農業四旋翼飛行器的研究

蘇曉光，姜重然，于莉莉，賈婧媛，羅治佳

(佳木斯大學 信息電子技術學院，黑龍江 佳木斯 154007)

0 引言

我國東北地區是主要的產糧區，主要生產水稻、玉米、大豆，且大多采用傳統的耕作體系，為實現水稻、玉米、大豆等的高產，解決人們的溫飽做出了貢獻。同時，也帶來了許多問題，如忽視資源浪費與環境保護、作業環節多、生產成本高及地力持續下降等嚴重問題。

近年來，東北地區糧食作物受到病蟲害嚴重影響，相對于水稻而言，要想優質高產，就要想辦法降低或者規避水稻病蟲害的發生。東北地區作為我國重要的產糧區，為了保證東北地區水稻的優質高產，就需要重視對水稻病蟲害的防治[1]。一般來說，農藥噴灑一般由人工完成，但這種方式會導致人通過空氣接觸到氣化的農藥，不利于人的身體健康，且需要耗費大量的人力物力。

四旋翼飛行器是近年來發展較快、在很多領域都有應用的一種新技術裝備。四旋翼飛行器是一種結構新穎、性能卓越、能夠實現垂直起降的無人機。在農業生產中使用農用無人機進行農藥噴灑有以下優點：①可以監控農作物病蟲害病情，飛行高度低，指定噴灑，噴灑效率高，維修成本低；②在勻速飛行時，旋翼產生的風力會將農藥進一步的霧化，且更均勻地噴灑到農作物上，最高效率地發揮農藥作用[2]。

1 設計原理及機構

1.1 四旋翼飛行器的力學原理

四旋翼飛行器按照機頭方向通常又分為“X”模式和“十”模式，如圖1所示。按照機頭方向，1只旋翼在前，整機呈十字形，則為“十”模式；2只旋翼在前，整機呈X形，則為X模式。因“X”模式力學模型相對復雜，但穩定性及可操控性更好，所以后續內容皆圍繞“X”模式進行討論。

圖1 飛行器力學模型Fig.1 The mechanical model of aircraft

圖1中：1號電機和3號電機帶動正向螺旋槳沿逆時針旋轉的同時，2號電機和4號電機帶反漿順時針旋轉，在抵消陀螺效應和空氣扭力的同時保證4只旋翼都是向上推動飛行器，抵消重力作用。四旋翼飛行器在具有6個自由度，分別沿X、Y、Z坐標軸做平移和繞坐標軸做旋轉運動[3]。與單個旋轉軸提供升力的直升機相比，四旋翼飛行器能夠完成的姿態較少，但基本的前進、后退、平移和旋轉等動作都能實現[4]。

1.1.1 垂直運動

圖1中：因2個電機正轉，2個電機反轉，可抵消自身扭力的作用，所以同時提高4只電機的輸出功率，就可實現飛行器沿Z軸的垂直上升運動；反之，同時降低4只電機的轉速，就可實現飛行器的垂直下降。若排除外界的干擾，旋翼產生的升力等于飛行器自重時，就可實現穩定懸停[5]。

1.1.2 水平運動

圖1中：降低1號、2號電機的轉速，提升3號、4號電機的轉速，就可實現“低頭”，由于機體角度改變，旋翼產生了沿X軸正向的分力，則可實現飛行器的前進運動；相反，1號、2號電機轉速提高，3號、4號電機轉速減少，實現“抬頭”，完成后退動作。為了不因轉速改變導致飛行器扭矩和升力的改變，前后兩組電機的轉速改變量應相同。

