多旋翼自主飞行器的农药喷洒软件子系统设计
四旋翼飞行器用于农药喷洒作业，是因为可通过无线通讯实现远程操控以及一键式的实现，操作方便。在设计中，主控模块使用芯片STM32。高度检测模块利用气压计，姿态飞行模块结合陀螺仪和角加速度，在航向判别上，应用磁力计，而定位则使用的是GPS，从而控制飞行器飞向目的点。农药检测模块以液压计来判别喷洒工作是否完成。主控模块通过对电压进行分析，保证飞行器正常运行。经调试后，基本实现任务书中规定要求。关键词四旋翼，STM32 处理器，系统模块，农药喷洒
目 录
1 绪论 1
1.1 课题研究背景及其研究意义 1
1.2 国内外研究现状 2
1.3 本文研究目的及主要内容 3
2 四旋翼飞行器的原理及系统结构 4
2.1 四旋翼的结构 4
2.2 四旋翼的工作原理 5
2.3 四旋翼飞行器坐标变换 7
2.4 本章小结 13
3 系统的总体方案设计 13
3.1 系统功能设计 13
3.2 总体方案设计 14
3.3 各模块器件的选择与设计 15
4 四旋翼的软件设计 21
5 系统调试及分析 25
5.1 PID参数整定与分析 25
5.2 调试状况分析 26
总 结 28
致 谢 30
参 考 文 献 31
附 录 33
1 绪论
1.1 课题研究背景及其研究意义
在这个崇尚科技的时代，自动化已近深入人民的生活，而本课题研究的四旋翼自主飞行器，就是一种能够实现自主飞行的科技产品。四旋翼自主飞行器，以飞行控制计算机为中心，分散对称的四个旋翼由支撑架相连接，四个电机分别提供动力输出。工作原理类似直升机，通过旋翼的旋转形成空气阻力，从而克服飞行器的自身重力，已达到飞行器飞行的功能。最近几年，随着科学技术的发展，无人机的发展非常迅速。不只是在国外，在国内无人机的发展空间都十分开阔，其中无人飞行器正在军事和民用领域都得到了广泛的使用，并且被多方称赞[1]。
以传统的无人飞行器来说，随着科技的进 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: #351916072#
步，演变出了固定翼无人机[2]。固定翼无机具有航行距离远，飞行时间长，速度快的一些特点，所以在国家高压输电的电力巡线和交通公路的监控跟踪上有着较大的实用性，并且在军事上，固定翼无人飞行器对目标的侦查，实时监控和跟踪，对战争获取情报提供了很大的帮助。
相较于固定翼无人器，旋翼飞行器在速度和续航上有很大的不足之处。事物的存在具有两面性，旋翼飞行器也有其自身独有的特点。四旋翼飞行器的四个旋翼的高速旋转带动的空气阻力克服自身重力能够使飞行器做到垂直起飞和降落，从这一点就可以看出相较于固定翼飞行器起飞需要跑道助跑，四旋翼飞行器可以轻松做到不受场地影响的起飞降落。这一点使四旋翼飞行器可以随时随地的起飞降落，完成近地面环境侦查的任务。针对固定翼飞行器的结构和操作系统的复杂四旋翼飞行器的结构和操作有很大的优化改进。四旋翼飞行器结构简单，控制方便，简单化的结构使得四旋翼存在损坏时，易于维修，同时也降低了四旋翼的重量，使飞行器飞行所要克服的重力减少了，飞行器的动力利用率提高了。通过对四个旋翼转速的调整，还能使四旋翼实现悬停的功能，进而可以拍摄静止的物体，这点也是固定翼飞行器做不到的。本课题研究的是基于四旋翼自主飞行器的农药喷洒设计，但就目前国内的情况来看四旋翼飞行器在农药喷洒方面的应用较少，但这也从另一面肯定了课题研究必要性，促进四旋翼飞行器在农业领域的发展。
