農(nóng)藥噴灑多旋翼無(wú)人機(jī)控制系統(tǒng)研究

黃水長(zhǎng) ，栗 盼 ，趙偉雄

（1.河北工程大學(xué) 信息與電氣工程學(xué)院，邯鄲 056038；2.貴州大學(xué) 電氣工程學(xué)院，貴陽(yáng) 550025）

目前我國(guó)農(nóng)藥噴灑方式主要為地面人工噴灑，落后的噴灑器具和技術(shù)普遍存在，與當(dāng)前農(nóng)藥的發(fā)展水平極不相稱，已對(duì)農(nóng)林業(yè)病蟲草害的防治帶來(lái)了很多不良的影響，比如對(duì)農(nóng)藥的利用率低，農(nóng)藥殘留、作物藥害、污染環(huán)境等。另外，這些方式噴灑效率低，還可能會(huì)對(duì)工作人員的健康造成威脅[1]。無(wú)人駕駛飛機(jī)UAV（unmanned aerial vehicle）近幾年發(fā)展比較迅速，尤其是多旋翼無(wú)人機(jī)，它憑借其成本低、飛行靈活、可低空低速飛行等特點(diǎn)，在很多領(lǐng)域都得到了一定的應(yīng)用，比如軍事偵察、空中航拍、交通監(jiān)測(cè)、地形勘測(cè)等[2]。在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中，采用多旋翼無(wú)人機(jī)進(jìn)行農(nóng)藥噴灑工作具有作業(yè)高度低、可定點(diǎn)噴灑、無(wú)需起落跑道等特點(diǎn)，可以明顯提高作業(yè)效率，并且其旋翼往下產(chǎn)生的氣流可以讓農(nóng)藥噴霧得到更好的穿透性，提高防治效果和農(nóng)藥的利用率[3]。本文結(jié)合空中作業(yè)噴灑農(nóng)藥對(duì)無(wú)人機(jī)飛行的需求，對(duì)小型多旋翼無(wú)人機(jī)的控制系統(tǒng)進(jìn)行研究。

1 控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)需求

為了能夠方便、安全、可靠地進(jìn)行空中噴灑農(nóng)藥，以下針對(duì)多旋翼無(wú)人機(jī)的特點(diǎn)，對(duì)控制系統(tǒng)提出需求：

（1）處理器具有良好的運(yùn)算性能，能夠滿足控制軟件的運(yùn)行要求。

（2）具有姿態(tài)估計(jì)系統(tǒng)，能夠得到較精確的實(shí)時(shí)無(wú)人機(jī)姿態(tài)及高度。

（3）具有高度自鎖定功能，可以在作物上空定高進(jìn)行農(nóng)藥噴灑，防止因?yàn)閲姙⒏叨炔灰恢聦?dǎo)致作物藥害的情況發(fā)生。

（4）具備無(wú)線通信功能，能夠與遙控器和地面站通過(guò)無(wú)線進(jìn)行連接。如果與遙控器失聯(lián)，無(wú)人機(jī)必須懸停在原地并關(guān)閉噴灑系統(tǒng)。

（5）可通過(guò)輸出脈寬調(diào)制 PWM（pulse width modulation）波形的方式對(duì)噴灑系統(tǒng)的噴灑速度進(jìn)行動(dòng)態(tài)控制。以便滿足不同農(nóng)藥試劑和作物對(duì)噴灑速度的不同需求。

1.2 總體設(shè)計(jì)

為了減少不同功能之間的耦合會(huì)增強(qiáng)系統(tǒng)的可維護(hù)性，控制系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成框圖Fig.1 Block diagram of the system

多旋翼無(wú)人機(jī)是一種復(fù)雜的系統(tǒng)，它在空間有6個(gè)自由度，分別是沿機(jī)身3個(gè)軸平移和旋轉(zhuǎn)[4]。在姿態(tài)控制方面，由于其平移速度和旋轉(zhuǎn)角度存在直接耦合關(guān)系，所以要想滿足在空中穩(wěn)定飛行，前提便是利用精確的傳感器結(jié)合有效的融合算法獲取較精確的姿態(tài)數(shù)據(jù)。

由于無(wú)人機(jī)的飛行范圍比較大，與其通信的方式若采用有線將造成諸多不便，所以在通訊方面，系統(tǒng)采用無(wú)線的方式與其連接。無(wú)人機(jī)的動(dòng)力來(lái)源于旋翼電機(jī)，在電機(jī)控制方面，為了能夠獲得良好的控制效果和維護(hù)便捷性，采用模塊化的電子調(diào)速器控制，主控芯片只需給其提供PWM波形即可。當(dāng)今電動(dòng)噴灑系統(tǒng)大多是利用PWM控制噴灑速度[5]，所以，為滿足噴灑控制，系統(tǒng)具備輸出PWM波形功能。

