用于溫室環境空間分布監測的微型飛行器研發

房俊龍，孫志佳，張　馨，宋金龍，吳文彪，崔忠輝

(1.東北農業大學 電氣與信息學院，哈爾濱　150030；2.北京農業信息技術研究中心，北京　100097；3.曲阜師范大學 物理工程學院，山東 曲阜　273165 )

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用于溫室環境空間分布監測的微型飛行器研發

房俊龍1，孫志佳1，張馨2，宋金龍1，吳文彪2，崔忠輝3

(1.東北農業大學 電氣與信息學院，哈爾濱150030；2.北京農業信息技術研究中心，北京100097；3.曲阜師范大學 物理工程學院，山東 曲阜273165 )

摘要：測量并了解溫室空間環境分布情況對于溫室性能評估、精細環境調控及病害預警至關重要，傳統單點測量不能反映溫室環境整體情況，而布設大量有線/無線傳感器測量方式，對成本及生產提出很高的要求。為此，設計了一款微型四旋翼飛行器并在其上集成環境測量傳感器，采用超聲波測距傳感器解決了飛行器在溫室內定位、避障等實際應用問題，實現溫室空間環境可靠、穩定、快速獲取。同時，開展飛行器溫濕度采集可行性評估、平面空間溫濕度監測試驗，探索微型飛行器在溫室空間環境監測的可行性。實驗結果表明：飛行器測量結果與真實值相比具有一定偏差，但偏差很小，最大不超過1℃，微型飛行器用于溫室室內空間環境快速監測是可行的。

關鍵詞：微型四旋翼飛行器；溫室；空間信息采集；自主定位導航；自主避障

0引言

微型四旋翼飛行器具有垂直起降、定點懸停、結構簡單、易于控制等特點，可以在小空間內完成監測任務[1]。近年來，由于微處理器技術的進步、新型材料的應用、傳感器工藝的提高、電池續航能力的提升、動力裝置的改善及控制算法的改進，為四旋翼飛行器的應用提供了技術支撐[2-3]。已有商用產品如德國Microdrones 公司的MD4-200，我國大疆公司的F450、F550、精靈系列等。四旋翼飛行器最初用于軍事偵察，如空中監察戰場、目標跟蹤與定位、電子對抗和敵情獲取等[7]。目前，在民用方面應用較多的如航拍、農藥噴灑、植物保護、災情信息收集及城市環境監測等[9-11]。中國農業大學植物營養系與北京星馬航空科技有限公司合作，使用無人機進行農藥噴灑，提高了農藥的噴灑效率，節約了成本，提高了農民的經濟效益[12-13]。北京農業信息技術研究中心研制出了U-VICs無人機遙感系統，克服了有人機遙感受航時，惡劣氣候條件及危險工作環境的影響，彌補了衛星遙感由于天氣和時間無法獲取目標區域信息的缺陷，并能提供多角度、高分辨率影像，避免了地面遙感范圍小、視野窄及工作量大等問題[14]。以上應用主要集中在室外空曠大環境下，由于諸多限制未能在溫室環境中應用。

溫室環境信息測量調控在生產中至關重要，傳統通過單一測量點反映溫室整體環境已不能滿足需求，經常出現生長不一致、局部病害滋生等問題。因此，需要了解整個溫室空間環境信息的空間分布實現精準環境調控，為作物提供均一、適宜的物理環境。目前，已有的測量方法有直接測量法和模型模擬法：直接測量主要通過在監測空間布置大量的無線傳感器或有線傳感器節點測量周圍空間環境信息的分布情況[15-16]，但因布點過多會影響正常生產；模擬測量法是通過建立溫室的數學模型，運用計算機模擬仿真技術，了解整個溫室空間環境信息的分布規律，模擬結果可作為環境調控的依據[17-18]。模擬法依賴模型的精度，同時溫室內作物不同對預測模型提出很大挑戰，因此采用微型的四旋翼飛行器測量溫室空間環境信息，能夠很好地解決以上問題。但直接在溫室里使用微型四旋翼飛行器，還需要解決在溫室內避障、定位導航、自主飛行及動力能源等方面的問題。

