1、小型多 旋翼无人飞机是指具有多于两个旋翼的飞行器，与固定翼飞机相比，多旋翼飞机还具有 垂直起降，空中悬停等优点；而与常规单旋翼直升机相比，小型多旋翼飞机在结构上也 具有诸多优势。第一，使用多个旋翼可以使每个旋翼具有较小的直径，能有效减小了与 外界物体碰撞的几率。对于小型多旋翼飞机而言，这种结构极大提升了其机动灵活性， 以较小的损坏风险胜任更具挑战性的任务环境；第二，小型多旋翼飞机不需要通过机械35连接改变桨距来产生推力和扭矩的变化，简化了机械设计和维护的成本 。小型多旋翼无人机应用范围非常广泛。在农业领域，国内无人机规模化民用开始起步。这两年我 国无人机民用市场迅速壮大，餐饮行业、物流快递、保
2、险查勘等新应用尝试纷纷出现， 电力巡检和农业植保尤其成为市场发展的热点，此外无人机用于草原放牧管理也开始尝 试。国内各级政府部门均鼓励和发展农业植保无人机，发展无人机防治病虫害。在高污 染、高危险区域，各种有人设备无法进入，小型多旋翼在此类环境下能发挥不可替代的 作用。通过配备传感器，微型多旋翼可以深入危险区的中心，通过传感器采集回传核辐 射程度、生物化学等有毒物质的浓度。同时，小型多旋翼还能通过有规律的飞行和传感 器数据，能够判断出危险区域的位置坐标，扩散或移动情况。在工业领域方面，电力巡 检是目前国内主要的多旋翼无人机民用领域。随着国家输电网络的逐渐完善，电力线故 障巡查也是一项日趋繁重的
3、任务，减小人工劳动强度，使用携带探测器或者相关设备的 多旋翼飞行器取而代之，可以提高效率，更保障了人员的安全。目前，我国已选取山西、 湖北多地为试点。试点单位外的内蒙古、黑龙江、云南等省份及南方电网公司也已初步 尝试利用无人机开展电力巡检工作。本文的主要研究了无人机及其控制系统设计技术的发展现状和背景， 明确说明了研究目的与意义。提出了无人机飞行控制系统的设计任务， 确定了控制系统的设计流程和设计方法。论文首先阐述了四旋翼飞行器的基本飞行原理，给出了整体设计框架。阐 述了 GPS模块、陀螺仪、加速度计、磁强计、高度计、空速计等测量传感器的工作原 理并完成了主要电路元器件的选型工作。然后根据系统
4、结构特点与硬件合作共同设计完 成整个系统的组成，设计飞行控制模块，无刷直流电机的驱动模块，选取了无线通讯模 块，并对各模块进行整合，完成了系统硬件设计。然后编写相关软件程序与算法，实现 飞机的平稳飞行、降落及农药喷洒工作。其中主要实现多旋翼自主飞行器在指定地点开 启动力，一键式启动，飞行器平稳起飞；飞向需要喷洒农药的目的地，在目的地中心一 定范围内进行农药喷洒；在完成农药喷洒任务后返回原先指定的起飞点平稳降落。 最终,完成了飞行控制系统的硬件设计工作。1.2多旋翼飞行器的研究背景早在1907年的时候，法国 Charles Richet 教授指导的Breguest兄弟制造 出了第一架多旋翼飞行器
5、，并且命名为 Gyroplane No.1。其外形已经具有多旋翼的基本特征，四个长为8.1米的旋翼分布在十字架的四个端点上， 一对旋翼顺时针旋转，一对旋翼逆时针旋转。由于输入的控制量只有油门，所以不能实现多旋翼的稳定飞行， 1921年，美国空军军团（US Army Air Corps ）与George de Bothezat 签订合约资助其建造多旋翼飞行器。不同的是，该多旋翼的四个桨是由一个发动机带动的。但其飞 行控制仍存在问题，无法实现稳定飞行，在其花费了 20万美金，进行了 100多次试验之后，仍然达不到军方的要求，最终军方失去了兴趣，停止了这项研究工作。1956年 的时候，Convert
6、awings制造了 Convertawings Model A 多旋翼飞行器，它由两个发动机来提供驱动实现飞行控制。 旋翼直径达到了 19寸，经试验飞行器的飞行性能良 好，达到了设计要求，但是设计人员和工程师失去了对多旋翼的兴趣，最终放弃了研制 7。1.3研究的目的和意义多旋翼飞行器之所以受到广泛关注，首先是因为它诱人的多种特殊用途。（1）将会成为空中立体化、层次化信息网的最低层的手段：多旋翼飞行器可以用于低 空低速飞行，飞行高度可以从十几米到几百米。可以作为空天一体化的最后一层，由单 兵携带，在接近敌人的前沿阵地进行悄无声息，高隐蔽性的近距离侦察和监视，能够侦 察到卫星、侦察机等不容易发现的
7、目标。在反恐任务中，可以接近恐怖分子，对其进行 监视甚至攻击，有效减少人质的伤亡。（2） 用于低空和复杂地形条件下作战侦察：可以利用多旋翼飞行器的机动灵活性， 隐蔽性，在城市巷战和山地、丛林等复杂环境条件下对敌人进行空中隐蔽性打击。同时 可以用来对生化特殊环境的空中物质进行采集。（3） 多旋翼飞行器的民用前景： 多旋翼飞行器在突发事件处理，对高速公路、灾情 实时了解，森林防火，有毒气体和烟雾的采集等，以及在机场附近驱逐飞鸟，保障飞机 的起落安全都有广泛的应用。同时还可以进行航拍作业，农业喷药等各种用途。1.4农用飞行器优势无人机（unmannedaerialvehiele,uVA）疋 -种机上
