多旋翼自主飞行器的农药喷洒系统设计硬件子系统(附件)
四旋翼虽然体积小，结构较为简易，但其应用却十分广泛，能够作为军事用途，也能够用于民用方面。正是因为四旋翼的实用广泛性，而且其制作简单，操作方便，其迅速成为了新的科研研究的热点和商业焦点。本课题旨在设计一个基于四旋翼的农药自主喷洒系统，该系统正是四旋翼在民用农业方面的一个拓展性的运用。本课题是基于STM32微控制器，设计的一款四轴飞行器，用于进行农药的自主喷洒。与市场上普遍的多旋翼相比，该系统采用一键式启动，定点启动，定点喷洒。系统通过磁力计、加速度计和陀螺仪，计算整合得到四旋翼的姿态角，再通过PID的控制算法得出电机的PWM值，从而驱动电机，完成农药的自主喷洒任务。关键词 四轴飞行器，STM32微控制器，PID算法，一键式启动，农药自主喷洒目 录
1 绪论 1
1.1 课题背景及其研究意义 1
1.2 四旋翼的发展 1
1.3 本文研究目的及内容安排 3
2 四旋翼飞行器的原理 4
2.1 四旋翼的力学原理 4
2.2 四旋翼的工作原理 4
3 系统总体设计 6
3.1 系统功能设计 6
3.2 四旋翼的机械结构设计 6
3.3 系统的整体框架设计 7
4 四旋翼的硬件系统 8
4.1 核心控制器模块 8
4.2 IMU单元模块 11
4.3 电机驱动模块 15
4.4 无线通通讯模块 18
4.5 电源模块 20
4.6 GPS模块 23
4.7 农药喷洒模块 24
5 系统硬件调试 26
5.1 无桨调试 26
5.2 有桨调试 27
5.3 调试结果 28
6 总结与展望 29
6.1 全文总结 29
6.2 课题展望 29
致 谢 30
参 考 文 献 31
1 绪论
1.1 课题背景及其研究意义
多旋翼自主飞行器小巧、稳定、机械结构简单，能适用于复杂环境下的作业，
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
2 有桨调试 27
5.3 调试结果 28
6 总结与展望 29
6.1 全文总结 29
6.2 课题展望 29
致 谢 30
参 考 文 献 31
1 绪论
1.1 课题背景及其研究意义
多旋翼自主飞行器小巧、稳定、机械结构简单，能适用于复杂环境下的作业，可广泛应用于农业低空撒种与喷洒农药、治安监控、森林灭火、灾情监视、应急通信、电力应用、海运应用、气象监测、航拍航测。另外它在空中勘测、无声侦查、边境巡逻、核辐射探测、航空探矿、交通巡逻等30多个行业的应用也将得到进一步开发。随着人们对多旋翼自主飞行器的关注度迅速提升，成为新的商业焦点，我们可以预计未来无人机的应用会越来越多。
最简单、最流行的一种多旋翼飞行器便是四轴飞行器。四轴飞行器又称四旋翼、四转子，有4个旋翼来悬停、维持姿态及平飞。四旋翼的飞行是通过调节旋翼之间的相对速度获得不同的升力，从而使四旋翼能够实现不同姿态的下的飞行控制。
我国作为农业大国，农作物病虫害的防治任重而道远。水稻田等的农药喷洒一直人力所不及，并且对人体伤害很大。多旋翼飞行器具有稳定飞行和操作简单的特性，方便携带药液进行低空喷洒（比农作物高2米），可以实现喷洒均匀，极大地节约了人力，实现了高效率作业。
由于农药喷洒无人机高效安全“傻瓜式”自主作业，覆盖密度高，防治效果好，节水节药维护费用低等优点，因此本课题的研究具有重要的现实经济意义。
1.2 四旋翼的发展
1.2.1 四旋翼的历史
在人类历史的长河中，飞行的梦想由来已久。从古代中国出现的风筝、孔明灯到近代莱特兄弟发明了全世界第一架飞机再到现当代的各种各样的飞行器，这些都表明人类自古到今都在渴望翱翔在广阔的天空中。
资料记载，最早的多旋翼应该是1923年美国制造的四轴飞行器“飞行章鱼”（flying octopus），实物如下图1-1所示。
图1-1 “飞行章鱼”
20世纪90年代之前，由于四旋翼无法承载很重的惯性导航系统，同时其实用性很差，没有人愿意去花时间研究这个问题，所以四旋翼的发展一直都停滞不前。而到了20世纪90年代之后，随着几克重的MEMS惯性导航系统问世，才使得四旋翼被广泛去研究。但由于其数据噪声大，无法直接使用，所以一直都无法使四旋翼做到真正稳定。
