六旋翼无人飞行器；姿态控制；农药喷洒

摘要随着材料技术、数字技术、动力系统技术、传感器技术的发展，近年来，无人飞行器也得到了快速的发展，其应用领域越来越广泛。其主要优点体现在其复杂和危险的环境下也可以进行工作，可以在一定程度上代替人工进行工作既能减少人工成本又可以规避一些作业风险。对无人飞行器的研究也将会是科技创新未来发展的方向。本次设计了一种适合玉米成长中期进行农药喷洒的六旋翼无人机。关于农用无人机方面的知识，主要的方面有农间检测、自动巡航、高度定位、温湿度检测、土壤监控等方面。对于本次设计来说，侧重方向主要为控制，即无人机电机控制的设计。对无人飞行器的原理进行分部剖析，用Auto-CAD软件设计无人机机体结构、喷洒装置等。制作出模型。简化了飞行器的结构，降低了能源的消耗。具有较高的研究价值和使用价值。本文对六轴无人机进行了初步的分析和设计。首先在结构上对六轴飞行器进行了结构上的设计与加深，紧接着对六轴无人机的结构特性与六轴飞行器飞行姿态控制进行了研究和分析，最后对六轴飞行器的喷洒控制系统和喷洒机构进行了设计和分析。关键词：六旋翼无人飞行器；姿态控制；农药喷洒

AbstractWiththedevelopmentofmaterialtechnology,digitaltechnology,powersystemtechnology,sensortechnology,inrecentyears,UAVhasalsobeenrapiddevelopment,itsapplicationfieldismoreandmoreextensive.Itsmainadvantageisthatitcanalsoworkinthecomplexanddangerousenvironment.TheresearchofUAVwillalsobethefuturedevelopmentdirectionofscientificandtechnologicalinnovation.AsixrotorUAVsuitableforpesticidesprayinginthemiddleperiodofcorngrowthwasdesigned.TheknowledgeofagriculturalUAVmainlyincludesagriculturaldetection,automaticcruise,altitudepositioning,temperatureandhumiditydetection,soilmonitoring,etc.Forthisdesign,thefocusdirectionismainlycontrol,thatis,thedesignofUAVmotorcontrol.TheprincipleofUAVisanalyzedinparts,andthestructureofUAVbodyandsprayingdevicearedesignedwithAutoCADsoftware.Makeamodel.Thestructureoftheaircraftissimplifiedandtheenergyconsumptionisreduced.Ithashighresearchvalueandusevalue.ThispaperanalyzesanddesignsthesixaxisUAV.Firstly,thestructureofthesixaxisUAVisdesignedanddeepened.Then,thestructurecharacteristicsandflightattitudecontrolofthesixaxisUAVarestudiedandanalyzed.Finally,thespraycontrolsystemandspraymechanismofthesixaxisUAVaredesignedandanalyzed.Keywords:sixrotorUAV;attitudecontrol;pesticidespraying

