旋翼式无人机范文

旋翼式无人机范文（精选7篇）

旋翼式无人机 第1篇

无人机即所谓的无人驾驶飞机 (Unmanned Aerial Vehicle, UAV) , 是指不需要飞行员在机上驾驶, 而是利用无线电遥控设备以及自备的程序控制装置实行对飞行器的控制。无人机在接收到地面传达的遥控信息后, 可以完成一些自主控制功能。位于控制站的人员可以通过各种设备, 通过无人机实现远程巡视, 监控, 定位, 打击等操作。如今, 随着无人机技术的飞速发展, 其实现了成本低, 体积小, 重量轻与飞行灵活等特点, 越来越多的政府和机构开始关注起它来。

在本文中所讨论的无人机的定位悬停动作, 是以多旋翼式无人机为平台的。

定位悬停是指将无人机固定在预先设定的高度位置和水平位置上。这是无人机实现应用所需的一个基本的飞行姿态。

以最近亚马逊公司推出的无人机配送货物服务为例, 亚马逊公司所提交的方案细节中表示:

(1) 无人机会直接把货物送到客户个人所在地, 并在下单时启用定位系统;

(2) 无人机需要特定感应器来确定路线以及准确着陆, 比如相机和红外感应装置。

在亚马逊公司所构想的无人机配送货物方案中, 有两个关键词, 一是定位系统, 二是精准着陆, 而在无人机定位悬停动作的研究中, 定位系统是研究的出发点, 精准着陆是研究可以收获的成果。可见, 几乎在所有无人机应用中, 对精确的定位悬停姿态控制的研究都是一项十分重要的课题。

2 无人机的几种高精度定位方案

现如今, 无人机定位悬停的精度并不高, 大疆公司的最新型无人机Phantom 3 可实现误差在垂直10 厘米, 水平1 米精度范围内的自动悬停, 当需要更高精度时, 便需要在“专家模式”下手动来进行微调。

无人机实现自动悬停实质上便是将其固定在预先设定好的高度位置与水平位置上, 这也就是说, 要实现悬停这一动作, 事先读取自身的位置, 即产生一组三维坐标这一步显得至关重要。比较准确地确定无人机的位置信息是无人机完成定位悬停这一动作的前提与基础。

2.1 以GPS模块为主的定位

2.1.1 无人机GPS定位工作原理

GPS在综合至少4 颗卫星的位置信息后, 可实现无人机的空间定位。利用以GPS为中心, 辅助以各种传感器的定位方法是如今无人机所采用的主流定位方案。无人机在悬停之前首先需要明确自身的高度信息和水平信息, 而在以GPS模块为主的定位方式中, GPS模块主要负责提供无人机的水平位置坐标, 而其高度位置坐标一般来讲是通过气压计, 利用不同高度上大气压力的变化来计算提供。同样, GPS模块也可以提供高度信息, 但是在主流无人机上很少使用, 因为低成本的GPS数据的刷新率不高, 无人机在高速运动时, 会导致GPS读取的数据滞后, 引起高度跌落。

2.1.2 差分GPS (DGPS) 的应用

为了应对GPS系统中选择可用性技术 (Selective availability, SA) 造成的误差, 无人机所搭载的GPS通常利用差分GPS技术来提高定位精度。GPS的差分技术有两种, 分别是坐标差分技术与伪距差分技术。无人机所搭载的GPS常采用的技术是伪距差分技术。该技术是通过计算已知点伪距与真实距离之间差值以修正误差。所以机载GPS常需要两个接收器同时接收同一卫星组发出的信号。这种方案的定位精度较高, 但对地面设施有一定要求, 不利于快速部署。

2.2 运用视觉系统的定位

目前出现了较新的定位技术采用了视觉定位系统, 如深圳大疆公司最新型号的无人机Phantom 3 便采用了这种方式。

2.2.1 视觉系统结构

所谓的视觉系统定位是指为搭载了摄像头的无人机提出的一个基于影像的控制系统。该控制系统有两种实现方式, 一是仅靠机载摄像机拍摄提供的图像数据来分析, 控制无人机;二是结合运用惯性测量部件和视觉里程计, 这种结合工作的视觉系统可以有效地减少系统的工作量, 而且可以为无人机提供更精确的定位。如图1 是结合各种传感器的视觉定位系统结构图。

视觉控制在机器人技术的研究里是一个很活跃的领域。而在无人机的研究中, 视觉里程计被用作帮助实现飞行器的自主控制。常利用搭载的三维影像帮助提高无人机的稳定性, 并指示无人机与所处环境中有关物体之间的相对位置关系, 达到定位的目的。

2.2.2 视觉系统的定位原理

机载摄像机的持续拍摄, 为导航系统提供连续的图像帧。在图像特征匹配的计算程序中, 特征追踪器从连续的两个图像帧中获取自然地标信息, 并在一对自然特征中测出位移。通过周期性地记录新特征点, 并比较重复的特征点, 便可以测算出各图像捕捉序列之间用作3D几何投影的单应性矩阵, 从而可以实现对无人机的定位。

2.3 无线电加激光定点的高精度定位方案

本文作者构想了一种用于定点位的高精度悬停方案。预想结合无线电技术与激光传感器, 实现无人机的高精度定位悬停。

2.3.1 无线电定位

无线电定位是在已知导航台的精确位置下, 通过接收器对导航台所发出的无线电信号进行接收, 计算信号发出到接收之间间隔的时间, 以处理得到导航台至目标物之间的相对距离来达成位置的确定。除了延迟时间外接收器还会处理所接收到无线电信号的一系列电参量, 比如频率, 相位或振幅, 根据电波传播的特性, 转换得到实现导航所需要的数据。

但仅通过一个导航台是不能确定目标物体的位置的, 通常会运用“几何原理”来实现对一点的位置确定。所谓的“几何原理”是指, 当接收器只接收一个导航台所发出的无线电参量时, 仅仅可以确定目标点相对于导航台的轨迹线, 当用两个及以上的信号量时, 便可以利用几何线相交来完成定位的工作。当有两个导航参量时, 可以实现平面上的定位;当有三个及以上的导航参量时, 可以实现空间上的定位。

