用于温室环境空间分布监测的微型飞行器研发

房俊龙，孙志佳，张　馨，宋金龙，吴文彪，崔忠辉

(1.东北农业大学 电气与信息学院，哈尔滨　150030；2.北京农业信息技术研究中心，北京　100097；3.曲阜师范大学 物理工程学院，山东 曲阜　273165 )



用于温室环境空间分布监测的微型飞行器研发

房俊龙1，孙志佳1，张馨2，宋金龙1，吴文彪2，崔忠辉3

(1.东北农业大学 电气与信息学院，哈尔滨150030；2.北京农业信息技术研究中心，北京100097；3.曲阜师范大学 物理工程学院，山东 曲阜273165 )

摘要：测量并了解温室空间环境分布情况对于温室性能评估、精细环境调控及病害预警至关重要，传统单点测量不能反映温室环境整体情况，而布设大量有线/无线传感器测量方式，对成本及生产提出很高的要求。为此，设计了一款微型四旋翼飞行器并在其上集成环境测量传感器，采用超声波测距传感器解决了飞行器在温室内定位、避障等实际应用问题，实现温室空间环境可靠、稳定、快速获取。同时，开展飞行器温湿度采集可行性评估、平面空间温湿度监测试验，探索微型飞行器在温室空间环境监测的可行性。实验结果表明：飞行器测量结果与真实值相比具有一定偏差，但偏差很小，最大不超过1℃，微型飞行器用于温室室内空间环境快速监测是可行的。

关键词：微型四旋翼飞行器；温室；空间信息采集；自主定位导航；自主避障

0引言

微型四旋翼飞行器具有垂直起降、定点悬停、结构简单、易于控制等特点，可以在小空间内完成监测任务[1]。近年来，由于微处理器技术的进步、新型材料的应用、传感器工艺的提高、电池续航能力的提升、动力装置的改善及控制算法的改进，为四旋翼飞行器的应用提供了技术支撑[2-3]。已有商用产品如德国Microdrones 公司的MD4-200，我国大疆公司的F450、F550、精灵系列等。四旋翼飞行器最初用于军事侦察，如空中监察战场、目标跟踪与定位、电子对抗和敌情获取等[7]。目前，在民用方面应用较多的如航拍、农药喷洒、植物保护、灾情信息收集及城市环境监测等[9-11]。中国农业大学植物营养系与北京星马航空科技有限公司合作，使用无人机进行农药喷洒，提高了农药的喷洒效率，节约了成本，提高了农民的经济效益[12-13]。北京农业信息技术研究中心研制出了U-VICs无人机遥感系统，克服了有人机遥感受航时，恶劣气候条件及危险工作环境的影响，弥补了卫星遥感由于天气和时间无法获取目标区域信息的缺陷，并能提供多角度、高分辨率影像，避免了地面遥感范围小、视野窄及工作量大等问题[14]。以上应用主要集中在室外空旷大环境下，由于诸多限制未能在温室环境中应用。

温室环境信息测量调控在生产中至关重要，传统通过单一测量点反映温室整体环境已不能满足需求，经常出现生长不一致、局部病害滋生等问题。因此，需要了解整个温室空间环境信息的空间分布实现精准环境调控，为作物提供均一、适宜的物理环境。目前，已有的测量方法有直接测量法和模型模拟法：直接测量主要通过在监测空间布置大量的无线传感器或有线传感器节点测量周围空间环境信息的分布情况[15-16]，但因布点过多会影响正常生产；模拟测量法是通过建立温室的数学模型，运用计算机模拟仿真技术，了解整个温室空间环境信息的分布规律，模拟结果可作为环境调控的依据[17-18]。模拟法依赖模型的精度，同时温室内作物不同对预测模型提出很大挑战，因此采用微型的四旋翼飞行器测量温室空间环境信息，能够很好地解决以上问题。但直接在温室里使用微型四旋翼飞行器，还需要解决在温室内避障、定位导航、自主飞行及动力能源等方面的问题。

本设计通过在飞行器上加装激光测距传感器、超声波传感器、气压计及环境测量传感器等，开展飞行器硬件和软件程序设计，开发了一种在温室内简单避障、定位导航、自主飞行并能够进行空间环境信息测量的微型四旋翼飞行器，为温室性能评估及温室环境调控提供数据支撑。

1系统结构

温室空间环境信息采集系统是由微型四旋翼飞行器构成的空间环境信息采集平台、温室环境控制器及环境调控执行机构组成。空间环境信息采集平台主要负责空间环境信息采集传输功能；通过PC机编辑航点，并将航点写入采集平台，采集平台根据预设航点信息，自主起飞并按照预设航点信息飞行进行环境信息采集及数据实时传输。环境控制器能够与空间采集平台实现双向通信，实现空间数据的接收、存储、显示及飞行器控制等功能，并对整个温室空间环境信息的分布情况进行分析，分析结果作为温室环境调控决策的依据；根据环境控制器分析的结果，发出相应环境调控指令，控制执行机构(如风机、通风电极、帘幕等)根据指令做出相应的动作，实现环境调控。系统结构如图1所示。

