植保無人機(jī)機(jī)載加固電子設(shè)備結(jié)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張瑞珠 吳高峰 孫夢(mèng)瑩 馬子領(lǐng)

摘 要：伴隨著我國(guó)科學(xué)技術(shù)應(yīng)用水平的不斷提升，無人機(jī)的研制正處于高速發(fā)展階段。無人機(jī)的研制，具有成本低、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，無論是民用還是軍用，無人機(jī)都具有很大的優(yōu)勢(shì)，特別是在植保上的應(yīng)用更是當(dāng)前無人機(jī)發(fā)展中的重中之重。鑒于此，文中圍繞大疆M600型號(hào)無人機(jī)機(jī)載加固電子設(shè)備整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過pro/E軟件建立機(jī)載加固電子設(shè)備結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的三維結(jié)構(gòu)圖，然后再轉(zhuǎn)化為二維圖進(jìn)行標(biāo)注、加工，最后裝配到無人機(jī)本體上，以此來完成植保無人機(jī)超低空飛行自動(dòng)控制的研究。植保無人機(jī)機(jī)載加固電子設(shè)備整體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計(jì)使得植保無人機(jī)超低空飛行自動(dòng)控制更加的穩(wěn)定、高效。關(guān)鍵詞：植保無人機(jī);加固電子設(shè)備;硬件設(shè)計(jì)中圖分類號(hào)： V279 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B ?文章編號(hào)：1671-7988（2019）01-32-03

Structural system Design of Airborne reinforcement Electronic equipmentfor Plant Protection UAV

Zhang Ruizhu， Wu Gaofeng， Sun Mengying， Ma Ziling

（?College of Mechanical， North China University of Water Resources and Electrical Power， Henan Zhengzhou 450045?）

Abstract：?With the development of science and technology in China， the development of UAV is at a high speed. The development of UAV has the advantages of low cost and strong ability to adapt to the environment. Both civilian and military UAVs have great advantages， especially?in the application of plant protection is the most important in the development of UAVs. In view of this， the paper designs the whole structure of the airborne strengthening electronic equipment of the DJ M600 UAV， establishes the three-dimensional structure diagram of the airborne reinforced electronic equipment structure system through the pro/E software， and then transforms it into a two-dimensional map to mark the whole structure of the electronic equipment system. Processing， final assembly to UAV body， to complete the plant protection UAV ultra-low-?altitude flight automatic control research. The whole structure system design of airborne reinforcement electronic equipment for plant protection UAV makes the automatic control of very low altitude flight of plant protection UAV more stable and efficient.Keywords：?Plant protection UAV;?strengthened electronic equipment; hardware designCLC NO.：?V279??Document Code： B??Article ID：?1671-7988（2019）01-32-03

1 前言

與載人航機(jī)相比較，無人機(jī)在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)無需進(jìn)行座艙系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，可以減少機(jī)身的大小，降低重量，具有十分高的機(jī)動(dòng)性能，在環(huán)境勘測(cè)等領(lǐng)域中起到了極大的幫助作用，有效提升了環(huán)境勘測(cè)數(shù)據(jù)的精確性^[1]。植保無人機(jī)^[2-5]超低空飛行自動(dòng)控制在現(xiàn)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域方面的應(yīng)用是目前各大研究機(jī)構(gòu)共同需要攻克的問題。在無人機(jī)的使用過程中，經(jīng)常出現(xiàn)由于機(jī)載加固電子設(shè)備整體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計(jì)不合理導(dǎo)致無人機(jī)在自動(dòng)飛行的過程中出現(xiàn)無人機(jī)使用事故，因此無人機(jī)上的機(jī)載加固電子設(shè)備整體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的研究是這一難關(guān)應(yīng)首要解決的問題?；诖耍槍?duì)M600無人機(jī)機(jī)載加固電子設(shè)備整體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計(jì)來達(dá)到無人機(jī)超低空自動(dòng)飛行控制這一課題進(jìn)行深入研究具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

2 植保無人機(jī)機(jī)載加固電子設(shè)備結(jié)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計(jì)機(jī)理

植保無人機(jī)機(jī)載加固電子設(shè)備結(jié)構(gòu)系統(tǒng)是依據(jù)植保無人機(jī)超低空自動(dòng)飛行進(jìn)行設(shè)計(jì)研發(fā)的，基于視覺的植保無人機(jī)超低空自動(dòng)飛行的原理是：如圖1所示，，通過在無人機(jī)飛行前端安裝一個(gè)垂直于地面的激光發(fā)射器，在無人機(jī)后端安裝一個(gè)與水平線呈一定角度的攝像頭，在無人機(jī)水平飛行的過程種不斷拍攝激光在植物灌頂形成的激光光斑或激光線，通過OpenCV（圖像處理）處理經(jīng)過相機(jī)拍攝的激光斑點(diǎn)或激光線，分析圖片中的激光斑點(diǎn)或激光線并獲取實(shí)時(shí)高度信息，與預(yù)先設(shè)定的高度進(jìn)行比較，以此控制無人機(jī)能夠在一定范圍高度內(nèi)進(jìn)行自適應(yīng)高度飛行。

3 植保無人機(jī)機(jī)載加固電子設(shè)備結(jié)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1?植保無人機(jī)機(jī)載加固電子設(shè)備結(jié)構(gòu)系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

