基于Mavlink協(xié)議的植保無人機地面監(jiān)測終端設(shè)計

呼云龍　胡金山　丁瀟　林萌萌

摘要 [目的]針對我國植保無人機作業(yè)過程中出現(xiàn)的重噴、漏噴、噴灑不均勻、無藥、斷藥等問題，設(shè)計一款基于Mavlink協(xié)議的植保無人機地面監(jiān)測終端。[方法]終端以STM32F103ZET6為核心控制器件、SIM808為GPRS通信器件，實現(xiàn)植保無人機作業(yè)過程中位置、飛行姿態(tài)、系統(tǒng)狀態(tài)、噴灑狀態(tài)等數(shù)據(jù)的解析及上傳。[結(jié)果]通過田間實驗表明，植保無人機地面監(jiān)測終端解析并上傳參數(shù)與地面站軟件獲取的實際數(shù)據(jù)相一致。[結(jié)論]該設(shè)計為植保無人機作業(yè)監(jiān)管提供了可靠的數(shù)據(jù)支撐，推動了植保無人機作業(yè)監(jiān)管進(jìn)程，具有較強的應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞 Mavlink V1.0協(xié)議；無人機植保；植保過程監(jiān)測；JT/T-808（2013）協(xié)議

中圖分類號 S251 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 0517-6611（2018）27-0189-04

Terminal Design of Plant Protection UAV Ground Monitoring Based on Mavlink Protocol

HU Yunlong，HU Jinshan，DING Xiao et al

（Harbin Aerospace Star Data System Technology Co.，Ltd， Harbin，Heilongjiang 150028 ）

Abstract [Objective]A plant protection UAV ground monitoring terminal based on Mavlink protocol is designed to solve the problems of respraying，leak spraying， nonuniform spraying，no insecticide，and drug discontinuation in the process of plant protection UAV operation in China.[Method]The terminal takes STM32F103ZET6 as the core controller and SIM808 as the GPRS communication device，which can resolve and upload the data of position，flight attitude， system state and spray state in the process of plant protection UAV operation.[Result]Field experiments show that：the parameters parsed and uploaded by plant protection UAV ground Monitoring terminal are consistent with the actual data obtained by the earth station software.[Conclusion]This design provides reliable data support for the operation supervision of plant protection UAV，and promotes the process of operation supervision of plant protection UAV，which has strong application value.

Key words Mavlink V1.0 protocol；Plant protection UAV；Plant protection process monitoring；JT/T-808（2013） protocol

基金項目 中央引導(dǎo)地方科技發(fā)展專項（K-K-S-2YYDDF-17）；黑龍江省農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)關(guān)鍵技術(shù)研究（K-K-I-NYDSJ-16）。

作者簡介 呼云龍（1987—），男，黑龍江哈爾濱人，助理工程師，碩士，從事信息系統(tǒng)集成工作。

收稿日期 2018-05-30

植保無人機作業(yè)具有作業(yè)效率高、漂移少、對環(huán)境污染低、噴灑均勻、作業(yè)成本低等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于中耕作業(yè)及病蟲害防治中[1-3]。隨著無人機植保技術(shù)的發(fā)展及植保無人機試點補貼的推廣，我國植保無人機行業(yè)呈現(xiàn)井噴式發(fā)展，截至2016年6月底，植保無人機保有量4 890架，作業(yè)總面積47.6萬hm2/次，2015年底植保無人機保有量2 322架，作業(yè)總面積76.9萬hm2/次，整體趨勢呈現(xiàn)直線上升狀態(tài)[4]。

目前國內(nèi)植保無人機作業(yè)過程缺少有效的監(jiān)管技術(shù)手段，導(dǎo)致重噴、漏噴、噴灑不均勻、無藥、斷藥等問題。為保證無人機植保服務(wù)質(zhì)量，提升管理部門監(jiān)管水平，筆者依托Mavlink V1.0協(xié)議設(shè)計了一款無人機地面監(jiān)測終端，實現(xiàn)了無人機植保作業(yè)過程中無人機位置、飛行姿態(tài)、系統(tǒng)狀態(tài)、噴

