基于無線傳感網(wǎng)的無人機精準(zhǔn)噴藥系統(tǒng)研究

郭 意

(成都工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,成都 610000)

0 引言

無人機是一種具有遠(yuǎn)程操作或者自主飛行的無人駕駛航空器,能夠在無人駕駛的情況下執(zhí)行多種任務(wù),且可以重復(fù)使用,主要構(gòu)成為動力裝置和導(dǎo)航模塊[1]。目前,無人機的航空器平臺主要分為固定翼平臺和旋翼平臺。相較于固定翼飛機,旋翼飛機由于其具有負(fù)載能力方面的優(yōu)勢,且機動性強,可以實現(xiàn)垂直升降、大幅度轉(zhuǎn)彎等靈活性強的動作,因此在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用較廣,如獲取農(nóng)田信息及農(nóng)藥噴灑等[2]。

由于傳統(tǒng)噴藥技術(shù)不安全且效率低下,遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足行業(yè)需求,航空直保無人機應(yīng)運而生。噴藥無人機主要由飛行平臺、GPS飛控和噴灑機構(gòu)組成,其噴灑作業(yè)由地面遙控或者GPS飛控控制實現(xiàn)。由于航空直保無人機具有空中作業(yè)效率高、不受地理因素制約的優(yōu)點,經(jīng)測算,在麥田除草作業(yè)過程中,其工作效率比地面機械除草效率高5～7倍,更是人工噴霧除草效率的200～250倍[3];同時具有環(huán)境污染少、操作安全、勞動強度低,以及人工成本少等優(yōu)點。然而,航空直保無人機的使用仍受到很多限制,存在很多技術(shù)難題,如對不能遍歷農(nóng)作物區(qū)域、航線偏離導(dǎo)致農(nóng)藥的浪費和環(huán)境的污染問題,還有人工控制無人機導(dǎo)致航線控制不理想等問題。

無線傳感網(wǎng)絡(luò)(WSN)是結(jié)合了計算機、通信和傳感器3種技術(shù)的產(chǎn)物,在軍事、環(huán)境和工農(nóng)業(yè)方面應(yīng)用非常廣泛[4]。是在監(jiān)控區(qū)域內(nèi)安裝了大量的職能監(jiān)控器節(jié)點,采用單跳或者多跳的通信方式,使用無線通道通過自組織網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實現(xiàn)節(jié)點間的自動組網(wǎng)。其具有使用方便和組織簡單的優(yōu)點,有效避免了傳統(tǒng)有限網(wǎng)絡(luò)布線繁瑣、質(zhì)量大的問題。因此,在無人機上采用無線傳感網(wǎng)絡(luò)具有很大的優(yōu)勢[5]。

針對傳統(tǒng)航空直保無人機噴藥技術(shù)的缺陷,提出了一種基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的無人機精準(zhǔn)噴藥技術(shù),這種技術(shù)可以遍歷農(nóng)作物種植區(qū)域,并通過控制和調(diào)整飛機航線達(dá)到精準(zhǔn)噴藥的目的。

1 總體框架及組成

1.1 總體框架

基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的精準(zhǔn)噴藥系統(tǒng)主要包括飛行控制系統(tǒng)、無刷電機驅(qū)動模塊、導(dǎo)航控制系統(tǒng)和噴藥系統(tǒng)4部分。無線傳感器節(jié)點作為飛行控制系統(tǒng),負(fù)責(zé)采集位置信息并發(fā)送匯聚節(jié)點,匯聚節(jié)點作為導(dǎo)航控制系統(tǒng),將位置信息經(jīng)軟件分析后發(fā)送結(jié)果,即是否需要調(diào)整飛行航線的指令傳送至控制中心。其中,匯聚節(jié)點是整個無線網(wǎng)絡(luò)的核心,負(fù)責(zé)主動掃描并接受傳感器節(jié)點接收到的位置信息,處理后發(fā)送航線是否偏離的結(jié)果給地面控制中心。圖1為系統(tǒng)總體控制圖。

1.2 無人機

無人機采用大疆精靈4旋翼無人機,機內(nèi)配備了無刷電機、各種傳感器、飛行控制器、自駕儀,以及控制飛行姿態(tài)的方向舵、副翼舵和升降舵。通過軟件的算法適時調(diào)整飛機航線,使其按照預(yù)設(shè)航線飛行。