2.3.2 激光传感器

所谓的激光传感器是指利用激光来实现测距的传感器。由于激光具有高单色性, 高方向性与抗干扰性等优点, 对于精确测量技术来说是很关键的一部分。激光传感器的工作原理其实与无线电雷达是相似的。在发射器将激光对目标物发射出去后, 计算激光往返的时间, 利用光在空气中的传播速度便可以得到与目标物之间的距离, 便可以实现精确测高的目的。

一个激光传感器常由三部分组成, 一是激光器;二是激光检测器;三是测量电路。激光器可以分为固体激光器, 气体激光器, 液体激光器和半导体激光器四种类型。其中半导体激光器是一种比较新型的种类, 较成熟的是砷化镓激光器。该种类的激光器体积小, 重量轻, 结构简单, 比较适合在无人机上配备。

2.3.3 定位实现方案

无人机搭载有无线电模块, 半导体式激光器。

A. 陆基无线电引导粗定位。无线电模块负责提供一个第一阶段的定位悬停控制信息。利用无线电范围传播的特点, 可以在一个范围内对无人机进行初步的引导定位工作。根据“几何原理”, 预定地点位置布置三个导航台, 无人机上接收器在接收三个信号量后实现其空间上的定位。利用空间散布面积较大的无线电信号, 可让无人机实现快速的定位信号截获而进入定位程序。因为无线电波长较大且易受干扰, 并不适用于超高精确定位的目的, 这时便需要激光传感器进行第二阶段的精确调整。

B. 激光引导高精度定位。由于激光直线传播的特点, 为了简化设备, 可以预先安置于所需要进行悬停的水平点位处, 进行垂直高度的测距。考虑到无人机底部并非整块平面, 存在高度差, 这种情况下, 如果仅采用单一的信号量提供高度信息, 此高度信息必然会有偏差, 并不能保证无人机中心位置的高度与之相符。而且在单一的信息量下, 仅可以提供高度信息, 无法二次限制无人机的水平位置。

考虑到该方面的不足, 为了在无线电的基础上尽可能提高水平方向的精度, 安排无人机上与地面两个激光传感器同时进行测距。地面激光器四周需平坦, 而无人机底置的激光器四周也需要小块平面以提供测量精度。两台激光器将测量到的高度信号以无线电的形式发送到终端电脑, 控制无人机进行姿态的微调, 直到两信号量达到一致且符合预定值后, 停止调整, 保持无人机悬停的飞行状态。

安排两台激光器进行信号量对比的目的主要有两个:

(1) 为了确保测量高度与无人机中心点位距离地面的高度量一致。由于所测高度量有地面距无人机底部高度与无人机中心点高度两方面, 此种情况下即使由于粗定位的偏差, 使地面激光器是通过与无人机底部非中心点处构成的预定高度值, 这样机载激光器数值必然与预定值有偏差, 不会结束定位过程, 直至无人机中心点位距地面高度与预定值一致。

(2) 为了提高二次定位精度, 在高度基础上, 进行水平修正。无人机底部设计是中心点处相对四周凸起, 表面平滑, 且凸起处嵌入机载激光器。这样当两高度量一致时, 地面激光器采集的高度信息必然为地面相对于无人机底部凸起平面的距离。当地面激光器所测高度并非距无人机底部凸起平面距离时, 必然会有两个高度量的不一致, 也就是说, 双激光器测距的设计, 间接限制了无人机的水平位置。

当两信号量完全一致后, 此刻无人机处于精确点位, 完成悬停动作。如图2 是该方式实现的示意图。

2.3.4 利用摩尔斯码对陆基台站的识别

考虑到在同一地区放置多个该种精确定位设备, 无人机在返航阶段可能无法确定某一专属的定位设备。为解决该问题, 可以尝试在装置粗定位阶段所用的无线电信号中加入摩尔斯码, 每一架无人机设定识别相应装置的摩尔斯码, 这样可以进一步提高多陆基台站情况下多无人机在返航阶段的自动化程度, 从而实现在较小区域范围内进行高密度的多无人机起降控制。

2.3.5 激光充电技术

激光充电是美国的洛克希德·马丁公司与美国激光动力公司合作, 测试成功的一种新型的充电方式。该技术初始研究阶段的目的便是希望实现无人机永久地滞留在空中。洛克希德·马丁公司与激光动力公司对一架美国特种部队使用的小型无人机Stalker进行改造, 配备了激光充电系统, 最后测试发现, 该无人机的续航能力提高了2400%。

利用激光充电技术, 在本方案中可以在无人机利用激光传感器进行第二阶段的高精度定位时发挥作用, 在定位的同时为无人进进行电量的补充, 从而提高无人机的续航能力。

3 不同方案的比较与分析

3.1 各定位方案的应用性能比较

从可适用的广泛性来讲, GPS定位> 视觉系统定位> 无线电引导, 辅助激光定位。由于GPS信号的全球性, 并且只需要接收四颗卫星信号便可以完成一个精度不错的定位, 非常的方便。而视觉系统定位受光亮与地形特征的限制, 就广泛性来讲, 不如GPS定位。最后的无线电引导, 辅助激光系统定位, 相比于前两种来讲, 广泛性最低, 因为该方案仅仅适用于某一些特殊的工作任务中。

从各方案应对周围变化环境的灵活性来讲, 视觉系统定位>GPS定位> 无线电引导, 辅助激光定位。视觉系统定位可以从采集的图像信息中读取出无人机相对于四周物体的方位, 就对四周环境的反应灵活性来讲, 是最高的。GPS定位仅对线路有一个认识, 对四周环境无法感知, 灵活性不高。无线电引导, 辅助激光定位的灵活性最低, 因为该方案局限于某一预定方位实行定位, 并不可做出其它反应。

从战时可靠性来讲, 无线电引导, 辅助激光定位> 视觉系统定位>GPS定位。考虑到战场环境的复杂性, 多变性, 无线电引导, 辅助激光定位方案的可靠性最高, 因为该方案是两种定位阶段的结合, 稳定, 可靠。视觉系统定位由于对环境的特征度有要求, 考虑到战场炮火引发的烟雾环境可能会对其辨识度造成干扰, 可靠性次之。GPS定位的可靠性最低, 因为战时情况下, GPS卫星很可能被关闭, 使得该方案失效。

3.2 各定位方案的应用场合

3.2.1 GPS定位

GPS信号的接收易受建筑物, 树木的阻隔而被干扰, 并且由于多路径效应, 接收机会接收到经过建筑物或者水面等一系列反射面反射后的干扰信号, 使得信号的路径变长了, 伪距产生系统偏差, 最后导致定位不准。由此可以分析出, 当无人机的工作环境处于空旷无遮挡地带, 并且四周水域不算多时, 比如在广场, 田地, 沙漠等地区, GPS定位可以达到比较好的效果。

