基于無線傳感網絡的農業無人機航線控制系統

趙 峰，姜 攀

(武漢商學院 現代教育技術中心,武漢 430000)

0 引言

無人機是一個由飛行器、控制站、通訊設備和其它部件形成的系統，最早出現在1914年，至今已經具有多種類型和功能[1]。無人機的飛行平臺有固定翼和旋翼兩種，固定翼無人機出現得較早，最初被用來進行軍事情報的收集。在新技術的推動下，美國等發達國家研制了集偵察和打擊功能于一體的機型，開辟了無人機應用的新領域[2]。旋翼無人機出現的較晚，但具有垂直起降能力，因此無需滑跑距離，可以在復雜的環境條件下起降。另外，旋翼無人機的機動性強，能夠在空中懸停、垂直升降和大幅度轉彎，且在設計制造難度和負載能力上具有優勢[3]?；谶@些特點，近些年旋翼無人機迅速推廣，在農業方面主要的應用包括農藥噴灑、信息監測、農業保險勘察等，成為現代農業和智能農業的重要組成部分[4-7]。

農業無人機在飛行過程中，由于受到各種氣象條件、載荷變化及定位導航誤差的影響，其實際航線與規劃航線之間會存在不同程度的偏差。航線偏離不僅降低了農業無人機的作業質量，還會增加能耗導致續航能力縮短，從而影響作業效率。例如，植保無人機航線偏離會導致藥液的漏噴和重復噴灑，動力能源浪費使得航程縮短；農業信息監測無人機航線偏離則導致部分田塊被遺漏，降低了所獲取信息的完整性。因此，航線規劃的合理性和航線控制的精確性是農業無人機的重要性能指標，對作業效率、質量及成本具有極大影響，這一性能也成為人們研究的熱點。

最初的農業無人機航線由人工遙控控制，操作人員工作負荷和技術難度較大，反應容易滯后，對航線的控制效果不理想。后來，人們設計了多種對無人機航線進行規劃和優化的算法，為無人機航線的精確控制奠定了基礎[8-10]。在航線的控制方面，韓泉泉等提出了一種二維坐標航線控制律，在仿真試驗中表現出良好的航線跟隨性能[11]。盧璐等利用RTK技術和北斗衛星對植保無人機控制系統進行優化，大幅提高了航線的精確度[12]。吳俊成等提出了基于誘導航線的協調控制方法，實現了對多無人機編隊飛行的精確控制[13]。

無線傳感網絡是一種與無人機緊密結合的技術，可用于控制無人機的航線。無線傳感網絡是以嵌入式技術、網絡技術，以及傳感器技術為基礎發展起來的網絡通信技術，可以用于軍事、工業和農業等領域。這一技術在監控區域安裝大量的智能傳感器，經過無線通信和自動組網，實現對目標的信息獲取和跟蹤?，F代的無人機上安裝了各種傳感器，以便監測自身的工作狀態和故障情況。另外，由于無人機體積較小，布置通信線路會浪費寶貴的空間和載荷，所以適合采用無線方式進行通信。因此，無人機成為無線傳感網絡理想的應用平臺，二者的結合也是必然的發展趨勢[14]。

根據技術特點，無線傳感網絡已經用于輔助無人機進行農田信息監測和航路規劃。張波等針對惡劣環境中農田信息采集困難的問題，設計了基于無線傳感網絡的監測系統進行試驗，結果表明其具有較長的生命周期、可靠的傳輸數據和廣闊的覆蓋面積[15]。汪成亮等針對大規模部署的傳感器，提出了規則化快速路徑規劃算法，提高了路徑規劃的精度和效率[16]。

無線傳感網絡具有在無人機航線控制上的應用潛力，但由于技術上的瓶頸，其優勢沒有得到充分的發揮。目前，對無人機航線控制的改進主要集中在算法的設計和優化上，而對硬件及系統整合的研究還相對較少。本文基于無線傳感網絡，設計了一個無人機的航線控制系統。該系統以裝載在無人機上的各種傳感器收集無人機的速度、方位和風向風速信息，通過無線方式發送給匯聚節點，再上傳到控制中心；控制中心分析上述信息，計算無人機飛行航線與設定航線的偏離情況，并發出指令對其航線進行控制和調整。

1 系統的設計及組成

1.1 總體設計

航線控制系統由無人機平臺、傳感節點、匯聚節點和控制中心4個部分組成，其工作流程如圖1所示。傳感節點為各種小型傳感器，安裝在無人機平臺上用于采集無人機的速度、方位和風向風速等信息。采集的信息通過無線方式發送給地面的匯聚節點。匯聚節點的通訊范圍大，是無人機平臺與控制中心之間聯系的紐帶，將傳感節點采集的信息上傳給控制中心?？刂浦行氖紫冗M行無人機航線規劃和飛行參數設定，在起飛后顯示飛行狀態?？刂浦行慕邮諅鞲泄濣c采集的信息后進行分析，計算實際航線偏離設定航線的情況，并根據無人機所處的環境發出航線控制和調整指令。指令通過匯聚節點發送給無人機的飛行姿態控制設備，實現對航線的控制。

