基于紅外信標的植保無人機助降系統研究

項立，王全輝，陳文霞

（嶺南師范學院信息工程學院，湛江 524000）

0 引言

近年來，中國“新農村”建設越來越受到國家的重視。在“新農村”建設過程中的一個重要內容就是農業生產安全和高效率。噴藥作業在農業生產過程中是一個重要的作業項目。人工打農藥主要存在以下幾個問題。①風險高。每年我國因噴藥作業中毒人數高達十萬，致死率高［1］，這導致年輕人不愿意從事噴藥工作。②成本高。以山區柑橘為例，人工噴藥成本不低于人民幣20元/畝，農忙期可達25元/畝。③殘留重。人工噴藥采用壓力噴頭粗獷噴灑，農藥浪費嚴重，并且對土地造成過多的農藥殘留。④效率低。在病蟲害高發期，常出現較大塊的面積天天噴藥也還趕不上害蟲的繁殖速度。相較于傳統人工噴藥機器，農業植保無人機不但可以有效地提升作業效率，還可以有效地降低人工噴藥成本、避免操作人員中毒、減少藥物殘留，因而受到了農戶的廣泛歡迎。

據統計，2019年我國植保無人機市場保有量突破4萬架，國內研究和開發植保無人機的企業超過200家，比較著名的是大疆和極飛兩家企業。大疆作為民用航拍技術和全世界市場份額的領頭羊，大疆在植保無人機領域推出MG-1S、T-16等機型［2］。極飛公司的P40、P20等植保無人機，也擁有大量的市場份額。植保無人機在普通農業植保領域已經取得了較多的成就，無人機植保技術在我國水稻、棉花、辣椒等低矮作物總作業面積突破4億畝次。但形成鮮明對比的是，無人機保值技術在市場保有量高達1.67億畝的高植株果樹的實際作業量少到可忽略不計，同時針對高植株植物（柑橘等果樹）噴藥作業的植保無人機研究相對匱乏。不同于平原的無人機噴藥，大量高植株植物生長于坡地，適合植保無人機的起降區域相當小，稍不注意就會因降落失敗而炸機，造成嚴重損失。植保無人機坡地定點降落問題是一個亟待研究的問題。

無人機常用的定點降落方法主要有：基于全球定位系統GPS的定點降落和機器視覺輔助的定點降落等［3］?；贕PS的定點降落依托于GPS記錄無人機起飛點的經緯度的一鍵返航。無人機規劃飛行路徑并實時獲取中途位置點的坐標,形成飛行路徑信息，接收到返回指令后進行返航。然而，GPS定位精度低，無人機較難精準定位起飛點，從而很難進行自動精準降落，在某些特殊情況下可能會因為降落點偏離起飛點，造成事故。無人機降落到一定高度后加入人工干預，可實現安全降落，但是這種方法對植保無人機操作員的要求比較高。植保無人機體積龐大，對降落要求很高，稍不注意，幾萬元的無人機就可能毀于一旦。此外，使用GPS實現無人機定點降落結構簡單，功耗低，但對算法的要求較高，且必須借助衛星進行定位，容易受到外界信號的干擾，定位精度不高，存在局限性。當前還有一部分植保無人機采用全稱實時動態載波相位差分定位技術（RTK）定位，其動態定位效果不理想且要額外增加很高的RTK定位基站成本。機器視覺輔助進行的定點降落用GPS粗定位與運動檢測技術定位相結合的方法。將攝像頭置于無人機起飛點處,通過攝像頭獲取無人機的位置,然后發送命令來控制無人機運動［4］。通過采用無人機雙攝像頭和慣性導航系統,采用光流傳感器和慣性測量模塊定位的方法來提高無人機的定位精度［5］。擴展卡爾曼算法也用于無人機定位，但需安置攝像頭等或需要較復雜的光流計算且實施起來較為復雜［6］。對于植保無人機而言，這些方法適用性不高［3］。植保無人機發動機功率大，在下降過程中揚起的大量沙塵以及現場噴藥產生的部分煙霧，使得圖像識別攝像頭容易被遮擋；設置的紙質或布制降落靶標也經常被巨大的氣流吹飛或被砂石遮擋，采用不易吹飛的靶標不易攜帶。文獻［7］提出利用紫外光散射通信、無背景噪聲干擾的優勢搭建基于紫外信標的無人機助降系統，實現無人機高精度助降引導，但是該系統結構較為復雜，成本偏高。

