植保农用无人机的设计

山东科技大学本科毕业设计（论文）—1绪论1.1研究背景跟随时间的步伐迈入21世纪后，我国在农业生产方面取得瞩目成就的同时也存在着很多问题，如水土流失、病虫害、自然灾害等。对此，提出了回归农业、可持续农业、生态经济农业、包容性农业、精准农业等多种农业发展模式，主要是为了降低投入产出比，提高农业资源的利用率。，并尝试。通过减少环境污染实现社会和经济效益最大化，传统农业正在向“精细农业”发展。近几年杂交水稻等一系列农业新技术的实际应用使我国农作物产量连创新高。随着各种农作物的大面积播种，抑制粮食产量的另一问题日益凸显，即农作物病虫害。农作物病虫害是伴随着整个农业生产过程中最为严重的生物灾害。为了保证粮食产量，从播种到收获的每一生长阶段都要对各种虫害进行防治，其品种之多、影响范围之广、传播速度之快、控制难度之大等问题严重制约着农作物产量持续稳定提升。联合国粮农组织调查数据显示，平均每年世界粮食总产量的24%会由于病虫害的原因白白损失，造成粮食减产。在全球范围内，我国是受农作物病虫害影响致使粮食产量下降最为严重的国家之一，且受害面积呈逐年增长趋势。仅2005年的褐飞風大暴发致使上百万公顷的农作物枯萎，造成高达40亿元的经济损失。因此，为了更好的保证农作物生长，使粮食产量稳中提升，对病虫害防治这一环节必须要有足够高的重视。化学防治、物理防治、生物防治和综合防治是较为常见的病虫害防治方法，尤其是化学防治对于突发性、大面积爆发的病虫害可以做到及时控制与防治，因而在农作物病虫害防治过程中应用最为广泛。图1-1植保农用无人机1.2研究目的及意义近几年农产品质量备受人们关注，因此无论是对田地的农药喷洒还是化肥施加既要面面俱到不遗漏又不能二次重复作业，在保障农产品合格的前提下最大化的减少资源浪费和环境污染，这就要求我国的农作物植保模式要由以往的粗犷式向精准式转变，植保无人机的应用适合当前农田作业现代化、信息化、精准化的新要求。植保无人机以其作业效率高、数字集成度好、安全稳定、全自动化等性能逐渐被用于精准植保作业的研究，对病虫害灾情具有准确预判和快速处理能力的新型植保方式快速发展起来。随着航空技术和智能控制的发展，无人机自动化程度逐渐提高，如何以低能耗、高效率的方式实现自主作业，也是当前植保无人机的主要研究方向。植保无人机具有高效作业、随时起降、具有安全性能高、机动性强的特点，可完成农田信息采集、农作物种植、喷洒等植保任务。同时，操作人员可以通过与国外的间接交流进行操作和控制操作，从根本上降低了植保人员接触药液中毒的风险。植保无人机根据不同的标准可分为不同的类别，根据配置可分为固定翼植保无人机、单旋翼植保无人机和多旋翼植保无人机。与固定翼和单旋翼无人机相比，多旋翼植保无人机有其独特的优势：（1）体积小，飞行速度快，操作简单，机动灵活，可实现精准作业；（2）旋翼旋转产生下旋气流能打散药滴，使药液雾化，喷洒更均匀，作业效率更高；（3）布局紧凑，机械构造简易，可垂直起降，不受场地限制；（4）低空悬停，对单株高杆农作物有良好作业管理能力；（5）重负载，机动灵活性强，受天气和地形的影响较小。综上所述，因多旋翼无人机具备上述优越特点，适合当前大力提倡的高效、准确的农田作业模式，尤其是针对特殊地形和单株植被的精准作业有着不可替代的优势。加大对多旋翼植保无人机的研究力度既符合我国近几年提出的“中国制造2025”的人工智能发展趋势也响应了国家对于农业做出的“十三五”规划的号召。多旋翼植保无人机的研制顺应了广泛采用航空植保作业的世界潮流，在减轻农民劳动强度、提高作业效率的同时减少了资源浪费，降低了化学污染，对我国现代农业植保工程进行统防统治有着深远的意义。1.3国内外研究现状1.3.1国外研究现状全球范围内，发达国家和各农业大国在植保无人机的研制与应用上快人一步，形成了集监测、预防和治疗于一体的精准化植保体系，以植保无人机为主要管理经营模式的农业生产方式已经大规模投入使用，形成了以多机协同植保作业的流水线操作方式，逐渐达到了对农作物进行全方位统防统治的宏伟规模。将植保无人机作为主要农业生产作业工具的发达国家和农业大国建立了比较完善的法律法规，以保证无人机植保作业的正常化、标准化、合理化、规范化、秩序化以及产业化，使植保无人机的应用与发展得到了强有力的国家支持与法律支撑。