圖1 系統(tǒng)總體控制圖

1.3 傳感器節(jié)點和匯聚節(jié)點

無人機上的傳感器節(jié)點和匯聚節(jié)點的核心芯片均采用CC2530芯片,該芯片是由Tl公司生產(chǎn)的新一代ZigBee芯片。

傳感器節(jié)點作為飛行控制系統(tǒng),配備各型傳感器、GPS系統(tǒng)和電子羅盤,包括采集飛機速度的角速度控制器和速度控制器、測量飛機飛行高度的氣壓高度傳感器及測定飛機瞬時風(fēng)向和風(fēng)速風(fēng)向傳感器。

匯聚節(jié)點作為導(dǎo)航控制系統(tǒng),是整個系統(tǒng)的核心,可通過采集傳感器節(jié)點的信息,進行處理分析,并向控制中心發(fā)送是否調(diào)整航線的指令。匯聚節(jié)點和傳感器節(jié)點之間采用ZigBee技術(shù)進行無線連接,因ZigBee技術(shù)其具有抗干擾能力強、通信距離遠(yuǎn)、可適應(yīng)復(fù)雜自然環(huán)境的優(yōu)點。UART接口用于連接控制中心和匯聚節(jié)點。

控制中心安裝在地面,負(fù)責(zé)初始飛行參數(shù)的設(shè)定、顯示飛行狀態(tài),以及在飛行過程中向飛機發(fā)送航線調(diào)整的指令。

1.4 噴藥系統(tǒng)

噴藥系統(tǒng)采用美國公司生產(chǎn)的航空靜電噴霧系統(tǒng),具有噴灑面積較廣、噴藥均勻、噴霧噴藥效率高的特點。通過地面控制中心即可實現(xiàn)對噴藥系統(tǒng)的控制,在飛機到達(dá)農(nóng)作物區(qū)域上方時,自動開啟實現(xiàn)對農(nóng)作物的連續(xù)作業(yè)。

2 軟件系統(tǒng)設(shè)計和控制算法

傳感器節(jié)點和匯聚節(jié)點之間采用ZigBee協(xié)議。首先初始化傳感器節(jié)點,搜索可使用的通道并發(fā)出加入申請,匯聚節(jié)點接收后綁定入網(wǎng),傳感器節(jié)點在未收到采集信息之前一直處于休眠狀態(tài)以節(jié)省能量。在啟動后傳感器節(jié)點自動進入采集數(shù)據(jù)狀態(tài),將采集后的信息傳送給匯聚節(jié)點。

啟動匯聚節(jié)點后,初始化硬件、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和附屬設(shè)備,并讀取網(wǎng)絡(luò)信息表,簡歷ZigBee連接。在收到傳感器節(jié)點的入網(wǎng)申請后,匯聚節(jié)點自動連接匯聚節(jié)點和控制中心并作為信息互通的橋梁[6]。

2.1 數(shù)據(jù)采集軟件設(shè)計

傳感器節(jié)點采集到的數(shù)據(jù)通過IMU慣性測量單元控制實現(xiàn),其慣性測量單元的電路設(shè)計如圖2所示。通過傳感器節(jié)點中的角速度控制器、速度控制器和高度傳感器測量系統(tǒng)角速度、加速度和高度,通過控制算法計算得到姿態(tài)角,從而實現(xiàn)飛機的姿態(tài)控制。同時,傳感器節(jié)點中的電子羅盤也可以把獲得的磁場數(shù)據(jù)傳送給匯聚節(jié)點,進一步協(xié)助校正系統(tǒng)誤差。

圖2 IMU測量單元電路圖

2.2 控制算法

為了使飛機能夠遍歷沿著規(guī)劃的路徑完成對農(nóng)作物種植區(qū)域的遍歷、對農(nóng)作物區(qū)域的覆蓋率高,以及使飛機以較低的能量消耗完成農(nóng)作物的遍歷,采用了幾何精度因子(GDOP)來確定飛機航線。在同一個系統(tǒng)中,當(dāng)環(huán)境和測量設(shè)備精度等其他所有因素均相同的情況下,飛機位置節(jié)點與位置節(jié)點的距離所決定的GDOP值越小,則該位置節(jié)點的位置精度越高。因此,為了合理地確定飛機的飛行航線,在兼顧飛機能耗小的情況下,盡量減小飛機節(jié)點確定的GDOP值,進而提高定位精度。

