基于單片機控制的農用無人機導航研究

張子容

(重慶建筑工程職業學院,重慶 400072)

0 引言

近年來,隨著智能化、自動化技術的進步,我國農用無人機裝備的智能性因不斷引入先進的控制與導航技術亦取得明顯的成效。目前,據了解無人機的智能導航控制技術在軍事領域應用較為先進,包含濾波控制、粒子群、圖像視覺等算法的融合。為更深層次提高農用無人機的導航控制精確程度,促進農業植保灌溉與噴灑的均勻與適度,無人機軌跡形成及導航系統將獲取的準確位置和姿態信息進行服務器傳送等環節至關重要。為此,在相關學者理論研究的基礎上,利用單片機控制機理,設計了相關控制電路和后臺控制程序,對農業用無人機的導航系統展開研究。

1 無人機原理及組成

以四機翼的農用無人機為研究對象,給出如圖1所示的農用無人機作業過程簡圖。終端用戶可以通過手中智能控制器進行無人機飛行信息的獲取與調控,這期間經歷了農田信息的采集、處理和傳送至地面服務站進行信息綜合和指令收發。農用無人機的結構組成主要包括飛行控制模塊、GPRS導航、軌跡存儲模塊、機載控制裝置模塊和地面數據庫處理模塊等。

1.機載接收器 2.采集節點 3.地面站 4.數據庫 5.用戶

2 導航控制系統設計

2.1 理論模型建立

單片機控制應用于農用無人機智能導航控制系統的理論依據可表述為:在無人機上加裝各種類型采集傳遞時序信號的控制部件,包括指令寄存器及指令譯碼器等,通過系列尋址到達單片機的功能部件實現導航位置的定位與調整。針對導航系統的姿態功能,考慮濾波融合算法,建立導航理論模型為

(1)

式中P0—農用無人機位姿的俯仰角;

R0—農用無人機位姿的翻滾角;

Y0—農用無人機位姿的航向角;

km—農用無人機位姿地磁方向與參考平面的夾角余弦;

gx,gy,gz—農用無人機機載加速度計各方向向量;

mx,my,mz—農用無人機機載加速度計各方向向量。

(2)

式中W0—農用無人機初始姿態角;

Wt—農用無人機實時姿態角;

ω—農用無人機機載陀螺儀角速度。

依據導航姿態控制模型,形成農用無人機田間飛行作業的導航控制系統簡圖,如圖2所示。其中,姿態測量系統和主控器是導航系統的核心,姿態控制指令經無線傳輸模塊至主控器姿態結算,并結合陀螺儀、加速器、磁力計的測量信息,實時PID調整后經各場效應管最終達到執行電機,實現導航調控作業。

2.2 導航硬件配置

對農用無人機的導航系統硬件進行配置,選取MCS-51型單片機內置具有CPU、內振蕩器和相關程序數據的存儲器,各存儲器、計數器、定時器由內部控制總線連接在硬件執行電路中。圖3為該農用無人機導航系統的單片機控制結構框圖。其中, 信號數據的傳輸與中斷經輸入輸出端口實現,在振蕩器及定時電路環節重點進行頻率基準源的監測。

圖2 農用無人機飛行導航控制系統圖

圖3 農用無人機導航系統單片機結構框圖

調節導航控制系統的電機驅動速度,由內部的PWM信號及波形決定,設置端口的上拉和限流電阻,以基極電平的高低判定驅動電機的端電壓,實現電機調速目標。基于單片機的導航系統輸入輸出端口控制連接線路,如圖4所示。其中,P0端口可實現地址/數據總線使用和I/O端口使用,具備讀寫修改一體的復合功能,輸出輸入驅動電路在門指令、反相器和轉換開關的配合下進行合理控制;P1端口是準雙向口,各位口可做獨立的輸入或輸出線用,為實現電路的場效應管截止,可預先寫入“1”至鎖存器,且實現驅動多個LSTTL門電路功能,確保導航控制系統進行信號準確采集與傳輸。

(a) P0端口結構

(b) P1端口結構

農用無人機的導航系統工作時,給定飛行作業規劃好的路線,進行飛行的航道平滑跟蹤,全部信息發送至無人機的機載接收裝置,據此對農用無人機導航接收系統進行主要硬件配置,如圖5所示。其中,設置電路模式為降壓穩壓模式,到達地面站綜合信息庫,內部經MCU1傳送至無線發送模塊,采集關鍵節點后經無線接收模塊和MCU2最終輸出,如各型號參數的匹配保證一致。