GPS定位的定位悬停方式适用于一些对悬停精度要求不是太高的工作任务, 比如对电网情况巡视, 监控等一些在相对空旷地区进行的任务。

3.2.2 视觉系统定位

由于视觉系统摆脱了需要接收GPS信号的束缚, 可以在没有GPS信号的情况下通过与惯性传感器等部件的配合, 保持无人机的稳定, 所以使用该方案的无人机可以运用在一些环境特征明显的地区, 如附近有河流, 房屋等一些工作环境中。

最近提出的无人机送货物方式, 顾客一般居住在小区之中, 而小区之中房屋林立, 对GPS信号的接收有影响, 这种情况下, 便比较适合运用视觉系统帮助定位。并且需要无人机在封闭空间内完成悬停监控的任务, 也比较适合通过利用视觉系统来实现。

3.2.3 无线电引导, 激光精确定位

根据该方案高精度, 但工作位置固定的特点, 比较适合用作无人机在执行任务前或者执行完任务后的方位待命工作。

比如说现在尝试的利用无人机完成农药喷洒任务的设想, 实际应用时, 考虑到效率问题, 一片田会用到多架无人机同时工作, 那么在工作完成后, 无人机的回收工作便出现在了面前。如果进行人为的一架架进行手动遥控回收便会大大增加工作的繁琐度。此时在固定点位布置激光传感器, 采用无线电引导, 激光定点的方案使无人机定位悬停达到回收的目的, 便可以大大的提高任务的自动化程度, 提高工作效率。并且由于该构想方案定位精确的特点, 可以避免无人机在回收过程中在空中发生碰撞的事故风险。

甚至在作战时期, 对数架出外执行任务的无人机进行回收工作时, 同样可利用无线电引导, 激光定点的方案提高战时效率与作战秩序, 并且结合在悬停状态下的激光充电能力, 可以增加无人机的续航能力。如表1 是对各定位方式的总结。

4 总结与展望

本文所归纳的三种定位方案, 各有特征点, 可以满足不同工作环境的需求。未来继续对无人机定位方面工作的研究, 可以从如下的几个方面进行。

(1) 所运用的视觉系统, 运用摄像机采集图像信息, 而摄像机有限的测量范围, 当无人机飞行超过一定高度时, 便不能测算高度信息, 要进一步研究视觉系统的工作高度, 探究与气压传感器测高的结合方法。

(2) 提高控制算法下, 无人机的响应速度, 以进一步增加无人机响应的及时性。

对本文作者所构想的一种运用无线电加激光定点的高精度悬停定位方案, 在今后的工作中, 可以从以下的几个方面展开, 对该方案进一步补充和完善。

(1) 为解决同一地点多无人机悬停时, 对地面装置的识别问题, 未来的工作中可以尝试在粗定位阶段的无线电信号中, 加入摩尔斯码, 实现无人机与相应的地面装置的匹配。

(2) 当今无人机在执行任务中, 能耗是必须考虑的问题之一。为提高无人机的续航问题, 在本方案第二阶段激光引导高精度定位中, 可以考虑加入激光充电功能, 使得无人机即使在悬停时, 也可以得到能耗补充, 短时间得以重新投入新工作中。

(3) 本文构想方案如今最大的不足是需要提前安置地面设备, 这样设备安置问题会造成对工作地点的限制。为解决该不足, 在未来的研究工作中, 可以从两方面考虑, 一是考虑与其他定位方案的结合作业, 比如GPS+ 本方案, 视觉系统+ 本方案等等, 二是考虑工作环境, 将本方案拆分作业, 如单无线电方式或者单激光方式。在一些空间广阔, 且对无人机悬停精度并不是很高的工作中, 可以单纯使用无线电方案, 而在深井等一些狭小区域的无人机悬停, 则可以省略无线电粗定位阶段, 单纯使用激光方案。

摘要：多旋翼式无人机的起飞和降落对场地的要求较低, 可以适用于各种空间环境中。无论应用无人机进行哪项工作, 进行空中定位悬停这一基本的飞行姿态总是不可或缺的。无论是在起始阶段的待命状态, 工作阶段的监控状态, 或是结束阶段的回收状态, 无人机都需要以完成定位悬停飞行姿态为基础。在如今无人机正被逐渐应用的阶段, 对其进行精确的空间定位方法的研究尤为重要。本文介绍了几种较为常规的旋翼无人机空间定位方案, 并在此基础上提出了一种用于实现超高精度空间定位的方案, 并对几种方式进行了比较。

关键词：旋翼式无人机,定位悬停,讨论

参考文献

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旋翼式无人机 第2篇

主要技术参数:

喷头流量:0.2~0.4 L/min, 双喷头, 可调

喷滴直径:50~100μm

飞行速度:0~10 m/s

喷洒幅宽:3.5~5 m

喷洒速度:0~4 m/s

起飞质量:≥18 kg

农药载质量:额定5 kg, 实际7 kg

飞行时间:15~20 min/架次

防治效率:0.067~0.134 hm2/min

飞行高度:0~200 m

喷洒高度:2~4 m

主旋翼数量及直径:18旋翼, 单个直径430 mm

飞行时尺寸:展开后直径2 450 mm, 高500 mm

整机折叠尺寸:450 mm×500 mm×750 mm

旋翼式无人机 第3篇

体育竞技、紧急救护、特殊作业和特种作战训练等野外活动时, 经常面临各种恶劣环境, 可能在山区、森林和海域等地方。为了保障队员安全, 需要实时监测每一位队员的脉搏、心跳、体温、位置和活动路径等相关信息, 出现危机报警时, 救护人员可以在最短的时间里实施救援行动。传统的方案是在活动区域布置多个地面无线基站, 但基站的布局受到地形和环境的影响, 基站无法保证无线通信信号全面覆盖, 使信号强度受到影响, 有些地方甚至不能放置基站, 例如沿海区域。针对这类特殊应用, 提出了一种利用四旋翼无人机 (以下简称无人机) 的方案, 在无人机上安装摄像头和担负通信中继功能的基站, 野外活动时, 无人机将在活动区域上方盘旋飞行或悬停, 基站将地面队员佩戴的体征监测器采集的体征状态、位置和图像等重要信息转发到地面手持测控站上和手持监控终端上, 以便监控人员查看, 使得在活动过程中, 每位队员的脉搏、心跳、体温、位置和活动路径等均在监测范围之内。