目录摘要 IAbstract II目录 III第1章绪论 11.1课题背景 11.2目的意义 11.3设计任务与技术要求 2第2章方案的论证与设计 32.1方案选择 32.2方案的确定 32.3方框图的设计 3本章小结 4第3章单元电路设计 53.1机架及桨叶的选择 53.1.1单个桨叶空气动力分析及桨叶的选择 53.1.2材料的选择 73.1.3机架结构分析与优化 73.2电机 83.2.1电机的分类与介绍 83.2.2电机参数简介与选择 93.3电调的选择 113.4电池的选择 123.5遥控设备的选择 153.6飞行控制器的选择与设计 173.6.1飞行器姿态分析 173.6.2飞控控制器调试 223.6.3飞行模式配置 24本章小结 26第4章软件程序设计 274.1系统程序设计 27本章小结 28第5章电路的安装与调试 295.1飞行器的调试 29结论 36致谢 错误!未定义书签。参考文献 错误!未定义书签。附录1译文 错误!未定义书签。附录2英文参考资料 错误!未定义书签。附录3整机原理图 错误!未定义书签。附录4程序流程图 错误!未定义书签。附录5程序代码 错误!未定义书签。附录6实物图 错误!未定义书签。第1章绪论1.1课题背景近年来，随着社会生产力的进一步提高，无人飞行器发展前景非常广阔，这些无人飞行器也称为空中无人机器人。按照无人飞行器的用途可以分为军用无人飞行器和民用无人飞行器两种，其中无人飞行器在军用的领域已经得到了显著发展，而无人飞行器杰出的性能在民用领域的潜能还没有得到开发。举个简单的例子，现在有很多的无人机俱乐部，大多都是一些发烧友在进行无人机的基础操作与维修，在网上无人机的工作方式更是多种多样，有一些快递公司推出了无人机送货项目，这也无疑是无人机的一种应用，在这基础上，要想实现无人机的大重量载重飞行旋翼的数量的设定至关重要。多旋翼无人飞行器的主要优点体现在可以在复杂和危险的环境下也可以进行工作可以在一定程度上代替人工进行工作既能减少人工成本又可以规避一些作业风险。目前六旋翼无人飞行器广泛应用于农药喷洒，红外勘测、定点监视、电力巡检、地质灾害排查，航空摄影，电影拍摄等诸多领域。六旋翼无人飞行器的发展前景非常之广阔，对无人飞行器的研究也是今后应用于各个方面的前进指标。无人飞行器未来的前景是在无论各个方面为人们带来各种各样的便捷，所以对六旋翼农药喷洒无人机的这项研究设计必定具有巨大的现实发展意义。1.2目的意义中国一直是一个农业大国，农业更是国家的基础，中国农民的数量占有很大的比重，在改革开放以来中国的科技迅猛发展，近几年无人机科技的崛起也将一些先进的无人机科技成果融入农业领域当中，农间作业无人机便是其中一项新兴的科技，农间作业无人机的使用和维护极其方便，稳定性好，效率高，省时省力，并且具有检测功能，农间作业无人机可以按需求喷撒农药，能实现大范围持续性的喷撒农药。农间作业无人机的飞行高度可以进行自动调整，节省了一大部分的人工成本，是科技化农业的一项重大突破。而且无人机还可以在一定范围内承担运送农业物资的功能，省时省力的完成各个方面的农业指标。1.3设计任务与技术要求1.无人机可在农场低空和高空检测2.可实现无人机喷洒农药的功能3.可在低空巡查作物生长状况4.可在夜间拍摄巡查照片，并传给控制器

