dòng)強(qiáng)度、提高作業(yè)效率的同時(shí)減少了資源浪費(fèi)，降低了化學(xué)污染，對(duì)我國(guó)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)植保工程進(jìn)行統(tǒng)防統(tǒng)治有著深遠(yuǎn)的意義。1.3國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.3.1國(guó)外研究現(xiàn)狀全球范圍內(nèi)，發(fā)達(dá)國(guó)家和各農(nóng)業(yè)大國(guó)在植保無(wú)人機(jī)的研制與應(yīng)用上快人一步，形成了集監(jiān)測(cè)、預(yù)防和治療于一體的精準(zhǔn)化植保體系，以植保無(wú)人機(jī)為主要管理經(jīng)營(yíng)模式的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式已經(jīng)大規(guī)模投入使用，形成了以多機(jī)協(xié)同植保作業(yè)的流水線操作方式，逐漸達(dá)到了對(duì)農(nóng)作物進(jìn)行全方位統(tǒng)防統(tǒng)治的宏偉規(guī)模。將植保無(wú)人機(jī)作為主要農(nóng)業(yè)生產(chǎn)作業(yè)工具的發(fā)達(dá)國(guó)家和農(nóng)業(yè)大國(guó)建立了比較完善的法律法規(guī)，以保證無(wú)人機(jī)植保作業(yè)的正常化、標(biāo)準(zhǔn)化、合理化、規(guī)范化、秩序化以及產(chǎn)業(yè)化，使植保無(wú)人機(jī)的應(yīng)用與發(fā)展得到了強(qiáng)有力的國(guó)家支持與法律支撐。早在1912年，加拿大就將當(dāng)時(shí)僅有的固定翼飛機(jī)用于大塊農(nóng)田和成片果林的農(nóng)藥噴灑輔助工具。1918年美國(guó)突發(fā)大面積蟲(chóng)害，執(zhí)政黨當(dāng)機(jī)立斷啟用飛機(jī)高空噴施農(nóng)藥應(yīng)對(duì)自然災(zāi)害，航空植保作業(yè)的歷史帷幕就此拉開(kāi)。從此日本開(kāi)啟了使用無(wú)人機(jī)對(duì)農(nóng)作物進(jìn)行植保作業(yè)的新紀(jì)元。國(guó)際機(jī)器人協(xié)會(huì)的調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，目前日本用于不同工種植保作業(yè)的無(wú)人機(jī)已超萬(wàn)臺(tái)，這些作業(yè)工種不同的無(wú)人機(jī)完成了集監(jiān)控、播種、授粉、施肥、噴藥等一系列的植保作業(yè)并通過(guò)云端向控制系統(tǒng)進(jìn)行信息的實(shí)時(shí)反饋。官方數(shù)據(jù)顯示30年之后的現(xiàn)在，日本僅通過(guò)注冊(cè)的植保無(wú)人機(jī)就高達(dá)兩千多臺(tái)，操控人員已超萬(wàn)人，這顯示著日本已成為使用無(wú)人機(jī)進(jìn)行植保作業(yè)的第一大國(guó)。日本的無(wú)人機(jī)植保作業(yè)技術(shù)及相關(guān)配套設(shè)施都已相當(dāng)完善，操作實(shí)現(xiàn)“傻瓜式”，作業(yè)效率翻了幾倍。最新數(shù)據(jù)顯示，到目前為止日本航空植保作業(yè)的農(nóng)田面積占總耕種面積的54%。美國(guó)航空植保作業(yè)的發(fā)展毫不遜色日本，尤其是近幾年獨(dú)占鰲頭，其植保技術(shù)歷經(jīng)了有人駕駛向無(wú)人駕駛的漫長(zhǎng)過(guò)渡，以大型農(nóng)場(chǎng)為主的農(nóng)作物種植模式常常需要大面積植保作業(yè)，強(qiáng)載荷的大型固定翼有人駕駛飛機(jī)是其研究重點(diǎn)。近幾年，由于精準(zhǔn)作業(yè)的提出與需要，美國(guó)也致力于小型多旋翼植保無(wú)人機(jī)的研制，形成了較為完善的農(nóng)業(yè)航空服務(wù)組織，較為規(guī)范的噴藥施肥作業(yè)模式，較為齊全的作業(yè)配套設(shè)施和較為健全的法律法規(guī)保障體系。植保無(wú)人機(jī)也被廣泛投入于其他國(guó)家農(nóng)作物的種植與防治中，如在地廣人稀的俄羅斯農(nóng)用作業(yè)無(wú)人機(jī)數(shù)量高達(dá)萬(wàn)臺(tái)；而在以山地丘陵地貌為主的韓國(guó)，植保無(wú)人機(jī)應(yīng)用較晚，始于2003年，但隨后這些年正在以驚人的速度追趕其他發(fā)達(dá)國(guó)家。1.3.2國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀1956年，為響應(yīng)國(guó)家號(hào)召，中國(guó)民航局牽頭成立了首個(gè)航空植保機(jī)關(guān)。中國(guó)作為一個(gè)擁有著18億畝基本農(nóng)田的農(nóng)業(yè)大國(guó)，幅員遼闊，南北跨度大，地形地貌截然不同，因此需要根據(jù)植保作業(yè)的地域?qū)崨r去選用無(wú)人機(jī)。直到2006年，我國(guó)的植保作業(yè)方式依舊過(guò)于單一，以載人植保飛機(jī)為主，適合我國(guó)以平原地貌為主的中北部地區(qū)，在地形復(fù)雜的南方卻不再適用。經(jīng)過(guò)近十年的發(fā)展，我國(guó)用于植保作業(yè)的航空飛機(jī)完成了由原來(lái)單一的載人飛機(jī)到多樣化的航空植保作業(yè)無(wú)人機(jī)的完美轉(zhuǎn)變。20世紀(jì)，無(wú)人駕駛汽車(chē)和無(wú)人植保飛機(jī)等設(shè)備快速興起，但是，作為農(nóng)業(yè)大國(guó)，我國(guó)植保無(wú)人機(jī)的研究還處于起步階段，沒(méi)有廣泛使用，也沒(méi)有理想的法律法規(guī)來(lái)保障飛行和運(yùn)行。2004年，在國(guó)家863計(jì)劃的推動(dòng)下，科技部、農(nóng)業(yè)部與南京農(nóng)機(jī)化研究所合作舉辦了“中日飛天植物保護(hù)南京研討會(huì)”，促進(jìn)了許多科學(xué)我國(guó)低海拔植保作業(yè)研究.2006年，中科院張曉超團(tuán)隊(duì)首次使用了小農(nóng)區(qū)無(wú)人植保設(shè)備監(jiān)測(cè)平臺(tái)，但只是模擬了通過(guò)監(jiān)測(cè)平臺(tái)獲得的數(shù)據(jù)，并未開(kāi)發(fā)和全面實(shí)施。平臺(tái)。2008年，浙江大學(xué)孫琦等人利用日本赫拉克勒斯Ⅱ型無(wú)人機(jī)影像平臺(tái)采集新樣本，用于浙江水稻梯田氮食物的診斷研究，但該設(shè)備僅由一架無(wú)人機(jī)攜帶。意象。該工具用于通過(guò)3D建模進(jìn)行病蟲(chóng)害識(shí)別，功能單一，界面復(fù)雜，無(wú)法獨(dú)立添加專(zhuān)業(yè)功能，限制了其發(fā)展。2014年，廣州吉飛電子科技有限公司研發(fā)的植保無(wú)人機(jī)“P20”新疆首次將化肥與農(nóng)藥結(jié)合使用的生產(chǎn)工藝及實(shí)踐系列，以奇效而聞名。2015年，中國(guó)民航總局發(fā)布了《輕型和小型無(wú)人機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行管理暫行規(guī)定》，對(duì)無(wú)人機(jī)植保飛行員的運(yùn)行、管理和培訓(xùn)制定了詳細(xì)規(guī)定。同年，中央出臺(tái)了惠農(nóng)政策，在河南、山東、江蘇等農(nóng)業(yè)大省試行。