本設計通過在飛行器上加裝激光測距傳感器、超聲波傳感器、氣壓計及環境測量傳感器等，開展飛行器硬件和軟件程序設計，開發了一種在溫室內簡單避障、定位導航、自主飛行并能夠進行空間環境信息測量的微型四旋翼飛行器，為溫室性能評估及溫室環境調控提供數據支撐。

1系統結構

溫室空間環境信息采集系統是由微型四旋翼飛行器構成的空間環境信息采集平臺、溫室環境控制器及環境調控執行機構組成。空間環境信息采集平臺主要負責空間環境信息采集傳輸功能；通過PC機編輯航點，并將航點寫入采集平臺，采集平臺根據預設航點信息，自主起飛并按照預設航點信息飛行進行環境信息采集及數據實時傳輸。環境控制器能夠與空間采集平臺實現雙向通信，實現空間數據的接收、存儲、顯示及飛行器控制等功能，并對整個溫室空間環境信息的分布情況進行分析，分析結果作為溫室環境調控決策的依據；根據環境控制器分析的結果，發出相應環境調控指令，控制執行機構(如風機、通風電極、簾幕等)根據指令做出相應的動作，實現環境調控。系統結構如圖1所示。

圖1　系統結構框圖

空間環境信息采集平臺是本設計的重點。微型四旋翼飛行器作為空間信息采集平臺，在溫室內飛行在整體布局形式上與常規飛行器相比，應具有結構更為緊湊、一定載荷量、體積小、質量輕、飛行靈活，以及長航時等特點，本設計圍繞以上特點進行空間環境信息采集平臺的設計制作。

2硬件設計

2.1飛行器飛控硬件設計

四旋翼飛行器的飛行控制系統硬件主要包括飛行控制器、姿態測量傳感器、低壓報警電路、無線數據傳輸模塊、超聲波傳感器、氣壓高度計及激光測距傳感器。由于飛行器的特殊要求，在主控制器的選擇上需要充分考慮芯片的體積、功耗、可靠性、成本及運算能力等各方面參數。本設計選用Atmel公司的AVR2560控制芯片作為核心處理器。AVR單片機具有高速、低功耗、保密性高、I/O驅動能力強等特點，具有14組PWM輸出、16組ADC、4組USART接口、54個數字I/O、1個硬件I2C總線接口及1個硬件SPI總線接口，能夠滿足與傳感器設備通信、控制算法運算及快速PWM輸出等功能[19]。機載控制器能夠處理各種傳感器信息并控制環境測量傳感器數據的發送。微型四旋翼飛行器的姿態控制是保證飛行器穩定飛行的前提，因此需要快速準確的姿態信息測量。設計采用MPU6000傳感器結合電子羅盤、氣壓高度計、超聲波傳感器組成飛行姿態測量系統，實現準確快速的姿態測量。MPU-60X0是全國首例9軸運動傳感器，集成了3軸MEMS陀螺儀、3軸MEMS加速度計，以及可擴展的的數字運動處理器DMP，可用I2C接口連接1個第三方傳感器，擴展之后可以輸出1個9軸傳感器信息。MPU-60X0內置DMP可以輸出6軸或9軸的旋轉矩陣、四元數、歐拉角格式的融合演算數據，大大減少了MCU進行復雜數據融合演算的過程。HMC5883電子羅盤用于修正偏航角的測量誤差，實現航向控制。MB1242超聲波傳感器和MS5611氣壓計數據，通過數據融合演算實現飛行高度的控制。報警電路用于電池電壓的監測實現低壓報警功能。無線傳輸模塊用于數據信息的無線傳輸。

設計選用了450mm軸距的四旋翼機架。四旋翼飛行器的動力選用維奇AS2216無刷直流電機，配合1045螺旋槳，采用航模動力鋰電池作為整個飛行控制系統的動力能源。動力和能源裝置的質量在四旋翼飛行器整機質量占據很大比例，合理地搭配能夠達到最大的飛行效果。設計采用好盈公司的Sky Walker系列20A四合一電子調速器，其與4個獨立的電調相比更加集中，使結構更為緊湊。總體硬件設計框圖如圖2所示。