第2章方案的论证与设计2.1方案选择方案一：市场上常用的飞行器都是四旋翼飞行器，其设计结构简单，飞行控制计算简易，所以大部分航模爱好者及玩具制造商都以生产四旋翼飞行器为主。但由于只要四个螺旋桨作为飞机动力，所以只能搭载重量小型的箱体，不能运载大型的及其他空中作业设备。方案二：如果选用六轴作为飞行器的机架，那么其六轴的电机产生的升力就会比四轴大，经过测试可以运载各类液箱，及空中工作设备。因此选择六轴机架作为无人飞行器的机身是最合适的。2.2方案的确定鉴于飞行器在飞行过程中会受到大风、运动姿态转换等各个因素的干扰而造机身颤动，实现机体机臂折叠处3度上翘，从而实现装置设备的自我稳定功能，故选择方案二。2.3方框图的设计方框图说明：由单片机最小系统、遥控模块、喷淋控制模块、旋翼、摄像头模块等组成。方框图的论述：单片机最小系统处理信息。遥控模块实现人机交互，通过模块中的各种按键来控制无人机飞行的基本操作。通过电机带动旋翼片提供一个足够的力，来实现无人飞行器的前进、后退、上升、下降、悬浮等基本操作。通过喷淋模块来进行药物的喷撒。摄像头模块进行实时监控，数据传到屏幕上，以帮助使用者观察各种状况。通过电源模块给与各个模块的供电。遥控器模块遥控器模块旋翼喷淋模块单片机最小系统摄像头模块电源图2-1整机方框图本章小结本章主要介绍这次毕业设计的方案选择，对两种方案的分析，最终确定以单片机为核心控制的六轴机架，因为飞行器在飞行过程中可能会受到大风、运动姿态转换等各个因素的干扰而造机身颤动，会对无人机工作造成一定干扰，六轴的电机产生的升力就会比四轴大，可以运载各类液箱，及空中工作设备。因此选择六轴机架作为无人飞行器的机身是最合适的，并对所选方案设计及原理给予分析，在六旋翼飞行器的设计方向侧重点在控制，即无人机电机控制的设计。在下一章节当中，将对该课题中各单元电路的具体设计方案、元器件的选择作进一步论述。

第3章单元电路设计3.1机架及桨叶的选择3.1.1单个桨叶空气动力分析及桨叶的选择图3-1桨叶图图3-2单片桨叶空气动力分析如图3-1所示，在桨叶上任意取足够短的长度dr，设桨叶半径为b，合速度为w，螺旋角为α，由升力公式，得：(3-1)(3-2)假设空间竖直方向上的桨叶拉力dT，水平方向上的桨叶阻力dQ，气流阻力角为ε，则：(3-3)一般情况下ε近似于零，所以：(3-4)根据公式（3-4）中假设，得知具有K片桨叶的单个螺旋桨的总拉力T为：(3-5)由于桨叶还受其他因数的影响，所以假定桨叶在理想情况下T简化为：(3-6)假设空间竖直方向上的桨叶拉力dT，同时水平方向上的桨叶阻力dQ也会产生阻转力矩dM。具有K片桨叶的螺旋桨，阻转力矩为：(3-7)因为流角ε通常情况下很小且几乎趋于零，所以：(3-8)对上式进行积分得：(3-9)由等式（3-9）此可知螺旋桨的阻力扭转，其大小取决于桨叶的螺旋角和桨叶表面的粗糙度，桨叶表面越粗糙，螺旋角越大，螺旋桨的阻力扭转也越大，所以选择螺旋角较小，表面光滑的桨叶至关重要，现拟定1055MOTOR碳纤维桨为六旋翼无人飞行器的工作桨。3.1.2材料的选择一般制作多旋翼飞行器常用的材料有尼龙塑料、玻璃纤维、碳纤维三种材料，部分大型机架因为特殊要求有用合金材料，但合金重量大，对小型飞行器不利。尼龙价格低廉易于使用，但易于受外到界因素干扰，长期处于温度不稳定的环境容易损坏、玻璃纤维相比尼龙材料来讲价格不占优势，但不易于受外界干扰，存在的缺点就是易于损坏，不耐磨且容易折断、碳纤维材料是目前所有材料中最为昂贵的成本较高，但性能是三种材料种最强的。无人飞行器既需要自己有一个轻盈的身体——机架，因为这样可以获得更大的载重量，考虑到无人机的工作环境的复杂性、多样性。碳纤维材料是机身材料的不二之选。3.1.3机架结构分析与优化一维空间三百六十度分布，无人机的六旋翼在三百六十度内等量安置，因此在机身的中央云台中的电机安置空间要合理支配。电机安置空间的空间分配要满足电机升力和各浆之间互不干扰的条件，所以两相邻电机之间的直线距离等于电机支架的长度。所以支架的长度最短为电机螺旋桨的工作直径。中央控制工作台（云台）的设计主要是根据电子设备的大小来设计，初步设计两层工作台，又由两块碳纤维板组成，云台电机的放置单元分成六份等量分部，余下的空间用来放置电子调速器、无人机飞行控制计算器，电机电路集成版，工作台的上层就可以安装GPS定位系统、信号接送机、信号放大器。下层安装电池、云台、运动相机、图像信号传输系统等。起落架有弓形和丁字形两种结构设计。