图1　系统结构框图

空间环境信息采集平台是本设计的重点。微型四旋翼飞行器作为空间信息采集平台，在温室内飞行在整体布局形式上与常规飞行器相比，应具有结构更为紧凑、一定载荷量、体积小、质量轻、飞行灵活，以及长航时等特点，本设计围绕以上特点进行空间环境信息采集平台的设计制作。

2硬件设计

2.1飞行器飞控硬件设计

四旋翼飞行器的飞行控制系统硬件主要包括飞行控制器、姿态测量传感器、低压报警电路、无线数据传输模块、超声波传感器、气压高度计及激光测距传感器。由于飞行器的特殊要求，在主控制器的选择上需要充分考虑芯片的体积、功耗、可靠性、成本及运算能力等各方面参数。本设计选用Atmel公司的AVR2560控制芯片作为核心处理器。AVR单片机具有高速、低功耗、保密性高、I/O驱动能力强等特点，具有14组PWM输出、16组ADC、4组USART接口、54个数字I/O、1个硬件I2C总线接口及1个硬件SPI总线接口，能够满足与传感器设备通信、控制算法运算及快速PWM输出等功能[19]。机载控制器能够处理各种传感器信息并控制环境测量传感器数据的发送。微型四旋翼飞行器的姿态控制是保证飞行器稳定飞行的前提，因此需要快速准确的姿态信息测量。设计采用MPU6000传感器结合电子罗盘、气压高度计、超声波传感器组成飞行姿态测量系统，实现准确快速的姿态测量。MPU-60X0是全国首例9轴运动传感器，集成了3轴MEMS陀螺仪、3轴MEMS加速度计，以及可扩展的的数字运动处理器DMP，可用I2C接口连接1个第三方传感器，扩展之后可以输出1个9轴传感器信息。MPU-60X0内置DMP可以输出6轴或9轴的旋转矩阵、四元数、欧拉角格式的融合演算数据，大大减少了MCU进行复杂数据融合演算的过程。HMC5883电子罗盘用于修正偏航角的测量误差，实现航向控制。MB1242超声波传感器和MS5611气压计数据，通过数据融合演算实现飞行高度的控制。报警电路用于电池电压的监测实现低压报警功能。无线传输模块用于数据信息的无线传输。

设计选用了450mm轴距的四旋翼机架。四旋翼飞行器的动力选用维奇AS2216无刷直流电机，配合1045螺旋桨，采用航模动力锂电池作为整个飞行控制系统的动力能源。动力和能源装置的质量在四旋翼飞行器整机质量占据很大比例，合理地搭配能够达到最大的飞行效果。设计采用好盈公司的Sky Walker系列20A四合一电子调速器，其与4个独立的电调相比更加集中，使结构更为紧凑。总体硬件设计框图如图2所示。

图2　总体硬件设计框图

2.2飞行器性能指标

四旋翼飞行器有多种材质和尺寸可供选择，针对在温室内飞行的需求必须保证拥有足够的负载能力、较强的机械强度、小巧的外型和轻盈的机身。设计选用无刷电机配合螺旋桨最大拉力约为860g，四旋翼飞行器最大起飞质量约为2.84kg，具有大约1.5kg的负载能力。四旋翼飞行器配备3S航模动力锂电池，在不携带负载的情况下能够正常飞行10min，携带1kg左右负载的情况下能够悬停8min左右。飞行器选用的X模式机架结构，飞行方式更加灵活。

2.3自主定位导航及避障系统

目前，导航方法主要有基于视觉的自主定位导航、基于GPS的自主定位导航及基于激光测距仪的自主定位导航[20]，各有优缺点。本设计采用KLH-100激光测距传感器、MS5611气压传感器、HMC5883L电子罗盘及MB1242超声波传感器构成室内定位导航及避障系统的硬件。激光测距传感器通过测量飞行器距离温室墙壁距离信息来确定其水平面坐标并感知飞行前方障碍物信息。气压高度计及超声波传感器测量距离地面的高度信息，进而确定飞行器在整个温室内立体的三维坐标，最终确定飞行器在温室内的空间位置；电子罗盘得到飞行器的航向信息，通过程序控制实现飞行器在温室内自主定位导航。飞行器通过激光测距传感器感知的障碍物信息并结合程序控制，实现1m以内的障碍物躲避，障碍物距离大于1m默认前方无障碍物。自主定位导航实现如图3所示。