1总体方案设计

系统包含5部分:手持测控站、手持监控终端、体征监测器、无人机中转站和链路。在集体活动期间, 由操控手操作手持测控站控制无人机的飞行路径, 使无人机始终在活动区域上空飞行。在无人机飞行时, 分别对地面每位队员的状态信息进行定时查询, 当队员身上佩戴的体征监控器通过无线接收模块接收到查询指令时, 立即将队员的脉搏、心跳、体温、位置和报警信息通过无线数传模块发往正在活动区域上方的无人机中转站, 无人机中转站将接收到的每个队员的信息发往地面的手持监控终端, 而手持监控终端将接收到的体征信息、位置信息和报警信息显示出来, 将由持有手持监控终端的队员查看, 相关人员就可以实时监测活动区域的每位队员的状态。系统应用示意如图1所示。

2系统设计与实现

无人机中转站是由德国的四旋翼无人机改造而来, 增加图像采集载荷和无线中转基站。系统中的各个分系统设计中, 均采用嵌入式处理器, 并且使用了多核处理器。系统设计涉及了嵌入式硬件设计、嵌入式软件设计和图像编解码等, 实现了便携式设计和低功耗设计。四旋翼无人机如图2所示。

2.1 无人机中转站

2 1.1 无人机系统设计

无人机工作时, 在预定任务活动区域上空自主飞行或手动飞行, 确保无线信号覆盖地面活动区域, 实时接收和转发地面队员的信息到手持监控终端和手持测控站。

利用四旋翼无人机可以在活动区域上方低空悬停, 进行拍照或传输视频[1], 以便观察在特定区域的队员的周边现场情况。同时, 无人机可以根据地图预设的航线, 按照导航模式飞行, 以保证活动区域中的每位队员均可以被观察到。当飞行途中发现地面有紧急情况, 操控手可以通过测控站切换飞行模式为手动模式进行微调无人机高度、速度以及摄像头的角度, 可以更加准确地判断队员的活动状态、体征和位置。

2.1.2 无人机中转站组成

无人机中转站由四旋翼无人机、基站、图像采集载荷和电池4部分组成[2]。

1无人机采用德国进口的microdrones md4200;

2图像采集载荷, 可调节焦距, 带H. 264图像压缩功能和红外夜视功能;

3基站[3]实现与地面测控站保持通信, 保证无人机受控, 同时转发地面无线信号和图像采集数据到手持监控终端;

4无人机由电池供电, 当电池电量耗完时, 降落后可以更换电池继续执行任务。

2.2 手持测控站

手持测控站主要完成对无人机的控制和监测的功能, 由操控手控制, 控制无人机起飞、降落、飞行路径、速度、高度和姿态等, 可查看无人机机载信息、飞行路径、速度、高度和位置信息, 可导入地图, 并在地图上规划无人机飞行区域和航点。

2.2.1 硬件设计

手持测控站需要实现以下4个主要功能:

1对无人机的远程控制和无人机的参数配置;

2接收无人机上图像载荷下传的H. 264压缩图像并解码显示;

3导入地图并在地图上规划航点航线;

4显示无人机机载信息和无线链路状态。

根据以上功能的要求, 手持测控站的外形设计如图3所示。

为了完成手持测控站的图像解码和图像显示, 并保持对无人机控制的实时性, 选用了性能较高的三星4核ARM处理器Quad Cortex-A9 Exynos4412作为测控站的主控芯片, 它可以同时完成接收无线模块的数据和H.264图像数据的解码, 并且处理人机操作和对无人机的飞行控制[4,5]。硬件框架设计如图4所示。

无线收发模块将接收到的遥测数据和图像数据分2个通道分别与处理器Exynos4412进行通信, SDIO接口传输视频数据, UART接口收发遥控和遥测指令。当用户操作按键和摇杆时, 处理器的GPIO口和模数转换模块采集到按键和摇杆状态变化, 软件系统执行相应的操作指令, 通过UART与无线收发模块进行通信, 进而控制无人机工作状态。无线模块将接收到的H.264视频数据通过SDIO通道发送到处理器, 处理器启动图像解码模块进行解码, 并将图像显示在显示屏上。手持测控站内部带有锂电池, 由电源管理模块对电池和各路电压进行分配和充电, 以保障系统稳定工作。

2.2 2 软件方案设计

手持测控站软件系统运行在Android 4.2.2[6], 人机交互界面显示无人机机载信息、图像、无人机飞行轨迹、地图、电池电量、链路状态、信号质量、飞行模式以及无人机高度、速度和方向等关键信息[7]。

系统平台需要定制相应的驱动程序[8], 如无线收发模块的通信接口驱动、显示屏驱动、按键驱动和摇杆AD采集驱动等非标准驱动。手持测控站软件系统数据处理如图5所示。

这里通过5个类别分别描述软件系统设计:

1人机操作部件。实时采集按键和摇杆状态, 将操作转化成指令后按照协议发送出去。例如, 按下开机时, 将打开无人机的电机;按下模式切换时, 将切换相应的模式, 如导航模式、返航模式、手动模式和应急模式等。

2航点规划。每次活动时, 需要先规划好活动区域, 通过航点规划, 可以预先设置好无人机的飞行轨迹, 然后上传到无人机的飞控模块上。

3视频解码[9]。当图像载荷工作后, 就不断地下发当前拍摄的图像数据, 此时启动图像解码功能, 把接收到的图像数据还原到显示屏上显示。

4参数配置。配置无人机的机载参数等。

5显示界面。显示无人的机载信息, 如高度、速度、方向、位置、无人机电池电量、链路状态、测控站电量、遥测数据和图像数据等一系列参数。

2.3 手持监控终端

手持监控终端由指挥人员携带, 在系统中可多台手持监控终端同时运行, 用以查找和显示所有队员的脉搏、心跳、体温、位置、活动轨迹、报警以及无人机图像载荷拍摄的图像和活动区域地图等信息。当检测到报警信息时, 通过声音、震动和显示3种方式提示携带者。

