四旋翼农药喷洒系统研制

淮 阴 工 学 院 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 1 页 共 40 页1 绪论1.1 课题研究背景与意义本课题研究的多旋翼自主飞行器属于无人飞行器的范畴，它是一种通过无线遥控及本身自带的控制算法来实现飞行的无人飞行器。同载人飞行器相比，它有着结构简单、成本较低、可操作性强、适用于在恶劣条件下工作等优点。近几年，随着无人飞行器技术的快速发展以及几次局部战争中无人机的突出表现，国内外对无人机的研发空前重视，其中无人飞行器已经在相关军事及民用方面都得到了普遍的应用 1。除了本课题所研究的多旋翼自主飞行器外，固定翼无人飞行器也是无人飞行器的一种 2。其中固定翼无人飞行器有着速度快、航程远、航时长等优点，因此在有大航程及高度的需求时，一般选择固定翼无人机，比如电力巡线，公路的监控等等。在军事方面固定翼无人飞行器能够高品质的执行侦查、监视等任务，其在阿富汗战争、伊拉克战争等一系列低烈度不对称战争中得到了越来越广泛的应用，并得到了作战官兵的一致好评。多旋翼相较于固定翼的性能特点，其在载重能力和飞行速度上存在一定缺陷。但多旋翼无人飞行器起飞不受场地限制，可以做到垂直起降，而且能够长时间悬停观察某个静止目标。除此之外，多旋翼还有着布局紧凑、动力利用率高、控制简单灵活等优点，适合恶劣条件下的作业，能在近地面环境完成巡查、监测等工作。又因为多旋翼结构比固定翼简单、零件相对较少，若发生器件损坏时很容易进行替换。因此，尽管多旋翼无人飞行器在一定方面存在不足，但在其诸多优势面前，它的应用前景依旧被大家看好。本课题所讨论的是多旋翼在农业上的应用，而目前国内外在基于多旋翼自主飞行器的农药喷洒方面虽多有研究，但其普及程度较小，所以多旋翼在农药喷洒方面必然有着广泛的应用前景。众所周知，我国是个农业大国，每年需要大量的人员从事农药喷洒作业，而大部分地区仍采用传统的地面人工方式来控制虫害。但地面的人工植保方式浪费现象严重、效率低下、成本较高并且占用大量劳动力，对于实现大范围农田的统防统治效果较差。除此之外，采用人工喷洒农药过程中，作业人员难免淮 阴 工 学 院 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 2 页 共 40 页会直接接触农药，因此农药中毒事件时有发生。为了解决这些问题，现在越来越多国家和地区均选择使用植保无人机进行农药喷洒作业。植保无人机采用喷雾喷洒的方式，提高了喷洒效率、节省了大量资源，而且可以避免与农药的直接接触 3。最关键的是利用飞行器进行农药喷洒解放了大量劳动力，有效缓解由于城镇化发展带来的农村劳动力不足的问题。正因为无人飞行器在农业上的应用有如此多的优点，基于无人飞行器在农药喷洒方面应用的开发将会越来越受各大研究机构追捧。1.2 国内外研究现状在国外，早在上世纪初，法国 Breguet 兄弟就制造了世界上的第一架四旋翼直升机，揭开了四旋翼飞行器研究发展的序幕 4。但多旋翼与固定翼及直升机相比，它非常不稳定且难以控制，因此必须要有自动控制器来控制飞行器的姿态。通常飞行器的自动控制器需要惯性测量系统来获取自身的姿态，而在 20世纪 90 年代之前，惯性测量系统重大十几公斤。若在飞行器上加上惯性测量系统，飞行器的动力系统将难以承受如此大负荷，有可能发生坠机的事故。因此在此后的几十年中，尽管很多研究人员对其进行了研究改善，但四旋翼飞行器的飞行稳定性依然很差。到上世纪 90 年代，随着 MEMS 惯性测量系统的重量不断减小，多旋翼飞行器的研究终于迎来了一丝曙光。但是那时惯性测量系统因为噪音的缘故，使得数据不能直接读出使用，研究人员又必须花了一些年时间研究 MEMS 去噪音的各种算法。而这些算法以及自动控制器本身都需要速度比较快的单片机来运行，于是必须等待速度比较快的单片机诞生。接着研究人员又相继花了几年时间来理解多旋翼飞行器的非线性系统结构、建立系统模型、设计控制算法等。