申藝方 ，解向陽

（濟源職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 濟源 459000）

在農(nóng)業(yè)自動化、現(xiàn)代化發(fā)展趨勢下，人工背負式噴霧機逐漸被淘汰，自走式噴霧機和植保無人機得到了推廣應(yīng)用。植保無人機搭載噴藥裝置，可以由地面站工作人員遠程控制，或者按照預(yù)設(shè)指令實現(xiàn)高空自動噴藥。對比來看，使用植保無人機噴藥具有覆蓋面積廣、作業(yè)效率高、安全性好等一系列優(yōu)勢?，F(xiàn)階段，農(nóng)業(yè)植保多旋翼無人機在實際應(yīng)用中面臨的主要問題是定點噴灑精度不高，不僅造成農(nóng)藥的浪費，而且增加了無人機的飛行頻次，導(dǎo)致農(nóng)業(yè)植保作業(yè)的成本升高?；诖?，有必要對多旋翼無人機的飛行控制系統(tǒng)進行優(yōu)化設(shè)計，提高控制精度，使農(nóng)業(yè)植保無人機能夠在合適的位置噴灑農(nóng)藥，提高作業(yè)效率。

1 農(nóng)業(yè)植保無人機飛行控制系統(tǒng)的整體架構(gòu)

本文設(shè)計的農(nóng)業(yè)植保多旋翼無人機飛行控制系統(tǒng)由主控系統(tǒng)、慣性測量單元、磁力計、加速度計、定位系統(tǒng)、噴灑系統(tǒng)、空速測量系統(tǒng)等構(gòu)成。主控MCU選用STM32F428IGT6高性能芯片，主頻200 MHz，內(nèi)置256 KB的RAM和512 KB的Flash，8條主控總線和7條被控總線，2個32位定時器和150個I/O接口。主控系統(tǒng)利用通信模塊分別獲取飛行姿態(tài)數(shù)據(jù)、避障雷達數(shù)據(jù)、位置信息、高度數(shù)據(jù)等，然后利用芯片完成對各類數(shù)據(jù)的處理，再將處理結(jié)果同步反饋給地面站。地面站根據(jù)接收處理結(jié)果，編輯控制指令發(fā)送給無人機的主控系統(tǒng)。主控系統(tǒng)響應(yīng)指令，并輸出PWM信號改變電機轉(zhuǎn)速，進而實現(xiàn)對無人機高度、速度、姿態(tài)的調(diào)整。當無人機到達指定位置后，噴灑系統(tǒng)開始作業(yè)，向指定區(qū)域噴灑農(nóng)藥[1]。

2 農(nóng)業(yè)植保無人機飛行控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計

2.1 電源供電系統(tǒng)設(shè)計

本系統(tǒng)的電池供電部分根據(jù)供電對象的不同分成3類，分別是電機供電、隔離電源供電和非隔離電源供電。其中，隔離電源為無人機的噴灑系統(tǒng)供電，非隔離電源則為無人機的定位系統(tǒng)、避障系統(tǒng)、高度測量系統(tǒng)等供電。考慮到不同芯片的工作電壓存在差異，本文在設(shè)計電源電路時，利用電壓轉(zhuǎn)換電路將電池輸出的12 Ⅴ電壓轉(zhuǎn)化成多種電壓，例如將+12 Ⅴ電壓轉(zhuǎn)換成+5 Ⅴ電壓，為STM32F428IGT6芯片供電，再將+5 Ⅴ電壓轉(zhuǎn)換成3.3 Ⅴ電壓為氣壓傳感器供電。同時，電機在運行時輸出的大電流會產(chǎn)生較強的磁場，干擾飛行控制系統(tǒng)中的傳感器、控制器等電氣設(shè)備的正常工作。在電源供電系統(tǒng)設(shè)計中，將電機電源與其他控制系統(tǒng)的電源分開，并做屏蔽處理，從而保證了無人機飛行控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

2.2 通信設(shè)計

2.2.1 通信系統(tǒng)框架

在農(nóng)業(yè)植保無人機飛行過程中，飛行控制系統(tǒng)的MCU需要實時獲取傳感器、定位系統(tǒng)反饋的數(shù)據(jù)，同時在數(shù)據(jù)分析處理后生成新的控制指令，再將指令發(fā)送給執(zhí)行器，實現(xiàn)對無人機飛行姿態(tài)、飛行軌跡、飛行高度等各項參數(shù)的調(diào)整。數(shù)據(jù)的采集與指令的下達都需要通過通信系統(tǒng)完成，整個通信系統(tǒng)由主控MCU、傳感器MCU以及多種通信協(xié)議組成，通信流程如下：傳感器MCU基于SPI協(xié)議采集加速度計和陀螺儀的數(shù)據(jù)，對于加速度數(shù)據(jù)實行低通濾波，對于陀螺儀數(shù)據(jù)實行偏置調(diào)整。然后傳感器MCU將處理后的加速度數(shù)據(jù)和陀螺儀數(shù)據(jù)進行融合，并基于CAN協(xié)議與主控MCU通信，將融合數(shù)據(jù)發(fā)送給主控MCU[2]。這樣一來，飛行控制系統(tǒng)的控制終端就能掌握無人機的實時飛行狀況，并基于控制程序生成新的操控指令，將指令傳輸至前端，完成姿態(tài)調(diào)整。

