適用于大田作物監(jiān)測領(lǐng)域的低空遙感技術(shù)研究

【摘? 要】論文依托吉林省智慧農(nóng)業(yè)工程中心和數(shù)字農(nóng)業(yè)學科，探索與實踐一種農(nóng)業(yè)低空遙感系統(tǒng)，達到設(shè)計成本低、操作簡易的目標。論文闡述了低空遙感系統(tǒng)的功能需求、結(jié)構(gòu)設(shè)計、實施方案，詳細描述了系統(tǒng)平臺子系統(tǒng)硬件選型方案、平臺自由度控制方法，強調(diào)了串級PID控制對控制實時性、準確性的重要作用。項目產(chǎn)品在數(shù)字農(nóng)業(yè)企業(yè)測評與試用，課題技術(shù)已經(jīng)細分成大學生教學案例及學業(yè)評價指標。

【Abstract】Relying on Jilin Province Intelligent Agricultural Engineering Center and digital agriculture discipline， this paper explores and practices an agricultural low-altitude remote sensing system to achieve the goal of low design cost and easy operation. This paper describes the functional requirements， structure design and implementation scheme of the low-altitude remote sensing system， describes in detail the hardware selection scheme of the subsystem of the system platform and the control method of platform degrees of freedom， and emphasizes the important role of cascade PID control in real-time and accuracy control. The project products are evaluated and tried in digital agricultural enterprises， and the subject technology has been subdivided into college students' teaching case and academic evaluation indicator.

【關(guān)鍵詞】四旋翼飛行器;監(jiān)測;低空遙感

【Keywords】quad-rotor aircraft ; monitoring; low-altitude remote sensing

【中圖分類號】S127? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻標志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章編號】1673-1069（2021）01-0166-02

1 引言

吉林農(nóng)業(yè)科技學院在2015年獲得吉林省教育廳審批的吉林省智慧農(nóng)業(yè)工程研究中心，在2018年獲得吉林省數(shù)字農(nóng)業(yè)交叉學科。依托智慧農(nóng)業(yè)工程中心和數(shù)字農(nóng)業(yè)學科，研究服務(wù)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化和鄉(xiāng)村振興相關(guān)技術(shù)，特別是農(nóng)業(yè)低空遙感、農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、農(nóng)村電商、農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)分析等內(nèi)容。智慧農(nóng)業(yè)工程研究中心在農(nóng)業(yè)低空遙感技術(shù)方向，采用四旋翼飛行器作為移動平臺，機載傳感器作為數(shù)據(jù)監(jiān)測裝置設(shè)備，進行應(yīng)用型研究。

吉林農(nóng)業(yè)科技學院的辦學定位是努力建設(shè)一流應(yīng)用型本科高等學校，積極推進以科研助力教學改革。智慧農(nóng)業(yè)工程研究中心也在此方向作出重大貢獻。積極地將農(nóng)業(yè)低空遙感技術(shù)及應(yīng)用案例轉(zhuǎn)化為教學用例，提高學生的創(chuàng)新創(chuàng)意創(chuàng)業(yè)意識，促進應(yīng)用型教學改革的落地。并且為應(yīng)用型大學的學生學業(yè)評價，提供新的參考指標。

2020年第8號臺風“巴威”、第9號臺風“美莎克”和臺風“海神”先后影響東北地區(qū)，造成大田農(nóng)作物的大面積倒伏，旋翼無人機災(zāi)后測產(chǎn)起到很關(guān)鍵的作用。項目實踐與探索一種農(nóng)業(yè)低空遙感系統(tǒng)，達到成本低、操作簡易的目標，適合在農(nóng)業(yè)農(nóng)村大田耕作期間使用，可以在檢測農(nóng)田環(huán)境、預(yù)警作物病蟲害、預(yù)估災(zāi)后產(chǎn)量、預(yù)警秸稈焚燒等領(lǐng)域應(yīng)用。