图3　自主定位导航框图

3软件系统设计

3.1软件系统总体设计

微型四旋翼飞行器控制系统软件是在其硬件的基础上根据功能和系统需求来设计实现的，是飞行器在温室空间内进行数据传输、监测、控制、自主定位导航、避障等功能的具体实现过程。程序设计采用模块化的设计思想，总的设计目标是协调各个功能模块有序运行，根据控制算法实现稳定飞行。本设计首先对飞行控制系统进行总体的软件设计，然后针对各个模块进行具体的软件实现。飞行控制系统的软件总体工作流程图如4所示。

飞控程序工作流程如下：系统初始化部分，包括定时/计数器初始化、串口初始化、外接传感器接口初始化、中断向量初始化、AD采集初始化及参数初始化等；自检过程包括外部传感器联机检查、通信检查、保护及电压检测和四旋翼飞行器水平检查等。自检合格以后进入程序主循环，飞行器在主循环中完成各个功能模块的调用、姿态检测与控制、自动增稳、自主定位导航、自主避障，以及控制电机等功能。

图4　软件系统工作流程图

3.2自主定位导航软件实现

飞行控制器通过读取安装在前方和侧方的激光传感器数据确定水平方向上的坐标。对气压高度计及超声波传感器处理得到垂直方向上的坐标，最终确定飞行器在温室空间立体三维坐标，实现温室空间定位。电子罗盘信息确定飞行器机头方向，编写程序实现飞行器方向的控制。飞行器自主定位导航程序工作流程如下：首先通过PC机编辑航点信息并载入飞控存储区，将第一航点信息设置在起飞点附近，使飞行器能够快速进入航点飞行。考虑飞行器使用3S锂电池供电，空载飞行时间约为10min左右，航点不宜设置过多；载入航点之后，飞行器上电自主起飞，通过导航控制算法将当前位置和存储区航点信息进行对比确定导航方案，实现温室内的自主定位导航；每个航点根据要求悬停进行环境信息采集，执行完最后一个航点之后返航并进行自主降落。自主定位导航程序工作流程如图5所示。

图5　自主定位导航系统工作流程图

3.3自主避障软件设计

四旋翼飞行器在复杂环境中进行自主避障，一直以来都是四旋翼飞行器智能飞行研究的难点，也是目前飞行器智能控制需要解决的难题。设计的微型四旋翼飞行器，根据在温室内飞行的需求，进行了简单的避障设计，但本设计还不能够达到飞行器在复杂环境中智能避障控制的需求。主控制器通过在飞行器飞行过程中读取激光测距传感器信息，进行障碍物感知，根据编写的程序控制算法，确定飞行器的避障控制策略，实现在温室内飞行过程中的简单避障功能。激光测距传感器对于微型四旋翼飞行器，具有定位及障碍物信息感知双重功能。避障子程序的工作流程如下：首先，飞行器在飞行过程中利用激光测距传感器进行障碍物距离信息监测，如果检测到距离大于1m认为飞行方向上无障碍物，否则认为有障碍。若有障碍物则将障碍物信息传递给主控制器，主控制器根据障碍物信息进行决策确定避障控制策略，发送相应控制指令，控制电机驱动模块输出不同的PWM控制信号，控制飞行器的转向或悬停等各种避障动作，实现飞行器简单的自主避障功能。具体避障程序流程如图6所示。

图6　避障程序流程图

4试验及数据分析

4.1试验器材及步骤

2015年1月30日在北京农业信息研究中心的日光温室内开展飞行器温湿度采集可行性评估及平面空间温湿度监测试验。试验器材主要包括：主动式无线温湿度传感器系统(AWSN-1)，敏感元件为瑞士盛世瑞恩的SHT11温湿度传感器及微型四旋翼飞行器。主动式无线温湿度测量系统是北京农业智能装备技术研究中心研发的一款低功耗无线温湿度测量系统，主要用于设施农业、库房、暖通等场合进行温湿度测量，测量数据通过上位机界面实时显示并且能够将数据导出进行分析。

试验通过主动无线数据采集软件进行数据记录，传感器主动上传时间间隔设为10s。首先进行试验的准备工作，包括试验设备的组装、通信的调试及传感器一致性校验，选出一致性好的传感器用于试验。

试验分为两组：第1组为可行性评估试验，通过支架将传感器节点固定，高度为1m，置于试验区域；微型四旋翼飞行器携带传感器节点飞到支架附近悬停进行温湿度测量，测量8min。

第2组为平面空间监测试验，水平和垂直方向间隔2m分别选定3个区域，共9个区域，采用传感器节点及微型四旋翼飞行器，分别在9个区域，高度1m的水平面上进行空间平面温度测量，每个区域测量1min。最后，通过试验数据分析，说明使用微型四旋翼飞行器进行温室空间环境信息测量的可行性及准确性。温室内测量试验如图7所示。