弓形起落架强度高韧性强，耐摔，但占用空间大，且不可折叠，导致飞行器在运输携带的过程中很不方便，容易折断。丁字形起落架最大的优点是起落架可折叠，携带运输方便，但相比弓形起落架任性较弱。由于户外操作无人机要求携带便利，质量轻巧，考虑到工作环境的因素，所以选择丁字形起落架。3.2电机3.2.1电机的分类与介绍目前市场上常见的电机有刷电机和无刷电机两种。有刷电机是电机内部含有电刷装置的将电能转换成机械能的旋转电机。有刷电机最大的优点是价格低，比一般有刷高速电机低40％～50％。但是有刷电机阻力大、用电量高、易损坏、使用时间短、且效率是几种电机中最低的。安装在飞行器上后，有些航模爱好者驾驶飞行器半年、一年以后，飞行器续航能力下降就是这个原因。所以这种电机不适宜运载重型设备的多旋翼飞行器，只适合安装于普通玩具飞行器上。图3-3为常见的两种航模有刷电机。图3-3常见的两种有刷电机图3-4常见的两种有刷电机无刷电机就是去除了电刷的有刷电机，有刷电机在工作时会因为摩擦而产生火花。因为没有电刷，所以能降低使用时产生的的摩擦，因此要通过一个其他器件来切换，这个器件就是电子转换器，这个工作步骤比较多。无人机采用的无刷电机其实就是三相交流电机，相当于三相同步电动机，转动数与转动时产生的磁场的速度一致，主要是通过电子调速器完成DC-AC的变换，然后AC输出产生一定量的磁场来给电机充能，控制无刷电机有专门指定的电子调速器。图3-4为常用的几款无刷电机。结合了两种电机的实际情况，以及无人机的相关原件的配合使用，最后将使用无刷电机作为无人机的动力源3.2.2电机参数简介与选择KV值是无刷电机最核心的参数指标，是判断无刷电机性能特点的一个主要参数。表示每增加一伏电压，电机转速就提高相应数值的转速。除此之外还有尺寸、重量、电压范围、空载电流、最大电流等参数。电机的选择一般和桨叶的选择有关，一般是大KV值无刷电机配小桨，小KV值无刷电机配大桨。电机的KV值越大，输出的扭力就越小。因此，KV值的大小就与浆的大小有着密切的关系，测试如图3-5所示。图3-5测试图产品参数：2216-KV900，工作电压：3S、4S，最大电流28A，实际KV900，最大功率380W，空载电流0.8A，电阻113欧姆，2216-KV900测试数据最大电流25A，最大功率350W。如表3-6所示。电压（V）浆（lnch）运行电流（A）功率（W）拉力（F）温度11.1V9450111.810839224.1229334.3310558.24387.889.958910.5119.668712138.576814156.5489216183.81104014.8V1055115.7313155.2231.14285354.66351598.S45037120.686949169.4779711184.2389012191.1995212.5208.14109814.1238.54119016.3269.58126521.5338.841388表3-6电机工作参数常见的电机品牌有新西达、朗宇、群汐、飓风等。其中以朗宇最为流行。六旋翼无人飞行器所设定的运载载荷为2000N，根据其机身的自重和所需运载的设备来初步选定大桨与小KV值配对，以便于提供工作效率。综合以上的要求，现在初步选定选择2216/KV920无刷电机和1055MOTOR碳纤维正反桨作为六旋翼无人飞行器的工作动力。电机如图3-7所示。图3-7电机图3.3电调的选择电子调速器，它在无人飞行器的组成中地位显著，如果说用人来描述的话那么电子调速器就相当于人的心脏，可见电调对飞行器正常工作的重要性。根据有刷和无刷电机的输入电流需要，电调可分有刷电调和无刷电调。无人机的电调大多数都采用无刷电调。由于无刷电机在相同功率下，体积要比有刷电机小得多，现在市面上已经很少使用有刷电调了，不过在攀爬模型车领域任然大量采用。