1、 淮 陰 工 學 院畢業設計(論文)開題報告學 生 姓 名：盧應虎學 號：1131201416專 業：電氣工程及其自動化設計(論文)題目：基于多旋翼自主飛行器的農藥噴灑硬件子系統指 導 教 師:唐中一2017年2月21日 畢 業 設 計（論 文）開 題 報 告1結合畢業設計（論文）課題情況，根據所查閱的文獻資料，每人撰寫2000字左右的文獻綜述文 獻 綜 述1.1引言 隨著現代航空航天事業的迅速發展，無人駕駛飛行器也在現代高新技術前提下快速發展，自上世紀八十年代初，以色列率先將無人駕駛飛機應用于戰場，直接對作戰行動提供支援并且效果顯著，這對無人機之后的發展和應用起到極大的助推作用12。小型多旋

2、翼無人飛機是指具有多于兩個旋翼的飛行器，與固定翼飛機相比，多旋翼飛機還具有垂直起降，空中懸停等優點；而與常規單旋翼直升機相比，小型多旋翼飛機在結構上也具有諸多優勢。第一，使用多個旋翼可以使每個旋翼具有較小的直徑，能有效減小了與外界物體碰撞的幾率。對于小型多旋翼飛機而言，這種結構極大提升了其機動靈活性，以較小的損壞風險勝任更具挑戰性的任務環境；第二，小型多旋翼飛機不需要通過機械連接改變槳距來產生推力和扭矩的變化，簡化了機械設計和維護的成本35。小型多旋翼無人機應用范圍非常廣泛。在農業領域，國內無人機規模化民用開始起步。這兩年我國無人機民用市場迅速壯大，餐飲行業、物流快遞、保險查勘等新應用嘗試紛紛

3、出現，電力巡檢和農業植保尤其成為市場發展的熱點，此外無人機用于草原放牧管理也開始嘗試。國內各級政府部門均鼓勵和發展農業植保無人機，發展無人機防治病蟲害。在高污染、高危險區域，各種有人設備無法進入，小型多旋翼在此類環境下能發揮不可替代的作用。通過配備傳感器，微型多旋翼可以深入危險區的中心，通過傳感器采集回傳核輻射程度、生物化學等有毒物質的濃度。同時，小型多旋翼還能通過有規律的飛行和傳感器數據，能夠判斷出危險區域的位置坐標，擴散或移動情況。在工業領域方面，電力巡檢是目前國內主要的多旋翼無人機民用領域。隨著國家輸電網絡的逐漸完善，電力線故障巡查也是一項日趨繁重的任務，減小人工勞動強度，使用攜帶探測器

4、或者相關設備的多旋翼飛行器取而代之，可以提高效率，更保障了人員的安全。目前，我國已選取山西、湖北多地為試點。試點單位外的內蒙古、黑龍江、云南等省份及南方電網公司也已初步嘗試利用無人機開展電力巡檢工作。畢 業 設 計（論 文）開 題 報 告 本文的主要研究了無人機及其控制系統設計技術的發展現狀和背景，明確說明了研究目的與意義。提出了無人機飛行控制系統的設計任務，確定了控制系統的設計流程和設計方法。論文首先闡述了四旋翼飛行器的基本飛行原理，給出了整體設計框架。闡述了 GPS 模塊、陀螺儀、加速度計、磁強計、高度計、空速計等測量傳感器的工作原理并完成了主要電路元器件的選型工作。然后根據系統結構特點與

5、硬件合作共同設計完成整個系統的組成，設計飛行控制模塊，無刷直流電機的驅動模塊，選取了無線通訊模塊，并對各模塊進行整合，完成了系統硬件設計。然后編寫相關軟件程序與算法，實現飛機的平穩飛行、降落及農藥噴灑工作。其中主要實現多旋翼自主飛行器在指定地點開啟動力，一鍵式啟動，飛行器平穩起飛；飛向需要噴灑農藥的目的地，在目的地中心一定范圍內進行農藥噴灑；在完成農藥噴灑任務后返回原先指定的起飛點平穩降落。最終，完成了飛行控制系統的硬件設計工作。1.2 多旋翼飛行器的研究背景 早在 1907 年的時候，法國 Charles Richet 教授指導的 Breguest 兄弟制造出了第一架多旋翼飛行器，并且命名為

6、 Gyroplane No.16。其外形已經具有多旋翼的基本特征，四個長為 8.1 米的旋翼分布在十字架的四個端點上，一對旋翼順時針旋轉，一對旋翼逆時針旋轉。由于輸入的控制量只有油門，所以不能實現多旋翼的穩定飛行，1921 年，美國空軍軍團（ US Army Air Corps）與 George de Bothezat 簽訂合約資助其建造多旋翼飛行器。不同的是，該多旋翼的四個槳是由一個發動機帶動的。但其飛行控制仍存在問題，無法實現穩定飛行，在其花費了 20萬美金，進行了 100 多次試驗之后，仍然達不到軍方的要求，最終軍方失去了興趣，停止了這項研究工作。1956 年的時候，Convertawi

