李金澤， 莫小明， 董琛琦， 李海軍

(1. 廣西大學 物理科學與工程技術(shù)學院， 廣西 南寧 530004； 2. 海軍航空工程學院， 山東 煙臺 264001)

一種用于農(nóng)作物狀態(tài)監(jiān)測的無人飛行平臺方案設(shè)計

李金澤1， 莫小明1， 董琛琦1， 李海軍2

(1. 廣西大學 物理科學與工程技術(shù)學院， 廣西 南寧 530004； 2. 海軍航空工程學院， 山東 煙臺 264001)

摘要:根據(jù)農(nóng)作物狀態(tài)監(jiān)測任務(wù)需要， 本文提出了運用無人飛行平臺搭載光譜成像設(shè)備進行農(nóng)作物狀態(tài)監(jiān)測的方案. 通過對多種類型無人飛行器技術(shù)參數(shù)比較分析， 提出了一種基于四旋翼無人飛行平臺的成像光譜回傳監(jiān)測方案. 分析了四旋翼飛行器飛行控制及穩(wěn)定方法， 根據(jù)任務(wù)載荷需求、 結(jié)構(gòu)強度要求， 研究了無人飛行平臺起飛重量分析及分配方法， 給出了動力系統(tǒng)、 能源系統(tǒng)需求估算方法. 在一定安全系數(shù)和余度要求下， 給出了四旋翼飛行器組件選型方法， 提出了一種裝機方案， 并進行了起飛重量、 飛行時間等指標的驗證. 該平臺能夠?qū)崿F(xiàn)光譜圖像的實時記錄并回傳， 可滿足農(nóng)作物大面積動態(tài)監(jiān)測要求.

關(guān)鍵詞:農(nóng)作物監(jiān)測； 四旋翼無人飛行平臺； 光譜成像

0引言

農(nóng)作物狀態(tài)監(jiān)測包括了對農(nóng)作物覆蓋率、 田間植株長勢、 病蟲害、 旱澇等情況的信息獲取， 監(jiān)測數(shù)據(jù)可以用于施肥、 灌溉、 排澇、 病蟲害防治等方案的制定， 也可用于農(nóng)作物單產(chǎn)的估算. 這樣的信息對于我國這樣的農(nóng)業(yè)大國來說是及時了解農(nóng)情、 制定農(nóng)業(yè)戰(zhàn)略規(guī)劃所必需的， 傳統(tǒng)的農(nóng)作物信息的獲取方法存在勞動強度大、 受人為主觀因素影響大等缺陷， 限制了農(nóng)作物信息的實時性和準確性. 航空航天遙感技術(shù)可以快速、 大范圍地獲取農(nóng)田信息， 但存在平臺成本高、 采樣精度低、 實時性不強等缺點. 本文提出了一種運用四旋翼飛行器作為農(nóng)田信息采樣的低空平臺設(shè)計方案， 通過在此平臺上安裝圖像采集裝置， 利用成像光譜技術(shù)同時獲得農(nóng)作物的圖像以及光譜信息， 實現(xiàn)對農(nóng)作物狀態(tài)信息的快速、 無損檢測， 是一種低成本、 快速、 準確獲取農(nóng)作物狀態(tài)信息的有效手段， 尤其是對于局部農(nóng)田信息獲取更有機動靈活、 氣象條件影響小、 無需考慮航空管制等的優(yōu)點.

1飛行平臺類型選取

局部農(nóng)作物狀態(tài)監(jiān)測需要的飛行平臺飛行高度要求在0～100m即可， 且大部分的監(jiān)測科目要求在30～50m空域飛行. 根據(jù)廣西壯族自治區(qū)山區(qū)多， 交通運輸不方便的特點， 對無人機平臺的要求是： ① 重量?。?② 能夠垂直起降； ③ 能夠自由懸停； ④ 監(jiān)測裝置更換方便. 對當今主要的能夠垂直起降的無人飛行器性能指標進行一一對比， 如表 1 所示， 表 1 中的性能數(shù)據(jù)1～4表示了性能等級， 其中1最差， 4最好[1].