圖2　總體硬件設計框圖

2.2飛行器性能指標

四旋翼飛行器有多種材質和尺寸可供選擇，針對在溫室內飛行的需求必須保證擁有足夠的負載能力、較強的機械強度、小巧的外型和輕盈的機身。設計選用無刷電機配合螺旋槳最大拉力約為860g，四旋翼飛行器最大起飛質量約為2.84kg，具有大約1.5kg的負載能力。四旋翼飛行器配備3S航模動力鋰電池，在不攜帶負載的情況下能夠正常飛行10min，攜帶1kg左右負載的情況下能夠懸停8min左右。飛行器選用的X模式機架結構，飛行方式更加靈活。

2.3自主定位導航及避障系統

目前，導航方法主要有基于視覺的自主定位導航、基于GPS的自主定位導航及基于激光測距儀的自主定位導航[20]，各有優缺點。本設計采用KLH-100激光測距傳感器、MS5611氣壓傳感器、HMC5883L電子羅盤及MB1242超聲波傳感器構成室內定位導航及避障系統的硬件。激光測距傳感器通過測量飛行器距離溫室墻壁距離信息來確定其水平面坐標并感知飛行前方障礙物信息。氣壓高度計及超聲波傳感器測量距離地面的高度信息，進而確定飛行器在整個溫室內立體的三維坐標，最終確定飛行器在溫室內的空間位置；電子羅盤得到飛行器的航向信息，通過程序控制實現飛行器在溫室內自主定位導航。飛行器通過激光測距傳感器感知的障礙物信息并結合程序控制，實現1m以內的障礙物躲避，障礙物距離大于1m默認前方無障礙物。自主定位導航實現如圖3所示。

圖3　自主定位導航框圖

3軟件系統設計

3.1軟件系統總體設計

微型四旋翼飛行器控制系統軟件是在其硬件的基礎上根據功能和系統需求來設計實現的，是飛行器在溫室空間內進行數據傳輸、監測、控制、自主定位導航、避障等功能的具體實現過程。程序設計采用模塊化的設計思想，總的設計目標是協調各個功能模塊有序運行，根據控制算法實現穩定飛行。本設計首先對飛行控制系統進行總體的軟件設計，然后針對各個模塊進行具體的軟件實現。飛行控制系統的軟件總體工作流程圖如4所示。

飛控程序工作流程如下：系統初始化部分，包括定時/計數器初始化、串口初始化、外接傳感器接口初始化、中斷向量初始化、AD采集初始化及參數初始化等；自檢過程包括外部傳感器聯機檢查、通信檢查、保護及電壓檢測和四旋翼飛行器水平檢查等。自檢合格以后進入程序主循環，飛行器在主循環中完成各個功能模塊的調用、姿態檢測與控制、自動增穩、自主定位導航、自主避障，以及控制電機等功能。

圖4　軟件系統工作流程圖

3.2自主定位導航軟件實現

飛行控制器通過讀取安裝在前方和側方的激光傳感器數據確定水平方向上的坐標。對氣壓高度計及超聲波傳感器處理得到垂直方向上的坐標，最終確定飛行器在溫室空間立體三維坐標，實現溫室空間定位。電子羅盤信息確定飛行器機頭方向，編寫程序實現飛行器方向的控制。飛行器自主定位導航程序工作流程如下：首先通過PC機編輯航點信息并載入飛控存儲區，將第一航點信息設置在起飛點附近，使飛行器能夠快速進入航點飛行。考慮飛行器使用3S鋰電池供電，空載飛行時間約為10min左右，航點不宜設置過多；載入航點之后，飛行器上電自主起飛，通過導航控制算法將當前位置和存儲區航點信息進行對比確定導航方案，實現溫室內的自主定位導航；每個航點根據要求懸停進行環境信息采集，執行完最后一個航點之后返航并進行自主降落。自主定位導航程序工作流程如圖5所示。

