基于多旋翼自主飞行器的农药喷洒系统设计

唐中一+刘永康+李通

摘要：应用STM32F103ARM芯片作为核心处理器，设计了一种基于多旋翼自主飞行器的农药喷洒系统。与目前所见的多旋翼飞行器相比，增加自主飞行模式，解决遥控操作失误和通信失联的问题。系统利用GPS信号完成目标定位，气压计实现高度测定，通过磁力计解决飞行航向问题，系统采用CC2430可实现遥控介入。

关键词：处理器；多旋翼；磁力计；CC2430

中图分类号：S252+.3；V279+.2 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2017）10-1953-03

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2017.10.038

The Design of Pesticide Spraying System Based on Multi Rotor Autonomous Aircraft

TANG Zhong-yi， LIU Yong-kang， LI Tong

（Faculty of Automation， Huaiyin Institute of Technology， Huaian 223003， Jiangsu， China）

Abstract： Using STM32F103ARM chip as the core processor， a pesticide spraying system is designed based on autonomous vehicle. Compared with the existing multi rotor aircraft， the autonomous flight mode is added to solve the problems of remote control operation and communication. The system uses GPS signal to achieve the target of positioning， using barometer to achieve height measurement and through the magnetometer to solve the flight heading. At the same time， the system also adopts CC2430 which can realize the remote control intervention. Finally， the effectiveness of the method is verified by the software and hardware debugging.

Key words： processor； multi rotor aircraft； magnetometer； CC2430

農田的农药喷洒工作关系到农业丰产丰收工作，对于农村经济的发展至关重要。目前的农药喷洒工作主要依靠人力或电动（机动）喷雾器，劳动强度大、作业效率低，统防统治较困难。随着人口老龄化的日益严重，这种传统的农药喷洒方式的不足更加明显。

多旋翼飞行器作业时无需人工背负喷雾器，可通过遥控装置控制飞行器飞行、农药喷洒以及降落动作，可以减轻劳动强度[1-7]。喷洒农药时操作人员远离农药喷雾范围，减少人员中毒危险。但目前所见的基于多旋翼飞行器的农业喷洒系统大都需要无线遥控操作，对于遥控人员的熟练程度要求较高，需要进行培训，使用中的失误即可能导致飞行器坠毁[8，9]。余莉等[10]采用气压计获得四旋翼飞行器的高度信息，并利用垂直方向的加速度计补偿高度信息；何川等[11]应用四元数坐标，对加速度计、陀螺仪以及磁力计的信息进行融合，从而取得较为精确的姿态信息。

本研究设计的系统包括飞行器和遥控器，两部分均采用STM32F103为核心控制器件，集合了气压计、陀螺仪、加速度计以及磁力计等传感器。飞行器包括基于CC2430的无线接收模块、飞行控制系统模块、驱动模块和农药喷洒模块，可以通过一键式自主飞行和手动遥控两种模式。系统自主飞行模式，能够实现一键式完成起飞、巡航、喷洒农药以及降落的工作，可有效避免人工操作导致的飞行器坠毁问题，减少损失。

1 系统总体设计

四旋翼飞行器是一种有4个旋翼且旋翼呈十字形交叉的飞行器，具有不稳定、非线性、多变量、强耦合特性。其飞行航向和飞行姿态是通过控制4个旋翼电机的转速来实现的，主控芯片ARM根据陀螺仪和加速度计的信息解算出飞行器的飞行姿态，然后依据模糊PID控制算法获得电机转速，实现飞行器空中姿态的稳定与调整。

依据系统的特点和实际需求，系统分为主控单元、传感器组、电机调速单元、无线通讯单元、电源模块以及农药喷洒单元。如图1所示，主控单元为ARM芯片，作为系统的核心处理器；空中姿态检测单元核心传感器为陀螺仪和加速度计，给出飞行器的三轴角速度和三轴加速度；高度检测单元核心传感器为气压计，用于检测飞行器所处位置的大气压，从而可解算出当前所处的海拔高度；航向检测单元主要器件为磁力计和GPS，磁力计给出飞行器当前的三轴偏转角，GPS给出飞行器的经纬度，这5个数据作为调整飞行器的飞行航向输入量。无线通信定位单元以CC2430为核心，提供飞行器与遥控器之间的无线连接通道。电源模块分别为主控芯片、各单元、电机供给不同的电压。