2.2.2 通信協(xié)議的選擇

本文設(shè)計的通信系統(tǒng)執(zhí)行兩種通信協(xié)議，即CAN協(xié)議和SPI協(xié)議。

CAN現(xiàn)場總線具有抗干擾能力強、支持遠距離傳輸、支持半雙工工作模式等優(yōu)勢，使用CAN協(xié)議傳輸報文時，可基于報文ID判斷是否接收該報文；若存在多個報文同時傳輸?shù)那闆r，CAN協(xié)議還能對報文進行優(yōu)先級排序，保證重要報文優(yōu)先傳遞?；贑AN通信協(xié)議的數(shù)據(jù)發(fā)送流程為：初始化CAN節(jié)點并設(shè)置CAN參數(shù)，如模式、波特率等；選擇需要發(fā)送的數(shù)據(jù)，將待發(fā)送數(shù)據(jù)封裝成一個CAN數(shù)據(jù)幀；將該數(shù)據(jù)幀發(fā)送到CAN總線上，利用ACK信號判斷數(shù)據(jù)幀是否發(fā)送成功。如果CAN節(jié)點未收到ACK信號，說明發(fā)送失敗，CAN節(jié)點會向發(fā)送端提供報錯信息；如果CAN節(jié)點收到ACK信號，說明發(fā)送成功，同時將錯位標記清零，繼續(xù)等待下一個數(shù)據(jù)幀的發(fā)送[3]。

SPI協(xié)議是一種串行同步通信協(xié)議，根據(jù)通信對象的不同可以分為“1主對1從”和“1主對N從”兩種模式。SPI接口允許通過的基本信號有4種，即SDI串行輸入信號、SDO串行輸出信號、SCK串行時鐘信號和CS使能信號。本文設(shè)計的無人機飛行控制系統(tǒng)中，傳感器MCU通過SPI協(xié)議與加速度計、陀螺儀等設(shè)備完成數(shù)據(jù)傳輸。

2.3 傳感器的選擇

本文設(shè)計的農(nóng)業(yè)植保無人機飛行控制系統(tǒng)中包含多種傳感器，用于向系統(tǒng)主控MCU芯片反饋無人機的實施工況。傳感器類型及選擇如下：

1）磁傳感器。磁傳感器中敏感元件所處的外部環(huán)境中的磁場、電流、溫度等因素發(fā)生變化后，其輸出的電信號也會發(fā)生相應(yīng)的改變，利用這一特性可實現(xiàn)對相應(yīng)物理量的檢測。本系統(tǒng)中選用了HMC5883型磁傳感器，內(nèi)置I2C數(shù)字接口和12倍A/D轉(zhuǎn)換器，工作電壓為2.4 Ⅴ～3.6 Ⅴ，集成度高，抗干擾能力強。

2）氣壓傳感器。負責(zé)測量無人機飛行過程中氣體的絕對壓強，本系統(tǒng)中選用MS5611型氣壓傳感器，支持SPI和I2C兩種總線接口，分辨率小于10 cm。設(shè)備規(guī)格為6 mm×2.5 mm×1.2 mm，工作電壓為3.3 Ⅴ，體積較小，能耗較低。

3）姿態(tài)傳感器。負責(zé)測量三維姿態(tài)與范圍數(shù)據(jù)，本系統(tǒng)中選用MPU6000型姿態(tài)傳感器，內(nèi)嵌低功耗的ARM處理器，可以實現(xiàn)三維姿態(tài)與范圍數(shù)據(jù)的運算。三軸陀螺儀、三軸加速度計以及數(shù)字運動處理器DMP均采用集成方式嵌入到MPU6000姿態(tài)傳感器中，使用SPI接口與其他寄存器之間進行通信[4]。