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 部件選型

（1）處理器：系統(tǒng)所有的傳感器數(shù)據(jù)都由處理器采集并運(yùn)算，同時(shí)給出控制數(shù)據(jù)和控制邏輯，所以處理器是控制系統(tǒng)的硬件核心單元，選擇一個(gè)合適的處理器對(duì)系統(tǒng)的整體效果非常重要。本文采用意大利ST公司的STM32F427VIT6處理器，它是一個(gè)32位處理器，采用ARM Cortex-M4內(nèi)核，主頻最高可達(dá)到168 MHz，內(nèi)部資源豐富，并且擁有內(nèi)存直接訪問(wèn)DMA（direct memory access）功能和浮點(diǎn)運(yùn)算單元FPU（float point unit），能在最小干預(yù)的情況下快速完成數(shù)據(jù)搬運(yùn)和浮點(diǎn)運(yùn)算功能，有力保障控制系統(tǒng)的可靠性和實(shí)時(shí)性。

（2）傳感器：姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)含有的傳感器包括加速度計(jì)、陀螺儀、電子羅盤和氣壓計(jì)。考慮到測(cè)量精度和系統(tǒng)體積的大小，本文采用MPU6000芯片，它是集三軸加速度計(jì)和三軸陀螺儀一體的高精度數(shù)字接口傳感器，通過(guò)SPI接口和主控芯片進(jìn)行通信，通信速度可達(dá)18 Mb/s。電子羅盤采用美國(guó)Honeywell公司的HMC5843芯片，可以靈敏地探測(cè)到微小的磁場(chǎng)強(qiáng)度變化，利用地磁校正無(wú)人機(jī)方向。氣壓傳感器采用瑞士MEAS公司設(shè)計(jì)的MS5611，憑借其超低功耗、超高精度的24位Σ型AD轉(zhuǎn)換器和高線性度壓力傳感器，高度測(cè)量精度可達(dá)到0.1 m。由于實(shí)際飛行中，大氣壓會(huì)受到各種因素的影響，導(dǎo)致無(wú)人機(jī)測(cè)量的高度不準(zhǔn)確，所以，本文額外采用一個(gè)超聲波測(cè)距模塊，能在0.1 m～5 m的有效測(cè)量范圍內(nèi)達(dá)到0.02 m的精度，并且具有一定的抗干擾性，有效保證無(wú)人機(jī)噴灑工作時(shí)的高度鎖定功能。

（3）無(wú)線通訊：無(wú)人機(jī)起飛后旋翼速度非常高，在人不能接近的情況下，必須保證能夠控制其飛行方向和速度，所以無(wú)線部分不可或缺，本文采用XBEE技術(shù)與無(wú)人機(jī)進(jìn)行無(wú)線通訊，在功放的作用下，有效傳輸距離能達(dá)到1 km，能保證在噴灑工作時(shí)連接的穩(wěn)定性。為了節(jié)省無(wú)線帶寬和方便布線，采用脈沖位置調(diào)制PPM（pulse position modulation）方式對(duì)控制系統(tǒng)與遙控器之間的通信信號(hào)進(jìn)行調(diào)制處理。

2.2 硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。由于無(wú)人機(jī)在飛行時(shí)旋翼電機(jī)產(chǎn)生較大的電流，并且電流變化較快，會(huì)產(chǎn)生電磁干擾，所以為了減少通訊出錯(cuò)，超聲波模塊與控制芯片的連接經(jīng)過(guò)MAX485芯片進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，采用485協(xié)議進(jìn)行通信，增強(qiáng)抗共模干擾能力。同時(shí)為了減少傳輸信號(hào)的反射，在總線的起始端和末尾端各接上一個(gè)120 Ω的匹配電阻。電平轉(zhuǎn)換電路如圖3所示。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)Fig.2 Hardware architecture of the system

圖3 電平轉(zhuǎn)換電路Fig.3 Level conversion circuit

由于電機(jī)的速度時(shí)刻在變化，電壓也隨著波動(dòng)，為了防止電機(jī)的反向電壓通過(guò)電調(diào)回饋至主控電路燒毀器件，主控芯片與電調(diào)之間的連接必須采用隔離電路。另一方面，為了精確地控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，電調(diào)輸入的PWM頻率采用400 Hz的高刷新率。普通的光耦頻率不能滿足，并且體積較大，不利于控制系統(tǒng)的集成[6]。結(jié)合這2個(gè)因素，系統(tǒng)采用2片ADI公司的4通道數(shù)字信號(hào)隔離芯片AduM1411進(jìn)行信號(hào)隔離，它能在1.3mA的工作電流下達(dá)到2 M的傳輸速率，能在有效保證PWM信號(hào)真實(shí)度的前提下，降低系統(tǒng)功耗和保護(hù)主控電路的安全。對(duì)噴灑系統(tǒng)的控制也采用PWM方式，隔離方式和電調(diào)隔離方式一致，電路如圖4所示。