2.3.1硬件设计

手持监控终端需要实现以下5个主要功能:1显示所有队员的体征状态;2接收无人机上图像载荷下传的H.264压缩图像并解码显示;3可在电子地图上显示每位队员分布, 活动轨迹;4显示报警信息;5显示手持监控终端本机状态和链路状态。

手持监控终端的外形结构如图6所示。

根据上面的功能和需求, 监控终端采用与测控站相同的硬件平台进行设计, 通过增加和裁剪外围部件, 实现手持监控终端的要求, 工作原理与手持测控站类似, 如图7所示。

2.3.2 软件方案设计

手持监控终端软件设计与手持测控站设计相似, 视频解码和地图部分类似, 需要修改显示屏, 增加报警振动马达和声音驱动。

手持监控终端系统软件数据处理如图8所示, 功能设计与手持测控站类似。

1图像解码并显示, 可以查看活动范围内的队员现场情况;

2分时查询每位队员的体征信息和位置信息;

3在界面上选择队员信息显示模式, 可单独监控几位队员的体征状态, 活动轨迹;

4报警处理, 监测体征检测器的信息, 通过数据分析处理, 发现异常状态, 马上启动声音、震动和显示警告提示;

5显示链路状态和手持监控终端的电池电量。

2.4 体征监测器

由每位活动队员佩戴, 体征监测器采集队员相关的体征信息、位置信息[10]和报警信息, 当内部无线模块接收到无人机中转站的查询指令时, 立即将采集的所有信息发出, 信息最后传送到手持监控终端上显示。

体征监测器有以下功能:1检测脉搏、心跳;2集成GPS定位模块, 实现自身定位;3本机报警蜂鸣器;4手动报警按键;5电量显示。

2.5 链路

连接无人机中转站与队员、无人机中转站与手持测控站以及无人机中转站与手持监控终端, 可覆盖范围为半径3 ~ 10 km, 频道可以在一定范围内切换[11,12]。

3系统应用

为了验证系统的实际使用效果, 选定了在沿海区域进行试验。试验设备有1架四旋翼无人机、3台手持监控终端、1台手持测控站和8个体征检测器。活动队员一共12人, 其中8名为被监测队员, 佩戴体征监测器;2名队员监测队员, 配发手持监控终端;1名救护人员;1名操控手, 配发手持测控站控制无人机。在队员出发前, 操控手用手持测控站规划好航线, 当8名队员出发后, 无人机随后开始沿着航线自主飞行, 无人机稳定后可微调高度及速度, 整个活动过程持续40 min。在试验期间, 无人机高度维持在200 m相对高度, 当需要拍摄某个队员时, 根据实际需要调整无人机高度, 可悬停, 并改变摄像头的焦距, 以便看清图像。关键测试项如表1所示。

通过试验活动发现, 实现了设计初衷理念, 各个基本功能正常。监控系统简化了传统的地形勘察、布置基站和无线信号覆盖范围测试的过程, 大大缩小准备过程。但系统需要改进, 无人机的续航时间需要加长, 可以选择其他续航时间长的四旋翼无人机型号;需要一个熟练的操控手, 专门操控飞机。

4结束语

利用四旋翼无人机体积小、重量轻、可悬停和自主飞行以及飞行控制简单可靠等一系列优点, 提出了一种空中移动基站的新思路。同时, 设计了便携式手持测控站和便携式手持监控终端, 引导了无人机测控站一体化和小型化的转变。本系统合理地利用了无人机、测控站、监控终端、体征监测器和基站各自的长处, 设计了一种全新便利的生命体征监测保障系统, 有效地解决了地面基站的布局弊端, 最大限度地保障了全体队员的生命安全。

摘要：研究了一种全新的生命体征监测系统, 为野外活动人员提供快速的救援保障。系统整合四旋翼无人机、摄像头、无线基站、测控站、监控终端和生命体征检测设备, 在四旋翼无人机上安装无线基站, 实现无线监测所有队员的生命体征信息和现场情况。基站安装在无人机上, 不受地形的影响, 解决了传统地面安装基站的局限性, 并提高了无线信号的覆盖范围。

关键词：测控站,监控终端,四旋翼无人机,体征监测,无线监测,图像监控

参考文献

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旋翼无人机在农业气象服务中的应用 第4篇

近年来, 随着全球气候变暖趋势日益加剧, 我国干旱、暴雨、冰雹、大风、霜冻等各种气象灾害发生频繁, 农田经常会出现病虫草害等此衍生灾害, 在一定程度上阻碍了农作物正常的生长发育, 给农业发展造成极其严重的影响。因此, 对农田环境、作物生长情况及气象灾害等进行动态监测至关重要。旋翼无人机作为高科技发展产物, 其在农业气象方面可用于灾害监测、农田信息获取、农田植保等作业任务, 可以进一步推动精准农业的发展。

2 旋翼无人机在农业气象服务中的应用

2.1 灾害监测��

旋翼无人机通过遥感等技术所获取的高分辨率影像具备监测农业以及环境状况的重要功能作用。旋翼无人机在农田上空进行精确抽样, 再经过高光谱图像有效分析, 可以对农作物病虫草害进行宏观、微观地分析。

2.2 在农田信息采集中的应用

近年来, 获取农田信息主要方式有卫星遥感、无人机农田信息获取、定点摄像、飞机航拍、手持或车载式信息采集等。传统的卫星遥感以及飞机航拍等获得的是宏观农田信息, 获取方式受成本高、作业周期等制约, 时效性较差且极易遭到云雾干扰, 很难适应现代农业生产及农田信息需要。旋翼无人机可以垂直起降、悬停, 能够在小范围内开展低空农田信息采集作业, 而且不会受到农田环境中空域影响, 不需要对农田进行采样造成损坏, 获得的农田信息更加清晰与准确。在具体作业中, 能够代替大部分人工进行采集, 凭借机载设置不一样的传感器来取得各种数据, 充分满足大型农场以及合作社等农田土地信息的采集。