2植保農(nóng)業(yè)無(wú)人機(jī)飛行原理及需求分析2.1植保農(nóng)用無(wú)人機(jī)飛行原理植保無(wú)人機(jī)眾多旋轉(zhuǎn)部件之間，任意兩個(gè)相鄰部件之間的夾角為π/3，均勻分布在一個(gè)以框架中心為圓心，以機(jī)翼長(zhǎng)度為半徑的大圓內(nèi)。多個(gè)旋轉(zhuǎn)支架的參數(shù)完全標(biāo)準(zhǔn)化，設(shè)置在同一高度和同一水平面上。將轉(zhuǎn)子相對(duì)的兩組分成一組，共三組。轉(zhuǎn)子1、3和編號(hào)5它們逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子2、4和6順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。與固定翼直升機(jī)和飛機(jī)不同，農(nóng)用植保無(wú)人機(jī)必須同時(shí)控制多個(gè)旋轉(zhuǎn)部件的電調(diào)輸出，根據(jù)飛行需要實(shí)時(shí)調(diào)整外置無(wú)刷旋翼的轉(zhuǎn)速，從而完成精準(zhǔn)位置控制和使身體做飛行、旋轉(zhuǎn)、傾斜、偏轉(zhuǎn)等飛行動(dòng)作，其他飛行姿勢(shì)可以通過(guò)結(jié)合這些動(dòng)作來(lái)實(shí)現(xiàn)。植保農(nóng)用無(wú)人機(jī)運(yùn)動(dòng)分析如圖2-1所示。圖2-3植保農(nóng)業(yè)無(wú)人機(jī)運(yùn)動(dòng)分析圖2.2植保農(nóng)業(yè)無(wú)人機(jī)控制系統(tǒng)需求分析本文是對(duì)植保農(nóng)用無(wú)人機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析，其主要研究目的是利用植保農(nóng)用無(wú)人機(jī)完成目標(biāo)區(qū)域內(nèi)的農(nóng)藥噴施，在這一作業(yè)過(guò)程中要維持無(wú)人機(jī)的飛行高度，控制其飛行穩(wěn)定性并對(duì)藥液剩余量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。因此，把多旋翼無(wú)人機(jī)植保作業(yè)的基本功能需求歸納如下：（1）飛行控制功能無(wú)人機(jī)飛行操控手既可利用遙控器對(duì)植保農(nóng)用無(wú)人機(jī)進(jìn)行手動(dòng)控制又可以通過(guò)地面站對(duì)其進(jìn)行飛行軌跡規(guī)劃，使其完成自主飛行。（2）農(nóng)藥噴施功能無(wú)人機(jī)飛行操控手既可以通過(guò)遙控器給植保農(nóng)用無(wú)人機(jī)發(fā)送指令使其到達(dá)指定區(qū)域進(jìn)行手動(dòng)作業(yè)又可讓其自主飛行至指定作業(yè)區(qū)自動(dòng)進(jìn)行農(nóng)藥噴灑。（3）藥量監(jiān)測(cè)功能當(dāng)植保農(nóng)用無(wú)人機(jī)進(jìn)行農(nóng)藥噴施作業(yè)時(shí)，要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)藥箱的藥液剩余量，當(dāng)?shù)陀谀骋婚撝禃r(shí)，需要返航進(jìn)行藥液填充。（4）自主避障功能田間地頭難免有樹(shù)、電線桿等障礙物，植保無(wú)人機(jī)在自主軌跡規(guī)劃飛行時(shí)需要對(duì)飛行前方一定范圍內(nèi)是否存在障礙物進(jìn)行預(yù)判并能自主避障，以免造成重大經(jīng)濟(jì)損失。（5）安全控制功能植保無(wú)人機(jī)在飛行過(guò)程中應(yīng)針對(duì)可能出現(xiàn)的信號(hào)暫時(shí)中斷、電池電量不足等突發(fā)狀況進(jìn)行應(yīng)急處理，實(shí)現(xiàn)植保無(wú)人機(jī)安全著陸或返航。

3植保農(nóng)業(yè)無(wú)人機(jī)總體方案設(shè)計(jì)3.1植保農(nóng)業(yè)無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)選型無(wú)人機(jī)主要分為旋轉(zhuǎn)臂和固定臂兩大類(lèi)，其中旋轉(zhuǎn)臂分為單旋翼和多旋翼。顧名思義，植保無(wú)人機(jī)有多個(gè)旋翼，是多旋翼無(wú)人機(jī)的一種。單旋翼和多旋翼雖然都屬于旋翼飛行器，但管道結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)卻完全不同。因?yàn)闊o(wú)人機(jī)槳葉螺距的存在，在旋翼旋轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)與旋轉(zhuǎn)方向相反的扭矩，對(duì)于單旋翼無(wú)人機(jī)來(lái)說(shuō)，需要在機(jī)尾增加一個(gè)小旋槳也就是尾槳，依靠其旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生一個(gè)力，這個(gè)力與作用在反扭矩上的力大小相等方向相反，這兩個(gè)力相互抵消使無(wú)人機(jī)得以平穩(wěn)飛行，但是當(dāng)無(wú)人機(jī)飛行姿態(tài)需要調(diào)整時(shí)就得不斷地改變槳葉的角度來(lái)改變槳距的大小，這樣槳葉的工作效率就被大大削弱了。而植保農(nóng)用無(wú)人機(jī)的飛行姿態(tài)的調(diào)整和升力的獲得完全得益于旋翼的旋轉(zhuǎn)，其旋翼數(shù)通常是偶數(shù)，相對(duì)的旋翼是一組，在轉(zhuǎn)速相同的情況下會(huì)產(chǎn)生大小相同、方向相反的槳距，這樣每個(gè)旋翼旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的反扭矩就都一一抵消了。和單旋翼無(wú)人機(jī)相比，既簡(jiǎn)化了機(jī)身的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也使系統(tǒng)的穩(wěn)定性得以提高，且當(dāng)某個(gè)旋翼出現(xiàn)故障不旋轉(zhuǎn)時(shí)其他五個(gè)旋翼會(huì)繼續(xù)工作，給操作人員一段反應(yīng)時(shí)間，不至于立即墜機(jī)，在理論上旋翼數(shù)越多，無(wú)人機(jī)獲得的升力越大，負(fù)載越重，飛行也越平穩(wěn)。