根據(jù)以上作用機(jī)理，該文的植保無人機(jī)機(jī)載加固電子設(shè)備整體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計(jì)包含三個(gè)大部分：信號(hào)源模塊、信號(hào)采集模塊、信號(hào)處理模塊，信號(hào)源模塊，主要包含以下兩個(gè)部分：激光發(fā)射器、電壓轉(zhuǎn)換模塊;對(duì)于信號(hào)采集模塊，該機(jī)構(gòu)主要包含攝像頭;信號(hào)處理模塊，主要包括miniPC機(jī)，植保機(jī)載加固電子設(shè)備整體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)構(gòu)成如圖2所示。該文的植保無人機(jī)機(jī)載加固電子設(shè)備整體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案為：在無人機(jī)機(jī)體下方固定四個(gè)支架，該支架連接著一個(gè)與無人機(jī)機(jī)體飛行前后端方向平行的橫桿，橫桿兩端分別用兩個(gè)水平支架連接在一起，在橫桿上又有四個(gè)豎直支架連接著一個(gè)固定板，固定板兩端與橫桿的水平支架分別固定著兩個(gè)垂直于地面的連接板，連接板分別固定著激光發(fā)射器和攝像頭，在固定板上固定著激光發(fā)射器電壓轉(zhuǎn)換模塊、miniPC機(jī)，整體結(jié)構(gòu)如圖3（a），3（b）所示。

3.2?信號(hào)源模塊的選擇與定位

對(duì)于信號(hào)源模塊，主要包含以下兩個(gè)部分：激光發(fā)射器;電壓轉(zhuǎn)換模塊，激光發(fā)射器的參數(shù)為波長(zhǎng)532nm。額定電壓為12V，功率為200mw，光束直徑為15mm。由于激光發(fā)射器是垂直向下安裝，因此該部分機(jī)構(gòu)須設(shè)計(jì)一個(gè)垂直于地面的連接板來固定激光發(fā)射器，對(duì)于電壓轉(zhuǎn)換模塊，無人機(jī)本身的電源接口只能提供5V的電壓，因此，需要設(shè)計(jì)一個(gè)電壓轉(zhuǎn)換模塊，電壓轉(zhuǎn)換模塊采用的是在固定miniPC機(jī)的固定板上來安裝固定。

3.3?信號(hào)采集模塊的選擇與定位

對(duì)于信號(hào)采集模塊，該機(jī)構(gòu)主要包含攝像頭，攝像頭主要的參數(shù)包括視場(chǎng)角為100度、焦距為3.0±5%mm，由于該機(jī)頭在生產(chǎn)制造時(shí)，就已經(jīng)幾乎完全去除畸變，故在使用時(shí)不需要進(jìn)行畸變矯正，這就大大縮短了項(xiàng)目的周期。攝像頭的安裝固定和激光發(fā)射器類似，該機(jī)構(gòu)須設(shè)計(jì)一個(gè)垂直于地面的連接板板來固定攝像頭，且攝像頭本身需與水平方向成一定角度，故攝像頭本身也需具有調(diào)節(jié)角度的機(jī)構(gòu)，這樣的安裝設(shè)計(jì)完全符合項(xiàng)目要求。

3.4?信號(hào)處理模塊的選擇與安裝

對(duì)于信號(hào)處理模塊，本文采用的是miniPC機(jī)來處理得到的信息，miniPC機(jī)型號(hào)的選擇與編寫的程序算法的復(fù)雜程度具有密切的關(guān)系，在考慮無人機(jī)飛行控制穩(wěn)定性的前提下，miniPC機(jī)的處理器為Intel core i7 720GTX，運(yùn)行內(nèi)存為8G，固態(tài)硬盤120G。關(guān)于miniPC機(jī)的固定采用的是設(shè)計(jì)一個(gè)固定板來固定miniPC機(jī)。

3.5?其他組件的設(shè)計(jì)與選型

該機(jī)構(gòu)所有桿機(jī)構(gòu)和板結(jié)構(gòu)均是采用碳纖維材料，目的是盡可能在滿足強(qiáng)度、硬度的同時(shí)，減輕機(jī)構(gòu)的重量。

4 調(diào)試時(shí)注意的事項(xiàng)

（1）作業(yè)區(qū)塊要求。首先在國(guó)家禁飛的區(qū)域內(nèi)禁止飛行;有高鐵、信號(hào)塔等影響無人機(jī)信號(hào)接收、發(fā)送的地方也要禁止飛行。^[6]

（2）氣象條件。作業(yè)前應(yīng)查詢作業(yè)區(qū)塊的氣象信息，包括溫度、濕度、風(fēng)向、風(fēng)速等氣象天氣，雷雨天氣禁止作業(yè)，風(fēng)力大于3級(jí)禁止作業(yè)。^[7]

（3）調(diào)試人員在調(diào)試前必須將所有緊固件緊固充分，不得有松動(dòng)現(xiàn)象的發(fā)生。

（4）所有的操作都必須按照步驟說明書來做，一旦出現(xiàn)操作失誤，應(yīng)立即啟動(dòng)緊急降落方案。

（5）通電后，注意觀察各種現(xiàn)象，隨時(shí)做好急停準(zhǔn)備，以防止意外事故發(fā)生。如有異常，應(yīng)立即停止調(diào)試，待查明原因之后再繼續(xù)進(jìn)行。

5 結(jié)論

該研究根據(jù)農(nóng)業(yè)植保無人機(jī)對(duì)超低空自動(dòng)控制的要求，

設(shè)計(jì)了植保無人機(jī)視覺測(cè)高系統(tǒng)硬件，并進(jìn)行了安裝調(diào)試。設(shè)計(jì)的植保無人機(jī)視覺測(cè)高系統(tǒng)硬件各部件功能正常，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)要求，為進(jìn)一步研究農(nóng)業(yè)植保無人機(jī)在超低空自動(dòng)飛行方面的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

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