2 系統(tǒng)功能分析

農(nóng)業(yè)低空遙感系統(tǒng)通常采用四旋翼飛行器作為大田物理環(huán)境空間的移動平臺，機載傳感器作為數(shù)據(jù)監(jiān)測裝置設(shè)備，機載通信設(shè)備作為數(shù)據(jù)傳送通道。農(nóng)業(yè)低空遙感系統(tǒng)節(jié)點可以抽象成為一個可以在大田作物生長的三維物理空間任意移動的質(zhì)點，該點可以收集周圍環(huán)境信息并可以將信息發(fā)送回數(shù)據(jù)處理監(jiān)測中心。

從農(nóng)業(yè)低空遙感系統(tǒng)功能實現(xiàn)的角度分析，本文著重強調(diào)系統(tǒng)節(jié)點的穩(wěn)定性和監(jiān)測物理環(huán)境參數(shù)的精確性。本文著重強調(diào)的系統(tǒng)節(jié)點穩(wěn)定性，也就是四旋翼飛行器作為大田物理環(huán)境空間的移動平臺的穩(wěn)定性。四旋翼飛行器是輸入四驅(qū)動和輸出六自由度的欠驅(qū)系統(tǒng)，因此，保證飛行器穩(wěn)定性是研究難點，包括飛行器的上升下降、前行后退、左右移動、橫滾、俯仰、偏航行為的穩(wěn)定性。同時，智能型、自主型四旋翼飛行器還包括躲避障礙物、循跡邊界、空間定位等輔助功能。本文著重強調(diào)的監(jiān)測物理環(huán)境參數(shù)的精確性，也就是可以測量節(jié)點周圍環(huán)境的光照度、溫度、濕度、氣體濃度以及作物生長的圖片、視頻、光譜信息。

3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)農(nóng)業(yè)低空遙感系統(tǒng)功能的需求分析結(jié)論，設(shè)計系統(tǒng)結(jié)構(gòu)化的子系統(tǒng)模塊結(jié)構(gòu)方案。四旋翼飛行器移動平臺包含六自由度自穩(wěn)系統(tǒng)、自主巡航系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)、通信系統(tǒng);地面站平臺包含通信系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)。

在闡述六自由度自穩(wěn)系統(tǒng)時，建立xyz三維直角坐標系，xy平面是水平面，而z軸垂直向上。在xy平面上x軸負向與y軸正向所夾1象限，順時分布2、3、4象限，“X”型四旋翼飛行器放置在xy水平面，1號旋翼電機在1象限的角平分線上，2號、3號、4號電機分布在2、3、4象限的角平分線上。四旋翼飛行器移動平臺的六自由度輸出控制，包括沿著z軸移動進行上升下降、沿著y軸移動進行前行后退、沿著x軸移動進行左右移動、圍繞y軸旋轉(zhuǎn)進行橫滾、圍繞x軸旋轉(zhuǎn)進行俯仰、圍繞z軸旋轉(zhuǎn)進行偏航。

假定1號、3號電機順時針旋轉(zhuǎn)螺旋槳，2號、4號電機逆時針旋轉(zhuǎn)螺旋槳，當順時針扭矩和逆時針扭矩相等時平臺自身穩(wěn)定不轉(zhuǎn)動。當四個電機合力等于四旋翼飛行器重力時，處于平臺懸停狀態(tài)，當大于重力時平臺上升，否則下降。當3號、4號電機合力大于1號、2號電機合力時，平臺沿著y軸前進，否則后退。當1號、4號電機合力大于2號、3號電機合力時，平臺沿著x軸右移，否則左移。假定平臺自身穩(wěn)定不轉(zhuǎn)動時，同時，等量提高1號、3號電機轉(zhuǎn)速，平臺自身順時針偏航，否則逆時針偏航。

4 實施方案設(shè)計

按照農(nóng)業(yè)低空遙感系統(tǒng)功能分析和結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，在課題研究過程中，將系統(tǒng)實施按模塊和專業(yè)技術(shù)細節(jié)劃分，組織各專業(yè)學生參與科研項目。四旋翼飛行器移動平臺包含六自由度自穩(wěn)系統(tǒng)、自主巡航系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)、通信系統(tǒng);地面站平臺包含通信系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)。通信系統(tǒng)模塊由移動通信技術(shù)專業(yè)學生團隊負責;數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)模塊由大數(shù)據(jù)專業(yè)學生團隊負責;六自由度自穩(wěn)系統(tǒng)由電氣工程及其自動化專業(yè)學生團隊負責;自主巡航系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)模塊由電子信息科學與技術(shù)、軟件工程專業(yè)學生團隊負責。移動平臺樣機外觀如圖1所示。