而直到大约2005年，稳定运行的四旋翼才真正问世，四旋翼的发展也进入了黄金时期。2010年，法国Parrot公司发布了全球首款流行的四旋翼AR.Drone。正是因它的发布与流行，四旋翼开始广泛为人所知，也广泛为人所用。
1.2.2 四旋翼的研究现状
现在世界上研究的四旋翼大多都为微小型无人机，国外的研究现状相较于国内来讲，相对成熟，也相对丰富。
国外目前已经存在的四旋翼，其典型代表有美国Draganflyer的Draganflyer III、斯坦福大学的Mesicopter和瑞士EPFL的OS4等等。
其中，美国Draganflyer公司的Draganflyer III是属于遥控航模四旋翼的范畴，其实物如下图1-2所示。
图1-2 Draganflyer III 图1-3 Mesicopter
而斯坦福大学的Mesicopter，它是属于微型飞行器的范畴，微型飞行器的体积和重量都很小。比如像Mesicopter的旋翼直径仅有1.5cm，其重量也仅仅是325mg，因其的微小型一问世，就引起人们的极大关注。其实物如上图1-3所示，可以从图中的硬币相比对，其体积真的很小。
瑞士EPFL的OS4是一种基于惯导的四旋翼，其属于小型四旋翼的范畴。它分为OS4 I和OS4 II这两种，其实物如下图1-4和1-5所示。
图1-4 OS4 I 图1-5 OS4 II
而在我国，随着国内电子制造业的发展，四旋翼的研究和设计制作受到了人们的关注。四旋翼是由航模发展而来的，经过几年的不断发展，其对应的器件也极为丰富，但是在该领域，因为缺少系统的相关资料，所以国内对四旋翼的研究主要是学术研究人员的自我摸索式的研究和探讨，尤其是国内的几所高校的研究取得了突破式的发展。比如像吉林大学已经对四旋翼的PWM控制方法进行了相关的研究，又例如上海交通大学首次将自适应逆控制的方法应用于四旋翼的姿态控制。可以发现虽然国内的发展比较晚，但是其理论的成熟发展较快，有着巨大的提升潜力。
因此，从国内以及国外的发展现状来看，世界范围内已经掀起了一股多旋翼商业化热潮，多旋翼飞行器进入了快速发展期。目前，中国的云中客无人机、美国的3DRobotics、法国的Parrot成为这一市场的龙头企业。
1.3 本文研究目的及内容安排
1.3.1 本文研究目的
本文的主要目的是设计一个一键式启动、傻瓜式操作的四旋翼自主飞行器，用于携带药液进行低空自主喷洒，可实现喷洒均匀，极大节约人力，从而实现高效率作业。
1.3.2
1 绪论 1
1.1 课题背景及其研究意义 1
1.2 四旋翼的发展 1
1.3 本文研究目的及内容安排 3
2 四旋翼飞行器的原理 4
2.1 四旋翼的力学原理 4
2.2 四旋翼的工作原理 4
3 系统总体设计 6
3.1 系统功能设计 6
3.2 四旋翼的机械结构设计 6
3.3 系统的整体框架设计 7
4 四旋翼的硬件系统 8
4.1 核心控制器模块 8
4.2 IMU单元模块 11
4.3 电机驱动模块 15
4.4 无线通通讯模块 18
4.5 电源模块 20
4.6 GPS模块 23
4.7 农药喷洒模块 24
5 系统硬件调试 26
5.1 无桨调试 26
5.2 有桨调试 27
5.3 调试结果 28
6 总结与展望 29
6.1 全文总结 29
6.2 课题展望 29
致 谢 30
参 考 文 献 31
1 绪论
1.1 课题背景及其研究意义
多旋翼自主飞行器小巧、稳定、机械结构简单，能适用于复杂环境下的作业，
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
2 有桨调试 27
5.3 调试结果 28
6 总结与展望 29
6.1 全文总结 29
6.2 课题展望 29
致 谢 30
参 考 文 献 31
1 绪论
1.1 课题背景及其研究意义
多旋翼自主飞行器小巧、稳定、机械结构简单，能适用于复杂环境下的作业，可广泛应用于农业低空撒种与喷洒农药、治安监控、森林灭火、灾情监视、应急通信、电力应用、海运应用、气象监测、航拍航测。另外它在空中勘测、无声侦查、边境巡逻、核辐射探测、航空探矿、交通巡逻等30多个行业的应用也将得到进一步开发。随着人们对多旋翼自主飞行器的关注度迅速提升，成为新的商业焦点，我们可以预计未来无人机的应用会越来越多。