2.3 軟件控制設計

針對農用無人機導航控制實現精準度需求,結合各設備間的協調配合,形成農用無人機導航控制系統軟件設計流程圖(見圖6)。由圖6可知:導航軌跡設定與導航軌跡的計算構成導航軌跡模塊的核心組件,加之通信控制、數據顯示和保存、命令控制等構成地面監控系統,結合農田視景顯示模塊在無線通信設備與農用無人機互相通信功能下完成無人機的準確定位導航。

圖5 農用無人機導航接收系統主要硬件配置簡圖

圖6 農用無人機導航控制系統軟件設計流程圖

利用單片機控制規則,進行導航控制編程,部分程序代碼如下:

……

Delta_Tau=zeros(n,n);

Clever_Tau= zeros(n,n);

numLine=find(L==min(L));

numClever=length(numLine);

for i=1:m for j=1:(n-1)

Delta_Tau(Tabu(i,j),Tabu(i,j+1))=

Delta_Tau(Tabu(i,j),Tabu(i,j+1))+Q/L(i);

end Delta_Tau(Tabu(i,n),Tabu(i,1))=

Delta_Tau(Tabu(i,n),Tabu(i,1))+Q/L(i);

if i==numLine(1)

clever_Tau(Tabu(i,j),Tabu(i,j+1))=

clever_Tau(Tabu(i,j),Tabu(i,j+1))+

numClever*(Q/min(L));

end clever_Tau(Tabu(i,n),Tabu(i,1))=

clever_Tau(Tabu(i,n),Tabu(i,1))+

numClever*(Q/min(L));

end Tau=(1-Rho).*Tau+Delta_Tau+

clever_Tau;

……

3 導航控制試驗

3.1 條件設置

進行基于單片機控制的農用無人機導航試驗,圖7為主要的試驗裝置。

圖7 單片機控制下的農用無人機導航試驗裝置

在通用性的試驗設置完成后,給出關鍵前置條件為:

1) 加速度計和陀螺儀給出常值漂移,分別為250μg和0.08(°)/h;

2) 無人機的隨機噪聲方差和白噪聲方差設置在要求范圍內;

3) 無人機導航控制的定位誤差和速度誤差,分別為2.5m和0.60m/s。

同時,對導航系統的通訊模塊進行功能設置(見表1),整體數據類型在匹配單片機數據識別系統的對應之下選擇16進制的整數型,進行步驟性的操作。

表1 基于單片機控制的導航系統通訊模塊功能設置

3.2 試驗分析

記錄導航試驗過程,并得出農用無人機系統輸出PWM波對比數據,如表2所示。由表2可看出:在單片機控制程序下的農用無人機自主導航與優化前的遙控裝置導航輸出的PWM波占空比與正脈沖時間基本一致,說明將單片機控制技術植入無人機導航系統實現整機的轉速和方向控制,具有可行性。

表2 農用無人機導航系統輸出PWM波對比

在預設試驗條件下,對該農用無人機的飛行軌跡進行數據記錄分析,如表3所示。由表3可知:對比經度和緯度信息,實際飛行數據與試驗飛行數據的平均誤差為1.117 7m,最大誤差為1.425 1m,滿足農用無人機導航控制系統要求。

表3 農用無人機導航試驗數據對比

4 結論

1) 通過深入理解農用無人機的工作原理及部件組成,結合單片機控制機理對農用無人機的導航控制系統進行設計。同時,針對硬件部件配置進行選型和匹配及參數設定等環節實現高準確度的導航信息獲取傳輸,并對軟件控制程序進行優化處理,實現后臺實時性的無人機位姿調整,且進行了導航控制試驗。

2) 導航控制試驗表明:在單片機控制程序下的農用無人機自主導航與優化前的遙控裝置導航輸出的PWM波占空比與正脈沖時間基本一致,可實現整機的轉速和方向控制;進一步對比經度和緯度信息,可實際飛行數據與試驗飛行數據的最大誤差為1.425 1m,滿足農用無人機導航控制系統要求。