圖5　自主定位導航系統工作流程圖

3.3自主避障軟件設計

四旋翼飛行器在復雜環境中進行自主避障，一直以來都是四旋翼飛行器智能飛行研究的難點，也是目前飛行器智能控制需要解決的難題。設計的微型四旋翼飛行器，根據在溫室內飛行的需求，進行了簡單的避障設計，但本設計還不能夠達到飛行器在復雜環境中智能避障控制的需求。主控制器通過在飛行器飛行過程中讀取激光測距傳感器信息，進行障礙物感知，根據編寫的程序控制算法，確定飛行器的避障控制策略，實現在溫室內飛行過程中的簡單避障功能。激光測距傳感器對于微型四旋翼飛行器，具有定位及障礙物信息感知雙重功能。避障子程序的工作流程如下：首先，飛行器在飛行過程中利用激光測距傳感器進行障礙物距離信息監測，如果檢測到距離大于1m認為飛行方向上無障礙物，否則認為有障礙。若有障礙物則將障礙物信息傳遞給主控制器，主控制器根據障礙物信息進行決策確定避障控制策略，發送相應控制指令，控制電機驅動模塊輸出不同的PWM控制信號，控制飛行器的轉向或懸停等各種避障動作，實現飛行器簡單的自主避障功能。具體避障程序流程如圖6所示。

圖6　避障程序流程圖

4試驗及數據分析

4.1試驗器材及步驟

2015年1月30日在北京農業信息研究中心的日光溫室內開展飛行器溫濕度采集可行性評估及平面空間溫濕度監測試驗。試驗器材主要包括：主動式無線溫濕度傳感器系統(AWSN-1)，敏感元件為瑞士盛世瑞恩的SHT11溫濕度傳感器及微型四旋翼飛行器。主動式無線溫濕度測量系統是北京農業智能裝備技術研究中心研發的一款低功耗無線溫濕度測量系統，主要用于設施農業、庫房、暖通等場合進行溫濕度測量，測量數據通過上位機界面實時顯示并且能夠將數據導出進行分析。

試驗通過主動無線數據采集軟件進行數據記錄，傳感器主動上傳時間間隔設為10s。首先進行試驗的準備工作，包括試驗設備的組裝、通信的調試及傳感器一致性校驗，選出一致性好的傳感器用于試驗。

試驗分為兩組：第1組為可行性評估試驗，通過支架將傳感器節點固定，高度為1m，置于試驗區域；微型四旋翼飛行器攜帶傳感器節點飛到支架附近懸停進行溫濕度測量，測量8min。

第2組為平面空間監測試驗，水平和垂直方向間隔2m分別選定3個區域，共9個區域，采用傳感器節點及微型四旋翼飛行器，分別在9個區域，高度1m的水平面上進行空間平面溫度測量，每個區域測量1min。最后，通過試驗數據分析，說明使用微型四旋翼飛行器進行溫室空間環境信息測量的可行性及準確性。溫室內測量試驗如圖7所示。

圖7　溫室內測量試驗

4.2試驗數據分析

4.2.1可行性評估實驗數據分析

試驗過程中主動式無線溫濕度系統工作良好，數據記錄可靠有效。溫室內單點測量試驗數據如表1所示。選取2015年2月1日上午11∶09-11∶16代表性的數據進行分析，由表1可知：在微型四旋翼飛行器起飛與降落過程測量的溫度數據略高于傳感器節點的溫度，濕度數據變動不大；在正常懸停測量中微型四旋翼飛行器測量溫度數據普遍低于傳感器節點的測量的數據，濕度數據基本正確。起飛與降落溫度偏高是由于飛行器測量高度未到達懸停的高度所造成。飛行器正常懸停測量的溫度低于傳感器節點，主要原因是微型四旋翼飛行器旋翼快速轉動產生氣流變動的影響。由以上數據分析結果可知：雖然旋翼轉動對測量結果有一定的影響，但通過技術手段削弱其影響，將微型四旋翼飛行器用于空間環境測量是可行的。