8、无人驾驶的航空器，其具有动力装8置和导航模块，在一定范围内靠无线电遥控设备或计算机预编程序自主控制飞行 。20世纪初，无人机最先出现在美国，并被运用在军事上，经过近百年的发展，无人机技术越来 越成熟,并且被广泛运用在各个领域,尤其是农业方面越来越多的出现无人机的踪影。农 用无人机按结构可以分为固定翼无人机、 多旋翼无人机和无人直升机。按动力分,分为电动、油动混合动力无人机。随着科学技术的发展 ，劳动成本的提高，无人机越来越多的被用在农药喷洒、灌溉作业、森林灭火、电力寻线、水质监测等农业方面。我国是一个农 业大国，发展安全、节约、高效的精准农业是农业现代化的重要标志 ，也是我国农业发展的一个目标
9、。无人机在精准农业发展中具有非常重要的应用价值 ，因此也成为当前我国现9代化农业发展中的迫切需求。与固定翼、无人直升机相比，多旋翼农用无人机在喷洒农 药,液体肥料等方面有更大优势。其优点主要表现在以下几点：（1） 高效安全：与纯手工相比，无人机喷洒效率提升近 30倍,无人机洒药平均每 667吊只需2 min,每天可喷洒20 hmi何,而人工每人每天仅能完成位 0.67 hm2 11。人工 打药劳动强度大、效率低、天热还容易中毒，无人机作业使人无需与药物直接接触，能够 有效解决安全问题。（2） 雾化效果好： 无人机飞行高度低、旋翼向下的巨大旋力推动农药雾流对作物从上到下穿透、漂移少、雾化效果较好
10、。与地面常规大容量喷雾相比 ，无人机低量喷雾的药剂稀释倍数减少了 40倍,也即雾滴中的药剂浓度提高了 40倍12,药物用量大大减少 了,而雾化效果大大提高了。（3） 操作简单灵活 多旋翼的最大特点是，操作简单，易上手。多旋翼无人机的飞机结构非常对称，飞机的重心在机身的几何中心点，再加之，其有智能化飞行系统，所以飞 机在空中姿态特别平稳。多旋翼无人机由于能够垂直起降、自由悬停 ，可适应于各种速度及各种飞行剖面航路的飞行状况13,具有很好的灵活性。15多旋翼飞行器研究现状及前景目前国际上关于多旋翼的前沿研究方向主要集中于自主飞行和协同飞行。 主要的研究方向有基于惯导的自主飞行控制的 HMX4 GT
11、MARS自主飞行器系统方案、基于视觉的 自主飞行控制系统OS4,分别由宾夕法尼亚大学、佐治亚理工大学和瑞士洛桑联邦科技 学院研究开发。HMX4是宾夕法尼亚大学研发的以基于视觉的自主悬停控制而闻名世界的 无人机。宾夕法尼亚大学的研究人员把五个彩色标记放置在多旋翼下方，多旋翼的姿态 角和方位坐标通过地面摄像头跟踪测量旋翼下的标记的位置和面积获得 冋。目前，HMX4已经使用Backstepping 算法实现了基于视觉导航的自主悬停控制。随后宾夕法尼亚大 学的研究人员开发了一套双摄像头的视觉定位与定姿系统，分别在地面和旋翼机上安装 两个摄像头，从而提升测量的精度。随着对于多旋翼飞行器相关技术的进一步研
12、究， 其技术会逐步走向成熟。飞控、导航装置、任务规划、通信等子系统将逐步完善，同时具备自主起降和抗干扰稳定飞行的 特点，最终的目的是弥补目前国际范围内侦查手段的不足。在未来战争中，微小型多旋 翼飞行器的任务之一是对目标进行干扰并最终对其攻击，编队协调飞行更是完成任务 和突防的重要手段。今后数十年，随着航空理论及技术的发展，多旋翼飞行器必然会 取得重大进展。它将会成为一个集成多种系统的高级复杂系统，并且同时具备隐身和 信息传输的能力15 01.6结束语随着关键技术的发展，以及在军事和民用的应用前景，多旋翼飞行器会逐步向高 效、多功能方向发展。同时鉴于我国大量农业劳动力向第二、第三产业转移，为满足
13、 我国农业生产发展和环境保护的需要，利用飞行器植保的发展前景广阔，市场潜力巨 大。参考文献1Paul G.Fahlstrom, Thomas J.GIeason. 无人机系统导论M.北京：电子工业出版社，2003.2王树源.国外军用无人机发展现状趋势J.谷,2014,（18）:5-7.3张爱华,秦武.以色列军用小型无人机发展概览J.飞航导弹，2010，（ 02）4殷强.四旋翼无人机自主控制系统研究D.天津大学,2012.5N on ami K,Ke ndoul F,Suzuki S. Aut onom ous Flyi ng Robots: Unmann edAerialVehicles an
