基于無線傳感網的無人機精準噴藥系統研究

郭 意

(成都工貿職業技術學院,成都 610000)

0 引言

無人機是一種具有遠程操作或者自主飛行的無人駕駛航空器,能夠在無人駕駛的情況下執行多種任務,且可以重復使用,主要構成為動力裝置和導航模塊[1]。目前,無人機的航空器平臺主要分為固定翼平臺和旋翼平臺。相較于固定翼飛機,旋翼飛機由于其具有負載能力方面的優勢,且機動性強,可以實現垂直升降、大幅度轉彎等靈活性強的動作,因此在農業領域的應用較廣,如獲取農田信息及農藥噴灑等[2]。

由于傳統噴藥技術不安全且效率低下,遠遠不能滿足行業需求,航空直保無人機應運而生。噴藥無人機主要由飛行平臺、GPS飛控和噴灑機構組成,其噴灑作業由地面遙控或者GPS飛控控制實現。由于航空直保無人機具有空中作業效率高、不受地理因素制約的優點,經測算,在麥田除草作業過程中,其工作效率比地面機械除草效率高5～7倍,更是人工噴霧除草效率的200～250倍[3];同時具有環境污染少、操作安全、勞動強度低,以及人工成本少等優點。然而,航空直保無人機的使用仍受到很多限制,存在很多技術難題,如對不能遍歷農作物區域、航線偏離導致農藥的浪費和環境的污染問題,還有人工控制無人機導致航線控制不理想等問題。

無線傳感網絡(WSN)是結合了計算機、通信和傳感器3種技術的產物,在軍事、環境和工農業方面應用非常廣泛[4]。是在監控區域內安裝了大量的職能監控器節點,采用單跳或者多跳的通信方式,使用無線通道通過自組織網絡拓撲結構實現節點間的自動組網。其具有使用方便和組織簡單的優點,有效避免了傳統有限網絡布線繁瑣、質量大的問題。因此,在無人機上采用無線傳感網絡具有很大的優勢[5]。

針對傳統航空直保無人機噴藥技術的缺陷,提出了一種基于無線傳感網絡的無人機精準噴藥技術,這種技術可以遍歷農作物種植區域,并通過控制和調整飛機航線達到精準噴藥的目的。

1 總體框架及組成

1.1 總體框架

基于無線傳感網絡的精準噴藥系統主要包括飛行控制系統、無刷電機驅動模塊、導航控制系統和噴藥系統4部分。無線傳感器節點作為飛行控制系統,負責采集位置信息并發送匯聚節點,匯聚節點作為導航控制系統,將位置信息經軟件分析后發送結果,即是否需要調整飛行航線的指令傳送至控制中心。其中,匯聚節點是整個無線網絡的核心,負責主動掃描并接受傳感器節點接收到的位置信息,處理后發送航線是否偏離的結果給地面控制中心。圖1為系統總體控制圖。

1.2 無人機

無人機采用大疆精靈4旋翼無人機,機內配備了無刷電機、各種傳感器、飛行控制器、自駕儀,以及控制飛行姿態的方向舵、副翼舵和升降舵。通過軟件的算法適時調整飛機航線,使其按照預設航線飛行。

圖1 系統總體控制圖

1.3 傳感器節點和匯聚節點

無人機上的傳感器節點和匯聚節點的核心芯片均采用CC2530芯片,該芯片是由Tl公司生產的新一代ZigBee芯片。

傳感器節點作為飛行控制系統,配備各型傳感器、GPS系統和電子羅盤,包括采集飛機速度的角速度控制器和速度控制器、測量飛機飛行高度的氣壓高度傳感器及測定飛機瞬時風向和風速風向傳感器。

匯聚節點作為導航控制系統,是整個系統的核心,可通過采集傳感器節點的信息,進行處理分析,并向控制中心發送是否調整航線的指令。匯聚節點和傳感器節點之間采用ZigBee技術進行無線連接,因ZigBee技術其具有抗干擾能力強、通信距離遠、可適應復雜自然環境的優點。UART接口用于連接控制中心和匯聚節點。

控制中心安裝在地面,負責初始飛行參數的設定、顯示飛行狀態,以及在飛行過程中向飛機發送航線調整的指令。

1.4 噴藥系統

噴藥系統采用美國公司生產的航空靜電噴霧系統,具有噴灑面積較廣、噴藥均勻、噴霧噴藥效率高的特點。通過地面控制中心即可實現對噴藥系統的控制,在飛機到達農作物區域上方時,自動開啟實現對農作物的連續作業。

2 軟件系統設計和控制算法

傳感器節點和匯聚節點之間采用ZigBee協議。首先初始化傳感器節點,搜索可使用的通道并發出加入申請,匯聚節點接收后綁定入網,傳感器節點在未收到采集信息之前一直處于休眠狀態以節省能量。在啟動后傳感器節點自動進入采集數據狀態,將采集后的信息傳送給匯聚節點。