表1　溫室單點測量數據

4.2.2平面空間監測實驗數據分析

平面空間溫度分布如圖8所示。其中，左右兩圖分別為傳感器節點與微型四旋翼飛行器，在9個試驗測量區域測量得到的高度為1m平面的溫度分布情況。由圖8分析可知：除微型四旋翼飛行器起飛地點略高于傳感器測量點溫度外，飛行器測量得到各個區域的溫度分布普遍低于傳感器節點測量溫度的區域溫度，但最大偏差不超過1℃。造成微型四旋翼飛行器測量的溫度普遍偏低的主要因素是微型四旋翼飛行器旋翼轉動產生快速變動氣流的影響。設計的微型四旋翼飛行器可以通過優化飛行器的機架結構使溫度測量傳感器盡量遠離旋翼或改變旋翼的大小來解決氣流變動的影響。旋翼轉動帶來的空氣流動的影響是值得進一步研究的問題，也是微型四旋翼飛行器能否獲取準確的空間環境數據的關鍵性問題。

圖8　平面空間溫度分布圖

5結論

1)由溫室內進行的可行性評估試驗的分析結果可知：微型四旋翼飛行器測量得到的空間數據與真實值有一定的偏差，但偏差不大。由于飛行器促進空氣流通，其測量結果更能反映當前環境，因此運用微型四旋翼飛行器進行空間環境信息采集是可行的。

2)平面空間監測試驗的結果，進一步驗證了可行性評估試驗的結論；微型四旋翼飛行器旋翼轉動帶來的空氣快速流動，對測量結果產生了一定的影響。在后續的研究過程中，還需進行大量的試驗，分析氣流變動的影響，旋翼轉動帶來的影響是值得進一步研究的問題。

3)微型四旋翼飛行器在進行空間環境信息采集的過程中飛行時間最大為8min，時間有限，不能夠進行長時間測量。因此，微型四旋翼飛行器的續航問題也是后續研究的重點。

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Development of MAV for Monitoring Spatial Distribution of Greenhouse Environment

Fang Junlong1, Sun Zhijia1, Zhang Xin2, Song Jinlong1, Wu Wenbiao2, Cui Zhonghui3

(1.College of Electrical and Information, Northeast Agricultural University,Harbin 150030,China； 2. Beijing Research Center for Information Technology in Agriculture, Beijing 100097, China； 3.College of Physics & Engineering, Qufu Normal University, Qufu 273165, China)

Abstract：Measure and understand the distribution of greenhouse space environment for greenhouse performance evaluation, fine environmental control, disease is crucial warning, the traditional single-point measurement does not reflect the overall situation of the greenhouse environment, and laid a lot of wired / wireless sensor measurement, cost and production for the very high demand. Article designed a miniature four-rotor aircraft and in its integrated environmental measurement sensors, as a means of monitoring greenhouse space environment information, to solve the shortcomings of current greenhouse environment monitoring the distribution of the space environment monitoring, to achieve fine greenhouse environment regulatory and greenhouse performance evaluation plays an important role. And carry out the temperature and humidity in the greenhouse aircraft acquisition feasibility assessments, flat space temperature and humidity monitoring two groups of tests. The results show that: the aircraft measurements compared with the real value of a certain bias, but the deviation is small, you can use the micro four-rotor measuring spatial environmental information.

Key words：MAV; greenhouse; space information collection; autonomous navigation; autonomous obstacle avoidance

文章編號：1003-188X(2016)03-0008-06

中圖分類號：S625.5;S625.3

文獻標識碼：A

作者簡介：房俊龍(1971-)，男，黑龍江延壽人，教授，博士生導師，(E-mail)junlongfang@126.com。通訊作者：吳文彪(1981-)，男，江蘇鹽城人，助理研究員，碩士，(E-mail)wuwb@nercita.org.cn。

基金項目：國家高技術研究發展計劃(863計劃)項目(2013AA103005)；北京市農林科學院科技創新能力建設專項(KJCX20140203)

收稿日期：2015-02-10