在2005 年前后，真正意义上的多旋翼自主飞行器才被研制出来，之前一直被各种技术瓶颈限制的多旋翼飞行器也因此再次进入人们的视野，自此多旋翼成为各大高校及科研机构的研究热门。其中在国外的研究成果中，美国宾夕法尼亚大学的 Daniel Mellinger 等人研制的四旋翼自主飞行器较为人熟知，其飞行器大小只比手掌稍大（如图 1-1） 。这是一种可以在室内自主飞行的四旋翼，其能够实现多机协调以及复杂环境下的工作，且鲁棒性能好。淮 阴 工 学 院 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 3 页 共 40 页图1-1宾夕法尼亚大学四旋翼（左）协同飞行（右）如图 1-2 所示，德国 microdrones 公司的 MD4-200 飞行器机体采用是碳纤维材料，这种材料具有更轻的重量和更高的强度，同时也使 MD4-200 具有抗电磁干扰能力。AAHRS（姿态、航向参考系统）是 MD4-200 的核心，集成了加速度计、陀螺仪、磁力计、气压计、温度计等传感器和各种卓越的控制算法，因为这些使得 MD4-200 的操控变得简单。除此之外，MD4-200 还具有相应的安全保护措施，在能够在系统电量不足或失去控制信号的情况下选择自主降落，避免坠机事件的发生。图 1-2 MD4-200 四旋翼无人机除了上述的两项研究成果外，国外还有很多机构都对多旋翼有着一定的研究。比如美国 Draganfly Innovation Inc 设计的超级遥控摄像飞机DraganFlyer X4、法国 Parrot 公司开发的一款飞行器 AR.Drone、澳大利亚国立大学研制的 X-4 Flyer Mark 系列飞行器等等。在国内的研究成果中，除了大疆公司的一些产品外，目前只有几所著名高校在控制算法方面有一定的成果。其中上海交通大学和哈尔滨工业大学等研究淮 阴 工 学 院 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 4 页 共 40 页人员对四旋翼飞行器的控制算法进行了比较深入的研究，根据受控对象的非线性特征提出基于自适应理论、反步法、滑膜技术的控制方法，并进行相关仿真。南京航空航天大学的研究人员提出了直升机理论，也初步实现了四旋翼的数学建模和相关控制算法的设计。北京航空航天大学在共轴双翼机的自主控制与研发工作中也取得了一定的研究成果。本文旨在多旋翼在农药喷洒方面的应用，而航空植保技术已不是什么新鲜词汇，美国早在上世纪初就开始使用飞机进行喷洒作业 5。日本每年的植保作业中也以小型无人机为主，每年防治面积约 250-300 万公顷，60%水田的农药喷洒由无人机来完成 6。虽然我国目前航空植保并未普及，但其早在 1951 年就有使用飞机进行喷洒作业的先例。但是国内外的航空植保多以固定翼无人机和直升机为主，此类喷洒方式投入成本较高，且因为国内在空域管理方面远比国外严格，农药航空植保的审批手续复杂，容易延误农药喷洒的时机。而且我国农业航空飞行器多是其它飞行器改装而来，不是针对农业作业特点专门设计的。因此目前国内市场急需一种小型化、成本价低、使用方便的飞行器来实现农药喷洒作业。本课题研究的基于多旋翼自主飞行器的农药喷洒系统可以很好的满足上述需求，虽然在国内已经有少量的研究个例，但还远没有普及应用实践，仍然有待研究和发展。1.3 本文研究目的及主要内容本文的主要目的是设计基于多旋翼自主飞行器的农药喷洒系统的软件子系统，并着重对各传感器模块的程序设计及姿态控制算法进行分析讨论。与硬件合作共同设计完成整个系统的组成，最终实现多旋翼的一键式启动，并平稳飞向指定区域进行农药喷洒，农药喷洒工作完成后返回起飞点，平稳降落。本文共分为五章，各章的主要内容如下：第一章介绍了多旋翼的研究背景和意义，并简单叙述了基于多旋翼的相关国内外研究现状以及其在农药喷洒方面的应用前景，最后提出本文的研究目的和主要内容。