系统总流程如图2所示，系统初始化，利用气压计完成对飞行器气压的测量，使飞行器上升定高。飞行器前行并利用GPS信号实时检测是否到达喷洒区域。在到达喷洒区域后进行喷洒作业并利用压力传感器检测农药是否完毕，若喷洒作业完成则返回起始点并减速降落。

2 系统单元结构设计

2.1 空中姿态检测单元（MPU-6050）

空中姿态检测单元选用的是拥有3轴陀螺仪、3轴加速器的器件MPU-6050。由于在芯片内部进行了整合免除了独立元件间的轴间误差的问题，数据传输采用I2C总线协议，节约I/O口资源，空中姿态检测流程如图3所示。I2C总线初试化，读取空中姿态检测单元中陀螺仪和加速度计的角速度和加速度，将读取的数值进行滑窗滤波处理，计算出飞行器的倾角。

2.2 高度检测单元（气压计MS5611）

采用MS5611-01BA测量飞行所在位置的大气压，气压检测流程如图4所示。I2C总线初始化，读取气压与温度出厂校准数据，经器件内部24位A/D转换实现数字量的输出，并利用温度补偿法计算出当前稳定的气压值。

2.3 航向检测单元（电子罗盘+GPS）

系统初始化后，利用电子罗盘和GPS模块实时读取磁矢量和当前经纬度信息。根据读取的信息解算出飞行器的偏航角，相应地调整飞行器的飞行姿态，以保证飞行器能朝目标区域飞行，航向检测流程如图5所示。

2.4 电机控制单元（PWM）

如图6所示，在初始化后，接收系统的调速命令，通过改变CCRx-val的值来生成不同占空比的PWM波形，最终通过调节PWM的占空比实现电机转速的调节。

2.5 液位检测单元（扩散硅压力变送器）

在初始化时给压力传感器设定下限值，当飞行器到达指定喷洒区域时读取压力传感器检测的数据，并经A/D转换将检测到的模拟量转化为数字量。若测定值高于设定值，则给喷洒标志位flag置1，即开启电磁阀进行农药喷洒作业；若测定值小于或等于设定值，则给喷洒标志位flag置0，即关断电磁阀，结束喷洒作业，液位检测流程如图7所示。

2.6 電源电量检测模块

多旋翼飞行器采用电池供电，电量不足可能导致控制策略失效，出现飞行器坠落事故，因此电量检测必不可少，电量检测流程如图8所示。

飞行器起飞前，对电源进行检测，若Battery_val<3.8，则系统电量不足，LED灯闪烁；若Battery_val>3.8时，系统电量充足，LED灯常量。飞行器起飞后，对电源进行检测，若Battery_val<3.2，则系统电量不足，LED灯闪烁；若Battery_val>3.2时，系统电量充足，LED灯常量。

3 PID控制算法结构分析

在动力学模型的基础上，将小型四旋翼飞行器实时控制算法分为两个控制回路，即位置控制回路和姿态控制回路。算法结构如图9所示，使用经典PID控制算法实现位置控制回路和姿态控制回路。通过角度P和角速度PID的双闭环PID算法，将角度的偏差作为期望输入到角速度控制器中。PID算法简单可靠，理论体系完备，而且在长期的应用过程中积攒了大量的使用经验，在飞行器位置和姿态控制应用中具有良好的控制效果，能提供控制量的较优解。

4 结论

双闭环PID控制回路算法应用提升了飞行器的抗干扰能力，提高在复杂气象条件下工作的可行性，而自主起飞、降落功能的实现对于农药喷洒系统在农业中的应用有着积极的意义。

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