圖1 航線控制系統的工作流程Fig.1 Workflow of the path controlling system

1.2 系統組成

無人機平臺選用大疆精靈Phantom 4型旋翼無人機，在滿載5kg的情況下可以連續飛行30min；定位方式為GPS/GLONASS兩種，無線傳輸距離最遠7km。無人機自帶電源，飛行姿態控制設備包括方向舵、副翼舵和升降舵，舵面根據飛行控制算法軟件提供的方案進行偏轉，改變無人機的飛行方向和姿態使其按照預設航線飛行。無人機還安裝各種傳感器、自駕儀和飛行控制設備，其通訊設備支持多種通訊協議和通訊接口，能夠與空中或地面設備有效連接。

無人機上裝載的傳感節點由各型傳感器組成，包括XV-8000CB型角速度傳感器和CZ3-X-Y型加速度傳感器，用于采集無人機飛行的速度信息；BA5803型氣壓高度傳感器，用于測量無人機的飛行高度；中科能慧的NHFS47型風速風向傳感器，用于測定瞬時的風向和風速。

匯聚節點的核心是CC2530型芯片，作用是與傳感節點建立連接并對其進行綁定和解除設置。匯聚節點與傳感節點之間的無線連接采用ZigBee技術，其通信距離遠、抗干擾能力強，可以適應復雜的自然環境。匯聚節點與控制中心之間的有線連接采用UART接口，將采集的數據上傳，并接受查詢和控制指令。匯聚節點的部件有天線、無線通信器、功率放大器、信息處理器和對外接口，連接方式如圖2所示。

圖2 匯聚節點的組成部分Fig.2 Constituent parts of sink node

控制中心安裝在地面站，包括服務器、數據存儲庫、地理信息庫和網絡寬帶等。服務器為聯想X3550M5型，配置16GB的DDR4內存和2TB硬盤，各種數據庫和信息庫存儲在其中。軟件為大疆DJIGS Pro專業版，可以規劃無人機的航線，實時控制飛行姿態?？刂浦行牡淖鳂I在于將采集的信息統計分析，并根據分析結果做出決策，形成航線控制指令。另外，控制中心還用于飛行參數設定和飛行狀態顯示。

2 軟件設計和控制算法

傳感節點和匯聚節點之間的無線通信協議是目前廣泛使用的ZigBee2007版協議，由TI公司提供。首先將傳感節點初始化，然后搜索可用的信道并發出加入申請，由匯聚節點接受綁定入網。傳感節點在未采集信息時處于休眠狀態以節省電量，在設定的時間點自動開啟進入采集狀態，并把采集的信息處理后發送給匯聚節點。

匯聚節點啟動后首先將硬件、網絡協議和附屬設備初始化，然后讀取網絡信息表，建立ZigBee連接；在收到傳感節點的組網申請后，匯聚節點解除綁定的程序，作為橋梁執行傳感節點與控制中心之間信息互通功能。

對航線的控制通過二維坐標系跟隨算法來完成。首先構建速度及垂直方向的二維坐標系，計算速度方向上的角速度，獲得無人機在坐標系上投影的航線。若要無人機按照規劃的航線飛行，則其在坐標系中投影的實際航向角等于理論的航向角；控制中心按照這一原則提供指令，使無人機不斷地調整航向，逐漸逼近規劃的航向；當二則差異為零時，無人機則完全按照規劃的航線飛行。

3 試驗結果和分析

將無人機在安裝這套航線控制系統前后分別進行飛行試驗，安裝該系統之前的無人機采用傳統航線控制方式。規劃的航線有直線和曲線兩種，曲線為半徑4km的圓形；飛行期間每隔100s記錄一次實際航線與規劃航線的偏離值，比較兩種方式對航線的控制精度。

試驗結果如圖3和圖4所示。比較兩種方式的航線偏差發現：由無線傳感網絡控制的無人機能夠快速地回歸到規劃航線上來，航線偏差值也更小。由此說明：該無線傳感網絡對直線和曲線航線的跟蹤更加穩定，體現出較高的航線控制精確度。

圖3 直線飛行的航線偏差Fig.3 Tracking error of straight flight

圖4 曲線飛行的航線偏差Fig.4 Tracking error of curve flight

4 結論

基于無線傳感網絡，設計了一個無人機的航線控制系統。航線控制系統由無人機平臺、傳感節點及匯聚節點和控制中心4個部分組成，對航線的控制通過二維坐標系跟隨算法來完成。試驗結果表明：由無線傳感網絡控制的無人機能夠快速地回歸到規劃航線上來，保持穩定后的航線偏差值也更小。該無線傳感網絡對直線和曲線航線的跟蹤更加穩定，體現出較高的航線控制精確度。