7、ngs 制造了 Convertawings Model A 多旋翼飛行器，它由兩個發動機來提供驅動實現飛行控制。旋翼直徑達到了 19 寸，經試驗飛行器的飛行性能良好，達到了設計要求，但是設計人員和工程師失去了對多旋翼的興趣，最終放棄了研制7 。 1.3研究的目的和意義多旋翼飛行器之所以受到廣泛關注，首先是因為它誘人的多種特殊用途。畢 業 設 計（論 文）開 題 報 告（1）將會成為空中立體化、層次化信息網的最低層的手段: 多旋翼飛行器可以用于低空低速飛行，飛行高度可以從十幾米到幾百米。可以作為空天一體化的最后一層，由單兵攜帶，在接近敵人的前沿陣地進行悄無聲息，高隱蔽性的近距離偵察和監視，能夠偵

8、察到衛星、偵察機等不容易發現的目標。在反恐任務中，可以接近恐怖分子，對其進行監視甚至攻擊，有效減少人質的傷亡。 （2）用于低空和復雜地形條件下作戰偵察: 可以利用多旋翼飛行器的機動靈活性，隱蔽性，在城市巷戰和山地、叢林等復雜環境條件下對敵人進行空中隱蔽性打擊。同時可以用來對生化特殊環境的空中物質進行采集。 （3）多旋翼飛行器的民用前景： 多旋翼飛行器在突發事件處理，對高速公路、災情實時了解，森林防火，有毒氣體和煙霧的采集等，以及在機場附近驅逐飛鳥，保障飛機的起落安全都有廣泛的應用。同時還可以進行航拍作業，農業噴藥等各種用途。 1.4農用飛行器優勢 無人機(unmannedaerialvehie

9、le,uVA)是一種機上無人駕駛的航空器,其具有動力裝置和導航模塊,在一定范圍內靠無線電遙控設備或計算機預編程序自主控制飛行8。20世紀初,無人機最先出現在美國,并被運用在軍事上,經過近百年的發展,無人機技術越來越成熟,并且被廣泛運用在各個領域,尤其是農業方面越來越多的出現無人機的蹤影。農用無人機按結構可以分為固定翼無人機、多旋翼無人機和無人直升機。按動力分,分為電動、油動混合動力無人機。隨著科學技術的發展,勞動成本的提高,無人機越來越多的被用在農藥噴灑、灌溉作業、森林滅火、電力尋線、水質監測等農業方面。我國是一個農業大國，發展安全、節約、高效的精準農業是農業現代化的重要標志,也是我國農業發展

10、的一個目標。無人機在精準農業發展中具有非常重要的應用價值,因此也成為當前我國現代化農業發展中的迫切需求9。與固定翼、無人直升機相比,多旋翼農用無人機在噴灑農藥,液體肥料等方面有更大優勢。其優點主要表現在以下幾點：畢 業 設 計（論 文）開 題 報 告 （1）高效安全：與純手工相比,無人機噴灑效率提升近30倍,無人機灑藥平均每667m2只需2 min,每天可噴灑20 hm2 10,而人工每人每天僅能完成位0.67 hm2 11。人工打藥勞動強度大、效率低、天熱還容易中毒,無人機作業使人無需與藥物直接接觸,能夠有效解決安全問題。 （2）霧化效果好： 無人機飛行高度低、旋翼向下的巨大旋力推動農藥霧流

11、對作物從上到下穿透、漂移少、霧化效果較好。與地面常規大容量噴霧相比,無人機低量噴霧的藥劑稀釋倍數減少了40倍,也即霧滴中的藥劑濃度提高了40倍12,藥物用量大大減少了,而霧化效果大大提高了。 （3）操作簡單靈活 多旋翼的最大特點是,操作簡單,易上手。多旋翼無人機的飛機結構非常對稱,飛機的重心在機身的幾何中心點,再加之,其有智能化飛行系統,所以飛機在空中姿態特別平穩。多旋翼無人機由于能夠垂直起降、自由懸停,可適應于各種速度及各種飛行剖面航路的飛行狀況13,具有很好的靈活性。 1.5多旋翼飛行器研究現狀及前景 目前國際上關于多旋翼的前沿研究方向主要集中于自主飛行和協同飛行。主要的研究方向有基于慣導

12、的自主飛行控制的 HMX4、GTMARS 自主飛行器系統方案、基于視覺的自主飛行控制系統 OS4，分別由賓夕法尼亞大學、佐治亞理工大學和瑞士洛桑聯邦科技學院研究開發。HMX4 是賓夕法尼亞大學研發的以基于視覺的自主懸停控制而聞名世界的無人機。賓夕法尼亞大學的研究人員把五個彩色標記放置在多旋翼下方，多旋翼的姿態角和方位坐標通過地面攝像頭跟蹤測量旋翼下的標記的位置和面積獲得14。目前，HMX4 已經使用 Backstepping 算法實現了基于視覺導航的自主懸停控制。隨后賓夕法尼亞大學的研究人員開發了一套雙攝像頭的視覺定位與定姿系統，分別在地面和旋翼機上安裝兩個攝像頭，從而提升測量的精度。 隨著對