14、d Micro Aerial VehiclesM.Spri nger Publishi ngCompa ny,l ncorporated,2010.6Leishman J G. The breguet-richet quad-rotor helicopter of 1907J. Vertiflite, 2001,47（3）:1-4.7齐书浩.微型四旋翼飞行器总体设计及其运动控制D.上海交通大学学位论文， 2013:2-3.8Adem C,Vincent G,Everett A.UnmannedAir 一 craft System In RemoteSensing and Scien tific
15、 Research:Classificati on and Con sideratio ns of UsersJ.Romoetse nsl ng 2012（4）:16711692.9檀律科，何志文，薛新宇等.美国农用无人机的发展困境及启示 J浙江农业科学2014（11）:1660 一 1664.10阮晓东.农用无人机现代农业的助航者J,新经济导刊2015:66 70.11岳基隆张庆杰朱华勇微小型四旋翼无人机研究进展及关键技术浅析 J.电光与控制 2010（10）:47 一 51.12高圆圆.无人直升机（UAV）低空低容量喷洒农药雾滴在禾本科作物冠层的沉积分布 及防治效果研究D.东北农业大学20
16、13:1 一 5.13招慧玲周美娟,胡远忠.电容式液位传感器的设计J.传感器技术。14Jones L. Coordination and control for multi-quadrotor UAYMissionsR. NAVAL.POSTGRADUATE SCHOOL MONTEREY CA,2012.15郑伟光.四旋翼无人机飞行姿态控制系统研究D.长春理工大学,2010.2.本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）2.1课题的任务要求：要求与硬件合作共同设计完成整个系统的组成，能够实现如下功能：（1）多旋翼自主飞行器（下简称飞行器）摆放在 A点，开启动力，一键式启动，飞行 器平
17、稳起飞；（2） 飞向B点，在以B点中心一定范围内进行农药喷洒；（3） 完成农药喷洒任务，返回A点，平稳降落；完成系统软件设计（包含对应上面三 个功能的子程序），最终完成与硬件的联合调试按照淮阴工学院毕业设计论文规范完成 论文撰写。2.2系统硬件总体框架图:喷洒装置磁力计气压计MPXA6115A加速度器MMA7260Q主控芯片ADXRS610 单轴陀螺仪TMS320F2812GPS通讯nRF2401地面站电调电机2.3总体方案描述总体设计框图如上图所示，共为六个模块，分别为飞行控制模块、电机驱动模块、无线通讯模块、导航模块、电源模块以及农药喷洒模块。外形结构由固定的刚性十字交 叉骨架和四个分别固
18、定在展臂末端的电机构成， 各模块均放置在飞行器十字型骨架中心。 整个控制系统采取了模块化设计方法，方便安装与拆卸，便于系统改进与升级。其中，飞行控制模块包括磁力计、气压计、加速度计和陀螺仪。该飞行控制模块是以TMS320F2812为控制系统的处理器，主要负责四个电机的控制，选用ADXRS610单轴 陀螺仪，采用MMA7260Q加速度计和MPXA6115A的气压传感器。电机驱动模块主控芯片是 ATMEL公司的MEGA48单片机，而电机采用的 A2212:12 槽14级外转子无感无刷直流外转子电机。电源模块负责为整个系统提供持续稳定电流， 电源模块采用的主要由2200mAh 25C航模电池来进行供
19、电，电压输出约 11-13V，最大持续放电电流55A。导航模块以G13MC核心，由陀螺仪、声波测距等构成，工作中该模块收集的数据经过瑞萨芯片处理后输出，发送给飞行控制芯片调整飞行姿态。无线通讯模块以nRF2401单片机为核心，进行地面与飞行器的控制。关于农药喷洒模块，采用压力传感器来检测农药的水位，并选用电磁继电器用于实 现控制农药喷洒的关断功能。2.4研究进度安排起讫日期工作内容2月142月25日收集与课题相关资料，熟悉设计流程，完成开题报告2月26日3月3日外文资料翻译3月4日4月12日完成硬件框图和硬件电路设计4月13日4月14日毕业中期答辩4月15日4月25日完成电机驱动模块和电源模块的设计4月26日5月10日完成导航模块和通讯模块的设计5月11日5月20日完成飞行模块和农药喷洒模块的设计5月21日5月26日实现软硬件联调、撰写毕业说明书5月27日打印论文5月286月4日准备毕业设计论文答辩PPT6月5日6月7日毕业答辩
