張哲深　王春達(dá)　李寧　張全禹綏化學(xué)院電氣工程學(xué)院　黑龍江綏化　152061

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基于STM32的無人機(jī)噴灑系統(tǒng)

張哲深王春達(dá)李寧張全禹
綏化學(xué)院電氣工程學(xué)院黑龍江綏化152061

項(xiàng)目來源：黑龍江2015年省級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目

【文章摘要】

介紹了一種基于STM32控制器的農(nóng)田噴灑系統(tǒng)，通過使用新型的飛控PIX，以及改良硬件設(shè)施，對(duì)姿態(tài)角的控制，提高了無人飛行器的續(xù)航能力，簡化了操作，方便農(nóng)業(yè)使用，使農(nóng)耕人員能在較短時(shí)間內(nèi)掌握該設(shè)備的使用方法，只要選擇農(nóng)田環(huán)境以及設(shè)置需要的噴灑量就可以進(jìn)行農(nóng)田噴灑作業(yè)。

【關(guān)鍵詞】

六旋翼無人機(jī)；飛控PIX；姿態(tài)角；直流水泵

0　前言

我國人口眾多，農(nóng)業(yè)在我國有著重要的地位。我國地域廣闊，蟲害有著較大的遷徙性和流動(dòng)性，害蟲的防治較為復(fù)雜，需要大量的專業(yè)農(nóng)藥噴灑人員。但由于農(nóng)村人口流動(dòng)量較大，農(nóng)村人口逐年減少，難以找出較多的專業(yè)農(nóng)藥噴灑人員?，F(xiàn)有農(nóng)耕人員，由于缺乏農(nóng)藥噴灑方面的相關(guān)知識(shí)，造成農(nóng)藥噴灑的效果不理想，而且農(nóng)耕人員在農(nóng)藥噴灑后不能及時(shí)清洗，對(duì)人的身體造成危害，存在安全隱患。為解決以上問題，設(shè)計(jì)了以STM32F4微型控制器為控制核心，以六旋翼無人機(jī)為載體的噴灑系統(tǒng)。

1　系統(tǒng)設(shè)計(jì)及要求

系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。具體要求如下：

（1）控制無人機(jī)飛行高度，航速，傾斜角度等;

（2）調(diào)整農(nóng)藥噴灑量，噴灑速率等;

（3）將無人機(jī)周圍環(huán)境的反饋量返回控制臺(tái)，并將控制臺(tái)處理數(shù)據(jù)交給無人機(jī)形成系統(tǒng)通信;

（4）無人機(jī)可以切換模式，如自穩(wěn)，定高，定點(diǎn)，懸停，繞圈，自動(dòng)等模式。

無人飛行器由于機(jī)體輕盈，容易受到周圍環(huán)境的干擾，導(dǎo)致飛行事故。所以通過控制臺(tái)接受飛行環(huán)境數(shù)據(jù)，用以調(diào)整飛行姿態(tài)?？筛淖兡Ｊ剑詰?yīng)對(duì)各種不同噴灑環(huán)境，比如定高定點(diǎn)模式，可以使飛行器在同一平面上飛行或某一固定點(diǎn)懸停;繞圈模式可以使飛行器在一個(gè)圓周上飛行;自動(dòng)模式則是可以按照控制臺(tái)預(yù)設(shè)飛行計(jì)劃飛行。

圖1　系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

2　硬件部分

2.1飛行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

飛行控制部分使用的是3DR公司生產(chǎn)的PIX飛行控制器，硬件部分如圖2所示。MCU采用STM32F4，該控制器具有多達(dá)2MB的FLASH存儲(chǔ)器，256KB的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器以及串口總線，12位ADC等豐富資源。飛控可以擁有14路PWM。傳感器采用ST公司小型L3GD20H 16 bit陀螺芯片，LSM303D 14 bit加速度/磁場芯片以及MEAS公司MS5611氣壓芯片。

圖2　飛行控制硬件部分

L3GD20H是一個(gè)三軸角速度傳感器，特點(diǎn)是功率低。它含有一個(gè)傳感元件與一個(gè)IC接口，能夠通過數(shù)據(jù)接口與外界環(huán)境檢測到的角速度進(jìn)行通信。使用的是CMOS設(shè)計(jì)工藝，是一種高水平集成元件，通過修正電路，根據(jù)特性制造IC接口以更好地匹配傳感元件。L3GD20H為了用戶能夠測量貸款速率，配備了滿刻度的±245 /±500 /±2000 dps。其可操作溫度在零下40℃至零上85℃之間，采用LGA封裝。

LSM303D上集成了三軸加速度傳感器和三軸磁感應(yīng)傳感器，芯片尺寸小，線性加速度的測量范圍在±2G到±16G之間，磁場強(qiáng)度測試范圍從±1.3Gs到±8Gs之間，量程可以自行選擇。芯片在計(jì)算能力上較為精確，功耗較低，芯片內(nèi)置提供了高速與低速兩種I2C串行通信方式。

2.2硬件電路模塊

2.2.1電機(jī)

電機(jī)采用了戰(zhàn)神MX3508，專為多旋翼設(shè)計(jì)的無刷電機(jī)，扁平設(shè)計(jì)，多槽極外轉(zhuǎn)子無刷電機(jī)，扭矩大，效率高。電機(jī)直徑：42mm，電機(jī)長度（無軸）：24mm，定子直徑：35mm，定子長度：8mm，軸：4mm，重量：90，電池：3-6Cells，空載電流：0.3A，圖3為電機(jī)實(shí)物圖。