可以看出，上述種種無人機輔助降落方式都存在一定缺陷，并不適用于高植株植保無人機降落，為此本文提出了一套能夠滿足植保無人機在坡地自動降落過程中的定位方案，該方案通過減小著陸過程中的定位誤差，使植保無人機獲得更準確的位置信息，實現精確著陸，從而使植保無人機更加適用于高植株作物的噴藥作業。

1 植保無人機

植保無人機由飛控系統、毫米波雷達、螺旋槳、電機、地面云臺、電池、噴灑作業的噴嘴、載藥桶等及其他部件組成。自制植保無人機如圖1所示。

圖1 自制植保無人機

植保無人機的工作環境復雜，尤其是應用于坡地高植株作物，如柑橘等。這種工作場景地形復雜，可供長度近2米的植保無人機起降的區域較小。其具體應用場景如圖2所示。本文主要研究植保無人機的自動降落裝置。

圖2 植保無人機用于高植株作物的應用場景

2 助降系統硬件設計

植保無人機助降系統的硬件由三部分組成：①地面的紅外線發射裝置（紅外信標），放置在無人機將要降落的地點。②搭載在無人機上的紅外接收機載裝置，在無人機接收到紅外信標的紅外信號后，與地面控制中心結合無人機的俯仰角度對無人機的位置進行調整，然后開始降落。③藍牙傳輸裝置，藍牙模塊（包括藍牙發送模塊和藍牙接收模塊）選取HC-05模塊，HC05的主要優勢是集成度高、使用靈活、成本低。具體實現如圖2所示。下面對紅外接收機載裝置和紅外線發射裝置進行詳細介紹。

2.1 紅外線發射裝置

紅外發射裝置主要包括：采用STC15作為微控制器、外接大功率紅外發射模塊、電源部分、聲光提示電路等。STC15具有性能高、便于操作、經濟適用等優點，本文選用的STC15W4K48S4型號屬于STC15芯片中的加強型，是同類芯片中性能較高的。簡單來說，紅外發射裝置通過紅外發射器構成的紅外信標不斷發射信號。電源部分為無人機發射信號過程的穩壓電源取樣基準，穩壓器根據電壓來識別輸出電壓的高低從而進行自動調節。發射器由大功率紅外發射模塊構成，其電路如圖3所示。

圖3 紅外發射模塊電路原理

此發射模塊由多個紅外管連接而成，其功率較大。微控制器STC15以38 kHz的頻率調制發射“5A”的規定數據，通過紅外發射管將數據發射出去。紅外線發射裝置的內部結構如圖4所示，整體外觀如圖5所示。

圖4 紅外發射裝置內部結構

圖5 紅外發射裝置整體外觀

2.2 紅外接收裝置

本次接收站選用STC89C52型號主芯片來處理信號，多個紅外接收探頭排列分布。接收器為圓形，圓周上設置了多個紅外接收器，并且特意裝設一個紅外接收器位于圓中心。只有當所有接收器都接收到紅外信標的紅外發射信號，即無人機位于信標正上方時，無人機才會開啟自動降落動作，如圖2所示。很容易的發現，無人機降落的準確精度由接收站上的紅外接收器決定，紅外接收器越多，則可參照的方位點越多，更能減少降落誤差。本設計設置了代表東、南、西、北、中等9個方向的接收器，如圖6所示。

圖6 紅外接收裝置9個方向

紅外接收電路的作用是將地面紅外信標發射紅外線的信號通過串行數據轉換為字節，供并行數據的器件使用，也就是將無人機的發射信號情況讀入芯片，并將其信息錄入，經過進一步處理，成為為后續傳輸給藍牙模塊獲得反饋信息的重要電路。因為設計選取了不同的方位進行發射，所以將多個串口電路并聯，其各部分的RxD和TxD引腳接在對應的芯片上。植保無人機紅外接收裝置總共9個紅外接收管，按不同方向安裝，接收特定方向的信號，如圖8所示。信號經二片74LS151多選一輸出后，由微控制器掃描哪些接收頭接收到“5A”信號。微控制器經過掃描確定是哪一個接收頭接收到了信號，可以判斷出來無人機與紅外信標相對的方位。紅外接收裝置的整體外觀如圖9所示。