2.3 在植保中的应用

在农作物病虫害防范工作中, 传统的人工喷洒农药不仅劳动强度大, 而且经常会因为农药中毒导致身体受到损坏, 甚至会导致人员死亡。旋翼无人机作业高度低, 喷药漂移少, 可以在空中悬停;凭借卫星定位系统进行定位, 配合电脑自动规划施药路径, 起降不需要跑, 适用于分散田块和民居稠密的农业区域;可以实现自主飞行、自动航线规划和自动避障, 智能化程度高, 不分白昼、在超视距条件下作业, 其离心式细雾喷头保障农药喷洒的均匀和高效。此外, 操控简单易学, 维修保养方便, 农户能够快速掌握, 其远距离遥控驾驶方式不会发生作业人员中毒情况, 工作效率高。新疆农田占地面积大, 人工喷洒成本相对其他城市高, 使用无人机喷洒节省成本支出, 提高了喷洒效率。如2016年4月8日, 新疆兵团第六师芳草湖农场一块20hm2的南瓜地里, 一架无人机在遥控器的控制下对南瓜地进行农药喷洒, 无人机一般充次电可满载作业0.5h, 每喷施667m2地只需1min, 一天可作业4个h, 喷施面积13.33~20hm2一台无人机工作效率是人工的70倍。新疆多种植枣树、枸杞、棉花、向日葵、果林等农作物, 植物生长初期都可以用人工喷洒农药, 后期植物茂密而且又高又扎, 人工进入作业环境比较恶劣, 无人机在空中作业可以提供许多方便。

3 结语

旋翼无人机安全性好、灵活性好、分辨率高、操作方便等, 具备良好的发展前景, 在农业气象服务中发挥着极其重要的作用。但旋翼无人机在空中作业时也会受到大风等恶劣天气的干扰, 对采集到的影像精度造成一定的印象, 需要进行人工校正。同时, 无人机技术在我国发展应用时间还比较短, 在农业气象服务方面的应用还不够完善。因此, 需要针对旋翼无人机在农业气象服务中的应用开展进一步研究与探索, 以更好的指导与服务农业, 促进我国农业可持续发展。

摘要：随着科技的发展与进步, 旋翼无人机已经开始应用于农业气象服务中, 并为农业生产提供了诸多便利。本文主要结合旋翼无人机的结构特征, 探讨了其在农业气象服务中的重要性及应用效果。

关键词：旋翼无人机,农业,气象服务,应用

参考文献

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旋翼式无人机 第5篇

与此同时, 遥感技术经过近百年的发展。 遥感技术具有宏观、客观、重复、廉价, 优势, 同时能做常规方法做不到的事[3]。 无人机具有成本低, 操作简便, 获取影像速度快, 地面分辨率高等一系列优点, 结合农作物地面测量数据, 能迅速而准确地完成该区域农情监测任务, 并为更大范围农情估计采样提供便利[4]。

无人机 (Unmanned Aerial Vehicle, 缩写UAV) , 是一种有动力、可控制、能重复使用的无人驾驶航空器[5]。 在国外, 农业无人机早在多年前已经投入使用。 在2002 年, 美国宇航局用Pathfi- nder- Plus太阳能无人机搭载高分辨率彩色多光谱成像仪, 在Kauai咖啡公司的1500hm2种植区监督杂草爆发、暴露灌溉及施肥异常等情况。 2013年, José Manuelmail使用无人机携带近红外多光谱相机对玉米田的杂草覆盖率进行分析[6]。 近年来, 我国也开展了各领域的无人机应用作业。 中国测绘科学研究院于1999 年完成了“ 无人机海监遥感系统关键技术研究和验证试验”项目, 研制了UAVRS- Ⅰ型无人机[7]。 谢彩香等根据中药资源分布特点利用无人机进行抽样调查, 结合航天遥感计算中药资源的总量, 大大节省了成本, 并使其结果具有统计学的可靠性[8]。 可以看到无人机作为检测和信息获取的手段, 正在高速发展, 并应用于各个领域。

总的来看, 在中国, 农业农情监控领域内的应用不多, 特别是针对无人机影像在该领域内的影像获取与处理、 地面配套数据采集、基于无人机影像的作物分类研究等方面工作涉及很少[9]。 本文利用多旋翼无人机搭载高清数码遥感设备开展大豆育种表型信息获取, 并利用高清数码影像对大豆的叶色、叶形进行监督分类。

1 多旋翼无人机遥感系统集成

1.1 多旋翼无人机

多旋翼飞行器是由多组动力系统组成的飞行平台。 相比于固定翼无人机, 多旋翼无人机具有安全性高、能够自由悬停的优势。

论文采用大疆 ( DJI) S1000V型八旋翼航拍飞行器, 该机有效载荷5Kg, 整机重量4.2Kg, 工作环境温度- 10°C~+40°C。 实验中无人机载重3.5 千克, 飞行时间15 分钟, 飞行高度50 米。 其无人机实物图如图1 所示。

1.2 数据采集系统

采集过程中, 无人机同时搭载高清数码相机 (Canon Power Shot G16, 分辨率3000x4000) 、多光谱相机 (Tetracam ADC Lite, 近红、红、绿三波段, 分辨率2048×1536) 。

其工作流程为:a.根据遥感任务的要求对待拍摄地区进行航迹规划;b.无人机地面监控系统按照规划的航线控制无人机的飞行, 多旋翼无人机则按照预设的航线和拍摄方式控制遥感传感器进行拍摄;c.数据采集系统将拍摄的数据进行存储, d.地面工作人员可以在地面监测无人机的飞行航线;e.拍摄结束后可以给飞机发送指令让其降落;f.从数据采集系统中, 将拍摄的影像数据导出, 由遥感数据处理人员进行后续处理。

2 无人机载多传感器数据获取与处理

2.1 试验区情况

2014 年8 月28 至31 日, 赴山东圣丰种业科技发展有限公司开展的无人机辅助作物育种试验。 该公司是以大豆、花生、棉花、小麦种子为主导产业的国家重点高新技术企业, 位于山东省济宁市西部的嘉祥县, 东经116°06′~116°27′, 北纬35°11′~35°38′。其试验小区测区条件交通条件便利、田地分块大而整齐, 为遥感影像分类提供便利。

无人机航拍作业时风力小于4 级, 天气晴朗, 能见度高, 飞行采用自动起飞/ 规划航线飞行/ 自动降落模式, 在试验中, 我们共飞行旋翼无人机3 个架次, 获取了大豆育种小区高清数码影像270 张, ADC多光谱影像550 张。

2.2 数据处理方法

无人机拍摄获取的影像为中心投影, 要进行实际的应用必须对影像进行正射校正并最终拼接成图, 获得整个测区的正射影像图 ( Digital Orthophoto Map, DOM) [10]。