1.2 控制系統設計方案

1.2.1 系統結構方案

四旋翼飛行器結構框圖，如圖2所示。四旋翼無人機的結構比較復雜，需要控制橫滾角、俯仰角和航向角，以及利用精度高的姿態傳感器采集準確的數據。遙控器的控制信號通常通過無線的形式發給單片機。運動的控制主要是控制4個電機的轉速，控制電機的信號一般采用單片機產生PWM波，然后輸出給電子調速器。由于軟件需求，在硬件系統設計時需要充分考慮CPU的數據處理精度和浮點運算能力、傳感器選型，以及各類芯片級聯電平的匹配等問題。例如，微處理器采用STM32F407ZET6，姿態傳感器使用MPU6500模組，電子羅盤采用HMC5843模組，氣壓傳感器采用MS5611模組。在無線通訊時，直接采用PPM(Pulse Position Modulation)方式對控制系統進行信號的控制。為了更好地控制無人機的上升下降，還需采用超聲波模塊，結合氣壓計測量無人機的高度。硬件系統結構設計如圖3所示。無人機加速時，旋翼電機瞬間產生較大的電流，且無人機姿勢實時變化，其控制電流也隨之變化，隨之會產生電磁干擾，造成通訊控制信號錯亂，如圖4所示。為了防止旋翼電機在姿態急劇變化時，反向電壓通過電子調速器反饋到微處理器，可能造成電壓瞬間過大燒毀微處理器，所以需要加接隔離電路。

圖2 系統組成框圖Fig.2 The system block diagram

圖3 硬件系統結構圖Fig.3 The stricter diagram of hardware

圖4 電平轉換電路Fig.4 The level switching circuit

同時，要單片機輸出的PWM信號輸出到電機上，需加上隔離電路用來保護單片機，如圖5所示。

圖5 隔離電路Fig.5 The buffer circuit

1.2.2 軟件設計方案

軟件程序設計，必須滿足無人機噴灑所需要的各種控制要求，主要包含3個部分：首先，需要確定遙控器與無人機之間的聯系，尤其是當遙控器失控后無人機做出的保護，如果通訊異常失聯，其中斷檢測會觸發，無人機會根據電量判斷是直接降落還是返航；其次，獲取遙控器的控制信號，及時響應控制命令，并進行一定的平滑處理以防止搖桿異常撥動；最后，初始化開機后的各模塊，并對傳感器進行自檢及無人機環境情況進行檢測，自檢完成后會捕獲控制信號，通過平滑處理控制信號，將控制信號輸入到PID控制器，再轉換成相應的PWM脈寬輸出到電機，從而控制無人機完成動作。其程序流程如圖6所示。

圖6 程序流程圖Fig.6 The program flowchart

1.3 機體設計方案

農用無人機不僅需要安全飛行還需要載重能力，據此選擇合適的電機、電調與槳葉。通過計算電機推力及所需的起飛質量，為安全起見電機推力大于起飛質量兩倍。無人機除了正常起飛還需要完成農藥噴灑等相關動作，即前進、后退、偏航等運動，在電池耗電電壓下降的情況下也需要保證電機的響應能力和安全邊界。無人機由于需要搭載藥箱，所以在計算整機質量時要加上藥箱裝滿藥和無人機本身的質量。因此，選擇TYI5008 KV400電機作為動力，電機配合2260碳纖維槳時的參數如表1所示。電機的工作電流為30～40A，為了增加安全邊界，采用好贏天行者50A電調驅動，單個電機最大功率為960W，最大拉力可達4 200g。因此，該四旋翼無人機最大起飛質量能達到16.8kg。為了保證無人機的安全飛行以及噴灑動作的完成，當無人機藥箱滿載時，且電機輸出占空比為85%時，電池輸出電流總體應小于80A。當電機輸出電流為16 A、無人機在搭載滿農藥的情況下，無人機的整體質量在12.0kg左右。

表1 電機參數Table 1 Electric machine parameter

續表1

2 PID控制參數計算

假設在理想狀態下，飛行器的構造是嚴格對稱的，且每個電機和旋翼也完全相同，通電之后電機就會帶動旋翼旋轉，因每個旋翼的轉速是相同的，飛行器可以保持平衡狀態。但這種假設條件是不存在的，且實際飛行中還會受氣流等外界因素影響，為了使飛行器平衡就需要引入一種負反饋控制算法，實時地對每個電機轉速進行調節，糾正姿態偏差。本系統選用了構造簡單、控制效果好且運算量小PID算法對姿態進行調節，并采用內環角速度外環角度的雙閉環形式，其控制算法框圖如圖7所示。對角度的微分其意義就等同于角速度，又由于角速度閉環控制的存在，所以就省去了角度環控制的微分環節。PID控制算法標準形式見式(1)，為了方便計算機處理可變為離散化式(2)。式(2)中，e(k)為系統偏差，在本系統中為期望值與反饋值的差；u(t)是系統輸出，系統外環的輸出為角速度的期望值，它與角速度反饋的差就是角速度環的輸入；KP，KI，KD分別稱作比例、積分、微分參數，需根據具體系統特點進行調節，使系統穩定[10]。