灑裝置狀態(tài)等數(shù)據(jù)的解析及上傳。

1 終端工作流程

植保無人機地面監(jiān)測終端具備數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)解析、交互通信等功能。其數(shù)據(jù)處理流程如圖1所示，首先，通過無人機數(shù)傳電臺獲取飛控數(shù)據(jù)，并根據(jù)Mavlink V1.0協(xié)議解析系統(tǒng)狀態(tài)、飛行姿態(tài)、噴灑裝置、位置等信息；其次，與接入網(wǎng)關(guān)建立TCP/IP鏈接，并依據(jù)JT/T-808協(xié)議完成終端注冊、鑒權(quán)、終端心跳的發(fā)送以及應(yīng)答解析；再次，根據(jù)解析的數(shù)據(jù)組合JT/T-808位置匯報數(shù)據(jù)幀上傳至接入網(wǎng)關(guān)；最后，根據(jù)通用應(yīng)答判斷網(wǎng)絡(luò)連接狀態(tài)，若處于通信盲區(qū)，則存儲該位置匯報數(shù)據(jù)幀，若恢復(fù)通信，則使用定位數(shù)據(jù)批量上傳數(shù)據(jù)幀補傳存儲數(shù)據(jù)。

2 通信協(xié)議介紹

2.1 Mavlink V1.0協(xié)議簡介

2.1.1 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

MavLink V1.0協(xié)議是一種用于小型無人載具的通信協(xié)議，該協(xié)議被廣泛用于地面站與無人載具之間的通信以及載具內(nèi)部子系統(tǒng)內(nèi)部通訊中。協(xié)議中規(guī)定以0xFE作為幀頭，以CRC16校驗位為幀尾，并以此區(qū)分當(dāng)前接收的0xFE是否為起始標(biāo)識，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)詳細(xì)說明參照MavLink V1.0通用協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)[5-7]。

2.1.2 負(fù)載信息。

負(fù)責(zé)信息內(nèi)容由Message ID決定，為獲取無人機位置、姿態(tài)、噴灑狀態(tài)等信息，終端需解析Message ID為0x01（系統(tǒng)狀態(tài)）、0x02（時間）、0x18（GPS原始數(shù)據(jù)）、0x1E（姿態(tài)）、0x21（整形定位數(shù)據(jù)）、0x0A（噴灑裝置）的數(shù)據(jù)幀。該研究以整形定位數(shù)據(jù)為例進(jìn)行負(fù)載信息的簡要介紹，其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如表1所示，終端通過解析該負(fù)載信息，獲取經(jīng)緯度、相對高度等數(shù)據(jù)。

2.2 JT/T-808（2013）協(xié)議簡介

2.2.1 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

終端與接入網(wǎng)關(guān)間采用JT/T-808（2013）協(xié)議交互通信。協(xié)議每條消息由標(biāo)識符、消息頭、消息體、校驗位、標(biāo)識符組成，規(guī)定以0x7e作為標(biāo)識符，以消息頭首位至消息體最后一位的異或校驗結(jié)果作為校驗位[8]。

2.2.2 位置匯報消息體。

位置匯報數(shù)據(jù)幀用于植保無人機監(jiān)控數(shù)據(jù)上傳，其消息體由基本信息和附加信息項列表組成，其中位置基本信息用于傳輸解析的無人機位置數(shù)據(jù)，附加信息項列表用于組合獲取的相對高度、姿態(tài)、噴灑狀態(tài)、電池余量等信息，其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如表2所示。

3 系統(tǒng)組成及軟硬件設(shè)計

3.1 支撐硬件設(shè)計

硬件平臺以STM32F103ZET6作為MPU協(xié)調(diào)各部分電路的運行、通過SIM808芯片與接入網(wǎng)關(guān)進(jìn)行GPRS通信、以W25Q128芯片存儲通信盲區(qū)數(shù)據(jù)、使用AT24C02存儲終端ID及手機號碼，電路板采用4層PCB設(shè)計，外置SIM卡、GPRS天線、SBUF、RS485/CAN、RS232/TTL、SWD接口，采用5V直流供電。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