中国一个以黄河为发展源地的国家，农业耕种自古存在，农业的发展历史见证了我国从远古走向现在的农业大国。自动化的发展实现的未来是按一个按键就可以完成农业耕种的多种任务要求，但就目前的发展情况来说，还很遥远，不过我们可以先实现四旋翼飞行器自主进行农药喷洒的一个简单点的自动化目标。城镇化的发展，教育文化的普及，生化条件的改善都导致了农村农业劳动力的减少，没人愿意在干种地的苦活，用四旋翼飞行器自主农药喷洒，就减少了耕种劳动中的部分苦力活，同时还能弥补脑动力缺失的问题。四旋翼飞行器实现农药喷洒也可以避免农民受到农药对身体带来的危害[3]。四旋翼飞行器低空喷洒农药时，旋翼产生的空气流动，使农作物的茎、叶在摆动，农药喷洒覆盖的面积就会相应的扩大，可能比人工喷洒更到位。在国外，植保无人机就得到了广泛的使用，相信在国内植保无人机的研究会得到更多重视。
1.2 国内外研究现状
1907年，Breguet兄弟创造了一个奇迹，他们在法国发明了四旋翼式直升机，四旋翼飞行器走进了历史的舞台[4]。1921年，在美国位于俄亥俄州西南部城市代顿的美国空军部George De Bothezat做了进一步的改进，他设计了另一个体型巨大的四旋翼直升机，在100多次的试飞后，由于直升机没有改变其复杂的操作系统，控制起来依然十分困难，不能满足美军的空军要求，最终被搁置。
20世纪20年代，又一架四旋翼直升机出现在人们的视野中，该架飞行器还被取名，叫做Oemichen，这架飞行器是有一定的进步的，它取得了垂直试飞1Km的不错成绩。
图11 Oemichen四旋翼直升机
1956年，一架螺旋桨半径超过9英尺的旋翼直升机出现，该架由Convertaw研发的直升机使用两个电机，并且可以通过改变两个电机转速来调整飞行器姿态。
之后的几十年中，飞行器的发展停滞不前。而随着集成系统的出现，传感器、垂直起降等技术研究的进步，四旋翼再次受到世人的关注，并成为各大高校及研究机构的研究重点。
在国外的研究成果中，宾夕法尼亚大学的研究人员通过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[5]（图12）。德国microdrones公司开创性的对四旋翼飞行器的机体材料做出改变，研发了MD4200飞行器机体（图13)，机体的材料创新式的采用碳纤维材料。美国的火星探测任务的要求，佐治亚理工大学设计了能满足自主飞行要求的CAD无人机系统[6]。
目 录
1 绪论 1
1.1 课题研究背景及其研究意义 1
1.2 国内外研究现状 2
1.3 本文研究目的及主要内容 3
2 四旋翼飞行器的原理及系统结构 4
2.1 四旋翼的结构 4
2.2 四旋翼的工作原理 5
2.3 四旋翼飞行器坐标变换 7
2.4 本章小结 13
3 系统的总体方案设计 13
3.1 系统功能设计 13
3.2 总体方案设计 14
3.3 各模块器件的选择与设计 15
4 四旋翼的软件设计 21
5 系统调试及分析 25
5.1 PID参数整定与分析 25
5.2 调试状况分析 26
总 结 28
致 谢 30
参 考 文 献 31
附 录 33
1 绪论
1.1 课题研究背景及其研究意义
在这个崇尚科技的时代，自动化已近深入人民的生活，而本课题研究的四旋翼自主飞行器，就是一种能够实现自主飞行的科技产品。四旋翼自主飞行器，以飞行控制计算机为中心，分散对称的四个旋翼由支撑架相连接，四个电机分别提供动力输出。工作原理类似直升机，通过旋翼的旋转形成空气阻力，从而克服飞行器的自身重力，已达到飞行器飞行的功能。最近几年，随着科学技术的发展，无人机的发展非常迅速。不只是在国外，在国内无人机的发展空间都十分开阔，其中无人飞行器正在军事和民用领域都得到了广泛的使用，并且被多方称赞[1]。
以传统的无人飞行器来说，随着科技的进 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: #351916072#
