農田地形測繪無人機增穩系統設計與實現

杜蒙蒙， 李若男， 姬江濤， 王鵬飛， 何 平

（1. 河南科技大學農業裝備工程學院，河南 洛陽 471003； 2. 河南澤達智能科技有限公司，河南 洛陽 471003）

0 引言

土地平整是建設高標準農田的重要技術措施之一，可顯著提高農田灌溉效率，改善土壤鹽分與養分的空間分布狀況，減少病蟲草害的發生，增加作物產量[1-2]。獲取高精度的農田地形數據，是提高平整地作業精度與效率、降低平整地機具超載率與空載率的重要技術手段[3]。隨著無人機技術的發展，多旋翼無人機被廣泛應用在農業遙感與地形測繪作業中。基于激光測距技術的多旋翼無人機地形測繪系統融合全球導航衛星系統（GNSS，Global Navigation Satellite System）模塊的定位數據、無人機飛行控制器的姿態數據及激光測距模塊的距離數據，可實現農田地形數據的高效采集與處理，為生成高精度的農田數字地形圖提供數據支持。然而，多旋翼無人機的螺旋槳通過螺栓直接安裝在漿盤平面內均勻分布的直流電機上，其產生的升力始終垂直于漿盤平面，無法進行角度調節[4]。當多旋翼無人機以一定的速度朝向某一方位飛行作業時，往往依靠電機間的轉速差形成相應的扭矩，使得無人機機體以“前低后高”的傾斜姿態獲取相應的水平分力，以提供水平方向的加速度。當飛行方向或飛行速度改變時，無人機機體的傾角（俯仰角、橫滾角與偏航角）相應地發生變化，反之亦然。由于固有的空氣動力學特性及橫風、空氣亂流等多種外界因素的影響，多旋翼無人機飛行過程中機體傾角處于動態變化的狀態，導致其負載設備工作性能與精度下降[5]。

為了消除無人機機體傾角變化對機載設備的影響，通常使用機械云臺或電子云臺對無人機的傾角變化進行補償[6-8]。機械云臺尺寸大、質量大及價格昂貴，不適合安裝在小型無人機上。微型無刷電機控制的電子云臺負載能力小，無法搭載尺寸大、質量大的地形測繪設備，應用范圍通常局限于航拍領域[9-11]。

本研究基于步進電機與連桿機構，設計一種面向農田地形測繪無人機的大負載三軸增穩系統，通過增穩系統的實時調節實現對無人機機體傾角的動態補償。增穩系統基于STM32 單片機，采用MPU6050 加速度傳感器獲取無人機的傾角數據，以傾角數據作為輸入量控制步進電機輸出相應的角位移，驅動曲柄連桿機構，使聯結在曲柄連桿機構上的調平盤始終處于水平姿態，保障搭載在調平盤上的激光測距儀免受無人機機體傾角變化的影響，提高農田地形測繪無人機的作業精度。

1 地形測繪無人機增穩系統設計

1.1 工作原理

地形測繪無人機系統由多旋翼無人機、高精度GNSS 模塊、增穩系統及激光測距儀組成，如圖1 所示。GNSS 移動站及激光測距儀分別安裝在無人機的頂端與底部。通過地面控制站將飛行路徑導入無人機的飛行控制器，無人機按預定路徑完成飛行任務。在無人機返回地面后分別獲取激光測距儀的測距序列、GNSS 移動站數據及靜置在地面的GNSS 基站數據。以GNSS 基站數據為基準，利用后處理動態差分方法修正GNSS 移動站數據，獲取厘米級精度的無人機定位數據（xGi,yGi,hGi），其中xGi,yGi,hGi分別為無人機的經度、維度和海拔高度[12]。

圖1 地形測繪無人機系統Fig. 1 Sketch of drone topographic surveying system

從無人機地形測繪系統的定位數據（xGi,yGi,hGi）中提取hGi分量，計算GNSS 移動站的天線模塊與激光測距儀的安裝高度差d及激光測距高度序列h，根據式（1）獲取地面測量點的海拔高度序列hi。 使用hi替代無人機地形測繪系統的定位數據（xGi,yGi,hGi） 中 的hGi分量，即獲取地面測量點的三維坐標數據（xGi,yGi,hi）。

在無人機飛行過程中，動態變化的無人機機體傾角嚴重影響激光測距高度序列h的測量精度，間接導致地面點海拔高度數據hi精度的下降，迫切需求設計一種具有自穩能力的增穩系統，抵消無人機傾角變化造成的影響。

1.2 結構組成與運動學分析

本研究設計的增穩系統面向多旋翼無人機地形測繪作業，由固定盤、執行機構和調平盤3 部分組成，具有結構簡單、質量小和響應快等優點，其結構簡圖與結構參數分別如圖2 和表1 所示。

表1 增穩系統結構參數Tab. 1 Structure parameters of stability augmenting system.

圖2 增穩系統結構Fig. 2 Structure of stability augmenting system

固定盤與無人機機體通過螺栓固定連接，并為均勻分布的3 個步進電機提供安裝位置。步進電機的動力輸出軸通過曲柄連桿機構連接至調平盤。調平盤上安裝MPU6050 加速度傳感器，集成3 軸電子陀螺儀與 3 軸電子加速度計，實時測量調平盤的角度變化。MPU6050加速度傳感器通過測量重力加速度在x軸、y軸和z軸上的投影分量，根據式（2）、式（3）和式（4）分別計算繞各軸的旋轉角度，并將角度信息轉化為電壓信號傳輸至STM32 單片機，控制步進電機輸出相應的角位移，利用曲柄連桿執行機構動態補償調平盤的角度變化，從而使調平盤保持水平姿態[13-15]。