表 1　垂直起降飛行平臺性能比較

從表 1 可以看出， 四旋翼飛行平臺總分最高， 四旋翼飛行器機械結(jié)構(gòu)簡單， 生成升力、 側(cè)向力的動力結(jié)構(gòu)及控制方式簡單， 其在低速飛行以及靜態(tài)性等方面有比較優(yōu)異的特性， 符合農(nóng)田信息監(jiān)測飛行平臺的要求， 本文方案選取四旋翼無人飛行器作為飛行平臺.

2四旋翼飛行平臺設(shè)計

2.1國內(nèi)外四旋翼研究進展

目前， 四旋翼飛行器是國內(nèi)外無人飛行平臺研究的熱點， 成熟產(chǎn)品型號也較多. 國外開展四旋翼研究比較早， 如加拿大雷克海德大學(LakeheadUniversity)的Tayebi證明了四旋翼結(jié)構(gòu)可以穩(wěn)定飛行[2]. 目前， 有關(guān)四旋翼飛行器的理論及實踐研究主要集中在基于慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的自主飛行、 基于視覺系統(tǒng)的自主飛行和自主飛行器系統(tǒng)等3個方面. 美國Draganfly公司的同名四旋翼無人機是一款非常成熟的產(chǎn)品， 其中X4型產(chǎn)品使用碳纖維骨架， 重680g， 飛行時間約30min， 目前廣泛應(yīng)用于各大高校的四旋翼無人機研究中， 比如， 斯坦福大學在STARMAC項目研究中， 就使用Draganflyer來研究多架四旋翼飛行協(xié)同陣列飛行[3,4]； 澳大利亞國立大學研制的X-4型四旋翼無人機一大特點是采用旋翼下至的結(jié)構(gòu)布置， 采用鋁制框架， 重約4kg， 飛行動力學特性更加優(yōu)異.

國內(nèi)高校與研究院所對四旋翼飛行器的總體結(jié)構(gòu)、 控制方法及控制率等方面的研究相對集中， 有代表的研究單位包括：國防科技大學、 北京科技大學、 南京航空航天大學和哈爾濱工業(yè)大學等， 研究方向主要內(nèi)容是針對飛行器本身動力學模型建立及實現(xiàn)控制算法， 對于姿態(tài)控制與自主飛行提出了大量的算法與理論根據(jù). 近年來國內(nèi)四旋翼飛行器產(chǎn)品也層出不窮， 大疆公司的無人機產(chǎn)品在世界市場上也占有了一定的份額， 且在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用也不斷擴展. 國內(nèi)市場不斷出現(xiàn)各種各樣成熟的四旋翼器商品， 如XAircraft公司推出的搭載有13個傳感器的X650G， 搭載的傳感器分別用來檢測飛行姿態(tài)、 高度、 位置、 方向、 溫度及功耗[3,4].

2.2方案設(shè)計

2.2.1四旋翼的飛行控制方法分析

1) 自身扭轉(zhuǎn)力矩的消除方法

直升機由于螺旋槳的旋轉(zhuǎn)運動， 造成在直升機前進方向兩側(cè)氣流速度的差異， 從而形成升力的不對稱， 造成機體的自轉(zhuǎn). 傳統(tǒng)的直升機為了平衡扭轉(zhuǎn)力矩， 需要在直升機的尾部加尾槳來實現(xiàn)， 四旋翼無人飛行器可以通過控制對角螺旋槳的旋轉(zhuǎn)方向來自行抵消扭轉(zhuǎn)力矩， 采用4個旋翼中兩個順時針旋轉(zhuǎn)， 另外兩個逆時針旋轉(zhuǎn)的方法來實現(xiàn)， 且對角線上的旋翼轉(zhuǎn)速相同. 當4個旋翼的旋轉(zhuǎn)速度相同時， 扭轉(zhuǎn)力矩達到平衡狀態(tài)， 旋翼機不會發(fā)生轉(zhuǎn)動.

