1、2014-2015 年大学生创业新基金项目结题论文作品名称： 用于作物生长监测的飞行机器人 学 院： 工学院 指导老师： 孙磊 申报者姓名（团队名称）： 李家强、梁闪闪、谈姚勇 二一五年五月目录摘要.3关键词.3引言.3多旋翼农用无人机的发展简史.4作品设计方案1.1 飞行器的结构框架和工作原理.51.2 硬件选择.61.3 硬件电路设计1.3.1：主控模块.71.3.2：姿态传感器模块 .81.3.3：电源模块 .91.4 软件系统设计 1.4.1：总体设计.91.4.2：姿态解算实现.10参考文献.11附件 1：作品实物图.12附件 2：原件清单.13附件 3 电路原理图.14附件 4 部
2、分程序（遥控器）.15关于作物成产检测的飞行机器人的研究报告作者：李家强、梁闪闪、谈姚勇 指导老师：孙磊（安徽农业大学工学院 合肥市长江西路 130 号 230036）摘要:四旋翼飞行器通过排布在十字形支架四个顶端的旋翼，产生气动力，控制飞行器的升降、倾斜、旋转等。本文主要讨论四旋翼飞行器所选用的单片机类型，以及选用此款单片机的原因。通过 PWM 技术来调节飞行器的飞行状态，以 MPU-6050 为惯性测量器件。所形成的飞行控制系统使得飞行器能达到较平稳的飞行姿态。整体采用无线遥控控制，无线频波为 2.51GHZ。关键词：四旋翼飞行器、作物检测、飞行时间、飞行距离Abstract: throu
3、gh four rotor aircraft configuration at the top of the cross-shaped bracket four rotor, aerodynamic force, control aircraft movements, tilt, rotation, etc. This article focuses on four rotor aircraft chooses the types of single chip microcomputer and choose this single chip microcomputer. Through th
4、e PWM technology to adjust the aircrafts flight status, inertial measurement device for MPU - 6050. Formed by makes the aircraft flight control system can achieve a smooth flight. Overall the wireless remote control, wireless 2.51 GHZ frequency wave.Keywords: four rotor aircraft, crop detection, tim
5、e of flight, flight distance引言：随着我国的经济迅速发展，农业种植的规模化、机械化、信息化。但是现阶段的农业生产中存在着一些很棘手的问题。例如农作物的病虫害的实时监控这个问题以及作物生长情况采样分析等。而飞行机器人可以利用自身携带的航拍工具在操作人员制定的地块进行拍摄，通过无线接收装置可以在操控室的接收显示屏播放航拍发送回来的图片和视频。此作品飞行距离可达到 2000 米，留空时间可达 30 分钟。故而此作品完全可以实时监测农作物的病虫害的发展以及采取大量有效的作物生长数据。多旋翼农用无人机的发展简史多旋翼农用无人机是飞机的一种，其发展历史可以追溯到 1903 年，
6、世界上第一架飞机的发明创造为其发展奠定基础。而此后数十年间，该飞行设备分别在德国、美国、苏联等国的植保农业中广泛推广使用，截止 1978 年，全世界拥有航空植保飞机 25000余架，近几年以每年递增约 2000 架的幅度上升。同时，各国的农用飞机有 60 余种，其中定翼型飞机 40 多种、旋翼型（直升）飞机 20 多种，有数据显示世界上主要国家植保飞机数量和作业面积，如下（其中，1ha 等于 1 公顷）：表 1 世界上主要国家植保飞机数量和作业面积（1990 年统计）主要国家 飞机数量（架）作业面积（kha）主要国家 飞机数量（架）作业面积（kha）苏联 8，000 81，000 古巴 184