早在1912年，加拿大就将当时仅有的固定翼飞机用于大块农田和成片果林的农药喷洒辅助工具。1918年美国突发大面积虫害，执政党当机立断启用飞机高空喷施农药应对自然灾害，航空植保作业的历史帷幕就此拉开。从此日本开启了使用无人机对农作物进行植保作业的新纪元。国际机器人协会的调查数据显示，目前日本用于不同工种植保作业的无人机已超万台，这些作业工种不同的无人机完成了集监控、播种、授粉、施肥、喷药等一系列的植保作业并通过云端向控制系统进行信息的实时反馈。官方数据显示30年之后的现在，日本仅通过注册的植保无人机就高达两千多台，操控人员已超万人，这显示着日本已成为使用无人机进行植保作业的第一大国。日本的无人机植保作业技术及相关配套设施都已相当完善，操作实现“傻瓜式”，作业效率翻了几倍。最新数据显示，到目前为止日本航空植保作业的农田面积占总耕种面积的54%。美国航空植保作业的发展毫不逊色日本，尤其是近几年独占鳌头，其植保技术历经了有人驾驶向无人驾驶的漫长过渡，以大型农场为主的农作物种植模式常常需要大面积植保作业，强载荷的大型固定翼有人驾驶飞机是其研究重点。近几年，由于精准作业的提出与需要，美国也致力于小型多旋翼植保无人机的研制，形成了较为完善的农业航空服务组织，较为规范的喷药施肥作业模式，较为齐全的作业配套设施和较为健全的法律法规保障体系。植保无人机也被广泛投入于其他国家农作物的种植与防治中，如在地广人稀的俄罗斯农用作业无人机数量高达万台；而在以山地丘陵地貌为主的韩国，植保无人机应用较晚，始于2003年，但随后这些年正在以惊人的速度追赶其他发达国家。1.3.2国内研究现状1956年，为响应国家号召，中国民航局牵头成立了首个航空植保机关。中国作为一个拥有着18亿亩基本农田的农业大国，幅员辽阔，南北跨度大，地形地貌截然不同，因此需要根据植保作业的地域实况去选用无人机。直到2006年，我国的植保作业方式依旧过于单一，以载人植保飞机为主，适合我国以平原地貌为主的中北部地区，在地形复杂的南方却不再适用。经过近十年的发展，我国用于植保作业的航空飞机完成了由原来单一的载人飞机到多样化的航空植保作业无人机的完美转变。20世纪，无人驾驶汽车和无人植保飞机等设备快速兴起，但是，作为农业大国，我国植保无人机的研究还处于起步阶段，没有广泛使用，也没有理想的法律法规来保障飞行和运行。2004年，在国家863计划的推动下，科技部、农业部与南京农机化研究所合作举办了“中日飞天植物保护南京研讨会”，促进了许多科学我国低海拔植保作业研究.2006年，中科院张晓超团队首次使用了小农区无人植保设备监测平台，但只是模拟了通过监测平台获得的数据，并未开发和全面实施。平台。2008年，浙江大学孙琦等人利用日本赫拉克勒斯Ⅱ型无人机影像平台采集新样本，用于浙江水稻梯田氮食物的诊断研究，但该设备仅由一架无人机携带。意象。该工具用于通过3D建模进行病虫害识别，功能单一，界面复杂，无法独立添加专业功能，限制了其发展。2014年，广州吉飞电子科技有限公司研发的植保无人机“P20”新疆首次将化肥与农药结合使用的生产工艺及实践系列，以奇效而闻名。2015年，中国民航总局发布了《轻型和小型无人机系统运行管理暂行规定》，对无人机植保飞行员的运行、管理和培训制定了详细规定。同年，中央出台了惠农政策，在河南、山东、江苏等农业大省试行。

2植保农业无人机飞行原理及需求分析2.1植保农用无人机飞行原理植保无人机众多旋转部件之间，任意两个相邻部件之间的夹角为π/3，均匀分布在一个以框架中心为圆心，以机翼长度为半径的大圆内。多个旋转支架的参数完全标准化，设置在同一高度和同一水平面上。将转子相对的两组分成一组，共三组。转子1、3和编号5它们逆时针旋转，转子2、4和6顺时针旋转。与固定翼直升机和飞机不同，农用植保无人机必须同时控制多个旋转部件的电调输出，根据飞行需要实时调整外置无刷旋翼的转速，从而完成精准位置控制和使身体做飞行、旋转、倾斜、偏转等飞行动作，其他飞行姿势可以通过结合这些动作来实现。植保农用无人机运动分析如图2-1所示。图2-3植保农业无人机运动分析图2.2植保农业无人机控制系统需求分析本文是对植保农用无人机的关键技术进行分析，其主要研究目的是利用植保农用无人机完成目标区域内的农药喷施，在这一作业过程中要维持无人机的飞行高度，控制其飞行稳定性并对药液剩余量进行实时监测。