2.4 噴灑系統(tǒng)設(shè)計

噴灑系統(tǒng)是農(nóng)業(yè)植保多旋翼無人機的核心部分，利用飛行控制系統(tǒng)可以自動開啟噴灑裝置，并靈活調(diào)節(jié)噴灑量，對節(jié)約農(nóng)藥、提升噴藥效果有積極幫助。農(nóng)業(yè)站的工作人員在規(guī)劃無人機飛行軌跡時，可以在軌跡上標記噴灑農(nóng)藥的坐標點；同時，為了保證噴藥效果，還需要標定具體的飛行參數(shù)，例如無人機的飛行高度、飛行姿態(tài)以及噴灑裝置的開度等。當農(nóng)業(yè)植保無人機執(zhí)行任務(wù)時，首先沿著軌跡飛行，以正確的高度、姿態(tài)到達指定坐標點后，開啟噴灑裝置并噴灑農(nóng)藥；當無人機飛行到標定的結(jié)束點后，隨即關(guān)閉噴灑裝置，沿著航線返回起始點。

3 農(nóng)業(yè)植保無人機飛行控制系統(tǒng)的算法設(shè)計

3.1 無人機姿態(tài)解算

3.1.1 數(shù)據(jù)校正

農(nóng)業(yè)植保無人機飛行控制系統(tǒng)中的加速度計由于受制作工藝、出廠調(diào)校等因素的影響，不同產(chǎn)品之間可能會存在零點誤差、靈敏度偏差；同時受到周邊電磁環(huán)境的影響，加速度計測量信號也容易摻雜噪聲，這些問題都會對無人機姿態(tài)解算結(jié)果造成不良影響。以靈敏度偏差為例，無人機的加速度計在三軸分量相等的情況下，若靈敏度不一致將導(dǎo)致測量結(jié)果出現(xiàn)明顯誤差。本文在設(shè)計無人機飛行控制系統(tǒng)時，選擇了“橢球擬合法”對這些存在誤差或偏差的數(shù)據(jù)進行校正。橢球擬合法的校正原理為：理論上，處于靜止狀態(tài)的加速度計，其重力的向量頂點會落在一個空間球面上，但是因為度量單位存在差異，該向量頂點最終會落在一個橢球上，這兩個頂點之間的坐標差即為偏移量。選擇一組離線測量數(shù)據(jù)和一個理想的橢球，讓橢球面上數(shù)據(jù)點到理想橢球面的平方和最小，根據(jù)這一關(guān)系可以建立理想橢球的三維空間方程組。求解該方程組，用所得結(jié)果校正加速度計的偏移量[5]。

3.1.2 坐標轉(zhuǎn)換

因為電路設(shè)計存在差異，在無人機姿態(tài)解算時經(jīng)常會出現(xiàn)磁力計坐標與IMU坐標不重合的情況，這時需要將IMU坐標系作為基準（即世界坐標系），然后將磁力計坐標轉(zhuǎn)換到IMU坐標上，進而解算出正確的姿態(tài)角。同樣地，對于測量到的磁通量，也要通過正球投射的方式計算出投射量在加速度計坐標系的旋轉(zhuǎn)矩陣，然后使用歸一化算法得到加速度計的旋轉(zhuǎn)矩陣。

3.1.3 姿態(tài)融合

農(nóng)業(yè)植保無人機的飛行姿態(tài)融合方法有多種，比較常用的有矩陣融合、歐拉角融合等，不同的姿態(tài)融合方式在適用場景和表示方法上存在差異。從調(diào)查情況來看，農(nóng)業(yè)植保無人機多為四旋翼，可以選擇歐拉角和四元數(shù)融合算法[6]。歐拉角由3個獨立的角參量構(gòu)成，分別是章動角、進動角、自轉(zhuǎn)角，使用該算法進行姿態(tài)融合的優(yōu)勢在于無人機的姿態(tài)更加直觀形象、易于理解，缺點是計算量較大。在使用歐拉角算法求解無人機姿態(tài)時，需要建立歐拉角微分方程，該方程中包含許多三角運算，計算量較大，因此該算法通常適用于無人機飛行姿態(tài)變化不大的情況[7]。相比之下，四元數(shù)算法則是利用4個變量描述物體在四維空間的旋轉(zhuǎn)，極大地提高了姿態(tài)解算的效率。在姿態(tài)解算時，首先定義1個四元數(shù)，利用四元數(shù)中的4個未知量建立線性微分方程組，通過求解方程組的方式，實現(xiàn)對無人機的姿態(tài)解算。

3.2 PID控制算法

PID控制算法中的比例（P）、積分（I）和微分（D）在無人機飛行控制系統(tǒng)中的作用如下：

1）比例調(diào)節(jié)。當飛行系統(tǒng)發(fā)生偏差時，通過比例調(diào)節(jié)縮小偏差。比例作用越大，則調(diào)節(jié)用時越少，但是過大的比例調(diào)節(jié)可能導(dǎo)致無人機飛行控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降。

2）積分調(diào)節(jié)。用于消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，可以提高系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)速度。