图7　温室内测量试验

4.2试验数据分析

4.2.1可行性评估实验数据分析

试验过程中主动式无线温湿度系统工作良好，数据记录可靠有效。温室内单点测量试验数据如表1所示。选取2015年2月1日上午11∶09-11∶16代表性的数据进行分析，由表1可知：在微型四旋翼飞行器起飞与降落过程测量的温度数据略高于传感器节点的温度，湿度数据变动不大；在正常悬停测量中微型四旋翼飞行器测量温度数据普遍低于传感器节点的测量的数据，湿度数据基本正确。起飞与降落温度偏高是由于飞行器测量高度未到达悬停的高度所造成。飞行器正常悬停测量的温度低于传感器节点，主要原因是微型四旋翼飞行器旋翼快速转动产生气流变动的影响。由以上数据分析结果可知：虽然旋翼转动对测量结果有一定的影响，但通过技术手段削弱其影响，将微型四旋翼飞行器用于空间环境测量是可行的。

表1　温室单点测量数据

4.2.2平面空间监测实验数据分析

平面空间温度分布如图8所示。其中，左右两图分别为传感器节点与微型四旋翼飞行器，在9个试验测量区域测量得到的高度为1m平面的温度分布情况。由图8分析可知：除微型四旋翼飞行器起飞地点略高于传感器测量点温度外，飞行器测量得到各个区域的温度分布普遍低于传感器节点测量温度的区域温度，但最大偏差不超过1℃。造成微型四旋翼飞行器测量的温度普遍偏低的主要因素是微型四旋翼飞行器旋翼转动产生快速变动气流的影响。设计的微型四旋翼飞行器可以通过优化飞行器的机架结构使温度测量传感器尽量远离旋翼或改变旋翼的大小来解决气流变动的影响。旋翼转动带来的空气流动的影响是值得进一步研究的问题，也是微型四旋翼飞行器能否获取准确的空间环境数据的关键性问题。

图8　平面空间温度分布图

5结论

1)由温室内进行的可行性评估试验的分析结果可知：微型四旋翼飞行器测量得到的空间数据与真实值有一定的偏差，但偏差不大。由于飞行器促进空气流通，其测量结果更能反映当前环境，因此运用微型四旋翼飞行器进行空间环境信息采集是可行的。

2)平面空间监测试验的结果，进一步验证了可行性评估试验的结论；微型四旋翼飞行器旋翼转动带来的空气快速流动，对测量结果产生了一定的影响。在后续的研究过程中，还需进行大量的试验，分析气流变动的影响，旋翼转动带来的影响是值得进一步研究的问题。

3)微型四旋翼飞行器在进行空间环境信息采集的过程中飞行时间最大为8min，时间有限，不能够进行长时间测量。因此，微型四旋翼飞行器的续航问题也是后续研究的重点。

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Development of MAV for Monitoring Spatial Distribution of Greenhouse Environment

Fang Junlong1, Sun Zhijia1, Zhang Xin2, Song Jinlong1, Wu Wenbiao2, Cui Zhonghui3

(1.College of Electrical and Information, Northeast Agricultural University,Harbin 150030,China； 2. Beijing Research Center for Information Technology in Agriculture, Beijing 100097, China； 3.College of Physics & Engineering, Qufu Normal University, Qufu 273165, China)

Abstract：Measure and understand the distribution of greenhouse space environment for greenhouse performance evaluation, fine environmental control, disease is crucial warning, the traditional single-point measurement does not reflect the overall situation of the greenhouse environment, and laid a lot of wired / wireless sensor measurement, cost and production for the very high demand. Article designed a miniature four-rotor aircraft and in its integrated environmental measurement sensors, as a means of monitoring greenhouse space environment information, to solve the shortcomings of current greenhouse environment monitoring the distribution of the space environment monitoring, to achieve fine greenhouse environment regulatory and greenhouse performance evaluation plays an important role. And carry out the temperature and humidity in the greenhouse aircraft acquisition feasibility assessments, flat space temperature and humidity monitoring two groups of tests. The results show that: the aircraft measurements compared with the real value of a certain bias, but the deviation is small, you can use the micro four-rotor measuring spatial environmental information.

Key words：MAV; greenhouse; space information collection; autonomous navigation; autonomous obstacle avoidance

文章编号：1003-188X(2016)03-0008-06

中图分类号：S625.5;S625.3

文献标识码：A

作者简介：房俊龙(1971-)，男，黑龙江延寿人，教授，博士生导师，(E-mail)junlongfang@126.com。通讯作者：吴文彪(1981-)，男，江苏盐城人，助理研究员，硕士，(E-mail)wuwb@nercita.org.cn。

基金项目：国家高技术研究发展计划(863计划)项目(2013AA103005)；北京市农林科学院科技创新能力建设专项(KJCX20140203)

收稿日期：2015-02-10