式中 ψ、θ、 φ?MPU6050 加速度傳感器繞x軸、y軸和z軸的旋轉角度

Ax、Ay、Az?重力加速度在x軸、y軸和z軸方向上的投影分量

為了使增穩系統快速、穩定地實現自動調平，動態補償無人機的傾角變化，本研究控制增穩系統在空間上的3 個自由度，即2 個水平軸旋轉自由度與1 個豎直軸平移自由度。選擇3 組帶有光電編碼盤的步進電機作為動力元件，因此，增穩系統為全驅動系統，具有響應迅速、結構簡單的優點。步進電機的輸出軸通過3 組并聯的曲柄連桿機構將運動傳輸至調平盤，使其始終保持水平姿態，不受無人機機體傾角變化的影響。增穩系統的運動簡圖如圖3 所示。

圖3 增穩系統運動簡圖Fig. 3 Motion diagram of stability augmenting system

步進電機是一種由脈沖信號控制角位移的開環控制元件，電機輸出軸的角位移與控制信號脈沖數成線性關系，無累積位置誤差，廣泛應用在數控系統等領域。該步進電機配套500 線AB 相光電編碼器，步距角1.8°。定義3 個步進電機分別為電機A、電機B 和電機C，呈120°夾角中心對稱分布。安裝在調平盤上的MPU6050加速度傳感器實時檢測其俯仰角變化量 Δθ與橫滾角變化量 Δψ 。STM32 單片機獲取調平盤的俯仰角變化量Δθ與橫滾角變化量 Δψ，根據運動學方程式（5）、式（6）和式（7）分別計算3 組步進電機相應的輸出軸角位移α 、 β 、 γ。步進電機輸出角位移驅動曲柄連桿機構，補償調平盤的俯仰角與橫滾角變化量，使得調平盤始終處于初始水平狀態。

式中f?固定盤與調平盤之間的原始行程

Δθ?俯仰角變化量

Δψ?橫滾角變化量

α、 β 與 γ?步進電機A、B、C 各自的輸出軸角位移（順時針旋轉為正、逆時針為負）

a? 步進電機位置常數

1.3 仿真建模分析

本研究在三維設計軟件Solidworks 環境下，利用仿真設計功能，對地形測繪無人機的增穩系統進行三維建模與仿真分析。通過運動干涉分析優化結構尺寸，并利用有限元仿真分析插件“Simulation”對增穩系統的三維模型進行應力仿真分析，檢驗其在最大載荷時的應力狀況，為加工樣機及輕量化材料選型提供數據支持。

仿真分析流程如下。首先，選擇7 075 T6 鋁合金板材配置增穩系統各零件的材料屬性。其次，建立有限元分析模型，根據增穩系統最大負載質量（10 kg），在Solidworks Simulation 環境下將均布載荷98 N 施加于調平盤上，基于混合曲率網格計算增穩系統的應力云圖，如圖4 所示。根據Simulation 仿真分析結果報表可知，增穩系統在最大負載工作狀態下最大應力為18.4 MPa，遠小于7 075 T6 鋁合金板的屈服強度（505 MPa），滿足設計要求。

圖4 增穩系統應力分布Fig. 4 Stress distribution of stability augmenting system

2 增穩系統樣機性能測試與分析

根據工作原理及運動學分析，試制地形測繪無人機的增穩系統樣機如圖5 所示。通過螺栓將增穩系統的固定盤安裝在無人機平臺底面，并在調平盤上安裝負載工作部件激光測距儀器及檢測無人機機體傾斜角度的MPU6050 加速度傾角傳感器。

圖5 增穩系統試驗樣機Fig. 5 Sketch of stability augmenting system’s prototype

為了檢驗增穩系統的動態調平性能，在其固定盤上安裝另外1 組MPU6050 加速度傾角傳感器。兩組傾角傳感器在水平x軸及水平y軸方向上保持一致，同步測量固定盤（無人機機體）及調平盤（激光測距儀）的傾角變化，獲取固定盤繞水平x軸的傾角數據與繞水平y軸的傾角數據各計700 組，以及增穩系統動態補償后的調平盤繞水平x軸的傾角數據與繞水平y軸的傾角數據各計700 組。分析無人機姿態發生變化時調平盤的動態補償性能，如圖6 所示。

圖6 增穩系統試驗樣機動態調平測試數據Fig. 6 Dynamic test data of stability augmenting system’s prototype

試驗數據顯示，固定盤繞水平x軸的傾角數據最大值及最小值分別為24.03°及?15.06°，相應地，經增穩系統動態補償后調平盤繞水平x軸的傾角數據最大值及最小值分別為2.68°及?2.52°。同理，固定盤繞水平y軸的傾角數據最大值及最小值分別為38.73°及?26.55°，經增穩系統動態補償后調平盤繞水平y軸的傾角數據最大值及最小值分別為2.30°及?2.23°。數據同時表明，固定盤繞水平x軸傾角數據與y軸傾角數據的標準差分別為7.09°及9.44°，相應地，經增穩系統動態補償后調平盤繞水平x軸傾角數據與y軸傾角數據的標準差分別為0.58°及0.59°，增穩系統的動態調平效果顯著。

3 結束語

本研究面向農田地形測繪無人機設計負載增穩系統。增穩系統由固定盤、曲柄連桿機構和調平盤3 部分組成，結構簡單、響應快速。

仿真分析結果表明，增穩系統結構配置合理，未出現結構干涉現象；在最大負載狀態下，滿足強度要求。

增穩系統樣機性能測試數據顯示，經增穩系統動態補償后的調平盤繞水平x軸及y軸的傾角變化均得到了大幅改善，傾角范圍＜3°，標準差＜0.6°。與無人機機體傾角＞15°、標準差＞7°的數據相比較，增穩系統的動態調平效果顯著，大大改善農田地形測繪精度。