第二章对四旋翼的飞行原理、机械结构进行简单地分析，最后选取并建立合适的坐标系，通过一系列的坐标变换建立系统模型。第三章主要是给出系统的总体框架设计方案，根据系统所要实现的功能，淮 阴 工 学 院 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 5 页 共 40 页将整个系统分成八大模块，接着分别对各个模块作简单的介绍，并依据具体要求进行每个模块的器件选型工作。第四章介绍了软件开发的相关仿真软件，并根据第三章中的模块对每一模块逐一绘制软件流程图。其中在姿态检测模块及高度检测模块中简单介绍滑窗平均值滤波和线性平均值滤波的处理方法。最后对PID控制的概念作一个简单的介绍，同时为了对系统各模块单元的检测数据进行误差补偿，依据四旋翼的运行特点给出最终的PID控制方法，绘画相关PID控制流程图及编写相关控制代码。第五章主要是对系统的软硬件进行联合调试，整定串级 PID 控制的相关系数，介绍调试过程中遇见的问题并给出相应的解决方案，最后给出系统实物运行状况图并对全文工作进行总结。2 四旋翼飞行器原理及系统结构对基于多旋翼的农药喷洒系统问题的研究，首先需要了解它的相关机械机构及飞行原理，并对四旋翼进行相关建模工作。在对飞行器建模时，为了得到合适的状态变量来描述飞行器的姿态，我们须选取合适的参考坐标系。因此本章将重点介绍四旋翼的机械结构和飞行原理，并根据其特点建立地面坐标系和机体坐标系，同时给出二者的转换关系。2.1 四旋翼飞行器的结构目前市场上四旋翼的结构主要有两种，如图2-1所示分别是X型分布与十字型分布 7。X型分布的四旋翼飞行动作灵活、具有更好的稳定性能，但其系统模型比较复杂。而十字型的四旋翼尽管飞行灵活性相对较差，但其姿态变化方向与机体方向相同，因此系统物理模型的建立比较容易。因为本课题所需要的四旋翼飞行器只是用于指定区域的农药喷洒，对其飞行灵活性的要求较小，考虑到后续坐标系的建立和转换，为了理论分析的方便，本系统最终选择十字型分布的四旋翼作为研究对象。如图2-1（b）所示，采用十字型分布式的四旋翼其四个旋翼对称分布在前后左右四个方向上，相邻旋翼的旋转方向相反。同时四个旋翼分别由四个型号相同的直流无刷电机控制，电机分别安装在四个支架端（图b的四个圆圈出），淮 阴 工 学 院 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 6 页 共 40 页机身中间部分则安装各种测量器件和主控芯片XY( a ) X 型飞行方式XY( b ) 十型飞行方式图2-1 四旋翼飞行器动力学模型2.2 四旋翼飞行器的原理四旋翼的飞行原理与单旋翼式直升机有着明显区别，直升机是依靠机头上部的螺旋桨旋转产生向上的升力，并利用尾翼来平衡的其反作用力矩和实现直升机的转弯操作；而四旋翼则是利用安装在机架端的直流电机来同时调节所有旋翼的转速，最终实现其姿态和位置的变化。由下图可知，在旋翼1、3逆时针旋转同时，旋翼2、4顺时针旋转（相邻的旋转方向刚好相反），因此当四旋翼在平衡飞行的时候，旋翼旋转所产生的反转扭力刚好被抵消 8。下面本设计在不考虑外界干扰因素的前提下，定性地来分析四旋翼的基本飞行原理。在图2-2中，将旋翼1处位置看作四旋翼的机头位置，相应的旋翼3处则看作机尾。为了明确各旋翼的转速及机体的转向变化情况，本文中规定实线箭头指向上时表示此处电机转速提高，指向下时则此处的转速下降，虚线箭头表示机体的旋转方向。淮 阴 工 学 院 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 7 页 共 40 页ZYX3412( a ) 垂直运动ZYX3412( b ) 俯仰运动ZYX3412( c ) 滚转运动ZYX3412( d ) 偏航运动ZYX3412( e ) 前后运动ZYX3412( f ) 侧向运动图2-2 四旋翼飞行器的六种运动状况（1）垂直运动：如上图（a）所示，若同时提高四个旋翼的转速，四旋翼飞行器的升力变大，当升力大于机身的重量时，四旋翼沿Z轴垂直向上运动；相反，同时降低四个旋翼的转速，四旋翼沿Z轴垂直向下运动；如果通过控制四个旋翼转速以保持其升力与机身重力大小相等，则可使其处于悬停工作状态。