蘇曉光，姜重然，于莉莉，賈婧媛，羅治佳

(佳木斯大學(xué) 信息電子技術(shù)學(xué)院，黑龍江 佳木斯 154007)

0 引言

我國東北地區(qū)是主要的產(chǎn)糧區(qū)，主要生產(chǎn)水稻、玉米、大豆，且大多采用傳統(tǒng)的耕作體系，為實現(xiàn)水稻、玉米、大豆等的高產(chǎn)，解決人們的溫飽做出了貢獻。同時，也帶來了許多問題，如忽視資源浪費與環(huán)境保護、作業(yè)環(huán)節(jié)多、生產(chǎn)成本高及地力持續(xù)下降等嚴重問題。

近年來，東北地區(qū)糧食作物受到病蟲害嚴重影響，相對于水稻而言，要想優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)，就要想辦法降低或者規(guī)避水稻病蟲害的發(fā)生。東北地區(qū)作為我國重要的產(chǎn)糧區(qū)，為了保證東北地區(qū)水稻的優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)，就需要重視對水稻病蟲害的防治[1]。一般來說，農(nóng)藥噴灑一般由人工完成，但這種方式會導(dǎo)致人通過空氣接觸到氣化的農(nóng)藥，不利于人的身體健康，且需要耗費大量的人力物力。

四旋翼飛行器是近年來發(fā)展較快、在很多領(lǐng)域都有應(yīng)用的一種新技術(shù)裝備。四旋翼飛行器是一種結(jié)構(gòu)新穎、性能卓越、能夠?qū)崿F(xiàn)垂直起降的無人機。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中使用農(nóng)用無人機進行農(nóng)藥噴灑有以下優(yōu)點：①可以監(jiān)控農(nóng)作物病蟲害病情，飛行高度低，指定噴灑，噴灑效率高，維修成本低；②在勻速飛行時，旋翼產(chǎn)生的風(fēng)力會將農(nóng)藥進一步的霧化，且更均勻地噴灑到農(nóng)作物上，最高效率地發(fā)揮農(nóng)藥作用[2]。

1 設(shè)計原理及機構(gòu)

1.1 四旋翼飛行器的力學(xué)原理

四旋翼飛行器按照機頭方向通常又分為“X”模式和“十”模式，如圖1所示。按照機頭方向，1只旋翼在前，整機呈十字形，則為“十”模式；2只旋翼在前，整機呈X形，則為X模式。因“X”模式力學(xué)模型相對復(fù)雜，但穩(wěn)定性及可操控性更好，所以后續(xù)內(nèi)容皆圍繞“X”模式進行討論。

圖1 飛行器力學(xué)模型Fig.1 The mechanical model of aircraft

圖1中：1號電機和3號電機帶動正向螺旋槳沿逆時針旋轉(zhuǎn)的同時，2號電機和4號電機帶反漿順時針旋轉(zhuǎn)，在抵消陀螺效應(yīng)和空氣扭力的同時保證4只旋翼都是向上推動飛行器，抵消重力作用。四旋翼飛行器在具有6個自由度，分別沿X、Y、Z坐標軸做平移和繞坐標軸做旋轉(zhuǎn)運動[3]。與單個旋轉(zhuǎn)軸提供升力的直升機相比，四旋翼飛行器能夠完成的姿態(tài)較少，但基本的前進、后退、平移和旋轉(zhuǎn)等動作都能實現(xiàn)[4]。

1.1.1 垂直運動

圖1中：因2個電機正轉(zhuǎn)，2個電機反轉(zhuǎn)，可抵消自身扭力的作用，所以同時提高4只電機的輸出功率，就可實現(xiàn)飛行器沿Z軸的垂直上升運動；反之，同時降低4只電機的轉(zhuǎn)速，就可實現(xiàn)飛行器的垂直下降。若排除外界的干擾，旋翼產(chǎn)生的升力等于飛行器自重時，就可實現(xiàn)穩(wěn)定懸停[5]。