本課題的初始階段，作者嘗試購(gòu)買(mǎi)原材料通過(guò)具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、加工來(lái)實(shí)現(xiàn)多旋翼植保機(jī)的主體結(jié)構(gòu)，但是被繁瑣的零部件購(gòu)買(mǎi)和繁雜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所困擾。經(jīng)過(guò)第一輪的選擇和設(shè)計(jì)失敗后，決定以現(xiàn)成的多旋翼航模連接安裝板為基礎(chǔ)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。具體的結(jié)構(gòu)如圖3-1所示。圖3-1植保農(nóng)用無(wú)人機(jī)主體機(jī)架多旋翼無(wú)人植保機(jī)與多旋翼航模的不同之處在于多旋翼航模的承載質(zhì)量較輕，而多旋翼無(wú)人植保機(jī)由于需要搭載藥箱及藥劑，承載較重。這就導(dǎo)致兩者機(jī)臂所承受的載荷及旋翼所產(chǎn)生的升力之間的不同。為解決這一問(wèn)題，選用多旋翼航模的連接安裝板，大尺寸的旋翼及設(shè)計(jì)大直徑的機(jī)臂。此安裝板的優(yōu)勢(shì)在于其內(nèi)部可用于連接的部位較多，除了可通過(guò)螺釘直接與藥箱安裝支架、控制部件支架進(jìn)行連接外，其與機(jī)臂連接處的接口能拆卸，可通過(guò)卡槽連接對(duì)連接機(jī)臂的位置進(jìn)行調(diào)整或?qū)C(jī)臂進(jìn)行更換。3.2主要零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在選用成熟的連接安裝板及旋翼后，整機(jī)主要需對(duì)機(jī)臂及機(jī)臂與旋翼連接方式、機(jī)臂與支撐腳連接方式、機(jī)臂與安裝板連接方式進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。同時(shí)，根據(jù)設(shè)計(jì)后的安裝情況，對(duì)整機(jī)及旋翼的受力進(jìn)行分析。（1）對(duì)機(jī)臂的設(shè)計(jì)如圖3-2a所示，為旋翼上的安裝接口；如圖3-2b所示，為安裝板上的安裝接口。圖3-2安裝接口根據(jù)旋翼上和安裝板上的安裝接口，設(shè)計(jì)如圖3-3所示的機(jī)臂及3-4所示的安裝方式。圖3-3機(jī)臂結(jié)構(gòu)型式在機(jī)臂的兩端設(shè)計(jì)定位用凸臺(tái)，便于使用安裝件進(jìn)行連接。圖3-4機(jī)臂安裝方式（2）機(jī)臂與支撐腳的連接設(shè)計(jì)圖3-5a中所示的轉(zhuǎn)向安裝件，實(shí)現(xiàn)機(jī)臂與支撐腳的有效連接。圖3-5機(jī)臂與支撐腳的連接方式機(jī)臂的設(shè)計(jì)及機(jī)臂與旋翼連接設(shè)計(jì)、機(jī)臂與支撐腳連接設(shè)計(jì)、機(jī)臂與安裝板連接設(shè)計(jì)主要解決了機(jī)臂容易產(chǎn)生疲勞失效及靜態(tài)穩(wěn)定性的問(wèn)題。當(dāng)多次飛行后，即使機(jī)臂產(chǎn)生疲勞失效，也可以直接更換機(jī)臂及安裝件實(shí)現(xiàn)整機(jī)的繼續(xù)使用。而轉(zhuǎn)向安裝件可沿機(jī)臂軸線方向任意調(diào)節(jié)位置，以調(diào)節(jié)整機(jī)重心，實(shí)現(xiàn)靜態(tài)穩(wěn)定性的問(wèn)題。3.3旋翼組件參數(shù)分析及選型本文選用的植保農(nóng)用無(wú)人機(jī)的旋翼組件主要由無(wú)刷電機(jī)、電子調(diào)速器（以下簡(jiǎn)稱(chēng)電調(diào)）、螺旋槳三部分組成，是植保無(wú)人機(jī)獲得動(dòng)力維持升力的重要部分。單旋翼無(wú)人直升機(jī)的槳距調(diào)節(jié)裝置非常復(fù)雜，并且調(diào)節(jié)范圍有限，因此旋翼尺寸的選型較為固定，這就決定了其負(fù)載能力的大小相對(duì)變化范圍很小。而多旋翼無(wú)人機(jī)的機(jī)械構(gòu)造復(fù)雜多變，旋翼和電機(jī)配對(duì)也相當(dāng)靈活，不同用途的無(wú)人機(jī)對(duì)其負(fù)載能力和續(xù)航時(shí)間要求差異較大，因此需要針對(duì)具體作業(yè)要求對(duì)無(wú)人機(jī)的電機(jī)、旋翼和電調(diào)等部件進(jìn)行選型討論。植保農(nóng)用無(wú)人機(jī)的旋翼組件結(jié)構(gòu)圖如圖3-6所示。圖3-6旋翼組件結(jié)構(gòu)圖3.3.1力效力效在數(shù)值上等于無(wú)人機(jī)每消耗單位能量所產(chǎn)生向上的拉力，其定義式為：力效=拉力/功率（其中，功率=電壓×電流）。力效是無(wú)人機(jī)能量利用率高低的一個(gè)表征量，其大小可以決定相同負(fù)載下植保農(nóng)用無(wú)人機(jī)飛行時(shí)間的長(zhǎng)短，也就是說(shuō)，在相對(duì)情況下，力效高則表示做的有用功多，即能量的利用率高，無(wú)人機(jī)在空中飛行的時(shí)間相對(duì)來(lái)說(shuō)也就比較長(zhǎng)。一般正規(guī)廠家都會(huì)給出與各款電機(jī)相對(duì)應(yīng)的力效表，這就極大的方便了對(duì)旋翼和電機(jī)的選型搭配。經(jīng)查閱大量資料得知，旋翼的工作效率是影響力效大小的主要因素，而旋翼工作效率的提高可以通過(guò)選用較大直徑的槳葉并盡量使旋翼處于相對(duì)轉(zhuǎn)速較低的工作狀態(tài)來(lái)實(shí)現(xiàn)。旋翼的轉(zhuǎn)速越低，其力效越大；旋翼槳葉的直徑越大產(chǎn)生的阻力就越大，需要配備的電機(jī)的扭力也就越大即需要配備KV值較低的電機(jī)，因此，要想產(chǎn)生足夠大的升力就要選擇大直徑旋翼和大扭力電機(jī)相搭配的旋翼組件。而且當(dāng)較低KV值的電機(jī)發(fā)生單位電壓變化時(shí)，螺旋槳產(chǎn)生的升力變化不大即所提供的拉力變化較為平緩，有利于植保農(nóng)用無(wú)人機(jī)的穩(wěn)定飛行控制，能更精準(zhǔn)的調(diào)整其飛行姿態(tài)。3.3.2旋翼組件參數(shù)分析及選型植保農(nóng)用無(wú)人機(jī)的升力是由電機(jī)驅(qū)動(dòng)旋翼旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的，因此電機(jī)性能的高低直接影響著植保農(nóng)用無(wú)人機(jī)載荷負(fù)重、續(xù)航能力以及靈活作業(yè)等要求是否達(dá)標(biāo)。