基于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的農(nóng)業(yè)無(wú)人機(jī)航線控制系統(tǒng)

趙 峰，姜 攀

(武漢商學(xué)院 現(xiàn)代教育技術(shù)中心,武漢 430000)

0 引言

無(wú)人機(jī)是一個(gè)由飛行器、控制站、通訊設(shè)備和其它部件形成的系統(tǒng)，最早出現(xiàn)在1914年，至今已經(jīng)具有多種類(lèi)型和功能[1]。無(wú)人機(jī)的飛行平臺(tái)有固定翼和旋翼兩種，固定翼無(wú)人機(jī)出現(xiàn)得較早，最初被用來(lái)進(jìn)行軍事情報(bào)的收集。在新技術(shù)的推動(dòng)下，美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家研制了集偵察和打擊功能于一體的機(jī)型，開(kāi)辟了無(wú)人機(jī)應(yīng)用的新領(lǐng)域[2]。旋翼無(wú)人機(jī)出現(xiàn)的較晚，但具有垂直起降能力，因此無(wú)需滑跑距離，可以在復(fù)雜的環(huán)境條件下起降。另外，旋翼無(wú)人機(jī)的機(jī)動(dòng)性強(qiáng)，能夠在空中懸停、垂直升降和大幅度轉(zhuǎn)彎，且在設(shè)計(jì)制造難度和負(fù)載能力上具有優(yōu)勢(shì)[3]?；谶@些特點(diǎn)，近些年旋翼無(wú)人機(jī)迅速推廣，在農(nóng)業(yè)方面主要的應(yīng)用包括農(nóng)藥噴灑、信息監(jiān)測(cè)、農(nóng)業(yè)保險(xiǎn)勘察等，成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)和智能農(nóng)業(yè)的重要組成部分[4-7]。

農(nóng)業(yè)無(wú)人機(jī)在飛行過(guò)程中，由于受到各種氣象條件、載荷變化及定位導(dǎo)航誤差的影響，其實(shí)際航線與規(guī)劃航線之間會(huì)存在不同程度的偏差。航線偏離不僅降低了農(nóng)業(yè)無(wú)人機(jī)的作業(yè)質(zhì)量，還會(huì)增加能耗導(dǎo)致續(xù)航能力縮短，從而影響作業(yè)效率。例如，植保無(wú)人機(jī)航線偏離會(huì)導(dǎo)致藥液的漏噴和重復(fù)噴灑，動(dòng)力能源浪費(fèi)使得航程縮短；農(nóng)業(yè)信息監(jiān)測(cè)無(wú)人機(jī)航線偏離則導(dǎo)致部分田塊被遺漏，降低了所獲取信息的完整性。因此，航線規(guī)劃的合理性和航線控制的精確性是農(nóng)業(yè)無(wú)人機(jī)的重要性能指標(biāo)，對(duì)作業(yè)效率、質(zhì)量及成本具有極大影響，這一性能也成為人們研究的熱點(diǎn)。

最初的農(nóng)業(yè)無(wú)人機(jī)航線由人工遙控控制，操作人員工作負(fù)荷和技術(shù)難度較大，反應(yīng)容易滯后，對(duì)航線的控制效果不理想。后來(lái)，人們?cè)O(shè)計(jì)了多種對(duì)無(wú)人機(jī)航線進(jìn)行規(guī)劃和優(yōu)化的算法，為無(wú)人機(jī)航線的精確控制奠定了基礎(chǔ)[8-10]。在航線的控制方面，韓泉泉等提出了一種二維坐標(biāo)航線控制律，在仿真試驗(yàn)中表現(xiàn)出良好的航線跟隨性能[11]。盧璐等利用RTK技術(shù)和北斗衛(wèi)星對(duì)植保無(wú)人機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，大幅提高了航線的精確度[12]。吳俊成等提出了基于誘導(dǎo)航線的協(xié)調(diào)控制方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)多無(wú)人機(jī)編隊(duì)飛行的精確控制[13]。

無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)是一種與無(wú)人機(jī)緊密結(jié)合的技術(shù)，可用于控制無(wú)人機(jī)的航線。無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)是以嵌入式技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，以及傳感器技術(shù)為基礎(chǔ)發(fā)展起來(lái)的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，可以用于軍事、工業(yè)和農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域。這一技術(shù)在監(jiān)控區(qū)域安裝大量的智能傳感器，經(jīng)過(guò)無(wú)線通信和自動(dòng)組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的信息獲取和跟蹤。現(xiàn)代的無(wú)人機(jī)上安裝了各種傳感器，以便監(jiān)測(cè)自身的工作狀態(tài)和故障情況。另外，由于無(wú)人機(jī)體積較小，布置通信線路會(huì)浪費(fèi)寶貴的空間和載荷，所以適合采用無(wú)線方式進(jìn)行通信。因此，無(wú)人機(jī)成為無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)理想的應(yīng)用平臺(tái)，二者的結(jié)合也是必然的發(fā)展趨勢(shì)[14]。