最简单、最流行的一种多旋翼飞行器便是四轴飞行器。四轴飞行器又称四旋翼、四转子，有4个旋翼来悬停、维持姿态及平飞。四旋翼的飞行是通过调节旋翼之间的相对速度获得不同的升力，从而使四旋翼能够实现不同姿态的下的飞行控制。
我国作为农业大国，农作物病虫害的防治任重而道远。水稻田等的农药喷洒一直人力所不及，并且对人体伤害很大。多旋翼飞行器具有稳定飞行和操作简单的特性，方便携带药液进行低空喷洒（比农作物高2米），可以实现喷洒均匀，极大地节约了人力，实现了高效率作业。
由于农药喷洒无人机高效安全“傻瓜式”自主作业，覆盖密度高，防治效果好，节水节药维护费用低等优点，因此本课题的研究具有重要的现实经济意义。
1.2 四旋翼的发展
1.2.1 四旋翼的历史
在人类历史的长河中，飞行的梦想由来已久。从古代中国出现的风筝、孔明灯到近代莱特兄弟发明了全世界第一架飞机再到现当代的各种各样的飞行器，这些都表明人类自古到今都在渴望翱翔在广阔的天空中。
资料记载，最早的多旋翼应该是1923年美国制造的四轴飞行器“飞行章鱼”（flying octopus），实物如下图1-1所示。
图1-1 “飞行章鱼”
20世纪90年代之前，由于四旋翼无法承载很重的惯性导航系统，同时其实用性很差，没有人愿意去花时间研究这个问题，所以四旋翼的发展一直都停滞不前。而到了20世纪90年代之后，随着几克重的MEMS惯性导航系统问世，才使得四旋翼被广泛去研究。但由于其数据噪声大，无法直接使用，所以一直都无法使四旋翼做到真正稳定。
而直到大约2005年，稳定运行的四旋翼才真正问世，四旋翼的发展也进入了黄金时期。2010年，法国Parrot公司发布了全球首款流行的四旋翼AR.Drone。正是因它的发布与流行，四旋翼开始广泛为人所知，也广泛为人所用。
1.2.2 四旋翼的研究现状
现在世界上研究的四旋翼大多都为微小型无人机，国外的研究现状相较于国内来讲，相对成熟，也相对丰富。
国外目前已经存在的四旋翼，其典型代表有美国Draganflyer的Draganflyer III、斯坦福大学的Mesicopter和瑞士EPFL的OS4等等。
其中，美国Draganflyer公司的Draganflyer III是属于遥控航模四旋翼的范畴，其实物如下图1-2所示。
图1-2 Draganflyer III 图1-3 Mesicopter
而斯坦福大学的Mesicopter，它是属于微型飞行器的范畴，微型飞行器的体积和重量都很小。比如像Mesicopter的旋翼直径仅有1.5cm，其重量也仅仅是325mg，因其的微小型一问世，就引起人们的极大关注。其实物如上图1-3所示，可以从图中的硬币相比对，其体积真的很小。
瑞士EPFL的OS4是一种基于惯导的四旋翼，其属于小型四旋翼的范畴。它分为OS4 I和OS4 II这两种，其实物如下图1-4和1-5所示。
图1-4 OS4 I 图1-5 OS4 II
而在我国，随着国内电子制造业的发展，四旋翼的研究和设计制作受到了人们的关注。四旋翼是由航模发展而来的，经过几年的不断发展，其对应的器件也极为丰富，但是在该领域，因为缺少系统的相关资料，所以国内对四旋翼的研究主要是学术研究人员的自我摸索式的研究和探讨，尤其是国内的几所高校的研究取得了突破式的发展。比如像吉林大学已经对四旋翼的PWM控制方法进行了相关的研究，又例如上海交通大学首次将自适应逆控制的方法应用于四旋翼的姿态控制。可以发现虽然国内的发展比较晚，但是其理论的成熟发展较快，有着巨大的提升潜力。
因此，从国内以及国外的发展现状来看，世界范围内已经掀起了一股多旋翼商业化热潮，多旋翼飞行器进入了快速发展期。目前，中国的云中客无人机、美国的3DRobotics、法国的Parrot成为这一市场的龙头企业。
1.3 本文研究目的及内容安排
1.3.1 本文研究目的
本文的主要目的是设计一个一键式启动、傻瓜式操作的四旋翼自主飞行器，用于携带药液进行低空自主喷洒，可实现喷洒均匀，极大节约人力，从而实现高效率作业。
1.3.2
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