1.1.2 水平運動

圖1中：降低1號、2號電機的轉(zhuǎn)速，提升3號、4號電機的轉(zhuǎn)速，就可實現(xiàn)“低頭”，由于機體角度改變，旋翼產(chǎn)生了沿X軸正向的分力，則可實現(xiàn)飛行器的前進運動；相反，1號、2號電機轉(zhuǎn)速提高，3號、4號電機轉(zhuǎn)速減少，實現(xiàn)“抬頭”，完成后退動作。為了不因轉(zhuǎn)速改變導(dǎo)致飛行器扭矩和升力的改變，前后兩組電機的轉(zhuǎn)速改變量應(yīng)相同。

1.2 控制系統(tǒng)設(shè)計方案

1.2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案

四旋翼飛行器結(jié)構(gòu)框圖，如圖2所示。四旋翼無人機的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，需要控制橫滾角、俯仰角和航向角，以及利用精度高的姿態(tài)傳感器采集準確的數(shù)據(jù)。遙控器的控制信號通常通過無線的形式發(fā)給單片機。運動的控制主要是控制4個電機的轉(zhuǎn)速，控制電機的信號一般采用單片機產(chǎn)生PWM波，然后輸出給電子調(diào)速器。由于軟件需求，在硬件系統(tǒng)設(shè)計時需要充分考慮CPU的數(shù)據(jù)處理精度和浮點運算能力、傳感器選型，以及各類芯片級聯(lián)電平的匹配等問題。例如，微處理器采用STM32F407ZET6，姿態(tài)傳感器使用MPU6500模組，電子羅盤采用HMC5843模組，氣壓傳感器采用MS5611模組。在無線通訊時，直接采用PPM(Pulse Position Modulation)方式對控制系統(tǒng)進行信號的控制。為了更好地控制無人機的上升下降，還需采用超聲波模塊，結(jié)合氣壓計測量無人機的高度。硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖3所示。無人機加速時，旋翼電機瞬間產(chǎn)生較大的電流，且無人機姿勢實時變化，其控制電流也隨之變化，隨之會產(chǎn)生電磁干擾，造成通訊控制信號錯亂，如圖4所示。為了防止旋翼電機在姿態(tài)急劇變化時，反向電壓通過電子調(diào)速器反饋到微處理器，可能造成電壓瞬間過大燒毀微處理器，所以需要加接隔離電路。

圖2 系統(tǒng)組成框圖Fig.2 The system block diagram

圖3 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.3 The stricter diagram of hardware

圖4 電平轉(zhuǎn)換電路Fig.4 The level switching circuit

同時，要單片機輸出的PWM信號輸出到電機上，需加上隔離電路用來保護單片機，如圖5所示。

圖5 隔離電路Fig.5 The buffer circuit

1.2.2 軟件設(shè)計方案

軟件程序設(shè)計，必須滿足無人機噴灑所需要的各種控制要求，主要包含3個部分：首先，需要確定遙控器與無人機之間的聯(lián)系，尤其是當(dāng)遙控器失控后無人機做出的保護，如果通訊異常失聯(lián)，其中斷檢測會觸發(fā)，無人機會根據(jù)電量判斷是直接降落還是返航；其次，獲取遙控器的控制信號，及時響應(yīng)控制命令，并進行一定的平滑處理以防止搖桿異常撥動；最后，初始化開機后的各模塊，并對傳感器進行自檢及無人機環(huán)境情況進行檢測，自檢完成后會捕獲控制信號，通過平滑處理控制信號，將控制信號輸入到PID控制器，再轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的PWM脈寬輸出到電機，從而控制無人機完成動作。其程序流程如圖6所示。