根據(jù)技術(shù)特點(diǎn)，無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)用于輔助無(wú)人機(jī)進(jìn)行農(nóng)田信息監(jiān)測(cè)和航路規(guī)劃。張波等針對(duì)惡劣環(huán)境中農(nóng)田信息采集困難的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了基于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明其具有較長(zhǎng)的生命周期、可靠的傳輸數(shù)據(jù)和廣闊的覆蓋面積[15]。汪成亮等針對(duì)大規(guī)模部署的傳感器，提出了規(guī)則化快速路徑規(guī)劃算法，提高了路徑規(guī)劃的精度和效率[16]。

無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)具有在無(wú)人機(jī)航線控制上的應(yīng)用潛力，但由于技術(shù)上的瓶頸，其優(yōu)勢(shì)沒(méi)有得到充分的發(fā)揮。目前，對(duì)無(wú)人機(jī)航線控制的改進(jìn)主要集中在算法的設(shè)計(jì)和優(yōu)化上，而對(duì)硬件及系統(tǒng)整合的研究還相對(duì)較少。本文基于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計(jì)了一個(gè)無(wú)人機(jī)的航線控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)以裝載在無(wú)人機(jī)上的各種傳感器收集無(wú)人機(jī)的速度、方位和風(fēng)向風(fēng)速信息，通過(guò)無(wú)線方式發(fā)送給匯聚節(jié)點(diǎn)，再上傳到控制中心；控制中心分析上述信息，計(jì)算無(wú)人機(jī)飛行航線與設(shè)定航線的偏離情況，并發(fā)出指令對(duì)其航線進(jìn)行控制和調(diào)整。

1 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及組成

1.1 總體設(shè)計(jì)

航線控制系統(tǒng)由無(wú)人機(jī)平臺(tái)、傳感節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)和控制中心4個(gè)部分組成，其工作流程如圖1所示。傳感節(jié)點(diǎn)為各種小型傳感器，安裝在無(wú)人機(jī)平臺(tái)上用于采集無(wú)人機(jī)的速度、方位和風(fēng)向風(fēng)速等信息。采集的信息通過(guò)無(wú)線方式發(fā)送給地面的匯聚節(jié)點(diǎn)。匯聚節(jié)點(diǎn)的通訊范圍大，是無(wú)人機(jī)平臺(tái)與控制中心之間聯(lián)系的紐帶，將傳感節(jié)點(diǎn)采集的信息上傳給控制中心?？刂浦行氖紫冗M(jìn)行無(wú)人機(jī)航線規(guī)劃和飛行參數(shù)設(shè)定，在起飛后顯示飛行狀態(tài)?？刂浦行慕邮諅鞲泄?jié)點(diǎn)采集的信息后進(jìn)行分析，計(jì)算實(shí)際航線偏離設(shè)定航線的情況，并根據(jù)無(wú)人機(jī)所處的環(huán)境發(fā)出航線控制和調(diào)整指令。指令通過(guò)匯聚節(jié)點(diǎn)發(fā)送給無(wú)人機(jī)的飛行姿態(tài)控制設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)航線的控制。

圖1 航線控制系統(tǒng)的工作流程Fig.1 Workflow of the path controlling system

1.2 系統(tǒng)組成

無(wú)人機(jī)平臺(tái)選用大疆精靈Phantom 4型旋翼無(wú)人機(jī)，在滿(mǎn)載5kg的情況下可以連續(xù)飛行30min；定位方式為GPS/GLONASS兩種，無(wú)線傳輸距離最遠(yuǎn)7km。無(wú)人機(jī)自帶電源，飛行姿態(tài)控制設(shè)備包括方向舵、副翼舵和升降舵，舵面根據(jù)飛行控制算法軟件提供的方案進(jìn)行偏轉(zhuǎn)，改變無(wú)人機(jī)的飛行方向和姿態(tài)使其按照預(yù)設(shè)航線飛行。無(wú)人機(jī)還安裝各種傳感器、自駕儀和飛行控制設(shè)備，其通訊設(shè)備支持多種通訊協(xié)議和通訊接口，能夠與空中或地面設(shè)備有效連接。

無(wú)人機(jī)上裝載的傳感節(jié)點(diǎn)由各型傳感器組成，包括XV-8000CB型角速度傳感器和CZ3-X-Y型加速度傳感器，用于采集無(wú)人機(jī)飛行的速度信息；BA5803型氣壓高度傳感器，用于測(cè)量無(wú)人機(jī)的飛行高度；中科能慧的NHFS47型風(fēng)速風(fēng)向傳感器，用于測(cè)定瞬時(shí)的風(fēng)向和風(fēng)速。

匯聚節(jié)點(diǎn)的核心是CC2530型芯片，作用是與傳感節(jié)點(diǎn)建立連接并對(duì)其進(jìn)行綁定和解除設(shè)置。匯聚節(jié)點(diǎn)與傳感節(jié)點(diǎn)之間的無(wú)線連接采用ZigBee技術(shù)，其通信距離遠(yuǎn)、抗干擾能力強(qiáng)，可以適應(yīng)復(fù)雜的自然環(huán)境。匯聚節(jié)點(diǎn)與控制中心之間的有線連接采用UART接口，將采集的數(shù)據(jù)上傳，并接受查詢(xún)和控制指令。匯聚節(jié)點(diǎn)的部件有天線、無(wú)線通信器、功率放大器、信息處理器和對(duì)外接口，連接方式如圖2所示。

