基于多旋翼自主飛行器的農(nóng)藥噴灑系統(tǒng)設(shè)計(jì)

唐中一+劉永康+李通

摘要：應(yīng)用STM32F103ARM芯片作為核心處理器，設(shè)計(jì)了一種基于多旋翼自主飛行器的農(nóng)藥噴灑系統(tǒng)。與目前所見(jiàn)的多旋翼飛行器相比，增加自主飛行模式，解決遙控操作失誤和通信失聯(lián)的問(wèn)題。系統(tǒng)利用GPS信號(hào)完成目標(biāo)定位，氣壓計(jì)實(shí)現(xiàn)高度測(cè)定，通過(guò)磁力計(jì)解決飛行航向問(wèn)題，系統(tǒng)采用CC2430可實(shí)現(xiàn)遙控介入。

關(guān)鍵詞：處理器；多旋翼；磁力計(jì)；CC2430

中圖分類(lèi)號(hào)：S252+.3；V279+.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2017）10-1953-03

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2017.10.038

The Design of Pesticide Spraying System Based on Multi Rotor Autonomous Aircraft

TANG Zhong-yi， LIU Yong-kang， LI Tong

（Faculty of Automation， Huaiyin Institute of Technology， Huaian 223003， Jiangsu， China）

Abstract： Using STM32F103ARM chip as the core processor， a pesticide spraying system is designed based on autonomous vehicle. Compared with the existing multi rotor aircraft， the autonomous flight mode is added to solve the problems of remote control operation and communication. The system uses GPS signal to achieve the target of positioning， using barometer to achieve height measurement and through the magnetometer to solve the flight heading. At the same time， the system also adopts CC2430 which can realize the remote control intervention. Finally， the effectiveness of the method is verified by the software and hardware debugging.

Key words： processor； multi rotor aircraft； magnetometer； CC2430

農(nóng)田的農(nóng)藥噴灑工作關(guān)系到農(nóng)業(yè)豐產(chǎn)豐收工作，對(duì)于農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的發(fā)展至關(guān)重要。目前的農(nóng)藥噴灑工作主要依靠人力或電動(dòng)（機(jī)動(dòng)）噴霧器，勞動(dòng)強(qiáng)度大、作業(yè)效率低，統(tǒng)防統(tǒng)治較困難。隨著人口老齡化的日益嚴(yán)重，這種傳統(tǒng)的農(nóng)藥噴灑方式的不足更加明顯。

多旋翼飛行器作業(yè)時(shí)無(wú)需人工背負(fù)噴霧器，可通過(guò)遙控裝置控制飛行器飛行、農(nóng)藥噴灑以及降落動(dòng)作，可以減輕勞動(dòng)強(qiáng)度[1-7]。噴灑農(nóng)藥時(shí)操作人員遠(yuǎn)離農(nóng)藥噴霧范圍，減少人員中毒危險(xiǎn)。但目前所見(jiàn)的基于多旋翼飛行器的農(nóng)業(yè)噴灑系統(tǒng)大都需要無(wú)線(xiàn)遙控操作，對(duì)于遙控人員的熟練程度要求較高，需要進(jìn)行培訓(xùn)，使用中的失誤即可能導(dǎo)致飛行器墜毀[8，9]。余莉等[10]采用氣壓計(jì)獲得四旋翼飛行器的高度信息，并利用垂直方向的加速度計(jì)補(bǔ)償高度信息；何川等[11]應(yīng)用四元數(shù)坐標(biāo)，對(duì)加速度計(jì)、陀螺儀以及磁力計(jì)的信息進(jìn)行融合，從而取得較為精確的姿態(tài)信息。