為確定飛機的航點,假設(shè)某一節(jié)點在同一水平面的水平高度為z0,飛機飛行高度始終保持不變定為z,定為該未知節(jié)點的位置坐標(biāo)為(x,y,z0),飛機對這一位置節(jié)點的定位過程在周圍有n個節(jié)點可用,第i個節(jié)點的位置為(xi,yi,z),ρ為飛機節(jié)點到該未知節(jié)點的距離,則有

i=1,2,…,n

通過對上述方程求解得到

Δx=(HT·H)-1·HT·Δρ

其中,(HT·H)-1·HT可以反映測量誤差對定位誤差的影響大小。根據(jù)GDOP的定義得出:為了使測量誤差對航線的影響最小化,GDOP的值應(yīng)盡量小。將(HTH)-1矩陣化后,可以得出以下結(jié)果

且當(dāng)飛機處于虛擬節(jié)點組成的多邊形中心時,GDOP取得該數(shù)目虛擬節(jié)點的GDOP最小值。

圖3為GDOP最小值與虛擬節(jié)點個數(shù)的關(guān)系。由圖3可以看出:隨虛擬節(jié)點個數(shù)的增加,GDOP值逐漸減小;在n<8時,減小速度較快,隨著n的增加,當(dāng)n>8時,GDOP值減小減慢。同時,由于虛擬節(jié)點構(gòu)成的圖形均為規(guī)則幾何圖形,為便于計算,規(guī)定n=6,此時GDOPmin=0.816 5。

圖3 GDOPmin與虛擬節(jié)點個數(shù)n的關(guān)系

在選取了飛機飛行的最優(yōu)航線節(jié)點后,需要根據(jù)最優(yōu)航線節(jié)點,在能量消耗較小的前提下,確定飛機航線。針對這個特點,采用遺傳算法對飛機飛行最優(yōu)航線進行規(guī)劃。圖4為遺傳算法的流程圖。飛機在某一航點位置通過遺傳算法的流程圖即可確定飛機的最優(yōu)航線。在流程圖中,交叉操作[7]是通過貪婪算法進行的交叉算子,過程如下:選取航點p,在其父代P1、P2中找到p右邊相鄰航點為pr1和pr2,分別計算pr1和pr2到p之間的距離dpr1和dpr2,距離較小者假設(shè)為dpr1,則pr1為p的第一個子代航點P1’。在左側(cè)重復(fù)本步驟,得到第二個子代航點P2’;變異操作過程如下:假定變異起始點為p1,在p1右側(cè)選取距離p1最近距離的航點為p2。將p2到右側(cè)第二航點的編碼串逆序存放,即完成變異操作。

圖4 遺傳算法流程圖

3 試驗結(jié)果和分析

無人機安裝本系統(tǒng)后,進行飛行試驗。試驗地點選在長300m、寬150m的長方形農(nóng)田,在該區(qū)域分別采用單向遍歷、回字形遍歷進行飛行試驗。其中,飛行過程中采用相同的測距采樣頻率,采用飛行速度1.5、2、2.5m/s分別進行測試,通過記錄遍歷農(nóng)田后的航行時間進行對比。表1為航行時間與遍歷方式的關(guān)系。

表1 遍歷方式與飛行時間關(guān)系 min

由表1可以看出:根據(jù)本文所提方案進行遍歷航行所需的航行時間最短,單向掃描遍歷方案所需時間最多,回字形遍歷所需時間居中。通過分析發(fā)現(xiàn):單向掃描遍歷方案在掃描過程中所需的拐點最多,飛機轉(zhuǎn)向需要時間較多,導(dǎo)致飛行時間延長;回字形遍歷方案在后程拐點較集中,需要飛機不停變換飛行姿態(tài),導(dǎo)致時間的延長。因此,采用GDOP方案對農(nóng)田進行遍歷可以獲得更好的效果。

4 結(jié)論

基于無線傳感網(wǎng)絡(luò),設(shè)計了一個無人機遍歷農(nóng)作物區(qū)域的精準(zhǔn)噴藥系統(tǒng)。飛機控制系統(tǒng)由無人機平臺、傳感器節(jié)點、匯聚節(jié)點和控制中心4部分組成,主要通過GDOP算法對飛機的航線進行規(guī)劃。試驗結(jié)果表明:基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的無人機航線規(guī)劃能夠使無人機以較低的能量消耗遍歷農(nóng)作物區(qū)域,從而達(dá)到精準(zhǔn)噴藥的目的。