2.3 小区正射映像生成与小区分割

本文利用自主研发的无人机影像数据处理软件, 实现对无人机拍摄的高清数码影像几何拼接和正射镶嵌, 其正射影像图如图2 所示。

图2 所示的正射影像分辨率高达1.5 厘米, 放大后可清晰查看大豆叶色、叶形差异。 图3 所示为大豆叶色差异, 图4 所示为大豆叶形差异。

3 针对大豆育种的信息解析

基于高清正射影像, 采用监督分类- 最大似然法对大豆叶色、叶形进行提取和分类。 通过对高清数码影像进行最大似然分类, 得到如图5 所示分类结果。 叶色分为深绿、绿、浅绿三等级;叶形分为圆叶和尖叶两类, 其分类结果如图6 所示。

由图可见, 小区的叶色被清晰的分成3 类, 其小区南边叶子普遍比北边绿, 这也符合实验预期。 叶形也被分成2 类, 南边圆叶较多, 北边尖叶较多。 选取坐下角区域从上往下数第4 道23 块田作为抽样数据, 由目视判别法分别对叶色和叶形进行统计, 然后对比分类结果, 得到其分类精度分别为86.9%、78.2%。

4 总结与讨论

无人机遥感相比卫星遥感具有更高的地面空间分辨率, 能很方便地应用于统计某一地区作物的种植结构、作物长势等信息, 为大范围农作物种植及长势、产量等信息的计算提供依据。 试验中发现, 经过对多旋翼无人机航拍的高清数码照片进行拼接、 正射处理, 所得的正射影像中能够清晰的识别大豆叶形、叶色种类。 对获取的高清正射影像, 经过小区田块划分处理, 得到小区空间分布, 采用最大似然分类法, 对大豆叶形叶色进行分类, 经目视判别法, 分类结果准确率分别在86.9%、78.2%。

本文研究表明, 利用无人机遥感技术能够实现辅助作物育种表型信息快速获取与解析的目的。 然而, 对于农田作物的遥感信息的挖掘还不仅限于叶形、叶色的分类和长势的监控。 无人机多传感器集成及数据处理, 针对多传感器、多作物表现信息的解析等工作还有待进一步研究。

摘要：本文以国家大豆改良中心圣丰试验站大豆育种基地为研究区域, 利用多旋翼无人机搭载高清数码相机对大豆育种小区进行遥感监测, 并开展了针对大豆育种表现形态的信息解析。试验中, 获取无人机载高清数码及多光谱影像覆盖约90亩育种小区, 经数据几何处理实现小区高清正射影像及多光谱影像拼接。基于高清数码影像, 采用最大似然法对大豆叶形、叶色进行监督分类, 经目视判读, 分类精度分别达到86.9%, 78.2%。基于多光谱影像, 开展大豆长势遥感监测分级。研究表明, 利用基于无人机的低空遥感技术能够实现辅助作物育种表型信息获取的需求, 解决作物育种田间调查标准不统一、时效性差等问题。

关键词：无人机,遥感,表型信息,大豆育种

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旋翼式无人机 第6篇

Zig Bee无线通讯技术具有低功耗、低成本、性能稳定等特点, 已经得到广泛应用。传统的无人机遥控通常采用单跳传输方式,而且用分立元件来实现对PWM波的产生,具有设计复杂、精度不高、 控制距离短等缺点。一般的单片机PWM口最多可以产生2~4路PWM波,而本文的多旋翼无人机遥控接收器需要产生7路PWM波形,所以不能满足实际的需要。产生PWM波的方式有很多种。 本文利用TI的CC2530片上系统中的两个定时器产生7路PWM波。CC2530芯片集成了Zig Bee无线通讯模块,编程简单,功耗很低。无人机飞控的控制脉冲总周期为14590μs,每个脉宽周期为2084μs,工作正脉宽从1200~1800μs。最后通过大疆无人机飞行控制系统WOOKONG-M以及APM无人机飞行控制系统分别对遥控器进行测试,性能稳定,完成了多旋翼无人机所有飞行功能。

1遥控设计原理

多旋翼无人机遥控包括遥控器和接收机两块,遥控器负责对遥控杆和选择开关的信号采用、编码和发送等功能,接收机主要负责对信号的接收、解码以及PWM波的产生等功能,通常遥控杆和选择开关控制无人机的起降、俯仰(前后左右)、偏航、悬停等, 接收机共需产生7路PWM波。

遥控发送端对输入信号的采样、编码、发送以及接收端对信号的接收、解码、PWM产生的过程如图1所示。

利用CC2530微处理器的I/O口产生7路PWM波来控制无人机飞控系统。遥控7路通道分别控制无人机前后、左右、旋转等动作,如表1所示。

无人机飞控PWM波周期为2084μs,工作正脉冲宽度为1200~1800us,常用于各种运动控制器。

因为需要产生的PWM波周期是一样的,均为2084μs,则每个周期的7路PWM波的周期为7×2084μs,即14590μs。这里采用两个软件定时器以实现7路PWM波的产生,软件定时器1负责产生周期为2084us的中断,每个中断触发软件定时器2进行脉冲宽度定时,软件定时器1在产生中断的同时,还要设置相应的PWM波输出通道,通道号从0开始增加到6,再循环执行。 软件定位器1的每个中断产生时都要将对应的输出通道I/O口置为高电平,并触发软件定时器2,设置该通道的脉冲宽度。软件定时器2在设定的时间结束后,将相应的输出通道I/O口置为低电平,到此则该通道的PWM波完成。重复完成7路PWM波的产生后, 循环进行下个周期的输出。总的PWM波周期为14590μs,1/7周期为2084μs。7路PWM波的时间分配如图2所示。

2遥控软件设计

■ 2.1发射机流程

将遥控的按钮、开关、旋钮分别接入微控制器的不同I/O口, 微控制器首先对遥控进行初始化(包括无线射频模块初始化、A/ D初始化等),然后使用内部的A/D对I/O口循环进行采样、编码,最后将编码数据打包成一个数据包通过无线射频模块发射 , 流程如图3所示。

■ 2.2接收机流程

接收机也首先对遥控进行初始化(无线射频模块初始化、定时器初始化等),然后循环检测是否有无线数据到来,若有数据到来,首先检查数据是否在正常范围内,如果在正常范围内,则将数据通过I/O口送到主控中,如果数据错误,则丢弃。若无数据到来则保持上一次的数据。