2) 機動飛行控制方法

四旋翼無人機的機動飛行是采用傾斜轉(zhuǎn)彎控制方法， 通過增大(減小)一對同方向旋轉(zhuǎn)旋翼的旋轉(zhuǎn)速度和減小(增大)另一對旋翼的旋轉(zhuǎn)速度， 來實現(xiàn)機體的偏航， 從而使升力在其傾斜方向上產(chǎn)生分力， 改變無人機的運動方向. 圖 2 所示是機體向右傾斜， 產(chǎn)生向右飛行的法向控制力， 無人機向右機動的示意圖， 假如4個旋翼在升力面產(chǎn)生的升力的合力為F， 其在x方向的投影為

(1)

Fx即是無人機向右機動飛行的控制力. 當然， 垂直方向機動， 機體不需傾斜， 向前、 向后的運動控制方法與向左、 向右飛行的控制方法是一樣的， 只不過是控制機體做俯仰姿態(tài)變化.

圖 1　四旋翼無人飛行器模型示意圖Fig.1　Sketch map of four-rotor aerial vehicle model

圖 2　四旋翼無人飛行器偏航運動控制方法Fig.2　Yaw motion control method of four-rotor aerial vehicle

2.2.2起飛重量分析

無人機質(zhì)量包擴機械結(jié)構(gòu)質(zhì)量、 動力系統(tǒng)質(zhì)量和載荷質(zhì)量 ， 其中電源、 電機及螺旋槳統(tǒng)稱為動力系統(tǒng). 結(jié)構(gòu)質(zhì)量是指機身質(zhì)量， 包括電機安裝機架和載荷安裝框架的質(zhì)量； 農(nóng)作物狀態(tài)監(jiān)測用無人飛行平臺載荷主要包括任務(wù)載荷和平臺電子裝置兩大部分， 任務(wù)載荷為即成像光譜裝置， 機上電子裝置包括控制裝置、 數(shù)傳裝置、 電調(diào)等用于飛行控制以及數(shù)據(jù)傳輸用的機載裝置.

設(shè)整機質(zhì)量用Q來表示， 結(jié)構(gòu)質(zhì)量為Qj， 動力系統(tǒng)質(zhì)量為Qt， 載荷質(zhì)量為Qz， 則

(2)

動力系統(tǒng)效率主要是通過電機輸出效率和螺旋槳輸出效率綜合反映， 電機輸出效率決定于電機參數(shù)和電機工作狀態(tài)， 選擇合適的電機， 各飛行狀態(tài)下的電機效率基本能達到80%以上[5,6]， 螺旋槳輸出效率也可達80%以上[7,8].

(3)

式中：Q為無人機總重量； v為飛行速度； g為重力加速度； k為升阻比； ηm為電機輸出效率； ηB為螺旋槳輸出效率.

電機質(zhì)量的估算可根據(jù)所需功率進行[9,10]

(4)

按照無人機一次任務(wù)飛行t小時計算， 所需能量為

(5)

由此， 可以計算出儲存電能的電池重量為

(6)

式中：q為電池儲能密度.

2.2.3重量分配及選型方案設(shè)計

1) 重量分配方法

統(tǒng)計現(xiàn)有滿足0～10m高度范圍飛行， 能夠完成普通航拍任務(wù)的成品四旋翼無人機整機重量在1.5～5kg范圍內(nèi). 預(yù)估農(nóng)作物狀態(tài)監(jiān)測用無人機平臺整機重量為2kg， 爬升飛行平均速度假定為10m/s.

參照目前相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的成熟技術(shù)水平和產(chǎn)品的參數(shù)指標， 飛行器平臺的參數(shù)及材料器件可達到的性能參數(shù)見表 2[11].