有刷電機(jī)和無(wú)刷電機(jī)是為無(wú)人機(jī)提供動(dòng)力的兩種電機(jī)，其中無(wú)刷電機(jī)兼?zhèn)淞私涣麟姍C(jī)和直流電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，以其高效率、小體積、可靠安全等特性，在航模和無(wú)人機(jī)領(lǐng)域應(yīng)用較廣。因此，選用無(wú)刷電機(jī)作為植保農(nóng)用無(wú)人機(jī)的動(dòng)力輸出，對(duì)其具體型號(hào)的選定做進(jìn)一步的討論。本文研究的植保農(nóng)用無(wú)人機(jī)要求續(xù)航時(shí)間為10min，可負(fù)載12kg藥液，再加上3kg機(jī)身自重，總重約為15kg，則分配到每個(gè)螺旋槳上的負(fù)重約為2.5kg，也就是說(shuō)每個(gè)旋翼在旋轉(zhuǎn)時(shí)要提供2500g向上的拉力，還需要考慮到高轉(zhuǎn)速和滿負(fù)荷工作下旋翼和電機(jī)的組合力效會(huì)比較低的實(shí)際問(wèn)題，因此在植保農(nóng)用無(wú)人機(jī)進(jìn)行植保作業(yè)時(shí)要控制油門(mén)的供給量為50%左右，這樣就既可以有一定的動(dòng)力余量又不至于動(dòng)力過(guò)剩。因而選型的問(wèn)題就轉(zhuǎn)化成要選取在油門(mén)供給量為50%時(shí)能產(chǎn)生2500g向上的拉力的電機(jī)和旋翼的驅(qū)動(dòng)裝置組合。本文選用ETF廠家生產(chǎn)的6015HD-150KV無(wú)刷電機(jī)和與其搭配的旋翼為植保農(nóng)用無(wú)人機(jī)植保作業(yè)提供源源不斷的動(dòng)力。6015HD-150KV無(wú)刷電機(jī)如圖3-7所示。圖3-76015HD-150KV無(wú)刷電機(jī)旋翼是植保農(nóng)用無(wú)人機(jī)的主要升力部件，在選型時(shí)需要同時(shí)考慮兩個(gè)參數(shù)：槳葉直徑和螺距。槳葉直徑即為旋翼的長(zhǎng)度，而旋翼旋轉(zhuǎn)一圈無(wú)人機(jī)前進(jìn)的距離則是其螺距。旋翼的選取一定要和電機(jī)相搭配，綜合考慮分析，具體的搭配原則在上一節(jié)中已經(jīng)介紹過(guò)，這里不再贅述。目前，大部分廠商在電機(jī)出廠時(shí)就已經(jīng)為其搭配好了相應(yīng)的旋翼進(jìn)行配套出售，這就大大減少了在旋翼選型上的討論。廠家提供的與6015HD-150KV無(wú)刷電機(jī)相搭配的旋翼是由碳纖維材料制成，具有質(zhì)量輕，阻力小，可承受應(yīng)力大，不易變形等特性，其實(shí)物圖如圖3-8所示。圖3-8旋翼廠家給出的6015HD-150KV無(wú)刷電機(jī)測(cè)試數(shù)據(jù)如表3-1所示。通過(guò)廠家提供的測(cè)試數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)單個(gè)旋翼產(chǎn)生向上的2690g拉力時(shí)，力效為7.51g/w，在進(jìn)行大量數(shù)據(jù)對(duì)比之后可得知，這個(gè)數(shù)據(jù)在2700g拉力級(jí)的植保農(nóng)用無(wú)人機(jī)工作效率中相對(duì)來(lái)說(shuō)還是比較高的，符合本文研究的植保農(nóng)用無(wú)人機(jī)的無(wú)刷電機(jī)和旋翼的具體要求。表3-13-16015HD-150KV電機(jī)測(cè)試表電子調(diào)速器，簡(jiǎn)稱(chēng)電調(diào)，是控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速度的調(diào)節(jié)器[49,50]，在對(duì)其進(jìn)行選型時(shí)要綜合考慮和電機(jī)的匹配度以及正常工作時(shí)輸出的最大功率。為了保證在進(jìn)行植保作業(yè)過(guò)程中電子調(diào)速器能夠正常工作，其最大的負(fù)載電流要大于或等于正常工作時(shí)流經(jīng)電機(jī)的最大電流[51]。在電機(jī)選型確定之后，與之工作相匹配的電子調(diào)速器的型號(hào)也將隨之確立，本文選用T-Motor品牌的FLAME-80A電子調(diào)速器和6015HD-150KV直流無(wú)刷電機(jī)配合使用。FLAME-80A電子調(diào)速器具有速度可調(diào)范圍大，油門(mén)響應(yīng)速度快，工作效率高，抗干擾性能強(qiáng)，安全穩(wěn)定，處理結(jié)果精準(zhǔn)，可實(shí)現(xiàn)與多種型號(hào)飛行控制器兼容等性能。FLAME-80A電調(diào)實(shí)物圖如圖3-9所示。圖3-9FLAME-80A電調(diào)3.4傳感系統(tǒng)研究及傳感器選型3.4.1GPS傳感器選型GPS即全球定位系統(tǒng)，是由24顆衛(wèi)星組成的衛(wèi)星系統(tǒng)，幾乎可覆蓋全球。在地球上的任意地點(diǎn)、任何時(shí)間都可以同時(shí)檢測(cè)到其中的4顆衛(wèi)星，用于該點(diǎn)的經(jīng)、緯度和高度信息的采集，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航、定位等功能。目前這項(xiàng)技術(shù)發(fā)展較為成熟，廣泛應(yīng)用于飛機(jī)、船舶、車(chē)輛乃至行人出行的道路指引和位置監(jiān)測(cè)。而在本文中，為確保植保農(nóng)用無(wú)人機(jī)飛行作業(yè)的精準(zhǔn)性定位，需選用搜星能力強(qiáng)和自身性能穩(wěn)定的GPS傳感器。為防止因定位不準(zhǔn)確而導(dǎo)致漏噴、重噴現(xiàn)象的出現(xiàn)，GPS傳感器需向Pixhawk飛控實(shí)時(shí)提供無(wú)人機(jī)飛行和植保作業(yè)過(guò)程中的準(zhǔn)確位置信息，因而選用的GPS傳感器所提供的位置信息誤差要盡量的小，應(yīng)在0.5m的范圍之內(nèi)。為達(dá)到上述要求，本文擬選用P307高精度北斗PTK定位板卡為植保農(nóng)用無(wú)人機(jī)的飛行控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)提供位置信息。和其它GPS傳感器相比，在制作上，P307高精度北斗PTK定位板卡具有結(jié)構(gòu)緊湊、尺寸小、質(zhì)量輕、功耗低等適合機(jī)載GPS裝置的優(yōu)越特性；在技術(shù)上，P307高精度北斗PTK定位板卡也有著較為明顯的優(yōu)勢(shì)，例如：（1）高精度性，在北斗RTK定位板卡固定后，利用差分技術(shù)，可輸出高達(dá)厘米級(jí)位置精度；（2）多支持性，支持GPSL1/L2、GLONASSG1/G2以及BeiDouB1/B2/B3等多種衛(wèi)星系統(tǒng)；（3）廣兼容性，兼容ROX、RTCM2、RTCM3.0、RTCM3.2、CMR、CMR+等多種差分?jǐn)?shù)據(jù)格式；（4）長(zhǎng)效性，在差分信號(hào)丟失的情況下，COAST和SureTrack技術(shù)的應(yīng)用使其仍可保持40分鐘時(shí)間的DGNSS定位狀態(tài)[59]。