航模界常用的电调，主要以美国的凤凰牌为主，不过近两年国产的好盈由于防水性高、响应速度快和性价比高等优点高受到众多模友的青睐，其次常用的国产电调还有中特威，飞盈佳乐等知名电调，如图3-8所示。图3-8常见的有刷、无刷电调电调的选择需要根据飞行器工作情况和电机的功率的要求来选择。事实上许多品牌的电调的工作功率都不能达到额定功率，比如电机需要60A的电调，如果选择60A的电调，其最大能释放55A就无法再释放更多电流了，所以一般选择电调的时候都要选择电调功率略大于电机功率的电调。根据选择的2216/KV900无刷电机，所以可以初步选择25A电调为六旋翼无人飞行器的电子调速器。电机、电调、电池、接收机间的线路连接图，如图3-9。图3-9电机、电调、电池、接收机连接图3.4电池的选择常用的充电电池有很多。其性能参数见下表4-1，电池参数意义见表4-2。电池种类电压使用寿命放电温度充电温度为备注镍镉电池(Ni-Cd)1.2V500次-20度〜60度0度〜45度耐过充能力较强镍氢电池(Ni-Mh)1.2V1000次-10度〜45度10度〜45度最高容呈是2100mAh左右锂离子电池(Li-Ion)3.6V500次-20度〜60度0度〜45度重虽比镍氢电池轻30%〜40%，容呈高出镍氢电池60%以上。但是不耐过充，如果过充会造成温度过高而破坏结构=>爆炸。锂聚合物电池Li-polymer3.7V500次-20度〜60度0度〜45度锂电的改良型，没有电池液，而改用聚合物电解质，可以做成各种形状，比锂电池稳定。铅酸电池(Sealed)2V200〜300次0度〜45度0度〜45度是以6个2V串联成12V的，免加水的电池使用寿命长达10年，但体积和最虽是最大的。表4-1样本选取分布比例表航模界所用的电池都是锂聚合物电池，六旋翼无人飞行器也不例外，电池的选择与电机、螺旋桨、飞行器的自重、运载载荷以及续航时间息息相关。电荷存储量越多、输出能力越强、串联级数越大，则飞行时间越长，可运载的重量越重，飞行高度越高，反应速度越快。动力源重量越大，对飞行器的负荷越大，工作效率越低。就无人机使用来看，动力源载重越小，无人机重量越轻，工作效率一定的提高，但载重量会相应的下降，而无人飞行器的主要工作指标的运载能力，所以要尽量增大桨叶提高电机功率，如果配备小容量低放电倍率的电池就会导致电机动力不足、续航能力下降，运载能力降低，严重时还可能导致飞行器无法起飞和飞行过程中掉高、坠机。由于六旋翼无人飞行器选用的电机是朗宇2216/KV960无刷电机，螺旋桨是1055MOTOR碳纤维正反桨，电调是30A的电调，加之后期还要运载一系列的空中作业设备，其运载量不下于2000N。所以至少选择3块单位电池串联和30倍放电倍率的电池及3S30C，为了延长续航能力，可以选择5000MAH的大容量电池。最后通过运载能力和全方面的工作效率分析得知，选择5000MAH3S30C的锂聚合物电池作为六旋翼无人飞行器的工作电源。表4-2常见的电池参数意义参数名称参数意义额定电压V就是电池正常工作时的电压。通常根据电池串联的组致判断电压，一片就是3.7V、两片是7.4V、三片是11.1V、3S1P的意义是3片电池串联，一组并联。稳定放电倍率（无呈纲）是指电池稳定放电电流的数值为额定数值的倍数。根据这个倍率和电池容呈可以算出电池的稳定放电电流，方法为：容呈X稳定放电倍率=稳定放电电流，例如1700mahr20C稳定的放电电流是34000mA,也就是34安培。瞬时放电倍率（无呈纲）是指电池瞬间放电电流的数值为额定数值的倍数。瞬时放电电流是根据瞬时放电倍率算出来，方法为：容呈X瞬时放电倍率=瞬时放电电流，就是允许短时间以这个电流放电。容量WH电池一小时的做功所释放的能量，及用容呈乘以额定电压，例如2S1700mah电池的容呈就是：7.4X1700/1000=12.58Wh容呈MAH电池以某个电流来放电能维持一小时。比如电池的容呈为4000mAh，则该电池以4000mA电流能放电1小时，在实际使用中，是不会把电放光的，因为锂电池就是这个特性，一般是3.6-4.2V，不要低于3.6也不要高于4.2V。