圖2 匯聚節(jié)點(diǎn)的組成部分Fig.2 Constituent parts of sink node

控制中心安裝在地面站，包括服務(wù)器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)庫(kù)、地理信息庫(kù)和網(wǎng)絡(luò)寬帶等。服務(wù)器為聯(lián)想X3550M5型，配置16GB的DDR4內(nèi)存和2TB硬盤(pán)，各種數(shù)據(jù)庫(kù)和信息庫(kù)存儲(chǔ)在其中。軟件為大疆DJIGS Pro專(zhuān)業(yè)版，可以規(guī)劃無(wú)人機(jī)的航線，實(shí)時(shí)控制飛行姿態(tài)。控制中心的作業(yè)在于將采集的信息統(tǒng)計(jì)分析，并根據(jù)分析結(jié)果做出決策，形成航線控制指令。另外，控制中心還用于飛行參數(shù)設(shè)定和飛行狀態(tài)顯示。

2 軟件設(shè)計(jì)和控制算法

傳感節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)之間的無(wú)線通信協(xié)議是目前廣泛使用的ZigBee2007版協(xié)議，由TI公司提供。首先將傳感節(jié)點(diǎn)初始化，然后搜索可用的信道并發(fā)出加入申請(qǐng)，由匯聚節(jié)點(diǎn)接受綁定入網(wǎng)。傳感節(jié)點(diǎn)在未采集信息時(shí)處于休眠狀態(tài)以節(jié)省電量，在設(shè)定的時(shí)間點(diǎn)自動(dòng)開(kāi)啟進(jìn)入采集狀態(tài)，并把采集的信息處理后發(fā)送給匯聚節(jié)點(diǎn)。

匯聚節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)后首先將硬件、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和附屬設(shè)備初始化，然后讀取網(wǎng)絡(luò)信息表，建立ZigBee連接；在收到傳感節(jié)點(diǎn)的組網(wǎng)申請(qǐng)后，匯聚節(jié)點(diǎn)解除綁定的程序，作為橋梁執(zhí)行傳感節(jié)點(diǎn)與控制中心之間信息互通功能。

對(duì)航線的控制通過(guò)二維坐標(biāo)系跟隨算法來(lái)完成。首先構(gòu)建速度及垂直方向的二維坐標(biāo)系，計(jì)算速度方向上的角速度，獲得無(wú)人機(jī)在坐標(biāo)系上投影的航線。若要無(wú)人機(jī)按照規(guī)劃的航線飛行，則其在坐標(biāo)系中投影的實(shí)際航向角等于理論的航向角；控制中心按照這一原則提供指令，使無(wú)人機(jī)不斷地調(diào)整航向，逐漸逼近規(guī)劃的航向；當(dāng)二則差異為零時(shí)，無(wú)人機(jī)則完全按照規(guī)劃的航線飛行。

3 試驗(yàn)結(jié)果和分析

將無(wú)人機(jī)在安裝這套航線控制系統(tǒng)前后分別進(jìn)行飛行試驗(yàn)，安裝該系統(tǒng)之前的無(wú)人機(jī)采用傳統(tǒng)航線控制方式。規(guī)劃的航線有直線和曲線兩種，曲線為半徑4km的圓形；飛行期間每隔100s記錄一次實(shí)際航線與規(guī)劃航線的偏離值，比較兩種方式對(duì)航線的控制精度。

試驗(yàn)結(jié)果如圖3和圖4所示。比較兩種方式的航線偏差發(fā)現(xiàn)：由無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)控制的無(wú)人機(jī)能夠快速地回歸到規(guī)劃航線上來(lái)，航線偏差值也更小。由此說(shuō)明：該無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)對(duì)直線和曲線航線的跟蹤更加穩(wěn)定，體現(xiàn)出較高的航線控制精確度。

圖3 直線飛行的航線偏差Fig.3 Tracking error of straight flight

圖4 曲線飛行的航線偏差Fig.4 Tracking error of curve flight

4 結(jié)論

基于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計(jì)了一個(gè)無(wú)人機(jī)的航線控制系統(tǒng)。航線控制系統(tǒng)由無(wú)人機(jī)平臺(tái)、傳感節(jié)點(diǎn)及匯聚節(jié)點(diǎn)和控制中心4個(gè)部分組成，對(duì)航線的控制通過(guò)二維坐標(biāo)系跟隨算法來(lái)完成。試驗(yàn)結(jié)果表明：由無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)控制的無(wú)人機(jī)能夠快速地回歸到規(guī)劃航線上來(lái)，保持穩(wěn)定后的航線偏差值也更小。該無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)對(duì)直線和曲線航線的跟蹤更加穩(wěn)定，體現(xiàn)出較高的航線控制精確度。