啟動匯聚節點后,初始化硬件、網絡協議和附屬設備,并讀取網絡信息表,簡歷ZigBee連接。在收到傳感器節點的入網申請后,匯聚節點自動連接匯聚節點和控制中心并作為信息互通的橋梁[6]。

2.1 數據采集軟件設計

傳感器節點采集到的數據通過IMU慣性測量單元控制實現,其慣性測量單元的電路設計如圖2所示。通過傳感器節點中的角速度控制器、速度控制器和高度傳感器測量系統角速度、加速度和高度,通過控制算法計算得到姿態角,從而實現飛機的姿態控制。同時,傳感器節點中的電子羅盤也可以把獲得的磁場數據傳送給匯聚節點,進一步協助校正系統誤差。

圖2 IMU測量單元電路圖

2.2 控制算法

為了使飛機能夠遍歷沿著規劃的路徑完成對農作物種植區域的遍歷、對農作物區域的覆蓋率高,以及使飛機以較低的能量消耗完成農作物的遍歷,采用了幾何精度因子(GDOP)來確定飛機航線。在同一個系統中,當環境和測量設備精度等其他所有因素均相同的情況下,飛機位置節點與位置節點的距離所決定的GDOP值越小,則該位置節點的位置精度越高。因此,為了合理地確定飛機的飛行航線,在兼顧飛機能耗小的情況下,盡量減小飛機節點確定的GDOP值,進而提高定位精度。

為確定飛機的航點,假設某一節點在同一水平面的水平高度為z0,飛機飛行高度始終保持不變定為z,定為該未知節點的位置坐標為(x,y,z0),飛機對這一位置節點的定位過程在周圍有n個節點可用,第i個節點的位置為(xi,yi,z),ρ為飛機節點到該未知節點的距離,則有

i=1,2,…,n

通過對上述方程求解得到

Δx=(HT·H)-1·HT·Δρ

其中,(HT·H)-1·HT可以反映測量誤差對定位誤差的影響大小。根據GDOP的定義得出:為了使測量誤差對航線的影響最小化,GDOP的值應盡量小。將(HTH)-1矩陣化后,可以得出以下結果

且當飛機處于虛擬節點組成的多邊形中心時,GDOP取得該數目虛擬節點的GDOP最小值。

圖3為GDOP最小值與虛擬節點個數的關系。由圖3可以看出:隨虛擬節點個數的增加,GDOP值逐漸減小;在n<8時,減小速度較快,隨著n的增加,當n>8時,GDOP值減小減慢。同時,由于虛擬節點構成的圖形均為規則幾何圖形,為便于計算,規定n=6,此時GDOPmin=0.816 5。

圖3 GDOPmin與虛擬節點個數n的關系

在選取了飛機飛行的最優航線節點后,需要根據最優航線節點,在能量消耗較小的前提下,確定飛機航線。針對這個特點,采用遺傳算法對飛機飛行最優航線進行規劃。圖4為遺傳算法的流程圖。飛機在某一航點位置通過遺傳算法的流程圖即可確定飛機的最優航線。在流程圖中,交叉操作[7]是通過貪婪算法進行的交叉算子,過程如下:選取航點p,在其父代P1、P2中找到p右邊相鄰航點為pr1和pr2,分別計算pr1和pr2到p之間的距離dpr1和dpr2,距離較小者假設為dpr1,則pr1為p的第一個子代航點P1’。在左側重復本步驟,得到第二個子代航點P2’;變異操作過程如下:假定變異起始點為p1,在p1右側選取距離p1最近距離的航點為p2。將p2到右側第二航點的編碼串逆序存放,即完成變異操作。

圖4 遺傳算法流程圖

3 試驗結果和分析

無人機安裝本系統后,進行飛行試驗。試驗地點選在長300m、寬150m的長方形農田,在該區域分別采用單向遍歷、回字形遍歷進行飛行試驗。其中,飛行過程中采用相同的測距采樣頻率,采用飛行速度1.5、2、2.5m/s分別進行測試,通過記錄遍歷農田后的航行時間進行對比。表1為航行時間與遍歷方式的關系。

表1 遍歷方式與飛行時間關系 min

由表1可以看出:根據本文所提方案進行遍歷航行所需的航行時間最短,單向掃描遍歷方案所需時間最多,回字形遍歷所需時間居中。通過分析發現:單向掃描遍歷方案在掃描過程中所需的拐點最多,飛機轉向需要時間較多,導致飛行時間延長;回字形遍歷方案在后程拐點較集中,需要飛機不停變換飛行姿態,導致時間的延長。因此,采用GDOP方案對農田進行遍歷可以獲得更好的效果。

4 結論

基于無線傳感網絡,設計了一個無人機遍歷農作物區域的精準噴藥系統。飛機控制系統由無人機平臺、傳感器節點、匯聚節點和控制中心4部分組成,主要通過GDOP算法對飛機的航線進行規劃。試驗結果表明:基于無線傳感網絡的無人機航線規劃能夠使無人機以較低的能量消耗遍歷農作物區域,從而達到精準噴藥的目的。