綜上所述，結(jié)合植保農(nóng)用無(wú)人機(jī)的植保作業(yè)要求和P307高精度北斗PTK定位板卡的優(yōu)越性能，本文選用合眾思?jí)压旧a(chǎn)的P307高精度北斗PTK定位板卡為植保農(nóng)用無(wú)人機(jī)的Pixhawk飛行控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)提供位置信息。3.4.2高度測(cè)量傳感器選型雖然Pixhawk飛行控制板中集成有微型氣壓傳感器MS5611[60]，可以用來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)無(wú)人機(jī)的飛行高度，但卻不適合本植保農(nóng)用無(wú)人機(jī)的超低空作業(yè)模式。氣壓傳感器在進(jìn)行低空或超低空作業(yè)時(shí)受空氣流速和溫度影響，自身的測(cè)量精度會(huì)大大降低，其誤差有時(shí)可達(dá)幾米甚至是十米以上，因此微型氣壓傳感器MS5611的測(cè)量精度不能滿足植保農(nóng)用無(wú)人機(jī)在執(zhí)行低空植保作業(yè)時(shí)的需求。為了達(dá)到植保農(nóng)用無(wú)人機(jī)在低空、超低空植保作業(yè)時(shí)對(duì)高度的準(zhǔn)確檢測(cè)以及精準(zhǔn)定位的要求，本文選用毫米波雷達(dá)傳感器作為高度測(cè)量傳感器。該傳感器具有CAN總線、SPI總線、UART串口等多種通信接口，這些接口的存在有利于對(duì)其進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)利用，特別是因其有著體積小、重量輕、精準(zhǔn)性高（厘米級(jí)）、適合低空和超低空作業(yè)、可實(shí)現(xiàn)目標(biāo)快速跟蹤定位等特點(diǎn)，倍受航空植保行業(yè)青睞。毫米波雷達(dá)傳感器主要性能參數(shù)如表3-2所示表3-2毫米波雷達(dá)傳感器主要性能參數(shù)表

4植保農(nóng)用無(wú)人機(jī)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方案根據(jù)總體方案設(shè)計(jì)要求，對(duì)多旋翼無(wú)人植保機(jī)硬件進(jìn)行了方案設(shè)計(jì)，整個(gè)控制系統(tǒng)包括中心控制模塊、電源模塊、通信模塊、慣組模塊、電機(jī)控制模塊和泵系統(tǒng)。總體結(jié)構(gòu)框圖如圖4-1所示。圖4-1植保農(nóng)用無(wú)人機(jī)硬件結(jié)構(gòu)圖4.1中心控制模塊方案設(shè)計(jì)多旋翼無(wú)人植保機(jī)的中心控制模塊為整個(gè)系統(tǒng)的控制核心，主要實(shí)現(xiàn)與電源模塊、通信模塊、慣組模塊、電機(jī)模塊和泵系統(tǒng)的信息傳輸，實(shí)現(xiàn)飛行姿態(tài)改變和藥物噴灑的目的。根據(jù)總體需求，中心控制模塊需要滿足以下幾方面的要求：（1）要求實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換功能；（2）可實(shí)現(xiàn)9路PWM輸出，以控制多路電機(jī)及一路增壓水泵，并有相關(guān)反饋功能；（3）串口通信；（4）實(shí)現(xiàn)一定范圍的電壓轉(zhuǎn)換；（5）處理數(shù)據(jù)迅速。根據(jù)以上要求，綜合考慮，選擇32位TMS320F2812控制板為多旋翼無(wú)人植保機(jī)的中心控制模塊，其具體特性如表4-1所示。表4-1TMS320F2812DSP特性序號(hào)特性功效1高性能靜態(tài)CMOS技術(shù)150MHz；低功耗；JTAG邊界掃描支持2高性能32位CPU16×16和32×32介質(zhì)訪問(wèn)控制運(yùn)算；16×16雙MAC；哈佛總線架構(gòu)；連動(dòng)運(yùn)算；快速中斷響應(yīng)和處理；統(tǒng)一存儲(chǔ)器編程模型；4M線性程序/數(shù)據(jù)地址訪問(wèn)；高效代碼；處理器源代碼兼容3片載存儲(chǔ)器128K×16閃存；128K×16ROM；1K×16一次性可編程ROM；4K×16每個(gè)單獨(dú)訪問(wèn)RAM的2個(gè)塊4引導(dǎo)ROM帶有軟件引導(dǎo)模式；標(biāo)準(zhǔn)算術(shù)表5外部接口超過(guò)1M×16的總體內(nèi)存；可編程等待狀態(tài)；三個(gè)單獨(dú)的芯片選擇6時(shí)鐘和系統(tǒng)控制支持動(dòng)態(tài)鎖相環(huán)比率變化；片載振蕩器；安全裝置定時(shí)器模塊7128位安全密鑰/鎖保護(hù)閃存/ROM等8電機(jī)控制外設(shè)與240×A器件兼容；兩個(gè)事件管理器9串行端口外設(shè)串行外設(shè)接口；兩個(gè)串行通信接口，標(biāo)準(zhǔn)通用異步收發(fā)器；多通道緩沖串行端口1012位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，16通道2×8通道輸入復(fù)用器；兩個(gè)采樣保持；單一/同步轉(zhuǎn)換；快速轉(zhuǎn)換速率11高端仿真特性分析和斷點(diǎn)功能；借助硬件的實(shí)時(shí)調(diào)試12低功耗模式和省電模式可禁用獨(dú)立外設(shè)時(shí)鐘13其它小端序；三個(gè)外部中斷；可支持45個(gè)外設(shè)中斷；三個(gè)32位CPU定時(shí)器；56個(gè)通用I/O引腳；引腳LQFP封裝；-40℃至85℃溫度使用范圍4.2電源模塊方案設(shè)計(jì)多旋翼無(wú)人植保機(jī)電源模塊是為其他各模塊提供動(dòng)力保障的。當(dāng)每個(gè)電機(jī)產(chǎn)生所需的升力時(shí)，其所需的輸入電壓為22.2V，輸入電流為22.7A。所以選用24V、200A的鋰電池供電[36]。而且系統(tǒng)中各模塊所需的輸入電壓不同，有些模塊需要5V電源，例如通信模塊；有些模塊需要3.3V電源，例如中心控制模塊；有些模塊需要1.8V電源，例如慣組模塊。所以需要對(duì)電源模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)以實(shí)現(xiàn)電壓的轉(zhuǎn)換，如圖4-2所示。圖4-2電路電壓轉(zhuǎn)換圖圖中所示的三端穩(wěn)壓輸出電路，產(chǎn)生系統(tǒng)所需的5V、3.3V和1.8V電壓。具體電路圖如圖4-3所示。圖4-3復(fù)位電路圖4.3通信模塊選型多旋翼無(wú)人植保機(jī)通信模塊是實(shí)現(xiàn)地面和植保機(jī)之間的信息通信，例如根據(jù)實(shí)際情況對(duì)植保機(jī)發(fā)出各種位置、各種姿態(tài)的飛行指令等。