电动多旋翼飞行器的设计及其在农业领域中的应用研究论文

电动多旋翼飞行器的设计及其在农业领域中的应用研究论文

　　1电动多旋翼飞行器概述

　　1.1电动多旋翼飞行器的功能及组成

　　UAV即无人驾驶飞行器，包括旋翼式飞机、直升机、软式小型飞船以及其它飞行器旋翼飞行器能够完成定点悬停、低速飞行、垂直起降和室内飞行等任务，这决定了旋翼飞行器能够执行某些固定翼飞机无法完成的任务多旋翼飞行器是由多组动力系统组成的飞行平台， 一般常见的有四旋翼、六旋翼、八旋翼，也有超过十旋翼的组成旋翼对称分布在机体的前后、左右四个力向，四个旋翼处于同一高度平而，且四个旋翼的结构和半径都相同，四个电机对称的安装在飞行器的支架端，支架中间空间安放飞行控制计算机和外部设各电动多旋翼飞行器由无刷电机驱动螺旋桨组成单组旋翼动力系统，由惯导系统、飞控系统、导航系统、电调速器组成控制驱动部分。

　　1.2电动多旋翼飞行器的优缺点分析

　　和传统飞行器相比，电动多旋翼飞行器有明显的优势第一，安全稳定，事故发生的概率大大降低;第一，需要的起降条件要求很低，有条几十米的跑道就可以完成起降;第三，从噪音来看，由于以高能电池作为能量，所以噪音非常小;第四，维护力而，简单的机械部件组成与传统直升机相比维护相当简单;第五，操作力而，操纵简单，整机全电子增稳，一个人只需要半天左右学习就基本可以独立驾驶。

　　当然，电动多旋翼飞行器也有一些缺点例如，首先，速度慢，电动旋翼飞行器的速度和固定翼飞机相比差得太远，因此在需要快速运输而又没有特别要求的场合，都使用普通固定翼飞机;其次，灵活性欠什虫然电动多旋翼飞机比直升飞机略快一点，安全性也更高，但其使用灵活性却比直升飞机差太多它的机动性远逊于直升飞机，小能悬停，更小能倒飞而且虫然比固定翼飞机起降场地要求低很多，跟直升飞泪L比起来却又相差很多，因为直升飞泪L可以垂直起降，但多旋翼飞行器若想垂直起降就必须设计更多复杂的结构，安全和操控的优势也会受到很大影响。

　　2电动多旋翼飞行器的设计

　　2.1控制系统硬件设计

　　电动多旋翼飞行器的硬件系统需要完成以卜功能:完成对于底层传感器如IMU、电子罗盘、气压高度计和GPS的数据采集;根据载体的位置、速度、姿态等信息，根据飞行控制算法，计算四个直流无刷电机的期望转速;完成四旋翼无人飞行器平台与地而站问的数据交互，以实现对飞行器的检测、评估和遥控;通过组合导航信息融合算法，实现对飞行器运动参数的实时估计;根据期望转速，实现对电机的控制。

　　根据以上功能可知，电动多旋翼飞行器硬件系统需包括以下模块:底层数据采集模块、核心处理器模块、电机驱动模块、数据无线传输模块等该系统中，底层传感器的接口种类较多，且可能随时需要扩展新的传感器，而信息融合和控制算法则要求处理器具有强大的运算能力和较高的频率，因此，选用DSP/FPGA嵌入式系统作为系统硬件结构的丰体，实现数据采集、信息融合和飞行控制等功能DSP芯片可以选择TMS320F28335 , FPGA芯片可以选EP3C10，航姿参考系统中气压高度计、IMU,CPS和电子罗盘分别选择MPX4115A气压高度计，ADIS16350 , LEA一SA以及HMC5843三轴磁传感器

