農業植保多旋翼無人機飛行控制系統設計

申藝方 ，解向陽

（濟源職業技術學院，河南 濟源 459000）

在農業自動化、現代化發展趨勢下，人工背負式噴霧機逐漸被淘汰，自走式噴霧機和植保無人機得到了推廣應用。植保無人機搭載噴藥裝置，可以由地面站工作人員遠程控制，或者按照預設指令實現高空自動噴藥。對比來看，使用植保無人機噴藥具有覆蓋面積廣、作業效率高、安全性好等一系列優勢。現階段，農業植保多旋翼無人機在實際應用中面臨的主要問題是定點噴灑精度不高，不僅造成農藥的浪費，而且增加了無人機的飛行頻次，導致農業植保作業的成本升高。基于此，有必要對多旋翼無人機的飛行控制系統進行優化設計，提高控制精度，使農業植保無人機能夠在合適的位置噴灑農藥，提高作業效率。

1 農業植保無人機飛行控制系統的整體架構

本文設計的農業植保多旋翼無人機飛行控制系統由主控系統、慣性測量單元、磁力計、加速度計、定位系統、噴灑系統、空速測量系統等構成。主控MCU選用STM32F428IGT6高性能芯片，主頻200 MHz，內置256 KB的RAM和512 KB的Flash，8條主控總線和7條被控總線，2個32位定時器和150個I/O接口。主控系統利用通信模塊分別獲取飛行姿態數據、避障雷達數據、位置信息、高度數據等，然后利用芯片完成對各類數據的處理，再將處理結果同步反饋給地面站。地面站根據接收處理結果，編輯控制指令發送給無人機的主控系統。主控系統響應指令，并輸出PWM信號改變電機轉速，進而實現對無人機高度、速度、姿態的調整。當無人機到達指定位置后，噴灑系統開始作業，向指定區域噴灑農藥[1]。

2 農業植保無人機飛行控制系統的硬件設計

2.1 電源供電系統設計

本系統的電池供電部分根據供電對象的不同分成3類，分別是電機供電、隔離電源供電和非隔離電源供電。其中，隔離電源為無人機的噴灑系統供電，非隔離電源則為無人機的定位系統、避障系統、高度測量系統等供電。考慮到不同芯片的工作電壓存在差異，本文在設計電源電路時，利用電壓轉換電路將電池輸出的12 Ⅴ電壓轉化成多種電壓，例如將+12 Ⅴ電壓轉換成+5 Ⅴ電壓，為STM32F428IGT6芯片供電，再將+5 Ⅴ電壓轉換成3.3 Ⅴ電壓為氣壓傳感器供電。同時，電機在運行時輸出的大電流會產生較強的磁場，干擾飛行控制系統中的傳感器、控制器等電氣設備的正常工作。在電源供電系統設計中，將電機電源與其他控制系統的電源分開，并做屏蔽處理，從而保證了無人機飛行控制系統的穩定性和可靠性。

2.2 通信設計

2.2.1 通信系統框架

在農業植保無人機飛行過程中，飛行控制系統的MCU需要實時獲取傳感器、定位系統反饋的數據，同時在數據分析處理后生成新的控制指令，再將指令發送給執行器，實現對無人機飛行姿態、飛行軌跡、飛行高度等各項參數的調整。數據的采集與指令的下達都需要通過通信系統完成，整個通信系統由主控MCU、傳感器MCU以及多種通信協議組成，通信流程如下：傳感器MCU基于SPI協議采集加速度計和陀螺儀的數據，對于加速度數據實行低通濾波，對于陀螺儀數據實行偏置調整。然后傳感器MCU將處理后的加速度數據和陀螺儀數據進行融合，并基于CAN協議與主控MCU通信，將融合數據發送給主控MCU[2]。這樣一來，飛行控制系統的控制終端就能掌握無人機的實時飛行狀況，并基于控制程序生成新的操控指令，將指令傳輸至前端，完成姿態調整。

2.2.2 通信協議的選擇

本文設計的通信系統執行兩種通信協議，即CAN協議和SPI協議。

CAN現場總線具有抗干擾能力強、支持遠距離傳輸、支持半雙工工作模式等優勢，使用CAN協議傳輸報文時，可基于報文ID判斷是否接收該報文；若存在多個報文同時傳輸的情況，CAN協議還能對報文進行優先級排序，保證重要報文優先傳遞。基于CAN通信協議的數據發送流程為：初始化CAN節點并設置CAN參數，如模式、波特率等；選擇需要發送的數據，將待發送數據封裝成一個CAN數據幀；將該數據幀發送到CAN總線上，利用ACK信號判斷數據幀是否發送成功。如果CAN節點未收到ACK信號，說明發送失敗，CAN節點會向發送端提供報錯信息；如果CAN節點收到ACK信號，說明發送成功，同時將錯位標記清零，繼續等待下一個數據幀的發送[3]。