在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，只需將傳感器通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)接口接入通信模塊，完成本地串口通訊，即可實(shí)現(xiàn)通信功能。根據(jù)這一需求，多旋翼無(wú)人植保機(jī)無(wú)線通訊模塊選用SmartNodeN608通訊板。SmartNodeN608工作在240～930兆赫茲的ISM頻段，工作電壓3～6伏，8引腳QFN封裝（20mm×20mm×3.7mm）。SmartNodeN608通訊板功率較低，以+10毫瓦分貝的功率輸出（發(fā)射）時(shí)，其電流為33毫安，以+17毫瓦分貝的功率輸出（發(fā)射）時(shí)，其電流也只為60毫安。可實(shí)現(xiàn)2500m以?xún)?nèi)的可靠信號(hào)傳輸。如圖4-4所示。圖4-5SmartNodeN608外觀引腳圖4.4電機(jī)控制模塊方案設(shè)計(jì)多旋翼無(wú)人植保機(jī)選用控制輸入電壓調(diào)節(jié)多個(gè)直流電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度。首先介紹其工作原理。電動(dòng)機(jī)的等效電路圖如圖4-6所示。圖4-6電動(dòng)機(jī)回路等效電路圖電動(dòng)機(jī)的電壓回路方程為：（4-1）式中，E為電動(dòng)機(jī)反電動(dòng)勢(shì)，i為電機(jī)電流瞬時(shí)值，L為主電路總電感，R為主電路等效電阻，Ushuru為電樞供電電壓。而電動(dòng)機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)與電機(jī)的轉(zhuǎn)速成正比：（4-2）式中，Ke為電機(jī)結(jié)構(gòu)決定的電動(dòng)勢(shì)常數(shù)，Φ為勵(lì)磁磁通，w為電機(jī)轉(zhuǎn)速。由此可見(jiàn)，對(duì)電動(dòng)機(jī)調(diào)速有以下方法：（1）調(diào)節(jié)輸入電壓Ushuru；（2）改變勵(lì)磁磁通Φ；（3）改變電樞回路電阻R。多旋翼無(wú)人植保機(jī)采用無(wú)極平滑調(diào)速方式，通過(guò)改變其輸入電壓實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)速度的改變。根據(jù)要求，選擇格賽5308-350KV型電機(jī)，其相關(guān)配套如表4-2所示。表4-2格賽5308-350KV電機(jī)配套數(shù)據(jù)漿（in）油門(mén)電壓（V）轉(zhuǎn)速（rpm)拉力（g）功率（W）力效（g/W）16×850%11.13180243021511.365%14.43820291029110.075%16.7447031083708.485%18.9498036795047.3100%22.2550042206306.7

5植保農(nóng)用無(wú)人機(jī)的調(diào)試及實(shí)現(xiàn)5.1植保農(nóng)用無(wú)人機(jī)的調(diào)式5.1.1電子調(diào)速器對(duì)電機(jī)控制的調(diào)試本設(shè)計(jì)中集成的電調(diào)要求飛控輸入周期是一個(gè)PWM寬度為20ms的函數(shù)周期，以控制電流的大小，進(jìn)而控制發(fā)動(dòng)機(jī)。電調(diào)通過(guò)插入一個(gè)1ms的高電平和20ms的周期的PWM信號(hào)來(lái)進(jìn)行電調(diào)初始化。初始化后，輸入PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，占空比與電機(jī)轉(zhuǎn)速成正比。占空比越高，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速越高。本設(shè)計(jì)利用單片機(jī)向電子調(diào)速器插入一個(gè)Ts周期（T待測(cè)T）為20ms、函數(shù)周期為5%的PWM來(lái)初始化電子調(diào)速器，然后將單片機(jī)的PWM工作周期調(diào)整為實(shí)現(xiàn)電機(jī)的點(diǎn)火、加速、減速、停止等功能。校正首先通過(guò)帶芯片的微電腦將PWM插入電子調(diào)速器，電子調(diào)速器發(fā)出“滴、滴”的聲音，然后在“滴——”后停止電子尺不發(fā)出聲音的時(shí)間.此時(shí)計(jì)算的時(shí)間為T(mén)，調(diào)速器的電子測(cè)試如圖5-1所示。圖5-1電子調(diào)速器測(cè)試經(jīng)測(cè)試本設(shè)計(jì)采用的電子調(diào)速器的初始化時(shí)間大概為3.05s。因此，在之后對(duì)電機(jī)啟動(dòng)的編程中需要先輸入3.05s的PWM來(lái)實(shí)現(xiàn)初始化。5.1.2MPU6050傳感器測(cè)量的調(diào)試MPU6050通過(guò)I2C總線與帶芯片的微機(jī)相連。由于條件有限，本次測(cè)試通過(guò)實(shí)驗(yàn)臺(tái)將微機(jī)與芯片和MPU6050相連，并通過(guò)帶芯片的計(jì)算機(jī)將傳感器的原始測(cè)量數(shù)據(jù)輸出到LCD1602上。要了解和控制MPU6050的工作原理，請(qǐng)格式化輸出數(shù)據(jù)并探索準(zhǔn)確處理輸出值的方法。經(jīng)過(guò)測(cè)試，可以發(fā)現(xiàn)陀螺儀輸出值在恒定時(shí)會(huì)出現(xiàn)偏差。如果要獲得準(zhǔn)確的測(cè)量值，可以從測(cè)量中減去補(bǔ)償以提高精度。加速器的輸出值在各軸垂直小于90°（理論上為90°）時(shí)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，可以通過(guò)將輸出值乘以一個(gè)因子來(lái)進(jìn)行校正。MPU6050水平靜態(tài)測(cè)試如圖1所示。5.2.從圖中可以清楚的看出加速度傳感器和陀螺儀有一定的位移，必須進(jìn)行校正：當(dāng)加速度傳感器的輸出值換算成角度時(shí)，乘以1.3（實(shí)測(cè)質(zhì)量校正值值），加上4到陀螺儀輸出值。這樣就可以得到準(zhǔn)確的測(cè)量值，MPU6050的檢測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)LCD1602顯示出來(lái)，如圖5.3。圖5-2MPU6050水平靜止測(cè)試圖5-3MPU6050檢測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)LCD1602顯示5.1.3超聲波測(cè)距調(diào)試超聲波測(cè)距測(cè)試通過(guò)面包板連接單片機(jī)與超聲波模塊，實(shí)現(xiàn)當(dāng)測(cè)到距離大于1m時(shí)通過(guò)單片機(jī)使LCD1602顯示預(yù)定的信息的功能。