因此，把多旋翼无人机植保作业的基本功能需求归纳如下：（1）飞行控制功能无人机飞行操控手既可利用遥控器对植保农用无人机进行手动控制又可以通过地面站对其进行飞行轨迹规划，使其完成自主飞行。（2）农药喷施功能无人机飞行操控手既可以通过遥控器给植保农用无人机发送指令使其到达指定区域进行手动作业又可让其自主飞行至指定作业区自动进行农药喷洒。（3）药量监测功能当植保农用无人机进行农药喷施作业时，要实时监测药箱的药液剩余量，当低于某一阈值时，需要返航进行药液填充。（4）自主避障功能田间地头难免有树、电线杆等障碍物，植保无人机在自主轨迹规划飞行时需要对飞行前方一定范围内是否存在障碍物进行预判并能自主避障，以免造成重大经济损失。（5）安全控制功能植保无人机在飞行过程中应针对可能出现的信号暂时中断、电池电量不足等突发状况进行应急处理，实现植保无人机安全着陆或返航。

3植保农业无人机总体方案设计3.1植保农业无人机结构选型无人机主要分为旋转臂和固定臂两大类，其中旋转臂分为单旋翼和多旋翼。顾名思义，植保无人机有多个旋翼，是多旋翼无人机的一种。单旋翼和多旋翼虽然都属于旋翼飞行器，但管道结构的设计却完全不同。因为无人机桨叶螺距的存在，在旋翼旋转时会产生一个与旋转方向相反的扭矩，对于单旋翼无人机来说，需要在机尾增加一个小旋桨也就是尾桨，依靠其旋转产生一个力，这个力与作用在反扭矩上的力大小相等方向相反，这两个力相互抵消使无人机得以平稳飞行，但是当无人机飞行姿态需要调整时就得不断地改变桨叶的角度来改变桨距的大小，这样桨叶的工作效率就被大大削弱了。而植保农用无人机的飞行姿态的调整和升力的获得完全得益于旋翼的旋转，其旋翼数通常是偶数，相对的旋翼是一组，在转速相同的情况下会产生大小相同、方向相反的桨距，这样每个旋翼旋转产生的反扭矩就都一一抵消了。和单旋翼无人机相比，既简化了机身的结构设计也使系统的稳定性得以提高，且当某个旋翼出现故障不旋转时其他五个旋翼会继续工作，给操作人员一段反应时间，不至于立即坠机，在理论上旋翼数越多，无人机获得的升力越大，负载越重，飞行也越平稳。本课题的初始阶段，作者尝试购买原材料通过具体结构设计、加工来实现多旋翼植保机的主体结构，但是被繁琐的零部件购买和繁杂的结构设计所困扰。经过第一轮的选择和设计失败后，决定以现成的多旋翼航模连接安装板为基础进行改进设计。具体的结构如图3-1所示。图3-1植保农用无人机主体机架多旋翼无人植保机与多旋翼航模的不同之处在于多旋翼航模的承载质量较轻，而多旋翼无人植保机由于需要搭载药箱及药剂，承载较重。这就导致两者机臂所承受的载荷及旋翼所产生的升力之间的不同。为解决这一问题，选用多旋翼航模的连接安装板，大尺寸的旋翼及设计大直径的机臂。此安装板的优势在于其内部可用于连接的部位较多，除了可通过螺钉直接与药箱安装支架、控制部件支架进行连接外，其与机臂连接处的接口能拆卸，可通过卡槽连接对连接机臂的位置进行调整或对机臂进行更换。3.2主要零部件结构设计在选用成熟的连接安装板及旋翼后，整机主要需对机臂及机臂与旋翼连接方式、机臂与支撑脚连接方式、机臂与安装板连接方式进行结构设计。同时，根据设计后的安装情况，对整机及旋翼的受力进行分析。（1）对机臂的设计如图3-2a所示，为旋翼上的安装接口；如图3-2b所示，为安装板上的安装接口。图3-2安装接口根据旋翼上和安装板上的安装接口，设计如图3-3所示的机臂及3-4所示的安装方式。图3-3机臂结构型式在机臂的两端设计定位用凸台，便于使用安装件进行连接。图3-4机臂安装方式（2）机臂与支撑脚的连接设计图3-5a中所示的转向安装件，实现机臂与支撑脚的有效连接。图3-5机臂与支撑脚的连接方式机臂的设计及机臂与旋翼连接设计、机臂与支撑脚连接设计、机臂与安装板连接设计主要解决了机臂容易产生疲劳失效及静态稳定性的问题。当多次飞行后，即使机臂产生疲劳失效，也可以直接更换机臂及安装件实现整机的继续使用。而转向安装件可沿机臂轴线方向任意调节位置，以调节整机重心，实现静态稳定性的问题。3.3旋翼组件参数分析及选型本文选用的植保农用无人机的旋翼组件主要由无刷电机、电子调速器（以下简称电调）、螺旋桨三部分组成，是植保无人机获得动力维持升力的重要部分。单旋翼无人直升机的桨距调节装置非常复杂，并且调节范围有限，因此旋翼尺寸的选型较为固定，这就决定了其负载能力的大小相对变化范围很小。