(1)

(2)

由于積分在實際意義上是連續的，但單片機是數字系統，不能實現連續的積分，只能以累加的形式代替積分，微分用前后兩次輸入的差進行代替，在實際應用中也取得了良好的效果。飛行器的橫滾、俯仰及航向3個維度都需使用PID算法進行控制，將3個環節的輸出分別累加到對應電機，實現飛行器的姿態穩定可控。使用PID算法對系統進行姿態控制，但PID控制算法往往需根據系統特性選擇恰當的參數使系統達到更穩定的狀態，合適的參數才能保證飛行器起飛后姿態的穩定[11]。

圖7 控制算法框圖Fig.7 The contral algorihm block diagram

因此，需要對飛行器的橫滾角、俯仰角及航向角進行參數調試，在調試過程中應保證飛行器在當前要調試的維度上能夠自由活動，在其他維度應固定，以免對調試造成影響。在實際調試時，首先對飛行器進行固定，若要對橫滾角PID控制參數進行調試，應使飛行器能夠沿橫滾角自由轉動，能夠最大化地較少外界影響，以保證調試的參數結果可靠、穩定。在實際參數整定中，應結合參數的實際物理意義進行整定。本系統使用外環角度、內環角速度的雙閉環PID形式。其意義為：當真實的飛行器姿態和期望的飛行器姿態之間發生了角度偏差，不立即對飛行器進行姿態調整，而是先計算出應以什么樣的角速度對飛行器姿態進行調整，并將其輸出，作為內環角速度控制器的輸入，糾正姿態偏差，從而保證飛行器姿態穩定可控。根據內外環的意義分析，應先保證角速度環的穩定，才能實現角度環的功能，所以應按照先內環，再外環的順序進行調試[12]。

由圖2控制系統框圖可知：角速度環分為比例、積分和微分3個環節。其中，比例環節對應式(2)中KPe(k)，易知比例環節輸出和輸入誤差大小成線性關系，即誤差越大輸出越大，所以比例環節在PID控制器中是主回復力，確定了KP參數，才能對其他參數進行調節。由比例環節表達式可知：當輸入誤差一定時，KP參數若偏小，輸出偏小，達不到控制效果；若KP參數偏大，會使比例環節輸出偏大，造成超調使系統不穩定。所以，在調試過程中按照此分析結果進行調試，在調試中發現當角速度環KP值為3.8時飛行器角速度有良好的響應。但根據KPe(k)得到：當KP參數一定輸入誤差e(k)較小時，比例環節輸出也偏小，甚至不能修正誤差。所以只有KP參數的系統仍存在較小的誤差。

3 飛行測試

由于四旋翼飛行器有6個運動自由度，但只有4個控制自由度，是典型的非線性欠驅動系統。所以，在實際飛行時要求飛行器在平面平移時相應超調小、波動小、漂移小；姿態角度應無超調、調節時間短，能夠快速穩定。為了保證飛行器性能穩定可靠，需要對飛行器分別進行室內、室外飛行穩定性測試。飛行器通電后，姿態會穩定在水平0°位置，撥動遙控器搖桿，飛行器姿態跟隨搖桿變化，給飛行器施加干擾，能感覺到飛行器對干擾的排斥，飛行器姿態能夠迅速回正；在室外微風的環境下，飛行姿態受風力影響較小，在遙控器的操作下能夠正常飛行，且仍具有良好的穩定性。圖8為實物圖。

圖8 實物圖Fig.8 Picture of real products

4 結論

四旋翼飛行器是一類復雜的多變量欠驅動系統，具有非線性、大時滯、強耦合及時變等特性，在飛行過程中很容易受到各種外部環境的干擾和影響。針對以上不穩定因素，采用MPU-6050作為姿態傳感器提供反饋，以角度外環和角速度內環構成的串級PID作為控制算法，最終設計完成的飛行器可以達到穩定飛行的目的。