圖3　電機(jī)實(shí)物圖

2.2.2無刷電調(diào)

由于采用了無刷電機(jī)，使用了好盈樂天40A的電調(diào)，油門響應(yīng)速度快，可支持刷新率高達(dá)621Hz 的油門信號(hào)，兼容各種飛控，持續(xù)輸出電流40安，重量26克。

好盈樂天40A電調(diào)內(nèi)部使用了NCP5106B芯片，是NMOS全橋高低端驅(qū)動(dòng)器，其示意圖如圖2.1所示。NMOS低端驅(qū)動(dòng)，即根據(jù)NMOS的特性，Vgs大于一定的值就會(huì)導(dǎo)通，當(dāng)源極接地時(shí)，只要柵極電壓達(dá)到4V左右就可以導(dǎo)通了。當(dāng)Vgs小于一定值，也會(huì)導(dǎo)通，即為NMOS高端驅(qū)動(dòng)，兩種驅(qū)動(dòng)方式可以更好的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。圖4為好盈樂天40A電調(diào)內(nèi)部構(gòu)造原理圖。

圖4　電調(diào)內(nèi)部構(gòu)造原理圖

圖5　噴桿示意圖

2.2.3水泵及噴桿

為了噴灑農(nóng)藥，要采取大功率水泵，保證噴灑壓力。還要保證耗電量，以保持長時(shí)間噴灑，為此我們選擇了大功率的洗車泵，壓力在0.5-0.6MPa，流量4L-4.8L，電壓24V，電流2.5A，滿足選擇要求，并且體積較小、重量較輕，方便于安裝在無人飛行器上。噴桿既要滿足噴灑量的需求，也要與水泵相匹配，并且結(jié)實(shí)耐用，方便安裝于飛行器上。于是我們選用了不銹鋼的四噴頭噴桿，可以進(jìn)行霧狀噴灑，噴灑范圍大。圖5為噴桿示意圖。

3　軟件部分

軟件部分使用的是德國KEIL公司研發(fā)的MDK開發(fā)工具。系統(tǒng)由STM32F4微型控制器讀取外部傳感器傳入信息，解讀姿態(tài)角，以姿態(tài)角與控制信息綜合解算，傳送給六個(gè)無刷電機(jī)，完成六軸無人飛行器的飛行控制。其中六軸無人飛行器的姿態(tài)角采用四元素方法獲得，在打開電源正常工作的情況下，角度誤差控制在2%以內(nèi)，基本滿足控制需求。軟件流程圖如圖6所示。

圖6　軟件流程圖

4　實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

4.1實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

按照系統(tǒng)軟件流程圖，通過調(diào)整參數(shù)及程序，減小誤差，確定了以下試驗(yàn)內(nèi)容，測試時(shí)噴灑設(shè)為兩檔（實(shí)際工作模式為旋鈕模式，即噴灑速度可以在兩種模式中間任意變化），低速噴灑以及全速噴灑，在不同的模式下測試飛行反應(yīng)時(shí)間，飛行總時(shí)長以及流量大小。

（1）低速模式，系統(tǒng)穩(wěn)定啟動(dòng)后，噴灑運(yùn)行20S，以此測試流量大小。數(shù)據(jù)如表1所示。

（2）全速模式，系統(tǒng)穩(wěn)定啟動(dòng)后，噴灑運(yùn)行20s，以此測試流量大小。數(shù)據(jù)如表2所示。

（3）系統(tǒng)從打開電源計(jì)時(shí)，飛行方式設(shè)為自動(dòng)，用以測試飛機(jī)啟動(dòng)時(shí)間以及飛機(jī)飛行的極限時(shí)間。數(shù)據(jù)如表3所示。

4.2實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

低速模式中測試了三次，噴灑量按照L/ min計(jì)算平均值為0.143 L/min，全速模式中的平均值為1.49 L/min，飛機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)使用載重量為5L的農(nóng)藥桶， 在低速模式中可以噴灑34.97分鐘，全速模式中可以噴灑3.36分鐘。按照我國農(nóng)業(yè)需求，以每平方米需要12g農(nóng)藥為例，5KG農(nóng)藥即可滿足417m2農(nóng)田的噴灑需求。飛行器可以持續(xù)飛行大約1小時(shí)，啟動(dòng)時(shí)間在1分鐘左右，按照低速噴灑可以中途換藥桶并且能完成兩次噴灑，足夠滿足我國農(nóng)業(yè)上農(nóng)藥噴灑的需求。

表1　低速模式

表2　全速模式

表3　飛行測試

5　結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一種基于STM32的無人機(jī)噴灑系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了農(nóng)業(yè)噴灑的可控性，準(zhǔn)確性。根據(jù)調(diào)整參數(shù)可以改變流量，使用起來方便可靠，并且操作簡單。通過簡單地程序設(shè)計(jì)可以完成多種飛行方式，應(yīng)對(duì)不同的農(nóng)耕需求以及不同的地域環(huán)境?？刂婆_(tái)設(shè)計(jì)符合人性化，未經(jīng)過培訓(xùn)的農(nóng)耕人員也可以在數(shù)小時(shí)之內(nèi)掌握該系統(tǒng)的控制方式，并且熟練操作。

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【作者簡介】

張哲深（1995-），男，綏化學(xué)院大學(xué)生，曾參加了全國電子設(shè)計(jì)競賽，獲黑龍江賽區(qū)大賽一等獎(jiǎng)。

通訊作者：張全禹（1984-），男，漢，碩士，主要研究方向?yàn)殡娐放c系統(tǒng)設(shè)計(jì)。