而多旋翼无人机的机械构造复杂多变，旋翼和电机配对也相当灵活，不同用途的无人机对其负载能力和续航时间要求差异较大，因此需要针对具体作业要求对无人机的电机、旋翼和电调等部件进行选型讨论。植保农用无人机的旋翼组件结构图如图3-6所示。图3-6旋翼组件结构图3.3.1力效力效在数值上等于无人机每消耗单位能量所产生向上的拉力，其定义式为：力效=拉力/功率（其中，功率=电压×电流）。力效是无人机能量利用率高低的一个表征量，其大小可以决定相同负载下植保农用无人机飞行时间的长短，也就是说，在相对情况下，力效高则表示做的有用功多，即能量的利用率高，无人机在空中飞行的时间相对来说也就比较长。一般正规厂家都会给出与各款电机相对应的力效表，这就极大的方便了对旋翼和电机的选型搭配。经查阅大量资料得知，旋翼的工作效率是影响力效大小的主要因素，而旋翼工作效率的提高可以通过选用较大直径的桨叶并尽量使旋翼处于相对转速较低的工作状态来实现。旋翼的转速越低，其力效越大；旋翼桨叶的直径越大产生的阻力就越大，需要配备的电机的扭力也就越大即需要配备KV值较低的电机，因此，要想产生足够大的升力就要选择大直径旋翼和大扭力电机相搭配的旋翼组件。而且当较低KV值的电机发生单位电压变化时，螺旋桨产生的升力变化不大即所提供的拉力变化较为平缓，有利于植保农用无人机的稳定飞行控制，能更精准的调整其飞行姿态。3.3.2旋翼组件参数分析及选型植保农用无人机的升力是由电机驱动旋翼旋转产生的，因此电机性能的高低直接影响着植保农用无人机载荷负重、续航能力以及灵活作业等要求是否达标。有刷电机和无刷电机是为无人机提供动力的两种电机，其中无刷电机兼备了交流电机和直流电机的优点，以其高效率、小体积、可靠安全等特性，在航模和无人机领域应用较广。因此，选用无刷电机作为植保农用无人机的动力输出，对其具体型号的选定做进一步的讨论。本文研究的植保农用无人机要求续航时间为10min，可负载12kg药液，再加上3kg机身自重，总重约为15kg，则分配到每个螺旋桨上的负重约为2.5kg，也就是说每个旋翼在旋转时要提供2500g向上的拉力，还需要考虑到高转速和满负荷工作下旋翼和电机的组合力效会比较低的实际问题，因此在植保农用无人机进行植保作业时要控制油门的供给量为50%左右，这样就既可以有一定的动力余量又不至于动力过剩。因而选型的问题就转化成要选取在油门供给量为50%时能产生2500g向上的拉力的电机和旋翼的驱动装置组合。本文选用ETF厂家生产的6015HD-150KV无刷电机和与其搭配的旋翼为植保农用无人机植保作业提供源源不断的动力。6015HD-150KV无刷电机如图3-7所示。图3-76015HD-150KV无刷电机旋翼是植保农用无人机的主要升力部件，在选型时需要同时考虑两个参数：桨叶直径和螺距。桨叶直径即为旋翼的长度，而旋翼旋转一圈无人机前进的距离则是其螺距。旋翼的选取一定要和电机相搭配，综合考虑分析，具体的搭配原则在上一节中已经介绍过，这里不再赘述。目前，大部分厂商在电机出厂时就已经为其搭配好了相应的旋翼进行配套出售，这就大大减少了在旋翼选型上的讨论。厂家提供的与6015HD-150KV无刷电机相搭配的旋翼是由碳纤维材料制成，具有质量轻，阻力小，可承受应力大，不易变形等特性，其实物图如图3-8所示。图3-8旋翼厂家给出的6015HD-150KV无刷电机测试数据如表3-1所示。通过厂家提供的测试数据可以看出，当单个旋翼产生向上的2690g拉力时，力效为7.51g/w，在进行大量数据对比之后可得知，这个数据在2700g拉力级的植保农用无人机工作效率中相对来说还是比较高的，符合本文研究的植保农用无人机的无刷电机和旋翼的具体要求。表3-13-16015HD-150KV电机测试表电子调速器，简称电调，是控制电机转动速度的调节器[49,50]，在对其进行选型时要综合考虑和电机的匹配度以及正常工作时输出的最大功率。为了保证在进行植保作业过程中电子调速器能够正常工作，其最大的负载电流要大于或等于正常工作时流经电机的最大电流[51]。在电机选型确定之后，与之工作相匹配的电子调速器的型号也将随之确立，本文选用T-Motor品牌的FLAME-80A电子调速器和6015HD-150KV直流无刷电机配合使用。