　　2.2直流无刷电子系统设计

　　直流无刷电机由电动机主体和驱动器组成，是一种典型的机电-体化产品直流无刷电机(BLCD)既具各直流电动机运行效率高、无励磁损耗以及调速性能好的优势，又具有交流电动机的结构简单、运行可靠、维护力便等特点直流无刷电机主要由电机本体、位置传感器和电子开关电路等三部分组成无刷电机的转子一般为含有稀土的永磁体，定子则为可以通电的电枢绕组当定子的一相绕组通电，该相绕组产生的磁场与定子磁场产生作用力_如果使定子的三相绕组交替通过电流，则能够在电机转动周围产生交变的磁场，从而驱动定子转动按照传统定义力式，三相直流无刷电机的反电势是梯形波，其电枢绕组的控制电流为直流力波三相六状态1200双极性驱动模式具有平均转矩相对较大、电流利用率高、脉动小、无工作死区等优点，因此，可以选择三相六状态的驱动模式。

　　2.3运动参数检测系统设计

　　惯性导航是一种航迹推位算法，通过加表和陀螺分别测量载体的比力和角速率，并利用积分算法求解载体的位姿信息，捷联式惯性导航系统(SINS)是惯性导航的一种，它具有完全自主，全天候工作、机动灵活等特点，可以连续提供包括姿态、速度、位置在内的各种导航参数信息然而，惯导系统存在误差随时间迅速积累的缺点因此，具有用户设各体积小、成本低、性能好、随时使用、被动定位等优良性能的全球卫星导航系统(GLASS)在定位、测姿、测速等力而得到了广泛应用日前公认的四个全球卫星导航系统按组建国家(地区)分别为GPS,GLONASS,Galilco,COMPASS，而其中，GPS的应用最为广泛GPS和SINS具有极好的互补性根据实际中小同的应用要求，SINS/GPS组合导航系统可以有小同深度的组合力式，主要分为:松组合(Loosely-Coupled Integ子ation) ,紧组0(Tightly-Coupled Integ子ation),载波相位及相位率组合、深组合(Deeply-Coupled Integ子ation)、以GPS为基础的深组合(G PS-Based Deeply-Integ子ated)等。

　　3电动多旋翼飞行器在农业中的应用

　　3.1电动多旋翼飞行器的用途

　　电动多旋翼飞行系统可广泛应用于农业中低空撒种、喷洒农药，治安监控、森林火火、灭情监视、应急通讯、电力应用、海运应用、气象监测、航拍航测，另外对空中勘探、无声侦查、边境巡逻、核辐射探测、航空探矿、交通巡逻等三十多个行业力而的应用也将进一步得到开发。

　　3.2农业领域中电动多旋翼飞行器的应用

　　电动多旋翼飞行器以稳定飞行和操作简单的特性，携带药液进行低空喷洒(比农作物高2米)，可以实现喷洒均匀，药效好，极大的节约了人力，实现高效率作业飞行器携带病虫色谱摄影设各还可以对大而积植被进行病虫害监测和预警，做到及早发现，及时治理具体讲，电动多旋翼飞行器在农业中的应用体现在两大力而:

　　第一，农田信息获取由于传统农田信息获取力式受}S}于成本和作业周期等的影响，加上我国作物种植情况复杂、作物品种多样，因此低空农田信息获取系统有着更好的发展前景而电动多旋翼飞行器具有悬停、小范围采集农田信息、小受空域影响、对农田没有破坏性等优点，因此适合农田信息采集与获取，替代大多数的人工采集

　　第二，农作物植保喷洒农村土地流转的加速导致越来越多的农民开始规模化经营，规模化经营就要求有相应的生产技术作为配套，例如农作物植保喷洒领域多旋翼飞行器以稳定飞行和操作简单的特性，携带药液进行低空喷洒，可以实现喷洒均匀，药效好，极大地节约了人力，实现高效率作业;飞行器携带病虫色谱摄影设各还可以对大而积植被进行病虫害监测和预警，做到及早发现，及时治理。