農用無人植保機遠程控制系統操作終端設計

周俊平

(鶴壁汽車工程職業學院,河南 鶴壁 458030)

0 引言

近年來,我國農用無人植保機的應用范圍逐漸擴大,在提高農業種植、定期養護作業效率的同時,降低了人工作業強度。據大量查閱文獻可知:一方面,國內外的無人植保機技術水平正朝著智能化、產業化、精準化方向發展,基于整機本體裝置的組構件研究與施藥作業的環境信息相結合已成為一種趨勢;另一方面,針對無人植保機實際噴霧施藥效果的研究、相關聯物理參數與場參數的調控亦是熱門課題。為此,筆者在借鑒相關學者研究思路與成果的基礎上,以提高機體的作業準確率為目標,針對植保機的遠程控制系統的操作終端進行了試驗性探究。

1 無人植保機控制概述

無人植保機作為一種遠程遙控實時作業的飛行裝置,控制系統中涵蓋了通信、FRID、精準定位及數據處理核心運算規則。一般而言,一套完整的無人植保機具備機械、動力及控制三大功能。圖1為某一農用無人植保機進行現場作業場景,體現了高效化農業生產的特征。

圖1 農用無人植保機施藥作業現場圖Fig.1 Working image of pesticide application by the agricultural

工作時,通過自動化系統對田間信息進行判定與采集,經數據傳輸模塊發送至遠程的控制顯示終端,融入了嵌入式數據移植機理的控制系統,擁有友好型操作終端。圖2為植保機的遠程控制系統控制流程。由圖2可知:植保機的飛控系統中央處理單元是傳感器控制單元與植保機執行機構的中樞系統,具有綜合信息處理功能,經過姿態接收數據處理與智能通信數模轉換到達地面的遠程監控終端。

圖2 農用無人植保機遠程控制系統控制流程簡圖Fig.2 Control flow chart of remote control system for agricultural plant protection UAV plant protection UAV

2 植保機遠程控制系統設計

2.1 控制模型建立

依據無人植保機作業特點,考慮飛行參數傳遞至遠程控制系統中的能耗數據損失,得出控系統的傳感裝置測量參數補償方程為

(1)

式中h—無人植保機整機實際作業飛行高度;

εa—無人植保機作業過程雷達監測噪聲;

εb—無人植保機作業過程GPS監測噪聲;

εc—無人植保機作業過程加速度計監測噪聲。

進一步細化無人植保機作業過程的穩定施藥與避障功能實現,針對避障設計姿態控制與評估系統,同時配備監測精度高的障礙物檢測器;當異常狀況發生時,按照避障算法執行指令。同時,該植保機的控制狀態歸屬于非線性動力學約束模型,則建立控制模型為

(2)

式中xi、yi、zi—植保機作業飛行坐標;

Vi—植保機作業飛行速度;

θi—植保機的進攻角度;

Ψi—植保機的方向角度;

u1i—控制植保機進攻角度參量;

u2i—控制植保機方向角度參量。

Xi=[xi,yi,zi,θi,Ψi]T—植保機作業狀態變量;

Ui=[u1i,u2i]T—植保機遠程控制系統向量。

2.2 控制系統軟件設計

對無人植保機控制系統進行軟件設計,以數據準確控制與處理、信息實時通信與調控為切入點,確定其控制系統的軟件設計結構框架,如圖3所示。設定無人植保機的作業位姿坐標系,高度參數監測、GPS定位及速度調控裝置經數據精準化處理后為飛控監控系統核心部分,經控制系統電機分配求解后到達植保機的動力裝置,在整機本體與遠程監控系統間形成互相制約關系。

圖3 農用無人植保機控制系統軟件設計結構簡圖Fig.3 Software design structural sketch of the remote control system for agricultural plant protection UAV

針對遠程的數據處理,從采集接收處理與控制顯示全流程進行把控;同時,依據飛行操控預實現的目標編制操縱函數,并配備完整的故障檢測單元與數據傳輸接口等,形成如圖4所示的無人植保機控制系統自動飛行作業流程。由圖4可知:開啟自動飛行模式后,首先判定植保機滿足飛行的基本參數條件,再進行各部件執行動作。其中,飛行作業過程中各航點的信息位置指令與高度閾值的符合性是決定植保機執行降落、續航或返航的關鍵因素。

圖4 農用無人植保機控制系統自動飛行作業流程簡圖Fig.4 Flow chart of automatic flight operation for the control system of the agricultural plant protection UAV

針對獲取植保機空中作業信息的采集節點各自進行RF幀解析和GPS幀解析,同時著重考慮機體運行的速度與位置PID控制與閉環反饋環節,對該無人植保機遠程控制系統的后臺信號姿態解算庫、傳感位置數據獲取輸出庫、終端操作終端顯示控制進行合理解析編譯。相關控制程序片段如下:

…

#get list of libraries

Include $(MAKE_INC)

LIBTOKENS:=$(LIBRARIES)

#Find sketchbook libraries referenced by the

sketch.