FLAME-80A电子调速器具有速度可调范围大，油门响应速度快，工作效率高，抗干扰性能强，安全稳定，处理结果精准，可实现与多种型号飞行控制器兼容等性能。FLAME-80A电调实物图如图3-9所示。图3-9FLAME-80A电调3.4传感系统研究及传感器选型3.4.1GPS传感器选型GPS即全球定位系统，是由24颗卫星组成的卫星系统，几乎可覆盖全球。在地球上的任意地点、任何时间都可以同时检测到其中的4颗卫星，用于该点的经、纬度和高度信息的采集，实现导航、定位等功能。目前这项技术发展较为成熟，广泛应用于飞机、船舶、车辆乃至行人出行的道路指引和位置监测。而在本文中，为确保植保农用无人机飞行作业的精准性定位，需选用搜星能力强和自身性能稳定的GPS传感器。为防止因定位不准确而导致漏喷、重喷现象的出现，GPS传感器需向Pixhawk飞控实时提供无人机飞行和植保作业过程中的准确位置信息，因而选用的GPS传感器所提供的位置信息误差要尽量的小，应在0.5m的范围之内。为达到上述要求，本文拟选用P307高精度北斗PTK定位板卡为植保农用无人机的飞行控制系统实时提供位置信息。和其它GPS传感器相比，在制作上，P307高精度北斗PTK定位板卡具有结构紧凑、尺寸小、质量轻、功耗低等适合机载GPS装置的优越特性；在技术上，P307高精度北斗PTK定位板卡也有着较为明显的优势，例如：（1）高精度性，在北斗RTK定位板卡固定后，利用差分技术，可输出高达厘米级位置精度；（2）多支持性，支持GPSL1/L2、GLONASSG1/G2以及BeiDouB1/B2/B3等多种卫星系统；（3）广兼容性，兼容ROX、RTCM2、RTCM3.0、RTCM3.2、CMR、CMR+等多种差分数据格式；（4）长效性，在差分信号丢失的情况下，COAST和SureTrack技术的应用使其仍可保持40分钟时间的DGNSS定位状态[59]。综上所述，结合植保农用无人机的植保作业要求和P307高精度北斗PTK定位板卡的优越性能，本文选用合众思壮公司生产的P307高精度北斗PTK定位板卡为植保农用无人机的Pixhawk飞行控制系统实时提供位置信息。3.4.2高度测量传感器选型虽然Pixhawk飞行控制板中集成有微型气压传感器MS5611[60]，可以用来实时监测无人机的飞行高度，但却不适合本植保农用无人机的超低空作业模式。气压传感器在进行低空或超低空作业时受空气流速和温度影响，自身的测量精度会大大降低，其误差有时可达几米甚至是十米以上，因此微型气压传感器MS5611的测量精度不能满足植保农用无人机在执行低空植保作业时的需求。为了达到植保农用无人机在低空、超低空植保作业时对高度的准确检测以及精准定位的要求，本文选用毫米波雷达传感器作为高度测量传感器。该传感器具有CAN总线、SPI总线、UART串口等多种通信接口，这些接口的存在有利于对其进行二次开发利用，特别是因其有着体积小、重量轻、精准性高（厘米级）、适合低空和超低空作业、可实现目标快速跟踪定位等特点，倍受航空植保行业青睐。毫米波雷达传感器主要性能参数如表3-2所示表3-2毫米波雷达传感器主要性能参数表

4植保农用无人机控制系统硬件设计方案根据总体方案设计要求，对多旋翼无人植保机硬件进行了方案设计，整个控制系统包括中心控制模块、电源模块、通信模块、惯组模块、电机控制模块和泵系统。总体结构框图如图4-1所示。图4-1植保农用无人机硬件结构图4.1中心控制模块方案设计多旋翼无人植保机的中心控制模块为整个系统的控制核心，主要实现与电源模块、通信模块、惯组模块、电机模块和泵系统的信息传输，实现飞行姿态改变和药物喷洒的目的。根据总体需求，中心控制模块需要满足以下几方面的要求：（1）要求实现模拟信号和数字信号的转换功能；（2）可实现9路PWM输出，以控制多路电机及一路增压水泵，并有相关反馈功能；（3）串口通信；（4）实现一定范围的电压转换；（5）处理数据迅速。根据以上要求，综合考虑，选择32位TMS320F2812控制板为多旋翼无人植保机的中心控制模块，其具体特性如表4-1所示。