7、 5,152美国 6，100 42,100 秘鲁 174 1,000加拿大 666 2,130 日本 158 1,622墨西哥 450 3,000 危地马拉 157 3,432阿根廷 450 5,000 萨尔瓦多 136 1,395澳大利亚 260 6,170 德国 100 1,840新西兰 213 3,320 南斯拉夫 92 1,200哥伦比亚 208 5,229尼加拉瓜 190 3,834世界上 62个国家共有18,800 506,667随着专用航空植保飞机的先后设计和制造，作为技术较为成熟的农用无人机也相继出现，并迅速发展起来了。如美国的“农猫式”航空植保飞机等，而 1960 年荷兰就成
8、立了国际航空植保中心，进一步扩大了农用植保飞机的规模。截止到上世纪 80 年代，世界上拥有航空植保飞机数量超过 100 架的国家就有近 20 个。作品设计方案1.1 飞行器的结构框架和工作原理整个飞行器的结构框架如图所示：图 1 飞行器结构图图 1 中飞行器的组成主要包括如下部分轴翼部分：该部分固定安放在机身的四个轴的末端，为整个飞行器的动力所在，其中包括螺旋桨(正、反桨)、电机以及一些固定部件。 飞行控制部分：该部分固定在四轴的中心，控制整个飞行器的运动姿态，其中包括主控制器部分、遥控接收部分、姿态采集部分等等。 机身：整个机架用于固定旋翼模块和飞行控制模块，另外，在飞控部分和电机之间，根据
9、设计的不同，可能需要安放专门的电子调速器来调节电机的转速。 这种四旋翼结构中，四个轴的桨翼处于同一高度平面，轴的中心处安放飞行控制部分，以使得整个四轴重心稳定，这样飞行控制部分就可以通过调整四个螺旋桨的转速来控制四轴的运动姿态，这种结构形式的飞行器控制方式简单，控制部件少。工作原理：四轴飞行器的一切控制行为都是通过调整四个动力电机的转速来实现的，通过四个螺旋桨产生的力和力矩来控制飞行器的飞行姿态，因此，整个四轴飞行器可以抽象成图 2 所示的模型。图 2 飞行器受力分析图图 2 中，F 前，F 右，F 后，F 左分别代表前右后左四个桨翼产生的升力，M 前，M 右，M 后，M 左，分别代表前右后左
10、四个桨翼所产生的力矩；控制飞行器四个桨翼产生的升力和力矩即可产生各种飞行姿态，实现各种飞行任务。1.2 硬件设计与选择1 微控制器在四轴飞行器飞行控制器中，传感器电信号的采样、转换，信号数据的融合，以及控制器的运算都通过微控制器的 CPU 及其外设实现。在飞行控制器工作时需要大量的运算，尤其在 IMU 运算与控制算法运算时，会涉及到大量的矩阵与乘除法运算，因此在微控制器选型时应选择运算性能强、运算速度快的微控制器。同时，飞行控制器中的各种模块需要不同的接口与外设进行采样，如电池监测与 IMU 采样需要使用 A/D转换单元。因此选择微控制器应具有丰富的外设以简化电路设计，提高硬件稳定性。在达到飞
11、行控制系统控制性能要求的前提下，综合满足其重量、体积、功耗和成本的需求，微控制器的选型应考虑高性能、低功耗、外设丰富的高性能单片机。本款设计我们采用的单片机为 STC15W4K 型单片机。此款单片机集成了一组（各自独立 6 路）增强型的 PWM 波形发生器。功耗低，体积小，成本低，完全符合作品需求。2 惯性测量原件：MPU-6050 是全球首例整合六轴运动处理器件。相较于多组件方案，免除了陀螺组件和加速器时轴间差的问题，减少了大量的包装空间。MPU-6050 整合了三轴陀螺仪，三轴加速器，并含可由第二个 I2C 端口连接其他厂牌加速器、磁力传感器或其他传感器的数位运动处理硬件加速引擎，由主要
12、I2C 端口以单一数据流的形式向应用端输出完整的九轴融合演算技术。3 动力系统基本组成：电动无人机的动力系统主要由四个部件组成：电池、电动机、电子调速器和螺旋桨等。4 电池：现在可用做模型动力的电池种类很多，镍氢(Ni-MH)、镍锰(NiOH-MnO2)、锂金属(Li)、锂聚合物（Li-Poly）等电池都行，其中以镍氢电池和锂聚合物电池以其优异的性能和低廉的价格成为本次四旋翼飞行器设计中的首选。表示电池性能的标称有很多，我们最关心的是电压、容量和放电能力这三个。在实际使用中电池的电压和电流不一定与我们的需要相符，所以必须串联和并联来使用。串联是指把几个单节电池头尾相接的连接起来，也就是说正极接