#Include paths for sketch libraries

SKETCHBOOK:=$(wildcard$(addprefix

$( SKETCHBOOK)/ libraries/,

$( LIBTOKENS)))

SKETCHLIBNAMES:=$(notdir$

(SKETCHLIBS))

…

SKETCHLIBINCLUDES:=-I$(SKETCHBOOK)

/ libraries/- I$(BUILDROOT) / libraries/- I$

(BUILDROOT) / libraries/GCS_MAVLink/

SKETCHLIBSRCRELATIVE:=$(subst

$( SKETCHBOOK)/,,$(SKETCHLIBSRCS))

…

2.3 控制系統硬件配置

針對植保機遠程控制系統進行硬件配置。根據實現的功能不同,合理選擇地面控制系統的組件,保證無線數據傳輸單元的暢通性,機體本身則選用角度、位姿傳感裝置及速度實時監控儀表等,兩者形成對接化的統一參數。

植保機作業過程的形態與遠程控制系統的通信模塊采用UART傳輸裝置,利用成熟的I/D輸入輸出技術,進行如表1所示的通信核心參數設置,保證控制系統的接收裝置靈敏度可達10-10mW以上。

表1 植保機遠程控制系統通信參數設置Table 1 Setting of the communication parameters for the remote control System of plant protection UAV

選擇GSM模塊為TC35i型,圖5為農用無人植保機遠程控制系統硬件核心電路。由圖5可知:內部SIM卡的引腳處于高電平位置是控制系統進行工作的先決條件,數據則通過ZIF40主體連接器進行傳遞與發送,單片機作為控制系統的中間處理平臺,整個核心電路電控壓力為5～12V。

圖5 農用無人植保機遠程控制系統硬件核心電路Fig.5 Hardware core circuit of remote control system for agricultural unmanned plant protection aircraft

控制系統的關鍵性硬件選擇尺寸小巧的16bit陀螺芯片、14bit加速度芯片和具有三維角度信息獲取的角速度傳感裝置,基本參數如表2所示。其靈敏溫度誤差為±2%,非線性誤差為0.2%FS,可滿足無人機控制系統要求。

表2 農用無人植保機遠程控制用角速度傳感裝置參數表Table 2 Parameters table of the angular velocity sensor for remote control of the agricultural plant protection UAV

3 植保機遠程控制設計仿真

3.1 條件設置

進行農用無人植保機遠程控制系統設計可行性試驗,如圖6所示。在滿足關鍵穩定試驗條件的基礎上,選擇互補濾波融合算法,設定整機主要組件的配置規格及數量,如表3所示。暫不考慮外界信息的輕度擾動,確保遠程控制系統運行與田間無人機機體作業信息的協調一致度,展開不同坡度飛行下的遠程控制參數變化仿真。

表3 終端設計試驗用農用無人植保機主要組件配置Table 3 Configuration of main components of the agricultural unmanned plant protection aircraft for the terminal design test

1.控制系統主控板 2.飛行姿態傳感裝置 3.無線數據傳輸裝置 4.高度檢測裝置圖6 農用無人植保機遠程控制性能試驗裝置Fig.6 Performance test device for the remote control for the agricultural unmanned plant protection aircraft

3.2 過程分析

植保機遠程控制系統核心指令功能的實現流,如圖7所示。在制動導向、穩定組件與執行指令的分系統共同配合下,經各負責模塊的位姿算法應用,以VM Workstation為載體,多次編譯模擬及調試,完善后臺數據處理,得到如圖8所示的農用無人植保機遠程控制系統終端顯示信息。

圖7 農用無人植保機遠程控制系統核心指令功能實現Fig.7 Core instruction function implementation of the remote control system for agricultural unmanned plant protection aircraft

圖8 農用無人植保機遠程控制終端顯示Fig.8 Display of the remote control terminal of the agricultural unmanned plant protection aircraft

該終端是個綜合功能的監控平臺,可均勻化顯示整個植保機作業的遠程監控主要參數,如機體的轉彎速率、運行航跡、飛行角度、離地高度等。同時,具備作業前監控信息初始化配置、保存與自動加載作用,可對無人植保機的遠程控制進行指令傳輸,實現無人植保機噴施作業的高效可視化管控。

利用該操作終端,可根據機載藥量剩余對續航時間進行監控,根據斷點經緯度數據提前做出計算與返航指令或者選擇就近降落指令,完成1次最佳無人機噴施作業。

以遠程控制無人機高度h作為評定指標,得到系列關鍵性試驗數據,如表4所示。由表4可知:分別設定飛行坡度為15°～35°等4組數據,各進行有效試驗30次,試驗系統的作業平均高度與實際植保機作業平均高度的誤差可控制在±6.5cm范圍內,小于無人植保機監控平臺對高度檢測誤差要求,遠程控制系統終端設計可行。

表4 植保機遠程控制系統試驗數據統計Table 4 Test data statistics of remote control system of plant protection UAV

4 結論

1)針對無人植保機作業過程的控制原理,對其遠程控制系統進行綜合設計,建立了參數精準控制模型,并后臺編制穩定可行的控制與調節程序,匹配合適的硬件組件后,形成完整的控制系統。

2)依據遠程控制理論,進行該植保機遠程控制系統設計仿真及試驗。結果表明:通過利用飛控關鍵性能指令,得到可對無人植保機位姿與作業信息進行實時跟蹤的可視化終端監控平臺,且在不同的飛行坡度下,系統的作業平均高度與實際植保機作業平均高度誤差波動為-3.6～+6.3cm,滿足可控誤差要求。