3.2 嵌入式軟件設(shè)計

3.2.1 軟件功能結(jié)構(gòu)。

嵌入式軟件是系統(tǒng)實現(xiàn)設(shè)計功能的重要支撐，軟件由BSP驅(qū)動、UCOSIII操作系統(tǒng)組成，其中BSP驅(qū)動包括時鐘、串口、定時器、SPI FLASH、ERROM、環(huán)形隊列、窗口看門狗的配置及初始化；UCOSIII操作系統(tǒng)調(diào)度4個應(yīng)用任務(wù)、2個軟件定時器實現(xiàn)數(shù)據(jù)解析、交互通信功能；軟件組成如圖3所示。

3.2.2 軟件業(yè)務(wù)流程。

系統(tǒng)上電完成初始化及創(chuàng)建應(yīng)用任務(wù)后，UCOSIII內(nèi)核根據(jù)任務(wù)優(yōu)先級調(diào)度任務(wù)1、4。任務(wù)1每間隔1 s執(zhí)行1次，實現(xiàn)任務(wù)1通信盲區(qū)數(shù)據(jù)儲存、無人機管理平臺指令解析、網(wǎng)關(guān)連接狀態(tài)監(jiān)測等功能，在執(zhí)行40次任務(wù)1后單次執(zhí)行任務(wù)3，完成標(biāo)志位讀取、手機號讀取、建立TCP/IP連接、終端注冊；其中無人機管理平臺指令解析流程如圖4所示，終端接收到平臺回復(fù)的注冊應(yīng)答后，進(jìn)行終端鑒權(quán)，在鑒權(quán)成功后開啟任務(wù)2，實現(xiàn)終端心跳、位置匯報、定位數(shù)據(jù)批量上傳功能。

任務(wù)4每間隔30 ms執(zhí)行1次，實現(xiàn)對負(fù)載信息的解析，其執(zhí)行流程如圖5所示。首先，讀取環(huán)形隊列中存儲的數(shù)據(jù)，提取完整的Mavlink數(shù)據(jù)幀；其次，解析Mavlink數(shù)據(jù)幀提取負(fù)載信息；最后，根據(jù)Message ID解析負(fù)載信息，獲取無人機位置、飛行姿態(tài)、電池余量、噴灑狀態(tài)等信息。

4 田間實驗驗證

2017年7月25—31日期間哈爾濱航天恒星數(shù)據(jù)系統(tǒng)科技有限公司聯(lián)合五常農(nóng)委、天津航天中為科技有限公司在黑龍江省五常市內(nèi)選取66.67 hm2水稻田進(jìn)行無人機植保作業(yè)應(yīng)用示范，無人機植保作業(yè)現(xiàn)場如圖6a所示，植保無人機地面監(jiān)測終端實物如圖6b所示。在此次無人機植保應(yīng)用示范中使用植保無人機地面監(jiān)測終端解析并上傳無人機位置、飛行姿態(tài)、電池余量等信息，其植保作業(yè)軌跡如圖7所示。

從圖7可以看出，植保無人機受飛控手視力、風(fēng)速、風(fēng)向等因素影響出現(xiàn)紅色重噴區(qū)域以及灰色漏噴區(qū)域，其與現(xiàn)場作業(yè)情況一致。

以電池余量為例，根據(jù)圖7中各軌跡點電池余量與無人機地面站軟件獲取的電池余量數(shù)據(jù)繪制圖8。從圖8中可以看出，無人機管理系統(tǒng)中電池余量點均落在地面站軟件電池余量變化曲線上。與電池余量類似位置、流量、相對地面高度、電池余量、藥箱余量等信息均與地面站軟件獲取的實際數(shù)據(jù)相一致，可以滿足用戶對植保無人機作業(yè)監(jiān)管的需求。

5 結(jié)論

該研究從植保無人機作業(yè)監(jiān)管的實際需求出發(fā)，完成了植保無人機地面監(jiān)測終端的設(shè)計。從系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理流程、通信協(xié)議、系統(tǒng)組成、田間實驗等方面對終端進(jìn)行詳細(xì)的闡述。

田間實驗表明，植保無人機地面監(jiān)測終端解析并上傳的位置、流量、相對地面高度、電池余量、藥箱余量等信息與地面站軟件獲取的實際數(shù)據(jù)相一致，可以滿足用戶對植保無人機作業(yè)監(jiān)管的需求。

由于通信協(xié)議的限制，目前只適用于符合Mavlink V1.0協(xié)議的植保無人機，對大疆、廣州極飛、億航科技等公司生產(chǎn)的植保無人機還不具備通用性。

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