表4-1TMS320F2812DSP特性序号特性功效1高性能静态CMOS技术150MHz；低功耗；JTAG边界扫描支持2高性能32位CPU16×16和32×32介质访问控制运算；16×16双MAC；哈佛总线架构；连动运算；快速中断响应和处理；统一存储器编程模型；4M线性程序/数据地址访问；高效代码；处理器源代码兼容3片载存储器128K×16闪存；128K×16ROM；1K×16一次性可编程ROM；4K×16每个单独访问RAM的2个块4引导ROM带有软件引导模式；标准算术表5外部接口超过1M×16的总体内存；可编程等待状态；三个单独的芯片选择6时钟和系统控制支持动态锁相环比率变化；片载振荡器；安全装置定时器模块7128位安全密钥/锁保护闪存/ROM等8电机控制外设与240×A器件兼容；两个事件管理器9串行端口外设串行外设接口；两个串行通信接口，标准通用异步收发器；多通道缓冲串行端口1012位模数转换器，16通道2×8通道输入复用器；两个采样保持；单一/同步转换；快速转换速率11高端仿真特性分析和断点功能；借助硬件的实时调试12低功耗模式和省电模式可禁用独立外设时钟13其它小端序；三个外部中断；可支持45个外设中断；三个32位CPU定时器；56个通用I/O引脚；引脚LQFP封装；-40℃至85℃温度使用范围4.2电源模块方案设计多旋翼无人植保机电源模块是为其他各模块提供动力保障的。当每个电机产生所需的升力时，其所需的输入电压为22.2V，输入电流为22.7A。所以选用24V、200A的锂电池供电[36]。而且系统中各模块所需的输入电压不同，有些模块需要5V电源，例如通信模块；有些模块需要3.3V电源，例如中心控制模块；有些模块需要1.8V电源，例如惯组模块。所以需要对电源模块进行设计以实现电压的转换，如图4-2所示。图4-2电路电压转换图图中所示的三端稳压输出电路，产生系统所需的5V、3.3V和1.8V电压。具体电路图如图4-3所示。图4-3复位电路图4.3通信模块选型多旋翼无人植保机通信模块是实现地面和植保机之间的信息通信，例如根据实际情况对植保机发出各种位置、各种姿态的飞行指令等。在实际设计过程中，只需将传感器通过标准接口接入通信模块，完成本地串口通讯，即可实现通信功能。根据这一需求，多旋翼无人植保机无线通讯模块选用SmartNodeN608通讯板。SmartNodeN608工作在240～930兆赫兹的ISM频段，工作电压3～6伏，8引脚QFN封装（20mm×20mm×3.7mm）。SmartNodeN608通讯板功率较低，以+10毫瓦分贝的功率输出（发射）时，其电流为33毫安，以+17毫瓦分贝的功率输出（发射）时，其电流也只为60毫安。可实现2500m以内的可靠信号传输。如图4-4所示。图4-5SmartNodeN608外观引脚图4.4电机控制模块方案设计多旋翼无人植保机选用控制输入电压调节多个直流电动机的旋转速度。首先介绍其工作原理。电动机的等效电路图如图4-6所示。图4-6电动机回路等效电路图电动机的电压回路方程为：（4-1）式中，E为电动机反电动势，i为电机电流瞬时值，L为主电路总电感，R为主电路等效电阻，Ushuru为电枢供电电压。而电动机的反电动势与电机的转速成正比：（4-2）式中，Ke为电机结构决定的电动势常数，Φ为励磁磁通，w为电机转速。由此可见，对电动机调速有以下方法：（1）调节输入电压Ushuru；（2）改变励磁磁通Φ；（3）改变电枢回路电阻R。多旋翼无人植保机采用无极平滑调速方式，通过改变其输入电压实现旋转速度的改变。根据要求，选择格赛5308-350KV型电机，其相关配套如表4-2所示。表4-2格赛5308-350KV电机配套数据浆（in）油门电压（V）转速（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植保农用无人机的调试及实现5.1植保农用无人机的调式5.1.1电子调速器对电机控制的调试本设计中集成的电调要求飞控输入周期是一个PWM宽度为20ms的函数周期，以控制电流的大小，进而控制发动机。电调通过插入一个1ms的高电平和20ms的周期的PWM信号来进行电调初始化。初始化后，输入PWM信号驱动电机旋转，占空比与电机转速成正比。占空比越高，发动机转速越高。本设计利用单片机向电子调速器插入一个Ts周期（T待测T）为20ms、函数周期为5%的PWM来初始化电子调速器，然后将单片机的PWM工作周期调整为实现电机的点火、加速、减速、停止等功能。校正首先通过带芯片的微电脑将PWM插入电子调速器，电子调速器发出“滴、滴”的声音，然后在“滴——”后停止电子尺不发出声音的时间.