圖4 信號(hào)隔離電路Fig.4 Signal isolation circuit

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件的主要功能為姿態(tài)獲取及控制、遙控?cái)?shù)據(jù)解析、通信狀況實(shí)時(shí)分析。與功能相對(duì)應(yīng)，將農(nóng)藥噴灑無(wú)人機(jī)的系統(tǒng)軟件分為3大部分。軟件流程如圖5所示。

圖5 軟件流程圖Fig.5 Flow chart of the program

第1部分利用主控芯片的PWM輸入捕獲功能，在捕獲中斷子程序中獲取遙控器的8路數(shù)據(jù)，計(jì)算目標(biāo)位姿并存入內(nèi)存等待主函數(shù)讀取，退出前將消息計(jì)數(shù)器的值加1，為判斷無(wú)人機(jī)與遙控器之間的聯(lián)系是否中斷提供依據(jù)。

第2部分是定時(shí)器中斷函數(shù)，每隔25 ms運(yùn)行一次，檢查遙控器計(jì)數(shù)值是否發(fā)生變化，若中斷函數(shù)中存儲(chǔ)的值與當(dāng)前遙控器數(shù)據(jù)計(jì)數(shù)值不相等，說(shuō)明通信正常，若相等，則說(shuō)明無(wú)人機(jī)與遙控器已經(jīng)失去聯(lián)系，此時(shí)立刻設(shè)置通信錯(cuò)誤標(biāo)志位，通知主函數(shù)采取相應(yīng)措施。

第3部分為主函數(shù)部分，大多數(shù)功能都在此實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)啟動(dòng)后首先初始化各個(gè)模塊，然后依次讀取各個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行位姿計(jì)算[7]，若此時(shí)發(fā)現(xiàn)通訊錯(cuò)誤標(biāo)志，則把目標(biāo)位姿數(shù)據(jù)設(shè)置為水平，無(wú)人機(jī)將會(huì)停在原地，并關(guān)閉噴灑系統(tǒng)；若未發(fā)現(xiàn)通訊錯(cuò)誤標(biāo)志，則讀取輸入捕獲中斷程序提供的目標(biāo)位姿信息，運(yùn)行PID控制算法獲取控制量并轉(zhuǎn)換成脈沖寬度數(shù)據(jù)[8]，最后通過(guò)DMA將數(shù)據(jù)硬件搬運(yùn)至相應(yīng)的寄存器，從而改變旋翼電機(jī)的轉(zhuǎn)速，達(dá)到快速調(diào)節(jié)的效果。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

將設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)搭載四旋翼飛行器機(jī)架在室外進(jìn)行試飛，通過(guò)地面站獲取無(wú)人機(jī)的姿態(tài)角信息，將其導(dǎo)入至Matlab仿真軟件中，繪制出3個(gè)姿態(tài)角：翻滾角、俯仰角、航向角和高度的跟蹤曲線，分別如圖6和圖7所示。從曲線可看出，本文設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)能夠快速地跟蹤遙控器給出的目標(biāo)姿態(tài)，并且在調(diào)節(jié)穩(wěn)定后，實(shí)際輸出曲線和參數(shù)輸入曲線非常接近，實(shí)現(xiàn)了很小的控制誤差，驗(yàn)證了控制系統(tǒng)的有效性。

5 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)我國(guó)當(dāng)前農(nóng)藥噴灑方式的弊端，對(duì)一種小型多旋翼農(nóng)藥噴灑無(wú)人機(jī)的控制系統(tǒng)進(jìn)行研究，以STM32做為主控芯片，結(jié)合多種傳感器，實(shí)現(xiàn)了無(wú)人機(jī)姿態(tài)的估計(jì)和控制。經(jīng)過(guò)多次試飛，驗(yàn)證了系統(tǒng)良好的控制性能。此外，系統(tǒng)可在飛行中動(dòng)態(tài)地對(duì)噴灑系統(tǒng)進(jìn)行開關(guān)控制、在通訊中斷的情況下采取應(yīng)對(duì)措施保證無(wú)人機(jī)和操作者的安全，能夠滿足空中噴灑農(nóng)藥對(duì)飛行的需求。

圖6 姿態(tài)角控制跟蹤曲線Fig.6 Attitude control tracking curve

圖7 高度控制跟蹤曲線Fig.7 Altitude control tracking curve

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