圖6 程序流程圖Fig.6 The program flowchart

1.3 機體設(shè)計方案

農(nóng)用無人機不僅需要安全飛行還需要載重能力，據(jù)此選擇合適的電機、電調(diào)與槳葉。通過計算電機推力及所需的起飛質(zhì)量，為安全起見電機推力大于起飛質(zhì)量兩倍。無人機除了正常起飛還需要完成農(nóng)藥噴灑等相關(guān)動作，即前進、后退、偏航等運動，在電池耗電電壓下降的情況下也需要保證電機的響應(yīng)能力和安全邊界。無人機由于需要搭載藥箱，所以在計算整機質(zhì)量時要加上藥箱裝滿藥和無人機本身的質(zhì)量。因此，選擇TYI5008 KV400電機作為動力，電機配合2260碳纖維槳時的參數(shù)如表1所示。電機的工作電流為30～40A，為了增加安全邊界，采用好贏天行者50A電調(diào)驅(qū)動，單個電機最大功率為960W，最大拉力可達4 200g。因此，該四旋翼無人機最大起飛質(zhì)量能達到16.8kg。為了保證無人機的安全飛行以及噴灑動作的完成，當(dāng)無人機藥箱滿載時，且電機輸出占空比為85%時，電池輸出電流總體應(yīng)小于80A。當(dāng)電機輸出電流為16 A、無人機在搭載滿農(nóng)藥的情況下，無人機的整體質(zhì)量在12.0kg左右。

表1 電機參數(shù)Table 1 Electric machine parameter

續(xù)表1

2 PID控制參數(shù)計算

假設(shè)在理想狀態(tài)下，飛行器的構(gòu)造是嚴格對稱的，且每個電機和旋翼也完全相同，通電之后電機就會帶動旋翼旋轉(zhuǎn)，因每個旋翼的轉(zhuǎn)速是相同的，飛行器可以保持平衡狀態(tài)。但這種假設(shè)條件是不存在的，且實際飛行中還會受氣流等外界因素影響，為了使飛行器平衡就需要引入一種負反饋控制算法，實時地對每個電機轉(zhuǎn)速進行調(diào)節(jié)，糾正姿態(tài)偏差。本系統(tǒng)選用了構(gòu)造簡單、控制效果好且運算量小PID算法對姿態(tài)進行調(diào)節(jié)，并采用內(nèi)環(huán)角速度外環(huán)角度的雙閉環(huán)形式，其控制算法框圖如圖7所示。對角度的微分其意義就等同于角速度，又由于角速度閉環(huán)控制的存在，所以就省去了角度環(huán)控制的微分環(huán)節(jié)。PID控制算法標準形式見式(1)，為了方便計算機處理可變?yōu)殡x散化式(2)。式(2)中，e(k)為系統(tǒng)偏差，在本系統(tǒng)中為期望值與反饋值的差；u(t)是系統(tǒng)輸出，系統(tǒng)外環(huán)的輸出為角速度的期望值，它與角速度反饋的差就是角速度環(huán)的輸入；KP，KI，KD分別稱作比例、積分、微分參數(shù)，需根據(jù)具體系統(tǒng)特點進行調(diào)節(jié)，使系統(tǒng)穩(wěn)定[10]。

(1)

(2)

由于積分在實際意義上是連續(xù)的，但單片機是數(shù)字系統(tǒng)，不能實現(xiàn)連續(xù)的積分，只能以累加的形式代替積分，微分用前后兩次輸入的差進行代替，在實際應(yīng)用中也取得了良好的效果。飛行器的橫滾、俯仰及航向3個維度都需使用PID算法進行控制，將3個環(huán)節(jié)的輸出分別累加到對應(yīng)電機，實現(xiàn)飛行器的姿態(tài)穩(wěn)定可控。使用PID算法對系統(tǒng)進行姿態(tài)控制，但PID控制算法往往需根據(jù)系統(tǒng)特性選擇恰當(dāng)?shù)膮?shù)使系統(tǒng)達到更穩(wěn)定的狀態(tài)，合適的參數(shù)才能保證飛行器起飛后姿態(tài)的穩(wěn)定[11]。