此时计算的时间为T，调速器的电子测试如图5-1所示。图5-1电子调速器测试经测试本设计采用的电子调速器的初始化时间大概为3.05s。因此，在之后对电机启动的编程中需要先输入3.05s的PWM来实现初始化。5.1.2MPU6050传感器测量的调试MPU6050通过I2C总线与带芯片的微机相连。由于条件有限，本次测试通过实验台将微机与芯片和MPU6050相连，并通过带芯片的计算机将传感器的原始测量数据输出到LCD1602上。要了解和控制MPU6050的工作原理，请格式化输出数据并探索准确处理输出值的方法。经过测试，可以发现陀螺仪输出值在恒定时会出现偏差。如果要获得准确的测量值，可以从测量中减去补偿以提高精度。加速器的输出值在各轴垂直小于90°（理论上为90°）时进行转换，可以通过将输出值乘以一个因子来进行校正。MPU6050水平静态测试如图1所示。5.2.从图中可以清楚的看出加速度传感器和陀螺仪有一定的位移，必须进行校正：当加速度传感器的输出值换算成角度时，乘以1.3（实测质量校正值值），加上4到陀螺仪输出值。这样就可以得到准确的测量值，MPU6050的检测数据通过LCD1602显示出来，如图5.3。图5-2MPU6050水平静止测试图5-3MPU6050检测数据通过LCD1602显示5.1.3超声波测距调试超声波测距测试通过面包板连接单片机与超声波模块，实现当测到距离大于1m时通过单片机使LCD1602显示预定的信息的功能。测试目的是检测超声波传感器是否正常工作及工作的精度是否达到要求，经测试超声波模块正常工作且精度达到要求,超声波模块的测试如图5-4所示。图5-4超声波模块的测试5.1.4无人飞行器整体调试本文采用大疆公司生产的多轴植保无人飞行器机架，将已选好型号的无刷电机、旋翼、电子调速器按照相应规则参照说明书安装在机架上，将Pixhawk飞控、电池以及各个传感器安装在机架的中心位置，在其下方固定药箱，左右两侧安装喷杆、喷头，并在喷头处设有流量传感器，同时安装好无线遥控器和无线传输模块，成功自主搭建植保农用无人机，其实物图如图5-5所示。图5-5植保农用无人机整体示意图在飞行测试过程中，无人机避障系统基本达到设计要求，现将测试结果分析如下：（1）飞控系统存在一定的震动，影响飞机姿态，因此在飞控模块上加上防震底座；（2）超声波测距系统会受温度的影响，所以后期可以采用带有温度补偿的超声波模块，使测距精度更高；（3）在切换飞行模式过程中，无人机飞行状态存在一定变化，与飞控校准有关；（4）超声波测距模块在安装时，与电机距离不能太近，电机在旋转过程中产生的磁场会影响超声波模块测距精度；同时与飞控模块也应该保持一定距离，否则两者也会产生相互干扰。将本文自主设计、搭建的植保农用无人机带到天津市津南区的试验田中进行植保作业实验，农田周边空旷无障碍物，试验当天天气晴朗，风速小于3m/s，大气温湿度均匀，在试验期间均未发生明显改变。植保作业实验取得了较好效果，植保农用无人机与农作物之间的相对高度在误差允许范围内波动，使得农药喷洒半径以及喷洒量得到了有效控制，防止了重喷、漏喷现象的出现。植保农用无人机农田植保作业如图5-6所示。图5-6植保农用无人机农田作业图5.2硬件模块功能实现5.2.1中心控制模块中心控制模块主要由TMS320F2812芯片实现。首先根据飞行要求，先对系统进行自检，完成系统初始化。当初始化完成后，进入起飞等待程序。此时，TMS320F2812芯片通过SCIA口与MPU6050进行联通，实时监测当前的速度、加速度等数据；通过SCIB口与无线模块进行联通，等候起飞、巡航、掉头等指令；通过I/0口与各路电机进行联通，根据当前的速度、加速度状态及指令情况，对电机进行调速。硬件模块连接方案如图5-6所示。图5-6硬件模块连接方案5.2.2通信模块通信模块的作用是实现地面控制器与植保机的联通。地面控制器通过飞行的实际情况通过通讯模块对植保机发送飞行指令。飞行器根据接收到的指令进行起飞、悬停、巡航、掉头、降落等动作。此部分采用SmartNodeV6通讯协议，按照要求对模块进行设置即可。先设置串口，查看对应的端口号，根据飞行器的需要进行串口配置。之后对模块参数进行设置，测试目标模块信号强度。最后选择接收模块地址，实现数据的发送。惯组模块集成了陀螺仪和加速度计，它们的传输方法、工作原理等相似，DSP采集其数据的方法也相似。本系统对于信号的采集均采用中断方式，当无中断时，系统正常飞行及数据处理等。而当有中断时，执行中断操作，并对当前状态进行保存，当中断完成后，再次载入断点，继续执行相关程序。5.2.3其他模块对电机控制的目的是改变旋翼的转速，通过调节电机电压改变旋翼转速。对泵系统控制的目的是控制植保机喷洒药剂。当需要喷洒药剂时，给泵系统提供一个高电平，使泵系统启动，实现药剂喷洒；当需要停止喷洒药剂时，不提供高电平给泵系统，则泵系统关闭，停止喷药。