測(cè)試目的是檢測(cè)超聲波傳感器是否正常工作及工作的精度是否達(dá)到要求，經(jīng)測(cè)試超聲波模塊正常工作且精度達(dá)到要求,超聲波模塊的測(cè)試如圖5-4所示。圖5-4超聲波模塊的測(cè)試5.1.4無(wú)人飛行器整體調(diào)試本文采用大疆公司生產(chǎn)的多軸植保無(wú)人飛行器機(jī)架，將已選好型號(hào)的無(wú)刷電機(jī)、旋翼、電子調(diào)速器按照相應(yīng)規(guī)則參照說(shuō)明書(shū)安裝在機(jī)架上，將Pixhawk飛控、電池以及各個(gè)傳感器安裝在機(jī)架的中心位置，在其下方固定藥箱，左右兩側(cè)安裝噴桿、噴頭，并在噴頭處設(shè)有流量傳感器，同時(shí)安裝好無(wú)線遙控器和無(wú)線傳輸模塊，成功自主搭建植保農(nóng)用無(wú)人機(jī)，其實(shí)物圖如圖5-5所示。圖5-5植保農(nóng)用無(wú)人機(jī)整體示意圖在飛行測(cè)試過(guò)程中，無(wú)人機(jī)避障系統(tǒng)基本達(dá)到設(shè)計(jì)要求，現(xiàn)將測(cè)試結(jié)果分析如下：（1）飛控系統(tǒng)存在一定的震動(dòng)，影響飛機(jī)姿態(tài)，因此在飛控模塊上加上防震底座；（2）超聲波測(cè)距系統(tǒng)會(huì)受溫度的影響，所以后期可以采用帶有溫度補(bǔ)償?shù)某暡K，使測(cè)距精度更高；（3）在切換飛行模式過(guò)程中，無(wú)人機(jī)飛行狀態(tài)存在一定變化，與飛控校準(zhǔn)有關(guān)；（4）超聲波測(cè)距模塊在安裝時(shí)，與電機(jī)距離不能太近，電機(jī)在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的磁場(chǎng)會(huì)影響超聲波模塊測(cè)距精度；同時(shí)與飛控模塊也應(yīng)該保持一定距離，否則兩者也會(huì)產(chǎn)生相互干擾。將本文自主設(shè)計(jì)、搭建的植保農(nóng)用無(wú)人機(jī)帶到天津市津南區(qū)的試驗(yàn)田中進(jìn)行植保作業(yè)實(shí)驗(yàn)，農(nóng)田周邊空曠無(wú)障礙物，試驗(yàn)當(dāng)天天氣晴朗，風(fēng)速小于3m/s，大氣溫濕度均勻，在試驗(yàn)期間均未發(fā)生明顯改變。植保作業(yè)實(shí)驗(yàn)取得了較好效果，植保農(nóng)用無(wú)人機(jī)與農(nóng)作物之間的相對(duì)高度在誤差允許范圍內(nèi)波動(dòng)，使得農(nóng)藥噴灑半徑以及噴灑量得到了有效控制，防止了重噴、漏噴現(xiàn)象的出現(xiàn)。植保農(nóng)用無(wú)人機(jī)農(nóng)田植保作業(yè)如圖5-6所示。圖5-6植保農(nóng)用無(wú)人機(jī)農(nóng)田作業(yè)圖5.2硬件模塊功能實(shí)現(xiàn)5.2.1中心控制模塊中心控制模塊主要由TMS320F2812芯片實(shí)現(xiàn)。首先根據(jù)飛行要求，先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行自檢，完成系統(tǒng)初始化。當(dāng)初始化完成后，進(jìn)入起飛等待程序。此時(shí)，TMS320F2812芯片通過(guò)SCIA口與MPU6050進(jìn)行聯(lián)通，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)當(dāng)前的速度、加速度等數(shù)據(jù)；通過(guò)SCIB口與無(wú)線模塊進(jìn)行聯(lián)通，等候起飛、巡航、掉頭等指令；通過(guò)I/0口與各路電機(jī)進(jìn)行聯(lián)通，根據(jù)當(dāng)前的速度、加速度狀態(tài)及指令情況，對(duì)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速。硬件模塊連接方案如圖5-6所示。圖5-6硬件模塊連接方案5.2.2通信模塊通信模塊的作用是實(shí)現(xiàn)地面控制器與植保機(jī)的聯(lián)通。地面控制器通過(guò)飛行的實(shí)際情況通過(guò)通訊模塊對(duì)植保機(jī)發(fā)送飛行指令。飛行器根據(jù)接收到的指令進(jìn)行起飛、懸停、巡航、掉頭、降落等動(dòng)作。此部分采用SmartNodeV6通訊協(xié)議，按照要求對(duì)模塊進(jìn)行設(shè)置即可。先設(shè)置串口，查看對(duì)應(yīng)的端口號(hào)，根據(jù)飛行器的需要進(jìn)行串口配置。之后對(duì)模塊參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，測(cè)試目標(biāo)模塊信號(hào)強(qiáng)度。最后選擇接收模塊地址，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送。慣組模塊集成了陀螺儀和加速度計(jì)，它們的傳輸方法、工作原理等相似，DSP采集其數(shù)據(jù)的方法也相似。本系統(tǒng)對(duì)于信號(hào)的采集均采用中斷方式，當(dāng)無(wú)中斷時(shí)，系統(tǒng)正常飛行及數(shù)據(jù)處理等。而當(dāng)有中斷時(shí)，執(zhí)行中斷操作，并對(duì)當(dāng)前狀態(tài)進(jìn)行保存，當(dāng)中斷完成后，再次載入斷點(diǎn)，繼續(xù)執(zhí)行相關(guān)程序。5.2.3其他模塊對(duì)電機(jī)控制的目的是改變旋翼的轉(zhuǎn)速，通過(guò)調(diào)節(jié)電機(jī)電壓改變旋翼轉(zhuǎn)速。對(duì)泵系統(tǒng)控制的目的是控制植保機(jī)噴灑藥劑。當(dāng)需要噴灑藥劑時(shí)，給泵系統(tǒng)提供一個(gè)高電平，使泵系統(tǒng)啟動(dòng)，實(shí)現(xiàn)藥劑噴灑；當(dāng)需要停止噴灑藥劑時(shí)，不提供高電平給泵系統(tǒng)，則泵系統(tǒng)關(guān)閉，停止噴藥。