本研究設(shè)計(jì)的系統(tǒng)包括飛行器和遙控器，兩部分均采用STM32F103為核心控制器件，集合了氣壓計(jì)、陀螺儀、加速度計(jì)以及磁力計(jì)等傳感器。飛行器包括基于CC2430的無(wú)線(xiàn)接收模塊、飛行控制系統(tǒng)模塊、驅(qū)動(dòng)模塊和農(nóng)藥噴灑模塊，可以通過(guò)一鍵式自主飛行和手動(dòng)遙控兩種模式。系統(tǒng)自主飛行模式，能夠?qū)崿F(xiàn)一鍵式完成起飛、巡航、噴灑農(nóng)藥以及降落的工作，可有效避免人工操作導(dǎo)致的飛行器墜毀問(wèn)題，減少損失。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

四旋翼飛行器是一種有4個(gè)旋翼且旋翼呈十字形交叉的飛行器，具有不穩(wěn)定、非線(xiàn)性、多變量、強(qiáng)耦合特性。其飛行航向和飛行姿態(tài)是通過(guò)控制4個(gè)旋翼電機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)的，主控芯片ARM根據(jù)陀螺儀和加速度計(jì)的信息解算出飛行器的飛行姿態(tài)，然后依據(jù)模糊PID控制算法獲得電機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)飛行器空中姿態(tài)的穩(wěn)定與調(diào)整。

依據(jù)系統(tǒng)的特點(diǎn)和實(shí)際需求，系統(tǒng)分為主控單元、傳感器組、電機(jī)調(diào)速單元、無(wú)線(xiàn)通訊單元、電源模塊以及農(nóng)藥噴灑單元。如圖1所示，主控單元為ARM芯片，作為系統(tǒng)的核心處理器；空中姿態(tài)檢測(cè)單元核心傳感器為陀螺儀和加速度計(jì)，給出飛行器的三軸角速度和三軸加速度；高度檢測(cè)單元核心傳感器為氣壓計(jì)，用于檢測(cè)飛行器所處位置的大氣壓，從而可解算出當(dāng)前所處的海拔高度；航向檢測(cè)單元主要器件為磁力計(jì)和GPS，磁力計(jì)給出飛行器當(dāng)前的三軸偏轉(zhuǎn)角，GPS給出飛行器的經(jīng)緯度，這5個(gè)數(shù)據(jù)作為調(diào)整飛行器的飛行航向輸入量。無(wú)線(xiàn)通信定位單元以CC2430為核心，提供飛行器與遙控器之間的無(wú)線(xiàn)連接通道。電源模塊分別為主控芯片、各單元、電機(jī)供給不同的電壓。

系統(tǒng)總流程如圖2所示，系統(tǒng)初始化，利用氣壓計(jì)完成對(duì)飛行器氣壓的測(cè)量，使飛行器上升定高。飛行器前行并利用GPS信號(hào)實(shí)時(shí)檢測(cè)是否到達(dá)噴灑區(qū)域。在到達(dá)噴灑區(qū)域后進(jìn)行噴灑作業(yè)并利用壓力傳感器檢測(cè)農(nóng)藥是否完畢，若噴灑作業(yè)完成則返回起始點(diǎn)并減速降落。

2 系統(tǒng)單元結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 空中姿態(tài)檢測(cè)單元（MPU-6050）

空中姿態(tài)檢測(cè)單元選用的是擁有3軸陀螺儀、3軸加速器的器件MPU-6050。由于在芯片內(nèi)部進(jìn)行了整合免除了獨(dú)立元件間的軸間誤差的問(wèn)題，數(shù)據(jù)傳輸采用I2C總線(xiàn)協(xié)議，節(jié)約I/O口資源，空中姿態(tài)檢測(cè)流程如圖3所示。I2C總線(xiàn)初試化，讀取空中姿態(tài)檢測(cè)單元中陀螺儀和加速度計(jì)的角速度和加速度，將讀取的數(shù)值進(jìn)行滑窗濾波處理，計(jì)算出飛行器的傾角。

