電動(dòng)多旋翼飛行器的設計及其在農業(yè)領(lǐng)域中的應用研究論文

電動(dòng)多旋翼飛行器的設計及其在農業(yè)領(lǐng)域中的應用研究論文

　　1電動(dòng)多旋翼飛行器概述

　　1.1電動(dòng)多旋翼飛行器的功能及組成

　　UAV即無(wú)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(diǎn)懸停、低速飛行、垂直起降和室內飛行等任務(wù)，這決定了旋翼飛行器能夠執行某些固定翼飛機無(wú)法完成的任務(wù)多旋翼飛行器是由多組動(dòng)力系統組成的飛行平臺， 一般常見(jiàn)的有四旋翼、六旋翼、八旋翼，也有超過(guò)十旋翼的組成旋翼對稱(chēng)分布在機體的前后、左右四個(gè)力向，四個(gè)旋翼處于同一高度平而，且四個(gè)旋翼的結構和半徑都相同，四個(gè)電機對稱(chēng)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(dòng)多旋翼飛行器由無(wú)刷電機驅動(dòng)螺旋槳組成單組旋翼動(dòng)力系統，由慣導系統、飛控系統、導航系統、電調速器組成控制驅動(dòng)部分。

　　1.2電動(dòng)多旋翼飛行器的優(yōu)缺點(diǎn)分析

　　和傳統飛行器相比，電動(dòng)多旋翼飛行器有明顯的優(yōu)勢第一，安全穩定，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(lái)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(jiǎn)單的機械部件組成與傳統直升機相比維護相當簡(jiǎn)單;第五，操作力而，操縱簡(jiǎn)單，整機全電子增穩，一個(gè)人只需要半天左右學(xué)習就基本可以獨立駕駛。

　　當然，電動(dòng)多旋翼飛行器也有一些缺點(diǎn)例如，首先，速度慢，電動(dòng)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(méi)有特別要求的場(chǎng)合，都使用普通固定翼飛機;其次，靈活性欠什蟲(chóng)然電動(dòng)多旋翼飛機比直升飛機略快一點(diǎn)，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(dòng)性遠遜于直升飛機，小能懸停，更小能倒飛而且蟲(chóng)然比固定翼飛機起降場(chǎng)地要求低很多，跟直升飛淚L比起來(lái)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構，安全和操控的優(yōu)勢也會(huì )受到很大影響。

　　2電動(dòng)多旋翼飛行器的設計

　　2.1控制系統硬件設計

　　電動(dòng)多旋翼飛行器的硬件系統需要完成以卜功能:完成對于底層傳感器如IMU、電子羅盤(pán)、氣壓高度計和GPS的數據采集;根據載體的位置、速度、姿態(tài)等信息，根據飛行控制算法，計算四個(gè)直流無(wú)刷電機的期望轉速;完成四旋翼無(wú)人飛行器平臺與地而站問(wèn)的數據交互，以實(shí)現對飛行器的檢測、評估和遙控;通過(guò)組合導航信息融合算法，實(shí)現對飛行器運動(dòng)參數的實(shí)時(shí)估計;根據期望轉速，實(shí)現對電機的控制。

　　根據以上功能可知，電動(dòng)多旋翼飛行器硬件系統需包括以下模塊:底層數據采集模塊、核心處理器模塊、電機驅動(dòng)模塊、數據無(wú)線(xiàn)傳輸模塊等該系統中，底層傳感器的接口種類(lèi)較多，且可能隨時(shí)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嵌入式系統作為系統硬件結構的豐體，實(shí)現數據采集、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，航姿參考系統中氣壓高度計、IMU,CPS和電子羅盤(pán)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(wú)刷電子系統設計