13、负极、负极接正极的连接起来，其总电压等于各节电池的总和，放电电流等于单节的放电电流，容量也等于单节的容量。并联是指把几节或几组电池头对头、尾对尾的连接起来，也就是说正极接正极、负极接负极，并联后的电压等于单节电池或电池组的电压，电流等于各电池组的总和，容量还是原来的容量。总之，电池串联后只是电压增加，并联后只是电流增加，而其它的则不变。1.3 硬件电路设计1.3.1 主控模块(1) 处理器（ MCU）选择STC15W4K32S4 系列的单片机集成了一组（各自独立6 路）增强型的PWM 波形发生器。PWM 波形发生器内部有一个15 位的PWM 计数器供6 路PWM 使用，用户可以设置每路PWM
14、的初始电平。另外，PWM 波形发生器为每路PWM 又设计了两个用于控制波形翻转的计数器T1/T2，可以非常灵活的每路PWM 的高低电平宽度，从而达到对PWM 的占空比以及PWM 的输出延迟进行控制的目的。由于6 路PWM 是各自独立的，且每路PWM 的初始状态可以进行设定，所以用户可以将其中的任意两路配合起来使用，即可实现互补对称输出以及死区控制等特殊应用。1.3.2 姿态传感器模块(1) 概述四轴飞行器属于多旋翼飞行器，各个桨翼之间的旋转过程中总存在着相互干扰，这就导致在飞行过程中，飞行的稳定性较差；另外在飞行器的电机、桨叶及机身等方面要求也较高，它要求各个旋翼的电机特性一致、各个桨叶的桨距
15、及安装角度相同、机身对称等等。然而实际中这些条件很难满足，而且往往相差较大；因此飞行器稳定性差，且难以控制，在设计控制系统时着重需要考虑飞行器的稳定性设计。这样姿态测量在飞行器系统中就显得尤为必要，设计相应的传感器对飞行器的运动姿态进行测量，有助于反馈当前姿态，确保飞行稳定。(2) 传感器使用设计中选用加速度和角速度两种传感器来进行姿态测量，用加速度的测量数据来互补角速度传感器测量的不足；设计中采用 InvenSense 公司生产的整合性 6 轴运动处理组件 MPU-6050。1.3.3 电源模块在控制电路中电源模块是一个不可或缺的部分，电源部分很大程度上决定着电路的性能指标，在设计电路电源时
16、，不仅需要满足电路中各个模块的电压要求和功率要求，且还要确保输出得电压稳定。在控制系统中，控制电路对电源有着如下要求：(a) 桨翼电机的供电直接使用电源的电压，电机对电源的稳定性要求不高，但对功率要求很高。(b) 传感器部分和微控制器使用 3.3V 电压，此电压对稳定性要求很高，但对功率要求不高，因此需要提供稳压器件。(c) 对于接收机的电源，需要大于 4.2V，设计中还需要设计升压电路。所以除了电机直接使用电源电压外，其他两种电压均需要提供相应的稳压和升压电路。(1) 5V 升压电路设计该电路输出的电压供接收机使用，采用低噪声的 DC-DC 转换器 BL8530-501SM ES电源芯片。(
17、2) 3.3V 电压电路设计该电路的输出电压供微控制器和传感器模块使用，考虑到对电流的要求不高，但输出的电压需要确保稳定性，设计采用低噪声的低压差线性稳压器 ME6219C-33-M5G。1.4 软件系统设计1.4.1 总体设计控制系统软件部分采用 C 语言编写，针对 STC 系列微控制器，STC 公司提供了强大的功能函数支持，使得系统实现时可以将主要精力集中于算法和系统的稳定性设计上。1.4.2 姿态解算实现1.姿态解算部分是整个控制系统的核心，主要负责将接收到的遥控指令计算出飞行器期待的运行姿态，同时读取姿态传感器数据，从中解算出飞行器姿态，期待的姿态与当前姿态的数据差值将提供给 PID
18、控制器，从而计算得到电机的控制量。2.系统主要功能是接收遥控器控制信号，并对其进行解码转换，同时通过采集飞行器上姿态传感器的姿态数据，对飞行器的运动姿态进行估测，数据融合得到飞行器姿态的调整量，并输出控制，同时确保飞行器运动的稳定。由上图可知：输入信号主要有：来自遥控器的四路遥控器指令，分别来控制飞行器的升降、前后飞行、左右飞行、自旋；来自角速度传感器和加速度传感器的 6 路数据用来感知飞行器当前姿态，并与目标姿态进行比较，实现闭环控制；微处理器计算出与目标姿态的差值，通过 PID 算法计算出四个旋翼的控制量，最终以 PWM 占空比形式输出控制电机。参考文献:【1】李宝筏.农业机械学，北京：中国农业出版社，2003