圖7 控制算法框圖Fig.7 The contral algorihm block diagram

因此，需要對飛行器的橫滾角、俯仰角及航向角進行參數(shù)調(diào)試，在調(diào)試過程中應(yīng)保證飛行器在當(dāng)前要調(diào)試的維度上能夠自由活動，在其他維度應(yīng)固定，以免對調(diào)試造成影響。在實際調(diào)試時，首先對飛行器進行固定，若要對橫滾角PID控制參數(shù)進行調(diào)試，應(yīng)使飛行器能夠沿橫滾角自由轉(zhuǎn)動，能夠最大化地較少外界影響，以保證調(diào)試的參數(shù)結(jié)果可靠、穩(wěn)定。在實際參數(shù)整定中，應(yīng)結(jié)合參數(shù)的實際物理意義進行整定。本系統(tǒng)使用外環(huán)角度、內(nèi)環(huán)角速度的雙閉環(huán)PID形式。其意義為：當(dāng)真實的飛行器姿態(tài)和期望的飛行器姿態(tài)之間發(fā)生了角度偏差，不立即對飛行器進行姿態(tài)調(diào)整，而是先計算出應(yīng)以什么樣的角速度對飛行器姿態(tài)進行調(diào)整，并將其輸出，作為內(nèi)環(huán)角速度控制器的輸入，糾正姿態(tài)偏差，從而保證飛行器姿態(tài)穩(wěn)定可控。根據(jù)內(nèi)外環(huán)的意義分析，應(yīng)先保證角速度環(huán)的穩(wěn)定，才能實現(xiàn)角度環(huán)的功能，所以應(yīng)按照先內(nèi)環(huán)，再外環(huán)的順序進行調(diào)試[12]。

由圖2控制系統(tǒng)框圖可知：角速度環(huán)分為比例、積分和微分3個環(huán)節(jié)。其中，比例環(huán)節(jié)對應(yīng)式(2)中KPe(k)，易知比例環(huán)節(jié)輸出和輸入誤差大小成線性關(guān)系，即誤差越大輸出越大，所以比例環(huán)節(jié)在PID控制器中是主回復(fù)力，確定了KP參數(shù)，才能對其他參數(shù)進行調(diào)節(jié)。由比例環(huán)節(jié)表達式可知：當(dāng)輸入誤差一定時，KP參數(shù)若偏小，輸出偏小，達不到控制效果；若KP參數(shù)偏大，會使比例環(huán)節(jié)輸出偏大，造成超調(diào)使系統(tǒng)不穩(wěn)定。所以，在調(diào)試過程中按照此分析結(jié)果進行調(diào)試，在調(diào)試中發(fā)現(xiàn)當(dāng)角速度環(huán)KP值為3.8時飛行器角速度有良好的響應(yīng)。但根據(jù)KPe(k)得到：當(dāng)KP參數(shù)一定輸入誤差e(k)較小時，比例環(huán)節(jié)輸出也偏小，甚至不能修正誤差。所以只有KP參數(shù)的系統(tǒng)仍存在較小的誤差。

3 飛行測試

由于四旋翼飛行器有6個運動自由度，但只有4個控制自由度，是典型的非線性欠驅(qū)動系統(tǒng)。所以，在實際飛行時要求飛行器在平面平移時相應(yīng)超調(diào)小、波動小、漂移小；姿態(tài)角度應(yīng)無超調(diào)、調(diào)節(jié)時間短，能夠快速穩(wěn)定。為了保證飛行器性能穩(wěn)定可靠，需要對飛行器分別進行室內(nèi)、室外飛行穩(wěn)定性測試。飛行器通電后，姿態(tài)會穩(wěn)定在水平0°位置，撥動遙控器搖桿，飛行器姿態(tài)跟隨搖桿變化，給飛行器施加干擾，能感覺到飛行器對干擾的排斥，飛行器姿態(tài)能夠迅速回正；在室外微風(fēng)的環(huán)境下，飛行姿態(tài)受風(fēng)力影響較小，在遙控器的操作下能夠正常飛行，且仍具有良好的穩(wěn)定性。圖8為實物圖。

圖8 實物圖Fig.8 Picture of real products

4 結(jié)論

四旋翼飛行器是一類復(fù)雜的多變量欠驅(qū)動系統(tǒng)，具有非線性、大時滯、強耦合及時變等特性，在飛行過程中很容易受到各種外部環(huán)境的干擾和影響。針對以上不穩(wěn)定因素，采用MPU-6050作為姿態(tài)傳感器提供反饋，以角度外環(huán)和角速度內(nèi)環(huán)構(gòu)成的串級PID作為控制算法，最終設(shè)計完成的飛行器可以達到穩(wěn)定飛行的目的。