SPI協議是一種串行同步通信協議，根據通信對象的不同可以分為“1主對1從”和“1主對N從”兩種模式。SPI接口允許通過的基本信號有4種，即SDI串行輸入信號、SDO串行輸出信號、SCK串行時鐘信號和CS使能信號。本文設計的無人機飛行控制系統中，傳感器MCU通過SPI協議與加速度計、陀螺儀等設備完成數據傳輸。

2.3 傳感器的選擇

本文設計的農業植保無人機飛行控制系統中包含多種傳感器，用于向系統主控MCU芯片反饋無人機的實施工況。傳感器類型及選擇如下：

1）磁傳感器。磁傳感器中敏感元件所處的外部環境中的磁場、電流、溫度等因素發生變化后，其輸出的電信號也會發生相應的改變，利用這一特性可實現對相應物理量的檢測。本系統中選用了HMC5883型磁傳感器，內置I2C數字接口和12倍A/D轉換器，工作電壓為2.4 Ⅴ～3.6 Ⅴ，集成度高，抗干擾能力強。

2）氣壓傳感器。負責測量無人機飛行過程中氣體的絕對壓強，本系統中選用MS5611型氣壓傳感器，支持SPI和I2C兩種總線接口，分辨率小于10 cm。設備規格為6 mm×2.5 mm×1.2 mm，工作電壓為3.3 Ⅴ，體積較小，能耗較低。

3）姿態傳感器。負責測量三維姿態與范圍數據，本系統中選用MPU6000型姿態傳感器，內嵌低功耗的ARM處理器，可以實現三維姿態與范圍數據的運算。三軸陀螺儀、三軸加速度計以及數字運動處理器DMP均采用集成方式嵌入到MPU6000姿態傳感器中，使用SPI接口與其他寄存器之間進行通信[4]。

2.4 噴灑系統設計

噴灑系統是農業植保多旋翼無人機的核心部分，利用飛行控制系統可以自動開啟噴灑裝置，并靈活調節噴灑量，對節約農藥、提升噴藥效果有積極幫助。農業站的工作人員在規劃無人機飛行軌跡時，可以在軌跡上標記噴灑農藥的坐標點；同時，為了保證噴藥效果，還需要標定具體的飛行參數，例如無人機的飛行高度、飛行姿態以及噴灑裝置的開度等。當農業植保無人機執行任務時，首先沿著軌跡飛行，以正確的高度、姿態到達指定坐標點后，開啟噴灑裝置并噴灑農藥；當無人機飛行到標定的結束點后，隨即關閉噴灑裝置，沿著航線返回起始點。

3 農業植保無人機飛行控制系統的算法設計

3.1 無人機姿態解算

3.1.1 數據校正

農業植保無人機飛行控制系統中的加速度計由于受制作工藝、出廠調校等因素的影響，不同產品之間可能會存在零點誤差、靈敏度偏差；同時受到周邊電磁環境的影響，加速度計測量信號也容易摻雜噪聲，這些問題都會對無人機姿態解算結果造成不良影響。以靈敏度偏差為例，無人機的加速度計在三軸分量相等的情況下，若靈敏度不一致將導致測量結果出現明顯誤差。本文在設計無人機飛行控制系統時，選擇了“橢球擬合法”對這些存在誤差或偏差的數據進行校正。橢球擬合法的校正原理為：理論上，處于靜止狀態的加速度計，其重力的向量頂點會落在一個空間球面上，但是因為度量單位存在差異，該向量頂點最終會落在一個橢球上，這兩個頂點之間的坐標差即為偏移量。選擇一組離線測量數據和一個理想的橢球，讓橢球面上數據點到理想橢球面的平方和最小，根據這一關系可以建立理想橢球的三維空間方程組。求解該方程組，用所得結果校正加速度計的偏移量[5]。

3.1.2 坐標轉換

因為電路設計存在差異，在無人機姿態解算時經常會出現磁力計坐標與IMU坐標不重合的情況，這時需要將IMU坐標系作為基準（即世界坐標系），然后將磁力計坐標轉換到IMU坐標上，進而解算出正確的姿態角。同樣地，對于測量到的磁通量，也要通過正球投射的方式計算出投射量在加速度計坐標系的旋轉矩陣，然后使用歸一化算法得到加速度計的旋轉矩陣。