3.5遥控设备的选择常见的无线遥控按照使用技术不同，主要分红外线遥控和2.4G高频遥控。红外遥控有穿墙能力差，距离短等缺点，所以航模界遥控器基本上都是使用2.4G高频无线遥控器。常见的蓝牙、ZigBee、WiFi，等都是采用的2.4G频段。2.4GHz无线技术如今已经成为了无线产品的主流传输技术。所谓的2.4GHz所指的是一个工作频段2400M到2483M的范围。蓝牙、Zigbee、Wifi都是基于2.4GHz的，但是采用的协议不同，其传输速率不同，仅仅在传输数据量上看，就有着从1M每秒到100M每秒的差别。如图4-3所示。图4-3频段图在航模界根据遥控器的操作杆的位置分布可将遥控器分为美国手遥控器和日本手遥控器，日本手即左手控制升降舵和方向舵、右手控制油门和副翼。美国手即左手油门和方向舵，右手升降和副翼。如图4-4，图4-5所示。图4-4日本手遥控器图4-5美国手遥控器常见的遥控器品牌有很多。但对于娱乐玩家非专业人士，天地飞和富斯是比较合适的选择，价格低廉功能齐全。所以现初步选择富斯I6，其性价比很高，适合新手。富斯I6操作图如下如图4-6所示。图4-6富斯I6操作图整个遥控设备由发射机也称遥控器和接送机组成。接收机与舵机连接线路图如图4-7所示。遥控器的发射端和接受端并不是指定的，而是一个发送端发送信号，多个接收端可同时接受，也就是说当如果其中一个接收端丢失，不用去换一个发送装置，只要在加入一个接受端就可，通过配对矫正之后，即接收机能收到并进行解码遥控器发射的信号。并非任何遥控器都可以对上任意的接收机。根据制造商的规定不同遥控器系列不同接收机系列对码有相应的要求。图4-7接收机线路连接图3.6飞行控制器的选择与设计3.6.1飞行器姿态分析研究无人飞行器的飞行状态对飞控的设置的重要性不言而喻，研究出的答案会作为飞行控制器（以下简称飞控）设置的基础，根据研究得到的答案对设置飞控分别无人机的旋翼转速的调整，目的是让无人飞行器达到预设的工作能力。所以在无人飞行器的飞行状态的设置过程中，需要研究它的飞行轨迹和飞行姿态。现引进空间坐标系，定义两个不同的三维空间坐标，如图4-8中所示。一个三维坐标为世界坐标参考，用来描述飞行器的运行位置信息；另一个三维坐标为载体坐标，用来描述飞行器的运动姿态信息。OEXEYEZE代表世界参考坐标系，OXYZ代表载体坐标系。Y轴方向对应六旋翼无人飞行器的飞行正方向，Y轴与X轴在同一水平面，方向与X轴方向垂直，Z轴与六旋翼无人飞行器的几何中心垂直X轴和Y轴所在平面向上重合，Z轴、Y轴与X轴组成了一个右手空间坐标系。假定世界坐标系与载体坐标系重合。在六旋翼无人飞行器运行过程中，载体坐标系相对世界坐标系进行旋转或平移，不断产生新的载体坐标系。图4-8参考坐标系和载体坐标系首先，将载体坐标系中的初点对应在世界坐标系中的初点的位置标记为：(4-1)六旋翼无人飞行器的翻滚角、俯仰角以及偏航角分别记作以及φ、θ以及ψ，则世界坐标系相对载体坐系标的旋转轴坐标为：(4-2)由公式（4-1）和（4-2）可以定义载体坐标系，经过旋转和平移后的扩展坐标：(4-3)假定以Z为旋转轴，旋转ψ度，则偏航角为ψ度；然后以Y为相对旋转轴，旋转θ度，则俯仰角为θ度；最后以X为相对旋转轴，旋转φ度，则俯仰角为φ度。所以载体坐标系的旋转顺序如下所示：

