植保无人机机载加固电子设备结构系统设计

张瑞珠 吴高峰 孙梦莹 马子领

摘 要：伴随着我国科学技术应用水平的不断提升，无人机的研制正处于高速发展阶段。无人机的研制，具有成本低、环境适应能力强的优势，无论是民用还是军用，无人机都具有很大的优势，特别是在植保上的应用更是当前无人机发展中的重中之重。鉴于此，文中围绕大疆M600型号无人机机载加固电子设备整体结构进行设计，通过pro/E软件建立机载加固电子设备结构系统的三维结构图，然后再转化为二维图进行标注、加工，最后装配到无人机本体上，以此来完成植保无人机超低空飞行自动控制的研究。植保无人机机载加固电子设备整体结构系统设计使得植保无人机超低空飞行自动控制更加的稳定、高效。关键词：植保无人机;加固电子设备;硬件设计中图分类号： V279  文献标识码：B  文章编号：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

與载人航机相比较，无人机在进行设计时无需进行座舱系统的设计，可以减少机身的大小，降低重量，具有十分高的机动性能，在环境勘测等领域中起到了极大的帮助作用，有效提升了环境勘测数据的精确性^[1]。植保无人机^[2-5]超低空飞行自动控制在现在农业领域方面的应用是目前各大研究机构共同需要攻克的问题。在无人机的使用过程中，经常出现由于机载加固电子设备整体结构系统设计不合理导致无人机在自动飞行的过程中出现无人机使用事故，因此无人机上的机载加固电子设备整体结构系统设计的研究是这一难关应首要解决的问题。基于此，针对M600无人机机载加固电子设备整体结构系统设计来达到无人机超低空自动飞行控制这一课题进行深入研究具有重要现实意义。

2 植保无人机机载加固电子设备结构系统设计机理

植保无人机机载加固电子设备结构系统是依据植保无人机超低空自动飞行进行设计研发的，基于视觉的植保无人机超低空自动飞行的原理是：如图1所示，，通过在无人机飞行前端安装一个垂直于地面的激光发射器，在无人机后端安装一个与水平线呈一定角度的摄像头，在无人机水平飞行的过程种不断拍摄激光在植物灌顶形成的激光光斑或激光线，通过OpenCV（图像处理）处理经过相机拍摄的激光斑点或激光线，分析图片中的激光斑点或激光线并获取实时高度信息，与预先设定的高度进行比较，以此控制无人机能够在一定范围高度内进行自适应高度飞行。

3 植保无人机机载加固电子设备结构系统设计

3.1 植保无人机机载加固电子设备结构系统整体设计

根据以上作用机理，该文的植保无人机机载加固电子设备整体结构系统设计包含三个大部分：信号源模块、信号采集模块、信号处理模块，信号源模块，主要包含以下两个部分：激光发射器、电压转换模块;对于信号采集模块，该机构主要包含摄像头;信号处理模块，主要包括miniPC机，植保机载加固电子设备整体结构系统构成如图2所示。该文的植保无人机机载加固电子设备整体结构系统设计方案为：在无人机机体下方固定四个支架，该支架连接着一个与无人机机体飞行前后端方向平行的横杆，横杆两端分别用两个水平支架连接在一起，在横杆上又有四个竖直支架连接着一个固定板，固定板两端与横杆的水平支架分别固定着两个垂直于地面的连接板，连接板分别固定着激光发射器和摄像头，在固定板上固定着激光发射器电压转换模块、miniPC机，整体结构如图3（a），3（b）所示。

3.2 信号源模块的选择与定位

对于信号源模块，主要包含以下两个部分：激光发射器;电压转换模块，激光发射器的参数为波长532nm。额定电压为12V，功率为200mw，光束直径为15mm。由于激光发射器是垂直向下安装，因此该部分机构须设计一个垂直于地面的连接板来固定激光发射器，对于电压转换模块，无人机本身的电源接口只能提供5V的电压，因此，需要设计一个电压转换模块，电压转换模块采用的是在固定miniPC机的固定板上来安装固定。

3.3 信号采集模块的选择与定位

对于信号采集模块，该机构主要包含摄像头，摄像头主要的参数包括视场角为100度、焦距为3.0±5%mm，由于该机头在生产制造时，就已经几乎完全去除畸变，故在使用时不需要进行畸变矫正，这就大大缩短了项目的周期。摄像头的安装固定和激光发射器类似，该机构须设计一个垂直于地面的连接板板来固定摄像头，且摄像头本身需与水平方向成一定角度，故摄像头本身也需具有调节角度的机构，这样的安装设计完全符合项目要求。

3.4 信号处理模块的选择与安装

对于信号处理模块，本文采用的是miniPC机来处理得到的信息，miniPC机型号的选择与编写的程序算法的复杂程度具有密切的关系，在考虑无人机飞行控制稳定性的前提下，miniPC机的处理器为Intel core i7 720GTX，运行内存为8G，固态硬盘120G。关于miniPC机的固定采用的是设计一个固定板来固定miniPC机。

3.5 其他组件的设计与选型

该机构所有杆机构和板结构均是采用碳纤维材料，目的是尽可能在满足强度、硬度的同时，减轻机构的重量。

4 调试时注意的事项

（1）作业区块要求。首先在国家禁飞的区域内禁止飞行;有高铁、信号塔等影响无人机信号接收、发送的地方也要禁止飞行。^[6]

（2）气象条件。作业前应查询作业区块的气象信息，包括温度、湿度、风向、风速等气象天气，雷雨天气禁止作业，风力大于3级禁止作业。^[7]

（3）调试人员在调试前必须将所有紧固件紧固充分，不得有松动现象的发生。

（4）所有的操作都必须按照步骤说明书来做，一旦出现操作失误，应立即启动紧急降落方案。

（5）通电后，注意观察各种现象，随时做好急停准备，以防止意外事故发生。如有异常，应立即停止调试，待查明原因之后再继续进行。

5 结论

该研究根据农业植保无人机对超低空自动控制的要求，

设计了植保无人机视觉测高系统硬件，并进行了安装调试。设计的植保无人机视觉测高系统硬件各部件功能正常，运行稳定可靠，达到了预期的设计要求，为进一步研究农业植保无人机在超低空自动飞行方面的应用奠定了基础。

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