步，演变出了固定翼无人机[2]。固定翼无机具有航行距离远，飞行时间长，速度快的一些特点，所以在国家高压输电的电力巡线和交通公路的监控跟踪上有着较大的实用性，并且在军事上，固定翼无人飞行器对目标的侦查，实时监控和跟踪，对战争获取情报提供了很大的帮助。
相较于固定翼无人器，旋翼飞行器在速度和续航上有很大的不足之处。事物的存在具有两面性，旋翼飞行器也有其自身独有的特点。四旋翼飞行器的四个旋翼的高速旋转带动的空气阻力克服自身重力能够使飞行器做到垂直起飞和降落，从这一点就可以看出相较于固定翼飞行器起飞需要跑道助跑，四旋翼飞行器可以轻松做到不受场地影响的起飞降落。这一点使四旋翼飞行器可以随时随地的起飞降落，完成近地面环境侦查的任务。针对固定翼飞行器的结构和操作系统的复杂四旋翼飞行器的结构和操作有很大的优化改进。四旋翼飞行器结构简单，控制方便，简单化的结构使得四旋翼存在损坏时，易于维修，同时也降低了四旋翼的重量，使飞行器飞行所要克服的重力减少了，飞行器的动力利用率提高了。通过对四个旋翼转速的调整，还能使四旋翼实现悬停的功能，进而可以拍摄静止的物体，这点也是固定翼飞行器做不到的。本课题研究的是基于四旋翼自主飞行器的农药喷洒设计，但就目前国内的情况来看四旋翼飞行器在农药喷洒方面的应用较少，但这也从另一面肯定了课题研究必要性，促进四旋翼飞行器在农业领域的发展。
中国一个以黄河为发展源地的国家，农业耕种自古存在，农业的发展历史见证了我国从远古走向现在的农业大国。自动化的发展实现的未来是按一个按键就可以完成农业耕种的多种任务要求，但就目前的发展情况来说，还很遥远，不过我们可以先实现四旋翼飞行器自主进行农药喷洒的一个简单点的自动化目标。城镇化的发展，教育文化的普及，生化条件的改善都导致了农村农业劳动力的减少，没人愿意在干种地的苦活，用四旋翼飞行器自主农药喷洒，就减少了耕种劳动中的部分苦力活，同时还能弥补脑动力缺失的问题。四旋翼飞行器实现农药喷洒也可以避免农民受到农药对身体带来的危害[3]。四旋翼飞行器低空喷洒农药时，旋翼产生的空气流动，使农作物的茎、叶在摆动，农药喷洒覆盖的面积就会相应的扩大，可能比人工喷洒更到位。在国外，植保无人机就得到了广泛的使用，相信在国内植保无人机的研究会得到更多重视。
1.2 国内外研究现状
1907年，Breguet兄弟创造了一个奇迹，他们在法国发明了四旋翼式直升机，四旋翼飞行器走进了历史的舞台[4]。1921年，在美国位于俄亥俄州西南部城市代顿的美国空军部George De Bothezat做了进一步的改进，他设计了另一个体型巨大的四旋翼直升机，在100多次的试飞后，由于直升机没有改变其复杂的操作系统，控制起来依然十分困难，不能满足美军的空军要求，最终被搁置。
20世纪20年代，又一架四旋翼直升机出现在人们的视野中，该架飞行器还被取名，叫做Oemichen，这架飞行器是有一定的进步的，它取得了垂直试飞1Km的不错成绩。
图11 Oemichen四旋翼直升机
1956年，一架螺旋桨半径超过9英尺的旋翼直升机出现，该架由Convertaw研发的直升机使用两个电机，并且可以通过改变两个电机转速来调整飞行器姿态。
之后的几十年中，飞行器的发展停滞不前。而随着集成系统的出现，传感器、垂直起降等技术研究的进步，四旋翼再次受到世人的关注，并成为各大高校及研究机构的研究重点。
在国外的研究成果中，宾夕法尼亚大学的研究人员通过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[5]（图12）。德国microdrones公司开创性的对四旋翼飞行器的机体材料做出改变，研发了MD4200飞行器机体（图13)，机体的材料创新式的采用碳纤维材料。美国的火星探测任务的要求，佐治亚理工大学设计了能满足自主飞行要求的CAD无人机系统[6]。
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