圖7 紅外接收電路原理

圖8 紅外接收端內部

圖9 紅外接收端外觀

3 系統軟件設計

植保無人機的軟件系統比較復雜，主要包括飛行主控模塊、農藥噴灑模塊、飛行避障算法模塊、起飛和降落模塊等。降落算法的基本流程是：無人機在GPS定位輔助下，飛回起距降落點半徑15 m，高度15 m區域內（由機載毫米波雷達定高）。如果能接收到地面發射的紅外信號，就進入引導模式。根據紅外接收頭不同管子接收到的信號及實際離地高度，計算出離真實降落點的方向和距離，從而調整無人機在空中的位置，直到飛到正上方為止。其中由于無人機飛行中自身姿態并非水平，所以需要調用傾斜角經卡爾曼濾波后，補償計算誤差。在正發射器正上方后開始下降，下降過程中受風速影響會偏離中心點，所以需要邊下降邊補償，直至在目標點上空3 m處作精確校準，最后直接降落。

將紅外接收機載設備搭載于無人機上，一切前期準備工作就緒后，初始化發射模塊，使其發射一個頻率為38 kHz的紅外線，并讓無人機正常起飛。紅外接收器的接收紅外線頻率為38 kHz，為了使紅外線能正常收發，發射模塊與接收模塊的紅外頻率必須保持一致，也就是紅外信標上的STC15W4K48S4芯片需要控制發射模塊發射出38 kHz的“5A”信號。遙控無人機飛到接收站上方3～4 m的高度，等待地面接收站接收機載設備發出的紅外信號。若機載設備上的藍牙設備接收到地面接收站的回傳信號后，會在內部進行一個判定，即發射的紅外線是否已經被接收站上所有的接收器接收。若沒有，則通過回傳的方位信號進行無人機的調整。由于無人機上的開發平臺有較開放的通信協議，無人機降落前的方位校準可以依靠芯片控制無人機的飛行控制器來實現。直至無人機位于接收站的正上方，即表示定位準確，無人機可以執行自動降落命令。發射機和控制器的具體實現過程如圖10所示，接收機的具體實現過程如圖11所示。

圖10 發射機和控制器軟件系統設計

圖11 接收機軟件系統設計

4 系統實驗

無人機進行自動降落的整個過程中，通過終端顯示數據信息進行記錄。當無人機降落至地面關閉電機，停止旋轉，則降落成功。降落過程記錄的數據通過串口線連接電腦，把這些數據上傳至電腦，用電腦處理分析降落數據。測試結果是：本文設計的無人機在各種不同高度下進行降落測試，都能夠成功安全降落，沒有出現墜機現象，降落過程機體能夠保持平穩，沒有出現較大的姿態變化，無人機著陸后能夠自動關閉電機停止旋轉。整個測試過程都沒有出現無人機異?，F象。選取了不同高度下無人機的降落情況5次，具體如表1所示。

表1 降落性能效果

接收站有9個外接收器，分別代表9個方位，具體分布如圖9所示。以接收站中心的接收器為準，即代表方位為中處的紅外接收器，設此坐標為A（X，Y）。以無人機實際降落的位置為準，取中間的發射器的實際位置為a（x，y），以cm為誤差單位，橫坐標表示無人機向東西方向偏移，縱坐標表示無人機向南北方向偏移，將A和a之間的直線距離定為誤差距離。在確保周圍環境無風的情況下，將接收站位置A與降落位置a的坐標繪制成降落誤差對比圖，測得數據入圖12所示。

由圖12和表1可得，在無風環境下，無人機實際降落位置與接收站位置之間的距離在5 cm左右，此誤差很小，在合理的范圍之內。出現此誤差的可能因素是無人機自身降落過程中出現了機身偏移，以及記錄測量數據過程中的細小出入。

圖12 植保無人機降落誤差分布

通過上述實驗表明，本文設計的無人機自動降落控制系統能夠控制無人機安全、穩定、快速自動降落，并且將實際降落位置的誤差盡可能減小，所以本文研究的自動降落算法具有可行性和穩定性，達到了設計要求。

5 結語

本文研究植保無人機的紅外信標的助降系統，研究其機載紅外接收器、紅外信標、監控模塊等硬件部分，以及相應的軟件。選用配合紅外發射和接收組件，搭載在無人機上，利用地面接收站與無人機上的紅外接收器進行對接傳輸信號，實現無人機自動降落的誤差補償方案。在今后工作中，需要進一步改進設計加強其可靠性、安全性、準確性。無人機的降落誤差補償可結合多傳感器技術進行相應加強，以達到更好地縮小誤差，例如結合超寬帶技術和藍牙5.0就能實現更好地縮小誤差。應對多架無人機同時降落，助降系統還計劃運用固態激光雷達來實現。