信号丢失处理:每次记录上一次脉宽信息,若信号丢失,则维持上一次信息不变。

信号误码处理:在接收端对接收到的信号测试,若信号值不在合理范围内,丢弃该次信号,采用上一次的正确信号进行控制, 整个流程如图4所示。

3遥控硬件设计

微处理器 采用TI公司的CC2530芯片,CC2530是用于2.4GHz IEEE802.15.4、Zig Bee和RF4CE应用的一个真正的片上系统(So C)解决方案。它能够以非常低的总的材料成本建立强大的网络节点。发送端硬件设计,只需构建CC2530的最小系统, 再加上必要的天线电路,将遥控的按键、摇杆等动作机构接入支持A/D的I/O口中即可。

4测试与分析

通过遥控器发射端的控制摇杆实现对信号的产生并无线发送, 遥控器接收机的PWM波输出的其中一路通道与示波器链接,通过发射机摇杆的变化,观测示波器上PWM波的脉宽变化以及脉冲周期是否满足要求,再依次测试其他通道。

在完成以上测试后,我们先后对遥控器进行了多旋翼无人机无桨和有桨测试,测试机型有大疆无人机飞行控制系统WOOKONG-M以及APM无人机飞行控制系统两款。测试结果显示,遥控器实现了对多旋翼无人机遥控器的可靠控制。

5结论

旋翼式无人机 第7篇

现有的飞行控制系统一般采用ARM7、DSP等高速处理器作为控制芯片。对于这类单芯片飞控系统, 一个控制周期内要完成数据采集、数据处理、控制运算及指令输出, 同时还需将数据输出到监控系统, 过重的负荷影响了系统的可靠性[2]。针对这一问题, 本文设计了一种双芯片飞行控制系统, 采用2个STM32F107VCT6处理器同时分工协作的机制, 完成对飞行控制的任务要求。该系统设计结构可靠, 运算处理能力强, 稳定性高。

1 系统硬件设计

1.1 系统功能划分及硬件布局

多旋翼无人机自主飞行控制系统较为复杂, 一般需要设计3类控制器:位置控制器、速度控制器及姿态控制器。同时还有姿态角推算, 导航数据融合等算法[3]。

为了满足以上控制和算法要求, 机载部分的硬件布局就显得尤为重要。若要得到很好的实时控制效果, 控制频率是一个重要的考虑因素。因此, 为了完成高频的控制运算, 本文设计了一种双芯片控制系统, 2个处理器同时处理数据, 协调工作, 达到自主飞行的目的[4]。协同任务的分配如表1所示。其双芯片系统结构如图1所示。主控制器部分有IMU模块、GPS模块、遥控器无线接收机及XBEE无线传输模块;从控制器有陀螺仪传感器、三轴加速度传感器、地磁传感器、气压传感器、PWM输出模块及SD卡数据存储器[5]。

1.2 系统硬件选型

(1) 主从控制器:采用ST公司STM32F107VCT6型号的32位微处理器, 时钟频率达到72 MHz, 其丰富硬件接口资源及功能强大的DMA控制方式, 充分保证无人机控制系统的稳定性与实时性。主从CPU之间采用高达18 MHz的SPI接口进行双机通信[6]。针对实际应用, 对通信接口增加硬件握手, 主机每次在传输数据前询问从机状态, 如准备好, 则开始发送数据。这样可以避免主机发送数据时, 而从机正处于中断接收配置代码区, 无法接收数据, 造成数据丢失, 无法正确接收数据[7]。

(2) 模拟量传感器:加速度传感器 (ADXL335) 、陀螺仪传感器 (ADXRS610) 。采用模拟量传感器的优势在于可以高频率且精确地进行数据采集, 满足400 Hz姿态控制频率的要求。

(3) 数字量传感器:地磁计 (MAG3110) 、气压计 (BMP0805) 、GPS模块。数字量传感器使用相对简单, 且在控制位置和速度时的频率相对较低, 数字量传感器可以满足要求。

(4) 无线传输模块:遥控器、遥控器接收机、XBEE无线传输模块。

(5) 扩展模块:IMU模块。可以通过搭载高性能的IMU模块来验证控制板上各种传感器的性能及估算的姿态角的准确性[8]。

2 嵌入式系统软件设计

系统软件的设计是基于IAR软件平台下开发, 采用汇编语言和C语言混合编程实现。主要分为主控制器和从控制器两部分的软件设计。

2.1 主控制器软件设计

主控制器软件流程图如图2所示。遥控器的数据接收、上位机的数据接收、GPS数据读取、高度计和地磁计的数据读取、主循环控制频率等利用中断程序完成。为了减轻CPU负载, 对地面站的数据输出采用DMA功能, 无需CPU干预。

2.2 从控制器软件设计

从控制器需要完成400 Hz的控制运算, 同样需要分别配置STM32的USART接口、SPI接口及定时器中断。采集频率设定为2 000 Hz, 并对采集到的数据进行巴特沃斯数字低通滤波。巴特沃斯数字滤波器相比其他数字滤波器而言, 通带内具有最大平坦幅度、阻带频率响应逐渐下降为零的特点。滤波器的性能指标如下:通带截止频率20 Hz, 阻带截止频率100 Hz, 阻带最小衰减20 d B, 通带最大衰减3 d B[9]。对于SD卡的数据写入同样采用SPI的DMA功能, 实现数据的快速写入, 节约CPU时间。

从控制软件流程图如图3所示, 接收与发送主机数据、主循环频率都利用中断程序完成[5]。同时为了节约CPU对外围设备的读写的时间, 采用ADC的DMA功能实现对模拟量传感器的数据读取, 并将数据采集和存储交由DMA控制器。

3 实验结果

为验证系统方案的可行性, 将含有速度控制和姿态控制的飞行控制系统搭载四旋翼飞行器进行室外飞行实验[10], 如图4所示。

图5和图6的实验结果表明, 控制器能够很好地跟踪速度目标值, 实现飞行器按预定速度飞行。由此可知, 整个系统具有良好的目标追踪性及稳定性。

本文提出了一种新型的采用双芯片结构的多旋翼无人飞行器控制系统的设计方案。从硬件设计和软件设计两方面详细介绍了设计与实现的过程, 并在主机、从机上设计不同的控制器。实验结果表明, 该系统稳定性高, 可以完成各种方式的数据传输, 处理速度快, 能够有效地完成自主飞行所需各种运算要求, 为实现该类无人机的自主飞行奠定了良好的基础。

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