　　直流無(wú)刷電機由電動(dòng)機主體和驅動(dòng)器組成，是一種典型的機電-體化產(chǎn)品直流無(wú)刷電機(BLCD)既具各直流電動(dòng)機運行效率高、無(wú)勵磁損耗以及調速性能好的優(yōu)勢，又具有交流電動(dòng)機的結構簡(jiǎn)單、運行可靠、維護力便等特點(diǎn)直流無(wú)刷電機主要由電機本體、位置傳感器和電子開(kāi)關(guān)電路等三部分組成無(wú)刷電機的轉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(chǎng)與定子磁場(chǎng)產(chǎn)生作用力_如果使定子的三相繞組交替通過(guò)電流，則能夠在電機轉動(dòng)周?chē)�產(chǎn)生交變的磁場(chǎng)，從而驅動(dòng)定子轉動(dòng)按照傳統定義力式，三相直流無(wú)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雙極性驅動(dòng)模式具有平均轉矩相對較大、電流利用率高、脈動(dòng)小、無(wú)工作死區等優(yōu)點(diǎn)，因此，可以選擇三相六狀態(tài)的驅動(dòng)模式。

　　2.3運動(dòng)參數檢測系統設計

　　慣性導航是一種航跡推位算法，通過(guò)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(SINS)是慣性導航的一種，它具有完全自主，全天候工作、機動(dòng)靈活等特點(diǎn)，可以連續提供包括姿態(tài)、速度、位置在內的各種導航參數信息然而，慣導系統存在誤差隨時(shí)間迅速積累的缺點(diǎn)因此，具有用戶(hù)設各體積小、成本低、性能好、隨時(shí)使用、被動(dòng)定位等優(yōu)良性能的全球衛星導航系統(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(gè)全球衛星導航系統按組建國家(地區)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實(shí)際中小同的應用要求，SINS/GPS組合導航系統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(dòng)多旋翼飛行器在農業(yè)中的應用

　　3.1電動(dòng)多旋翼飛行器的用途

　　電動(dòng)多旋翼飛行系統可廣泛應用于農業(yè)中低空撒種、噴灑農藥，治安監控、森林火火、滅情監視、應急通訊、電力應用、海運應用、氣象監測、航拍航測，另外對空中勘探、無(wú)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(gè)行業(yè)力而的應用也將進(jìn)一步得到開(kāi)發(fā)。

　　3.2農業(yè)領(lǐng)域中電動(dòng)多旋翼飛行器的應用

　　電動(dòng)多旋翼飛行器以穩定飛行和操作簡(jiǎn)單的特性，攜帶藥液進(jìn)行低空噴灑(比農作物高2米)，可以實(shí)現噴灑均勻，藥效好，極大的節約了人力，實(shí)現高效率作業(yè)飛行器攜帶病蟲(chóng)色譜攝影設各還可以對大而積植被進(jìn)行病蟲(chóng)害監測和預警，做到及早發(fā)現，及時(shí)治理具體講，電動(dòng)多旋翼飛行器在農業(yè)中的應用體現在兩大力而:

　　第一，農田信息獲取由于傳統農田信息獲取力式受}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，因此低空農田信息獲取系統有著(zhù)更好的發(fā)展前景而電動(dòng)多旋翼飛行器具有懸停、小范圍采集農田信息、小受空域影響、對農田沒(méi)有破壞性等優(yōu)點(diǎn)，因此適合農田信息采集與獲取，替代大多數的人工采集

　　第二，農作物植保噴灑農村土地流轉的加速導致越來(lái)越多的農民開(kāi)始規�；�經(jīng)營(yíng)，規�；�經(jīng)營(yíng)就要求有相應的生產(chǎn)技術(shù)作為配套，例如農作物植保噴灑領(lǐng)域多旋翼飛行器以穩定飛行和操作簡(jiǎn)單的特性，攜帶藥液進(jìn)行低空噴灑，可以實(shí)現噴灑均勻，藥效好，極大地節約了人力，實(shí)現高效率作業(yè);飛行器攜帶病蟲(chóng)色譜攝影設各還可以對大而積植被進(jìn)行病蟲(chóng)害監測和預警，做到及早發(fā)現，及時(shí)治理。