3）微分調(diào)節(jié)?？梢詫ζ钤谖磥硪欢螘r間內(nèi)的變化趨勢做出預(yù)測，從而根據(jù)預(yù)測結(jié)果提前采取控制策略，達到減少超調(diào)量、縮短調(diào)節(jié)用時的效果。同時，微分調(diào)節(jié)也可在一定程度上提升系統(tǒng)的動態(tài)性能[8]。

在無人機飛行姿態(tài)的調(diào)控中，PID控制算法的實現(xiàn)流程為：首先通過比例調(diào)節(jié)確定臨界震蕩的P值，適當減小P值并增加I值，觀察靜態(tài)誤差的變化，不斷調(diào)節(jié)P值和I值，直到靜態(tài)誤差完全消除。最后增加D值，達到抑制干擾的目的。

本文在設(shè)計農(nóng)業(yè)植保無人機飛行控制系統(tǒng)時，為了進一步增強姿態(tài)調(diào)控的穩(wěn)定性，選擇了角度單環(huán)PID控制算法與角速度環(huán)PID控制算法串聯(lián)的方式[9]。在PID控制系統(tǒng)中，以遙控數(shù)據(jù)（期望角度）作為輸入量，以傳感器的測量角度作為反饋量。分別采集俯仰角、翻滾角、偏航角數(shù)據(jù)，三者結(jié)合可以得到期望角速度。將角速度的期望值與測量值（反饋值）作差，計算結(jié)果作為角速度環(huán)PID控制器的輸入量，經(jīng)過處理后輸出PWM信號，利用該信號實現(xiàn)對多旋翼電機的控制，進而改變農(nóng)業(yè)植保無人機的飛行姿態(tài)。當無人機分姿態(tài)改變后，傳感器會繼續(xù)測量新的角度與角速度，再次將測量值與期望值對比，重復(fù)上述過程，從而實現(xiàn)閉環(huán)控制，保證了控制的穩(wěn)定性和精確性。

4 農(nóng)業(yè)植保無人機飛行控制系統(tǒng)的應(yīng)用優(yōu)勢

本文基于農(nóng)業(yè)植保作業(yè)需求設(shè)計的無人機飛行控制系統(tǒng)，具有以下應(yīng)用優(yōu)勢：第一，自動化程度高，對地面站遠程控制的依賴性小。農(nóng)業(yè)站工作人員可以在飛行控制系統(tǒng)的人機交互界面上自主規(guī)劃飛行線路，并根據(jù)農(nóng)田分布和施藥需要，在電子地圖上標定噴灑農(nóng)藥的起點和終點。當農(nóng)業(yè)植保無人機飛行到起點后，飛行控制系統(tǒng)發(fā)送指令開啟噴藥裝置，開始噴灑農(nóng)藥；當農(nóng)業(yè)植保無人機飛行到終點后，飛行控制系統(tǒng)再發(fā)送指令關(guān)閉噴藥裝置，結(jié)束噴藥任務(wù)[10]。在整個過程中，農(nóng)業(yè)站工作人員只需要遠程操控。第二，農(nóng)藥使用率高，噴施效果好，飛行控制系統(tǒng)會根據(jù)預(yù)設(shè)飛行參數(shù)改變自身的飛行高度、飛行姿態(tài)等，然后選擇最佳位置噴灑農(nóng)藥。這樣就能最大程度上避免高空中噴灑的農(nóng)藥隨風(fēng)飄散造成浪費，盡可能讓農(nóng)藥灑落到地面農(nóng)作物上，對降低噴藥成本和提高農(nóng)藥利用率有積極作用。第三，安全性高，利用農(nóng)業(yè)植保無人機代替人工噴灑農(nóng)藥，可以避免農(nóng)藥揮發(fā)、滲漏對人體健康產(chǎn)生的危害，整個噴藥過程基本上實現(xiàn)了無接觸操作，在用藥安全方面具有顯著的優(yōu)勢。

5 結(jié)語

將農(nóng)業(yè)植保無人機應(yīng)用到農(nóng)業(yè)植保作業(yè)中，除了能夠減輕勞動壓力、提高植保效率外，還能避免農(nóng)藥噴灑過程中對植保人員造成健康危害。為了保證農(nóng)藥噴灑的均勻性和有效性，對多旋翼無人機的飛行控制提出了嚴格要求。本文基于STM32F428IGT6芯片設(shè)計的無人機飛行控制系統(tǒng)，利用定位系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)、通信系統(tǒng)等，可以實時獲取無人機的飛行姿態(tài)、飛行高度等基本參數(shù)，在此基礎(chǔ)上利用規(guī)劃好的飛行軌跡，讓無人機沿著既定路線飛行，并發(fā)送控制指令讓無人機在合適位置噴灑農(nóng)藥，達到了遠程控制、自動作業(yè)的效果。