6总结与展望6.1总结近年来，随着农田作业现代化要求的提出，植保作业方式也在悄然的发生着变化，农用器械可实现自动化的程度成为了人们关注的重点，植保农用无人机因其操控灵活，飞行稳定，作业高效等优点倍受青睐，在国内发展势头迅猛。随着植保无人机在农业领域应用的逐渐深入，在实际作业中也暴露出了一些新问题，为了完善无人机的植保技术，需要对这个新兴领域进行专门研究。植保农用无人机技术涉及的领域多，应用的知识面广，要想平稳飞行实现高效作业需要对无人机的机械结构、动力系统、控制原理、时变载荷等方面进行深入的研究。同时，要加大在植保无人机自主避障、路径规划、自动返航等方面的研究力度，尽量避免作业过程中的人为参与，实现无人机的自主控制。当然，要想实现植保无人机安全、高效、优质的全自动作业模式还需要加大科研力度，投入更多的人力、物力、财力，争取早日实现植保无人机的广泛应用。本文在归纳植保无人机研究现状的基础上对植保农用无人机关键技术进行了研究，主要完成了以下几个方面的工作：（1）查询了大量相关资料，了解到国内外植保无人机的发展历程以及研究现状，明确了无人机在植保作业中的优越性，指明了植保农用无人机的关键技术，并对多旋翼无人机在植保作业领域应用的意义进行了深刻的剖析。（2）深刻分析了植保农用无人机的机械结构、飞行原理，并根据对植保农用无人机在农药喷洒作业过程中的控制需求给出了控制系统的总体设计方案并把控制系统分为了飞行控制子系统和喷洒单元子系统两大部分。（3）针对植保农用无人机的飞行控制原理，对飞行控制子系统进行了设计，选取了Pixhawk飞控作为核心控制器，对产生升力的旋翼组件进行了参数分析并完成了型号的选择，给出了电源模块的搭建依据，最后对实现安全飞行平稳作业的传感系统进行了深入研究，包括GPS导航传感器、高度测量传感器和避障传感器。（4）对植保农用无人机进行植保作业的关键部件——喷洒单元子系统进行了分析并将其分为了管理单元和动力单元两大部分，然后分别对这两部分进行了搭建，从而完成了整个植保农用无人机控制系统的设计。（5）针对植保农用无人机在植保作业过程中自身载荷实时变化的实际情况先对其进行了动力学模型的搭建并完成了药箱的物理模型分析，然后对控制算法进行了相关讨论，在经典PID控制的基础上增加了模糊控制规则，最终确立了模糊自适应PID控制算法，使植保农用无人机和农作物之间的相对作业高度保持不变，实现农药喷施浓度和喷洒半径的精准化。6.2展望植保农用无人机在植保作业过程中有着传统人工劳作无可比拟的优势，特别是像我国这样幅员辽阔，横跨南北，地理地貌差异较大的农业大国，更需要加大对植保无人机的研究力度，达到增加农作物产量的同时减轻农民体力劳作强度。农田作业环境复杂多变，因此需要植保农用无人机在进行植保作业过程中具有更高的负载能力，更长的续航时间，更安全可靠的飞行，更好的自主控制。因此，对于植保农用无人机未来的研究方向应该把以下几个方面列为重点：（1）以飞行动力学和运动力学为理论基础进一步完善对植保农用无人机和药箱的物理模型分析，改善其机械机构，提高飞行稳定性，减少机械震荡，更加深入的研制用于植保作业的无人机，提高作业效率，减轻人工体力劳动，增加农作物产量。（2）优化姿态数据解算算法，改进滤波方式，选取更加精准的传感系统，获取比较精确的姿态数据，完善非线性实变控制算法，获取新的控制策略，提高整个机体的安全性和可靠性。（3）在实际农田作业应用中，限制植保农用无人机发展的主要因素是续航时间、负载能力、抗风性能、抗干扰能力等问题，后续工作应加强对上述几方面的研究力度，争取设计出强负载、高抗扰、长续航的植保无人机并投入应用。

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