2.2 高度檢測(cè)單元（氣壓計(jì)MS5611）

采用MS5611-01BA測(cè)量飛行所在位置的大氣壓，氣壓檢測(cè)流程如圖4所示。I2C總線(xiàn)初始化，讀取氣壓與溫度出廠(chǎng)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，經(jīng)器件內(nèi)部24位A/D轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)數(shù)字量的輸出，并利用溫度補(bǔ)償法計(jì)算出當(dāng)前穩(wěn)定的氣壓值。

2.3 航向檢測(cè)單元（電子羅盤(pán)+GPS）

系統(tǒng)初始化后，利用電子羅盤(pán)和GPS模塊實(shí)時(shí)讀取磁矢量和當(dāng)前經(jīng)緯度信息。根據(jù)讀取的信息解算出飛行器的偏航角，相應(yīng)地調(diào)整飛行器的飛行姿態(tài)，以保證飛行器能朝目標(biāo)區(qū)域飛行，航向檢測(cè)流程如圖5所示。

2.4 電機(jī)控制單元（PWM）

如圖6所示，在初始化后，接收系統(tǒng)的調(diào)速命令，通過(guò)改變CCRx-val的值來(lái)生成不同占空比的PWM波形，最終通過(guò)調(diào)節(jié)PWM的占空比實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。

2.5 液位檢測(cè)單元（擴(kuò)散硅壓力變送器）

在初始化時(shí)給壓力傳感器設(shè)定下限值，當(dāng)飛行器到達(dá)指定噴灑區(qū)域時(shí)讀取壓力傳感器檢測(cè)的數(shù)據(jù)，并經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換將檢測(cè)到的模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量。若測(cè)定值高于設(shè)定值，則給噴灑標(biāo)志位flag置1，即開(kāi)啟電磁閥進(jìn)行農(nóng)藥噴灑作業(yè)；若測(cè)定值小于或等于設(shè)定值，則給噴灑標(biāo)志位flag置0，即關(guān)斷電磁閥，結(jié)束噴灑作業(yè)，液位檢測(cè)流程如圖7所示。

2.6 電源電量檢測(cè)模塊

多旋翼飛行器采用電池供電，電量不足可能導(dǎo)致控制策略失效，出現(xiàn)飛行器墜落事故，因此電量檢測(cè)必不可少，電量檢測(cè)流程如圖8所示。

飛行器起飛前，對(duì)電源進(jìn)行檢測(cè)，若Battery_val<3.8，則系統(tǒng)電量不足，LED燈閃爍；若Battery_val>3.8時(shí)，系統(tǒng)電量充足，LED燈常量。飛行器起飛后，對(duì)電源進(jìn)行檢測(cè)，若Battery_val<3.2，則系統(tǒng)電量不足，LED燈閃爍；若Battery_val>3.2時(shí)，系統(tǒng)電量充足，LED燈常量。

3 PID控制算法結(jié)構(gòu)分析

在動(dòng)力學(xué)模型的基礎(chǔ)上，將小型四旋翼飛行器實(shí)時(shí)控制算法分為兩個(gè)控制回路，即位置控制回路和姿態(tài)控制回路。算法結(jié)構(gòu)如圖9所示，使用經(jīng)典PID控制算法實(shí)現(xiàn)位置控制回路和姿態(tài)控制回路。通過(guò)角度P和角速度PID的雙閉環(huán)PID算法，將角度的偏差作為期望輸入到角速度控制器中。PID算法簡(jiǎn)單可靠，理論體系完備，而且在長(zhǎng)期的應(yīng)用過(guò)程中積攢了大量的使用經(jīng)驗(yàn)，在飛行器位置和姿態(tài)控制應(yīng)用中具有良好的控制效果，能提供控制量的較優(yōu)解。

4 結(jié)論

雙閉環(huán)PID控制回路算法應(yīng)用提升了飛行器的抗干擾能力，提高在復(fù)雜氣象條件下工作的可行性，而自主起飛、降落功能的實(shí)現(xiàn)對(duì)于農(nóng)藥噴灑系統(tǒng)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用有著積極的意義。

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