基于多旋翼自主飛行器的農藥噴灑系統設計

唐中一+劉永康+李通

摘要：應用STM32F103ARM芯片作為核心處理器，設計了一種基于多旋翼自主飛行器的農藥噴灑系統。與目前所見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的問題。系統利用GPS信號完成目標定位，氣壓計實現高度測定，通過磁力計解決飛行航向問題，系統采用CC2430可實現遙控介入。

關鍵詞：處理器；多旋翼；磁力計；CC2430

中圖分類號：S252+.3；V279+.2 文獻標識碼：A 文章編號：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

農田的農藥噴灑工作關系到農業豐產豐收工作，對于農村經濟的發展至關重要。目前的農藥噴灑工作主要依靠人力或電動（機動）噴霧器，勞動強度大、作業效率低，統防統治較困難。隨著人口老齡化的日益嚴重，這種傳統的農藥噴灑方式的不足更加明顯。

多旋翼飛行器作業時無需人工背負噴霧器，可通過遙控裝置控制飛行器飛行、農藥噴灑以及降落動作，可以減輕勞動強度[1-7]。噴灑農藥時操作人員遠離農藥噴霧范圍，減少人員中毒危險。但目前所見的基于多旋翼飛行器的農業噴灑系統大都需要無線遙控操作，對于遙控人員的熟練程度要求較高，需要進行培訓，使用中的失誤即可能導致飛行器墜毀[8，9]。余莉等[10]采用氣壓計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補償高度信息；何川等[11]應用四元數坐標，對加速度計、陀螺儀以及磁力計的信息進行融合，從而取得較為精確的姿態信息。

本研究設計的系統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、陀螺儀、加速度計以及磁力計等傳感器。飛行器包括基于CC2430的無線接收模塊、飛行控制系統模塊、驅動模塊和農藥噴灑模塊，可以通過一鍵式自主飛行和手動遙控兩種模式。系統自主飛行模式，能夠實現一鍵式完成起飛、巡航、噴灑農藥以及降落的工作，可有效避免人工操作導致的飛行器墜毀問題，減少損失。

1 系統總體設計

四旋翼飛行器是一種有4個旋翼且旋翼呈十字形交叉的飛行器，具有不穩定、非線性、多變量、強耦合特性。其飛行航向和飛行姿態是通過控制4個旋翼電機的轉速來實現的，主控芯片ARM根據陀螺儀和加速度計的信息解算出飛行器的飛行姿態，然后依據模糊PID控制算法獲得電機轉速，實現飛行器空中姿態的穩定與調整。

依據系統的特點和實際需求，系統分為主控單元、傳感器組、電機調速單元、無線通訊單元、電源模塊以及農藥噴灑單元。如圖1所示，主控單元為ARM芯片，作為系統的核心處理器；空中姿態檢測單元核心傳感器為陀螺儀和加速度計，給出飛行器的三軸角速度和三軸加速度；高度檢測單元核心傳感器為氣壓計，用于檢測飛行器所處位置的大氣壓，從而可解算出當前所處的海拔高度；航向檢測單元主要器件為磁力計和GPS，磁力計給出飛行器當前的三軸偏轉角，GPS給出飛行器的經緯度，這5個數據作為調整飛行器的飛行航向輸入量。無線通信定位單元以CC2430為核心，提供飛行器與遙控器之間的無線連接通道。電源模塊分別為主控芯片、各單元、電機供給不同的電壓。

系統總流程如圖2所示，系統初始化，利用氣壓計完成對飛行器氣壓的測量，使飛行器上升定高。飛行器前行并利用GPS信號實時檢測是否到達噴灑區域。在到達噴灑區域后進行噴灑作業并利用壓力傳感器檢測農藥是否完畢，若噴灑作業完成則返回起始點并減速降落。

2 系統單元結構設計

2.1 空中姿態檢測單元（MPU-6050）

空中姿態檢測單元選用的是擁有3軸陀螺儀、3軸加速器的器件MPU-6050。由于在芯片內部進行了整合免除了獨立元件間的軸間誤差的問題，數據傳輸采用I2C總線協議，節約I/O口資源，空中姿態檢測流程如圖3所示。I2C總線初試化，讀取空中姿態檢測單元中陀螺儀和加速度計的角速度和加速度，將讀取的數值進行滑窗濾波處理，計算出飛行器的傾角。

2.2 高度檢測單元（氣壓計MS5611）

采用MS5611-01BA測量飛行所在位置的大氣壓，氣壓檢測流程如圖4所示。I2C總線初始化，讀取氣壓與溫度出廠校準數據，經器件內部24位A/D轉換實現數字量的輸出，并利用溫度補償法計算出當前穩定的氣壓值。

2.3 航向檢測單元（電子羅盤+GPS）

系統初始化后，利用電子羅盤和GPS模塊實時讀取磁矢量和當前經緯度信息。根據讀取的信息解算出飛行器的偏航角，相應地調整飛行器的飛行姿態，以保證飛行器能朝目標區域飛行，航向檢測流程如圖5所示。

2.4 電機控制單元（PWM）

如圖6所示，在初始化后，接收系統的調速命令，通過改變CCRx-val的值來生成不同占空比的PWM波形，最終通過調節PWM的占空比實現電機轉速的調節。

2.5 液位檢測單元（擴散硅壓力變送器）

在初始化時給壓力傳感器設定下限值，當飛行器到達指定噴灑區域時讀取壓力傳感器檢測的數據，并經A/D轉換將檢測到的模擬量轉化為數字量。若測定值高于設定值，則給噴灑標志位flag置1，即開啟電磁閥進行農藥噴灑作業；若測定值小于或等于設定值，則給噴灑標志位flag置0，即關斷電磁閥，結束噴灑作業，液位檢測流程如圖7所示。

2.6 電源電量檢測模塊

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

飛行器起飛前，對電源進行檢測，若Battery_val<3.8，則系統電量不足，LED燈閃爍；若Battery_val>3.8時，系統電量充足，LED燈常量。飛行器起飛后，對電源進行檢測，若Battery_val<3.2，則系統電量不足，LED燈閃爍；若Battery_val>3.2時，系統電量充足，LED燈常量。

3 PID控制算法結構分析

在動力學模型的基礎上，將小型四旋翼飛行器實時控制算法分為兩個控制回路，即位置控制回路和姿態控制回路。算法結構如圖9所示，使用經典PID控制算法實現位置控制回路和姿態控制回路。通過角度P和角速度PID的雙閉環PID算法，將角度的偏差作為期望輸入到角速度控制器中。PID算法簡單可靠，理論體系完備，而且在長期的應用過程中積攢了大量的使用經驗，在飛行器位置和姿態控制應用中具有良好的控制效果，能提供控制量的較優解。

4 結論

雙閉環PID控制回路算法應用提升了飛行器的抗干擾能力，提高在復雜氣象條件下工作的可行性，而自主起飛、降落功能的實現對于農藥噴灑系統在農業中的應用有著積極的意義。

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