6總結(jié)與展望6.1總結(jié)近年來(lái)，隨著農(nóng)田作業(yè)現(xiàn)代化要求的提出，植保作業(yè)方式也在悄然的發(fā)生著變化，農(nóng)用器械可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的程度成為了人們關(guān)注的重點(diǎn)，植保農(nóng)用無(wú)人機(jī)因其操控靈活，飛行穩(wěn)定，作業(yè)高效等優(yōu)點(diǎn)倍受青睞，在國(guó)內(nèi)發(fā)展勢(shì)頭迅猛。隨著植保無(wú)人機(jī)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用的逐漸深入，在實(shí)際作業(yè)中也暴露出了一些新問(wèn)題，為了完善無(wú)人機(jī)的植保技術(shù)，需要對(duì)這個(gè)新興領(lǐng)域進(jìn)行專(zhuān)門(mén)研究。植保農(nóng)用無(wú)人機(jī)技術(shù)涉及的領(lǐng)域多，應(yīng)用的知識(shí)面廣，要想平穩(wěn)飛行實(shí)現(xiàn)高效作業(yè)需要對(duì)無(wú)人機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)、動(dòng)力系統(tǒng)、控制原理、時(shí)變載荷等方面進(jìn)行深入的研究。同時(shí)，要加大在植保無(wú)人機(jī)自主避障、路徑規(guī)劃、自動(dòng)返航等方面的研究力度，盡量避免作業(yè)過(guò)程中的人為參與，實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)的自主控制。當(dāng)然，要想實(shí)現(xiàn)植保無(wú)人機(jī)安全、高效、優(yōu)質(zhì)的全自動(dòng)作業(yè)模式還需要加大科研力度，投入更多的人力、物力、財(cái)力，爭(zhēng)取早日實(shí)現(xiàn)植保無(wú)人機(jī)的廣泛應(yīng)用。本文在歸納植保無(wú)人機(jī)研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上對(duì)植保農(nóng)用無(wú)人機(jī)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究，主要完成了以下幾個(gè)方面的工作：（1）查詢(xún)了大量相關(guān)資料，了解到國(guó)內(nèi)外植保無(wú)人機(jī)的發(fā)展歷程以及研究現(xiàn)狀，明確了無(wú)人機(jī)在植保作業(yè)中的優(yōu)越性，指明了植保農(nóng)用無(wú)人機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)，并對(duì)多旋翼無(wú)人機(jī)在植保作業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用的意義進(jìn)行了深刻的剖析。（2）深刻分析了植保農(nóng)用無(wú)人機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)、飛行原理，并根據(jù)對(duì)植保農(nóng)用無(wú)人機(jī)在農(nóng)藥噴灑作業(yè)過(guò)程中的控制需求給出了控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案并把控制系統(tǒng)分為了飛行控制子系統(tǒng)和噴灑單元子系統(tǒng)兩大部分。（3）針對(duì)植保農(nóng)用無(wú)人機(jī)的飛行控制原理，對(duì)飛行控制子系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，選取了Pixhawk飛控作為核心控制器，對(duì)產(chǎn)生升力的旋翼組件進(jìn)行了參數(shù)分析并完成了型號(hào)的選擇，給出了電源模塊的搭建依據(jù)，最后對(duì)實(shí)現(xiàn)安全飛行平穩(wěn)作業(yè)的傳感系統(tǒng)進(jìn)行了深入研究，包括GPS導(dǎo)航傳感器、高度測(cè)量傳感器和避障傳感器。（4）對(duì)植保農(nóng)用無(wú)人機(jī)進(jìn)行植保作業(yè)的關(guān)鍵部件——噴灑單元子系統(tǒng)進(jìn)行了分析并將其分為了管理單元和動(dòng)力單元兩大部分，然后分別對(duì)這兩部分進(jìn)行了搭建，從而完成了整個(gè)植保農(nóng)用無(wú)人機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。（5）針對(duì)植保農(nóng)用無(wú)人機(jī)在植保作業(yè)過(guò)程中自身載荷實(shí)時(shí)變化的實(shí)際情況先對(duì)其進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)模型的搭建并完成了藥箱的物理模型分析，然后對(duì)控制算法進(jìn)行了相關(guān)討論，在經(jīng)典PID控制的基礎(chǔ)上增加了模糊控制規(guī)則，最終確立了模糊自適應(yīng)PID控制算法，使植保農(nóng)用無(wú)人機(jī)和農(nóng)作物之間的相對(duì)作業(yè)高度保持不變，實(shí)現(xiàn)農(nóng)藥噴施濃度和噴灑半徑的精準(zhǔn)化。6.2展望植保農(nóng)用無(wú)人機(jī)在植保作業(yè)過(guò)程中有著傳統(tǒng)人工勞作無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)，特別是像我國(guó)這樣幅員遼闊，橫跨南北，地理地貌差異較大的農(nóng)業(yè)大國(guó)，更需要加大對(duì)植保無(wú)人機(jī)的研究力度，達(dá)到增加農(nóng)作物產(chǎn)量的同時(shí)減輕農(nóng)民體力勞作強(qiáng)度。農(nóng)田作業(yè)環(huán)境復(fù)雜多變，因此需要植保農(nóng)用無(wú)人機(jī)在進(jìn)行植保作業(yè)過(guò)程中具有更高的負(fù)載能力，更長(zhǎng)的續(xù)航時(shí)間，更安全可靠的飛行，更好的自主控制。因此，對(duì)于植保農(nóng)用無(wú)人機(jī)未來(lái)的研究方向應(yīng)該把以下幾個(gè)方面列為重點(diǎn)：（1）以飛行動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)力學(xué)為理論基礎(chǔ)進(jìn)一步完善對(duì)植保農(nóng)用無(wú)人機(jī)和藥箱的物理模型分析，改善其機(jī)械機(jī)構(gòu)，提高飛行穩(wěn)定性，減少機(jī)械震蕩，更加深入的研制用于植保作業(yè)的無(wú)人機(jī)，提高作業(yè)效率，減輕人工體力勞動(dòng)，增加農(nóng)作物產(chǎn)量。（2）優(yōu)化姿態(tài)數(shù)據(jù)解算算法，改進(jìn)濾波方式，選取更加精準(zhǔn)的傳感系統(tǒng)，獲取比較精確的姿態(tài)數(shù)據(jù)，完善非線性實(shí)變控制算法，獲取新的控制策略，提高整個(gè)機(jī)體的安全性和可靠性。（3）在實(shí)際農(nóng)田作業(yè)應(yīng)用中，限制植保農(nóng)用無(wú)人機(jī)發(fā)展的主要因素是續(xù)航時(shí)間、負(fù)載能力、抗風(fēng)性能、抗干擾能力等問(wèn)題，后續(xù)工作應(yīng)加強(qiáng)對(duì)上述幾方面的研究力度，爭(zhēng)取設(shè)計(jì)出強(qiáng)負(fù)載、高抗擾、長(zhǎng)續(xù)航的植保無(wú)人機(jī)并投入應(yīng)用。

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