OX0Y0Z0OX1Y1Z0OX2Y1Z1OX2Y2Z2根据以上步骤，首先将坐标系OX0Y0Z0以Z为相对旋转轴，旋转ψ度，则偏航角为ψ度，如图4-9所示。所以该旋转过程可用旋转矩阵表示，如公式（4-4）中所示。图4-9绕Z轴旋转示意图(4-4)然后把坐标系OX1Y1Z0以Y为相对旋转轴，旋转θ度，则俯仰角为θ度，如图5-1所示。所以该旋转过程可用旋转矩阵表示为如公式（4-5）中所示。图5-1绕Y轴旋转示意图(4-5)最后将坐标系OX2Y1Z1以X为相对旋转轴，旋转φ度，则俯仰角为φ度，如图5-2所示。所以该旋转过程可用旋转矩阵可以表示为如公式（4-6）中所示。图5-2绕X轴旋转示意图(4-6)以上过程，是按照Z为相对旋转轴旋转θ度、Y为相对旋转轴旋转θ度、X为相对旋转轴旋转φ度的顺序，经过三次角度旋转后，六旋翼无人飞行器得到了一个全新的运动姿态。结合公式（4-4）、（4-5）、（4-6）可得出新载体坐标系与原来载体坐标系之间的变换关系：(4-7)当每改变所选中的相对旋转轴的顺序时，结果会出现不一样的旋转矩阵。假如，用上面的方法采取以下的旋转顺序，就会得到像公式（4-8）中表示的结果。OX0Y0Z0OX1Y1Z0OX2Y1Z1OX2Y2Z2(4-8)公式（4-8）中的结果与上一个的结果明显不一样，因此能够计算出另外几种不同顺序下的结果也不一样。所以，相对坐标系的旋转矩阵不仅与各个方向的相对旋转角度有关，而且还与旋转轴选取顺序有关。因此在每个方向上的相对旋转角度都相同的情况下，旋转轴选择的顺序不同，得出旋转矩阵也不同。然而，无人飞行器对所有飞行方向上的各个取值比较高，所以在依次取值中，各个方向上的相对旋转角度都较小。当角度x的取值趋于0时，在数学中有sinx≈x，cosx≈1这种近似关系。

将这种近似关系代入公式（4-7）中可得出：(4-9)将这种近似关系代入公式（4-8）中可得出：(4-10)从上面的公式（4-9）和（4-10）看出，在经过近似计算的结果后，两种不同的相对旋转轴选择的顺序得出的结果完全一致。同样也可以验证其他几种顺序的选择所得的结果也与此相同。因此飞行控制器不需要对每个电机有额外的输出控制。3.6.2飞控控制器调试电脑端地面站就是MISSIONPLANNER，下载并安装。然后PIX（pixhawk）通过USB线连接电脑，最后在进行相应的硬件更换。当一个新硬件下载到PIX当中，下面就要进行遥控输入、加速度、罗盘的校准。遥控输入、加速度、罗盘都完全校准后就才可以进行解锁。通常会遇上罗盘有数据但是无法校准，大部分原因是因为在新版MP中，罗盘校准有一个形象的球形用来指示转动情况，但有时原有的罗盘校准数据误差过大，会导致从新校准时，球形数据点分布不能布满整个球，罗盘指向也只能在某个范围内几度变化，无法360度正确指向，解决方法是先还原罗盘的校准数据在从新校准，还原方法：进FullParameterList参数列表，找到COMPASS_OFS_X，COMPASS_OFS_Y，MPASS_OFS_Z这三个参数，将这三个参数的值改为0，然后点击写入参数保存。如果解锁后电机输出上不去，可能是因为此故障为保存了错误遥控校准参数引起，需要从新校准遥控，但有时会发现即使从新校准遥控也故障依旧，此时就要先手动还原遥控校准数据再从新校准，还原方法，进FullParameterList参数列表，找到RC1_MAX，RC1_MIN，RC1_TRIM这三个参数，当然还包括RC2，RC3等各个通道的MAX，MIN，TRIM值，其中MAX是最大值默认1900，MIN是最小值默认1100，TRIM是中间值默认1500，电机输出上不去很多就是TRIM中间值被校准保存在了低点的1100附近，导致油门打满电机转速也上不去。只要把每个通道的这三个值改为默认，然后写入参数并从新校准遥控。有时候如果参数无法写入，则进终端执行reset命令或者先刷一下车再刷回飞机也可以解决。如果MP地面站上无法加载3DR数传配置，可能此故障只是因为数传飞机端连了PIX飞控后，TXRX端存在数据通讯导致无法进入3DR的命令行模式，解决方法只要按住PIX的reset按钮停止PIX单片机的运行即停止TXRX的收发就能加载3DR的配置信息了。PIX的解锁动作是以检测到第三通道最低值、第四通道最高值为标准的，即油门最低，方向最右。因此不管选用遥控器的油门在左手还是右手，当使用操作摇杆将油门降到最低，方向摇杆最右，就可以进入飞控的解锁。当飞控进入解锁，飞控就将自行检测，当这一步骤检测成功后，才能成功使用，解锁才完成。