六自由度自穩(wěn)系統(tǒng)包含四旋翼電機的電子調(diào)速器、測量飛行器姿態(tài)的三軸角速度陀螺儀、預(yù)估高度的氣壓計等機載設(shè)備。由于四旋翼飛行器的四動力輸入、六自由度輸出的欠驅(qū)動特性，使得六自由度自穩(wěn)系統(tǒng)控制異常復雜，需要單獨的CPU實時處理。本文中六自由度自穩(wěn)系統(tǒng)采用開源框架自動駕駛儀Pixhawk模塊，增設(shè)微控制器管理自主巡航系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)、通信系統(tǒng)。微控制器采用低成本、低功耗、高性能處理器STM32F03ZET芯片，自主巡航系統(tǒng)采用GPRS模塊，環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)采用溫濕度傳感器DHT12、圖像識別模塊OpenMV4 H7、通信系統(tǒng)采用nRF2401。當前，四旋翼飛行器的控制平臺包含2個CPU，即自動駕駛儀Pixhawk模塊CPU和自動巡航系統(tǒng)CPU，兩者按照UART串行通信協(xié)議傳送控制指令和反饋狀態(tài)信息。在全自主農(nóng)業(yè)低空遙感系統(tǒng)中，自動巡航系統(tǒng)CPU的作用相當于飛機飛行指揮官，自動駕駛儀Pixhawk模塊CPU相當于飛機駕駛員，兩者協(xié)同工作。

在控制農(nóng)業(yè)低空遙感四旋翼飛行器的飛行姿態(tài)和空間位置時，為了達到實時性、準確性一般采用串級PID控制算法。P控制算法是比例方法，它是整體控制算法不可缺失的主要控制成分;I控制算法是積分控制方法，是整體控制算法的輔助控制成分，用來消除從開始控制到當前時刻的累積偏差;D控制算法是微分控制方法，是整體控制算法的輔助控制成分，用來消除預(yù)測到的即將發(fā)生的偏差，也就是超調(diào)成分。在控制飛行器繞z軸實現(xiàn)偏航轉(zhuǎn)動時，采用串級PID控制算法的雙閉環(huán)控制，外層閉環(huán)控制偏航轉(zhuǎn)動角度值，內(nèi)層閉環(huán)控制偏航轉(zhuǎn)動角加速度值。這樣的雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)可以由內(nèi)閉環(huán)控制實現(xiàn)偏航轉(zhuǎn)動控制速度的實時性，外閉環(huán)控制實現(xiàn)偏航轉(zhuǎn)動控制角度的準確性。

5 結(jié)論

項目實踐的農(nóng)業(yè)低空遙感系統(tǒng)成本低、操作簡易，適合在農(nóng)業(yè)農(nóng)村大田耕作期間使用，用于檢測農(nóng)田環(huán)境、預(yù)警作物病蟲害、預(yù)估災(zāi)后產(chǎn)量、預(yù)警秸稈焚燒等領(lǐng)域。項目的實踐可以作為數(shù)字農(nóng)業(yè)在大田作物檢測領(lǐng)域推廣應(yīng)用的典型案例，為智慧農(nóng)業(yè)工程應(yīng)用提供參考。

項目的實施過程中調(diào)動了吉林農(nóng)業(yè)科技學院電氣與信息工程學院各個專業(yè)的師生，例如，移動通信技術(shù)、電子信息科學與技術(shù)、電氣工程及其自動化、軟件工程等。使學生在動手實踐中深化理論知識的理解，教師在實踐過程中將科研項目技術(shù)細節(jié)內(nèi)容分解成典型教學案例，使得項目成為評價學生學業(yè)水平的新型參考指標。

【參考文獻】

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