（2）俯仰运动：如上图（b）所示，若提高旋翼1的转速、同时相应地降低旋翼3的转速（旋翼2、4的转速保持不变），则机头处的升力大于机尾，机身沿Y轴旋转向上偏转；相反，机尾处的升力大于机头，机身沿Y轴向下偏转。（3）滚转运动：如上图（c）所示，与俯仰运动的分析方法相同，若只改淮 阴 工 学 院 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 8 页 共 40 页变机身左右两侧的旋翼转速，可使机身两侧产生不平衡力矩，最终实现四旋翼的滚转运动。（4）偏航运动：由四旋翼的原理可知，当其四个旋翼额转速相同时，因为相邻旋翼转速相反，所以此时反扭矩刚好抵消。如上图（d）所示，如果相应地提高旋翼1、3转速的同时，降低其它旋翼的转速，这时会产生不平衡扭矩使机身绕Z轴转动，最终实现可四旋翼的偏航运动。（5）前后运动：如果要实现四旋翼的前后运动，必须使其有一个向前的力。如上图（e）所示，提高旋翼3的转速、降低旋翼1的转速，同时保持旋翼2、4的转速不变。根据俯仰运动的分析可知，机身会向下倾斜一定角度，因此旋翼提供的升力会产生一个沿X轴方向的拉力使四旋翼飞行器朝前运动。同样，在俯仰运动及翻滚运动的过程中因为机身的倾斜，使得飞行器都有一个拉力分量的产生，这些情况都可以实现飞行器的前后运动。（6）侧向运动：如上图（f）所示，根据系统机械结构的对称性，由上述前后运动原理可知，只需要改变旋翼2、4的转速，即可使四旋翼飞行器实现侧向运动。2.3 四旋翼飞行器坐标系与坐标变换2.3.1 选取坐标系由四旋翼的机械机构和飞行原理可知，它有着六种运动状况，且这六种运动状况主要两大类：一是图2-2（a）（e）（f）中所展示的平行运动；另一类是图2-2（b）（c）（d）中展示的旋转运动。所以为了更好地分析四旋翼的各种运动状况以及确定其姿态角、位置等参数，我们需要选取合适的参考坐标系。为了满足上述要求，本文采用地面坐标系 和机体坐标系 来对系统(,) (,)进行相应地数学建模分析，如图2-3所示。其中地面坐标系 一般选取地面上一固定点O作为坐标原点（即四旋翼(,)飞行器起飞位置），并规定X轴、Y轴、Z轴两两垂直且坐标轴方向与旋转方向均符合右手原则。因为四旋翼所研究的姿态、速度、位置都是相对地面坐标系而言的，所以地面坐标系主要用于确定四旋翼的姿态、空间位置等信息。机体坐标系 是以四旋翼机身的重心作为坐标原点，以旋翼1、3连线(,)方向作为x轴且规定其正方向为旋翼3指向旋翼1的方向；相应的将旋翼2、4的所淮 阴 工 学 院 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 9 页 共 40 页在直线作为机体坐标系y轴，并规定旋翼4指向旋翼2的方向为y轴正方向；同时规定z轴的正方向竖直向上。在进行数据分析时，内置的陀螺仪、加速度计、气压计、磁力计等传感器的输出都是以机体坐标系作为参考的。Oxyzm g机头方向F 4F 2F 1F 3机体坐标系ZX YO地面坐标系图2-3 机体坐标系和地面坐标系示意图2.3.1坐标变换如图2-4所示，我们可以通过偏航角 ，俯仰角 ，横滚角 来描述地面坐标 系与机体坐标系之间的关系。其中横滚角 、俯仰角 、偏航角 分别是指机体 坐标系相对地面坐标系沿X轴、Y轴、Z轴变化的角度，同时规定四旋翼飞行器的机体在向右翻转时形成的角度为正、机体头部上扬时所形成的角度为正以及机体向右偏航时形成的角度为正 9。ZX ( x )YzyZXY ( y )zxZ ( z )XYxy 图2-4横滚角、俯仰角与偏航角示意图坐标转换的过程中，先围绕X轴旋转 角度，接着围绕Y轴旋转 角度，接 着围绕Z轴旋转 角度，最后两坐