调参默认如图5-3所示。如图5-3默认调参图3.6.3飞行模式配置在实际飞行当中，PIX的功能切换是通过切换飞行模式实现的，PIX飞行控制器可设置多种飞行模式，因为常规的遥控器只有六个通道，所以一般一次只能设置六种飞行模式，加上CH7，CH8的辅助，最多八种。因此需要遥控器的其中一个通道支持可切换六段PWM值输出，推荐的六个PWM值是1000，1100，1250，1500，1650，1800nS。在不同的PWM值下设置不同的飞行模式。一般常见的有稳定模式、比率控制模式、定高模式、悬停模式、简单模式、自动模式、绕圈模式、指导模式。其APM飞行模式注解见表5-4所示。控制模式模式注解比率控制模式这个是非稳定模式，这时PIX将完全依靠遥控器遥控的控制。其操作难度大大增加，不推荐初学者使用。定高模式使用自动油门保持目前高度的稳定模式。是一种特殊的稳定模式，定高模式下仍然可以通过油门控制高度，但中间会有一个油门极限值，油门动作幅度超过这个极限值，飞行器才会响应升降动作。定点模式悬停模式是气压定高模式和GPS定点的组合。在起飞前先让GPS定点，避免在空中飞行时突然定位发生意外。其他方面跟定高模式相同，只是在水平方面上由GPS进行定位。简单模式又称无头模式，即飞机将解锁起飞前的机头指向恒定作为遥控器前行摇杆的指向，这种模式下无需担心飞行器的姿态，是初学者常用的飞行模式。自动模式在该模式下APM将按照预先设罝的飞行路线控制飞行器的飞行航线。由干飞行任务规划完全依较GPS的定位信息，所以在解锁起飞前，必须确保GPS己经完成定位成功。绕圈模式飞行器以当前位罝为圆心绕图飞行。而且机头会不受遥控器方向舵的控制，始终指向固心。圆的飞行半径可以通过高级设罝选择调整：指导模式此模式需要地面站软件和飞行器之间进行通佶。连接后，在软件地图界面上任意选择位罝、输入一个高度，然后飞行器会飞到软件地图界面上指定位罝和高度并保持悬停。稳定模式是使用得最广泛的飞行模式，也是最根本的飞行模式，起飞和着陆都使用该模式，该模式下，飞控会让飞行器自身保持稳定，是初学者进行一般飞行的首选，也是第一视角飞行的最佳操作模式。表5-4常见的飞行模式注解

本章小结本章主要对无人机的各个部位进行分析，机架及桨叶的选择：螺旋桨的阻力扭转，其大小取决于桨叶的螺旋角和桨叶表面的粗糙度，桨叶表面越粗糙，螺旋角越大，螺旋桨的阻力扭转也越大，所以选择螺旋角较小，表面光滑的桨叶至关重要，拟定1055MOTOR碳纤维桨为六旋翼无人飞行器的工作桨。考虑到无人机的工作环境的复杂性、多样性。碳纤维材料是机身材料的不二之选。电调的选择需要根据飞行器工作情况和电机的功率的要求来选择。事实上许多品牌的电调的工作功率都不能达到额定功率，比如电机需要60A的电调，如果选择60A的电调，其最大能释放55A就无法再释放更多电流了，所以一般选择电调的时候都要选择电调功率略大于电机功率的电调。根据选择的2216/KV900无刷电机，所以可以初步选择25A电调为六旋翼无人飞行器的电子调速器本章主要对六旋翼飞行器的工作部分进行了调试，为无人机的正常飞行工作打好基础。无人飞行器的单元电路有很多部分，对于本次设计主要讲述的还是以控制为核心，就无人飞行器的控制来讲，主要部分是姿态控制，而对于农间作业来说，喷洒农药、喷洒时间、自动控制等都是设计的主要研究点。

第4章软件程序设计4.1系统程序设计主程序如图4-1所示。执行相应命令执行相应命令YYNYNN开始悬停是否前进/后退/向左/向右初始化是否停止是否下降结束NNYYNNYYNNYY图4-1本章小结本章主要介绍了系统整个软件部分的设计工作，因为软件的设计是对硬件设计的支撑。编译软件使用Keil、keil常用的功能就不一一赘述了。本章节对系统编程软件进行了简单的介绍，并且设计了系统程序的流程图，时间检测、报警系统程序的流程图。然后根据流程图编写了相关程序。先开始——初始化——无人机处于悬停状态——判断是否有相应的控制指令（是否前