表 2　飛行器平臺及材料器件的參數(shù)

按照式(3)， 可計算全機電功率需求

該功率按照4只電機平均， 單只電機功率需求為76.5W， 按照式(3)， 可計算出單只電機質(zhì)量

Qm=(0.263 4P+18.3)×10-3=(0.263 4×76.5+18.3)×10-3=0.038 kg.

假定單次任務(wù)飛行時間限定在0.5h之內(nèi)， 該任務(wù)期間不更換新的電池， 則飛行所需要的能量為

Wb=Pt=306×0.5=153 W.

儲存電能的電池重量為

2) 選型方案

根據(jù)農(nóng)作物狀態(tài)監(jiān)測航拍任務(wù)要求， 任務(wù)載荷選擇圖像實時回傳式攝像頭， 大部分型號重量在100g左右(如MOBIUS808， 分辨率為1 080dpi， 重量為83g)； 平臺電子裝置電路板按照100g計算.

結(jié)構(gòu)件選擇碳纖維材料產(chǎn)品， 強度高、 質(zhì)量輕， 根據(jù)載荷質(zhì)量， 選擇一型重量為680g的機架.

則整機重量

Q=Qj+Qt+Qz=0.68+(0.038×4+0.612)+0.1+0.1=1.644 kg.

整機重量沒有超過估算2kg的方案， 載荷余度較大， 方案是可行的.

3驗證分析

根據(jù)上述分析， 選擇配件， 制定組機方案如表 3 所示.

表 3　組機方案表

本裝機方案整機重量為1 615g， 符合設(shè)計指標要求. 所選電機5A電流時單只可產(chǎn)生600g升力， 4只電機可產(chǎn)生2 400g升力， 是整機重量的1.5倍， 起飛重量指標符合要求.

成品5 000mAh電池容量顯小， 按照3S電池平均工作電壓12V， 3A電流計算， 其飛行時間大約在0.28h亦即16.8min， 但是電池容量增加會使得電池重量增加. 應(yīng)用本方案裝機， 用于農(nóng)作物的狀態(tài)監(jiān)測可多配備幾塊成品電池， 以滿足任務(wù)需要.

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SchemeofaUnmannedFlightPlatformDesignedfor
CropsConditionsMonitoring

LIJinze1,MOXiaoming1,DONGChenqi1,LIHaijun2

(1.SchoolofPhysicalScienceandEngineering，GuangxiUniversity，Nanning530004，China；

2.Dept.ofArmamentScienceandTechnology,NavalAeronauticalandAstronauticalUniversity,Yantai264001，China)

Abstract:According to the needs of crops conditions monitoring，the crops monitoring program using unmanned flight platform with a spectral imaging device was proposed. Utilizing a comparative analysis on multiple types aerial vehicle, an imaging spectrum return monitoring scheme , based on four-rotor unmanned aerial vehicle, was put forward. The control and stability methods of four-rotor unmanned aerial vehicle were analyzed. According to the demand of task loading and structural strength, the analyzing and distributing approaches of take-off weight were researched, and the estimation methods for the needs of power and energy system was given. Based on safety factor and redundancy requirement, the component selection scheme was given. One installed program was proposed, and the take-off weight and flying time were tested and verified. Spectral image could be recorded and returned in real time using this platform, and the requirement of dynamic monitoring for large crop areas could be satisfied.

Key words:crops monitor； four-rotor unmanned aerial vehicle； spectral imaging

文章編號:1671-7449(2016)03-0272-05

收稿日期:2015-07-21

基金項目：廣西壯族西自治區(qū)大學生創(chuàng)新計劃項目基金支援(201510593114)

作者簡介：李金澤(1996-)， 男， 主要從事電子科學與技術(shù)研究.

通信作者：李海軍(1966-)， 男， 教授， 主要從事航空導(dǎo)彈測試與故障診斷研究.

中圖分類號:V275+.1

文獻標識碼:A

doi:10.3969/j.issn.1671-7449.2016.03.016