13、于多旋翼飛行器相關技術的進一步研究，其技術會逐步走向成熟。飛控、導航裝置、任務規劃、通信等子系統將逐步完善，同時具備自主起降和抗干擾穩定飛行的特點，最終的目的是彌補目前國際范圍內偵查手段的不足。在未來戰爭中，微小型多旋翼飛行器的任務之一是對目標進行干擾并最終對其攻擊，編隊協調飛行更是完成任務畢 業 設 計（論 文）開 題 報 告和突防的重要手段。今后數十年，隨著航空理論及技術的發展，多旋翼飛行器必然會取得重大進展。它將會成為一個集成多種系統的高級復雜系統，并且同時具備隱身和信息傳輸的能力15。1.6結束語 隨著關鍵技術的發展，以及在軍事和民用的應用前景，多旋翼飛行器會逐步向高效、多功能方向發展

14、。同時鑒于我國大量農業勞動力向第二、第三產業轉移，為滿足我國農業生產發展和環境保護的需要，利用飛行器植保的發展前景廣闊，市場潛力巨大。參考文獻1Paul G.Fahlstrom, Thomas J.Gleason. 無人機系統導論M北京:電子工業出版社，2003.2王樹源. 國外軍用無人機發展現狀趨勢J. 谷,2014,(18):5-7.3張愛華,秦武. 以色列軍用小型無人機發展概覽J. 飛航導彈，2010，（02）4殷強. 四旋翼無人機自主控制系統研究D.天津大學,2012.5Nonami K,Kendoul F,Suzuki S. Autonomous Flying Robots: Unm

15、anned Aerial Vehicles and Micro Aerial VehiclesM.Springer Publishing Company,Incorporated,2010.6 Leishman J G. The breguet-richet quad-rotor helicopter of 1907J. Vertiflite, 2001, 47(3):1-4.7齊書浩. 微型四旋翼飛行器總體設計及其運動控制D.上海交通大學學位論文，2013:2-3. 8Adem C,Vincent G,Everett A.Unmanned Air一craft System In Remote

16、 Sensing and Scientific Research:Classification and Considerations of UsersJ. Romoetsenslng 2012(4):16711692.9檀律科,何志文,薛新宇等.美國農用無人機的發展困境及啟示J浙江農業科學2014(11):1660一1664.10阮曉東.農用無人機現代農業的助航者J,新經濟導刊2015(4):66一70.畢 業 設 計（論 文）開 題 報 告11岳基隆張慶杰朱華勇.微小型四旋翼無人機研究進展及關鍵技術淺析J.電光與控制2010(10):47一51.12高圓圓.無人直升機(UAV)低空低容量噴灑

17、農藥霧滴在禾本科作物冠層的沉積分布及防治效果研究D.東北農業大學2013:1一5.13招慧玲周美娟,胡遠忠.電容式液位傳感器的設計J.傳感器技術。14Jones L. Coordination and control for multi-quadrotor UAY missionsR. NAVAL POSTGRADUATE SCHOOL MONTEREY CA,2012.15鄭偉光. 四旋翼無人機飛行姿態控制系統研究D.長春理工大學,2010.畢 業 設 計（論 文）開 題 報 告2本課題要研究或解決的問題和擬采用的研究手段（途徑）2.1課題的任務要求： 要求與硬件合作共同設計完成整個系統的組

18、成，能夠實現如下功能： (1)多旋翼自主飛行器（下簡稱飛行器）擺放在A點，開啟動力，一鍵式啟動，飛行器平穩起飛；（2） 飛向B點，在以B點中心一定范圍內進行農藥噴灑； （3）完成農藥噴灑任務，返回A點，平穩降落；完成系統軟件設計（包含對應上面三個功能的子程序），最終完成與硬件的聯合調試按照淮陰工學院畢業設計論文規范完成論文撰寫。2.2系統硬件總體框架圖： 畢 業 設 計（論 文）開 題 報 告 2.3 總體方案描述 總體設計框圖如上圖所示，共為六個模塊，分別為飛行控制模塊、電機驅動模塊、無線通訊模塊、導航模塊、電源模塊以及農藥噴灑模塊。外形結構由固定的剛性十字交叉骨架和四個分別固定在展臂末端的電機構成，各模塊均放置在飛行器十字型骨架中心。整個控制系統采取了模塊化設計方法，方便安裝與拆卸，便于系統改進與升級。 其中，飛行控制模塊包括磁力計、氣壓計、加速度計和陀螺儀。該飛行控制模塊是以 TMS320F2812 為控制系統的處理器，主要負責四個電機