3.1.3 姿態融合

農業植保無人機的飛行姿態融合方法有多種，比較常用的有矩陣融合、歐拉角融合等，不同的姿態融合方式在適用場景和表示方法上存在差異。從調查情況來看，農業植保無人機多為四旋翼，可以選擇歐拉角和四元數融合算法[6]。歐拉角由3個獨立的角參量構成，分別是章動角、進動角、自轉角，使用該算法進行姿態融合的優勢在于無人機的姿態更加直觀形象、易于理解，缺點是計算量較大。在使用歐拉角算法求解無人機姿態時，需要建立歐拉角微分方程，該方程中包含許多三角運算，計算量較大，因此該算法通常適用于無人機飛行姿態變化不大的情況[7]。相比之下，四元數算法則是利用4個變量描述物體在四維空間的旋轉，極大地提高了姿態解算的效率。在姿態解算時，首先定義1個四元數，利用四元數中的4個未知量建立線性微分方程組，通過求解方程組的方式，實現對無人機的姿態解算。

3.2 PID控制算法

PID控制算法中的比例（P）、積分（I）和微分（D）在無人機飛行控制系統中的作用如下：

1）比例調節。當飛行系統發生偏差時，通過比例調節縮小偏差。比例作用越大，則調節用時越少，但是過大的比例調節可能導致無人機飛行控制系統的穩定性下降。

2）積分調節。用于消除系統的穩態誤差，可以提高系統的動態響應速度。

3）微分調節。可以對偏差在未來一段時間內的變化趨勢做出預測，從而根據預測結果提前采取控制策略，達到減少超調量、縮短調節用時的效果。同時，微分調節也可在一定程度上提升系統的動態性能[8]。

在無人機飛行姿態的調控中，PID控制算法的實現流程為：首先通過比例調節確定臨界震蕩的P值，適當減小P值并增加I值，觀察靜態誤差的變化，不斷調節P值和I值，直到靜態誤差完全消除。最后增加D值，達到抑制干擾的目的。

本文在設計農業植保無人機飛行控制系統時，為了進一步增強姿態調控的穩定性，選擇了角度單環PID控制算法與角速度環PID控制算法串聯的方式[9]。在PID控制系統中，以遙控數據（期望角度）作為輸入量，以傳感器的測量角度作為反饋量。分別采集俯仰角、翻滾角、偏航角數據，三者結合可以得到期望角速度。將角速度的期望值與測量值（反饋值）作差，計算結果作為角速度環PID控制器的輸入量，經過處理后輸出PWM信號，利用該信號實現對多旋翼電機的控制，進而改變農業植保無人機的飛行姿態。當無人機分姿態改變后，傳感器會繼續測量新的角度與角速度，再次將測量值與期望值對比，重復上述過程，從而實現閉環控制，保證了控制的穩定性和精確性。

4 農業植保無人機飛行控制系統的應用優勢

本文基于農業植保作業需求設計的無人機飛行控制系統，具有以下應用優勢：第一，自動化程度高，對地面站遠程控制的依賴性小。農業站工作人員可以在飛行控制系統的人機交互界面上自主規劃飛行線路，并根據農田分布和施藥需要，在電子地圖上標定噴灑農藥的起點和終點。當農業植保無人機飛行到起點后，飛行控制系統發送指令開啟噴藥裝置，開始噴灑農藥；當農業植保無人機飛行到終點后，飛行控制系統再發送指令關閉噴藥裝置，結束噴藥任務[10]。在整個過程中，農業站工作人員只需要遠程操控。第二，農藥使用率高，噴施效果好，飛行控制系統會根據預設飛行參數改變自身的飛行高度、飛行姿態等，然后選擇最佳位置噴灑農藥。這樣就能最大程度上避免高空中噴灑的農藥隨風飄散造成浪費，盡可能讓農藥灑落到地面農作物上，對降低噴藥成本和提高農藥利用率有積極作用。第三，安全性高，利用農業植保無人機代替人工噴灑農藥，可以避免農藥揮發、滲漏對人體健康產生的危害，整個噴藥過程基本上實現了無接觸操作，在用藥安全方面具有顯著的優勢。

5 結語

將農業植保無人機應用到農業植保作業中，除了能夠減輕勞動壓力、提高植保效率外，還能避免農藥噴灑過程中對植保人員造成健康危害。為了保證農藥噴灑的均勻性和有效性，對多旋翼無人機的飛行控制提出了嚴格要求。本文基于STM32F428IGT6芯片設計的無人機飛行控制系統，利用定位系統、傳感器系統、通信系統等，可以實時獲取無人機的飛行姿態、飛行高度等基本參數，在此基礎上利用規劃好的飛行軌跡，讓無人機沿著既定路線飛行，并發送控制指令讓無人機在合適位置噴灑農藥，達到了遠程控制、自動作業的效果。