農(nóng)業(yè)四旋翼飛行器的研究

蘇曉光，姜重然，于莉莉，賈婧媛，羅治佳

(佳木斯大學(xué) 信息電子技術(shù)學(xué)院，黑龍江 佳木斯 154007)

0 引言

我國(guó)東北地區(qū)是主要的產(chǎn)糧區(qū)，主要生產(chǎn)水稻、玉米、大豆，且大多采用傳統(tǒng)的耕作體系，為實(shí)現(xiàn)水稻、玉米、大豆等的高產(chǎn)，解決人們的溫飽做出了貢獻(xiàn)。同時(shí)，也帶來了許多問題，如忽視資源浪費(fèi)與環(huán)境保護(hù)、作業(yè)環(huán)節(jié)多、生產(chǎn)成本高及地力持續(xù)下降等嚴(yán)重問題。

近年來，東北地區(qū)糧食作物受到病蟲害嚴(yán)重影響，相對(duì)于水稻而言，要想優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)，就要想辦法降低或者規(guī)避水稻病蟲害的發(fā)生。東北地區(qū)作為我國(guó)重要的產(chǎn)糧區(qū)，為了保證東北地區(qū)水稻的優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)，就需要重視對(duì)水稻病蟲害的防治[1]。一般來說，農(nóng)藥噴灑一般由人工完成，但這種方式會(huì)導(dǎo)致人通過空氣接觸到氣化的農(nóng)藥，不利于人的身體健康，且需要耗費(fèi)大量的人力物力。

四旋翼飛行器是近年來發(fā)展較快、在很多領(lǐng)域都有應(yīng)用的一種新技術(shù)裝備。四旋翼飛行器是一種結(jié)構(gòu)新穎、性能卓越、能夠?qū)崿F(xiàn)垂直起降的無人機(jī)。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中使用農(nóng)用無人機(jī)進(jìn)行農(nóng)藥噴灑有以下優(yōu)點(diǎn)：①可以監(jiān)控農(nóng)作物病蟲害病情，飛行高度低，指定噴灑，噴灑效率高，維修成本低；②在勻速飛行時(shí)，旋翼產(chǎn)生的風(fēng)力會(huì)將農(nóng)藥進(jìn)一步的霧化，且更均勻地噴灑到農(nóng)作物上，最高效率地發(fā)揮農(nóng)藥作用[2]。

1 設(shè)計(jì)原理及機(jī)構(gòu)

1.1 四旋翼飛行器的力學(xué)原理

四旋翼飛行器按照機(jī)頭方向通常又分為“X”模式和“十”模式，如圖1所示。按照機(jī)頭方向，1只旋翼在前，整機(jī)呈十字形，則為“十”模式；2只旋翼在前，整機(jī)呈X形，則為X模式。因“X”模式力學(xué)模型相對(duì)復(fù)雜，但穩(wěn)定性及可操控性更好，所以后續(xù)內(nèi)容皆圍繞“X”模式進(jìn)行討論。

圖1 飛行器力學(xué)模型Fig.1 The mechanical model of aircraft

圖1中：1號(hào)電機(jī)和3號(hào)電機(jī)帶動(dòng)正向螺旋槳沿逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的同時(shí)，2號(hào)電機(jī)和4號(hào)電機(jī)帶反漿順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，在抵消陀螺效應(yīng)和空氣扭力的同時(shí)保證4只旋翼都是向上推動(dòng)飛行器，抵消重力作用。四旋翼飛行器在具有6個(gè)自由度，分別沿X、Y、Z坐標(biāo)軸做平移和繞坐標(biāo)軸做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)[3]。與單個(gè)旋轉(zhuǎn)軸提供升力的直升機(jī)相比，四旋翼飛行器能夠完成的姿態(tài)較少，但基本的前進(jìn)、后退、平移和旋轉(zhuǎn)等動(dòng)作都能實(shí)現(xiàn)[4]。

1.1.1 垂直運(yùn)動(dòng)

圖1中：因2個(gè)電機(jī)正轉(zhuǎn)，2個(gè)電機(jī)反轉(zhuǎn)，可抵消自身扭力的作用，所以同時(shí)提高4只電機(jī)的輸出功率，就可實(shí)現(xiàn)飛行器沿Z軸的垂直上升運(yùn)動(dòng)；反之，同時(shí)降低4只電機(jī)的轉(zhuǎn)速，就可實(shí)現(xiàn)飛行器的垂直下降。若排除外界的干擾，旋翼產(chǎn)生的升力等于飛行器自重時(shí)，就可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定懸停[5]。

1.1.2 水平運(yùn)動(dòng)

圖1中：降低1號(hào)、2號(hào)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，提升3號(hào)、4號(hào)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，就可實(shí)現(xiàn)“低頭”，由于機(jī)體角度改變，旋翼產(chǎn)生了沿X軸正向的分力，則可實(shí)現(xiàn)飛行器的前進(jìn)運(yùn)動(dòng)；相反，1號(hào)、2號(hào)電機(jī)轉(zhuǎn)速提高，3號(hào)、4號(hào)電機(jī)轉(zhuǎn)速減少，實(shí)現(xiàn)“抬頭”，完成后退動(dòng)作。為了不因轉(zhuǎn)速改變導(dǎo)致飛行器扭矩和升力的改變，前后兩組電機(jī)的轉(zhuǎn)速改變量應(yīng)相同。

1.2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

1.2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案

四旋翼飛行器結(jié)構(gòu)框圖，如圖2所示。四旋翼無人機(jī)的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，需要控制橫滾角、俯仰角和航向角，以及利用精度高的姿態(tài)傳感器采集準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。遙控器的控制信號(hào)通常通過無線的形式發(fā)給單片機(jī)。運(yùn)動(dòng)的控制主要是控制4個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，控制電機(jī)的信號(hào)一般采用單片機(jī)產(chǎn)生PWM波，然后輸出給電子調(diào)速器。由于軟件需求，在硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)需要充分考慮CPU的數(shù)據(jù)處理精度和浮點(diǎn)運(yùn)算能力、傳感器選型，以及各類芯片級(jí)聯(lián)電平的匹配等問題。例如，微處理器采用STM32F407ZET6，姿態(tài)傳感器使用MPU6500模組，電子羅盤采用HMC5843模組，氣壓傳感器采用MS5611模組。在無線通訊時(shí)，直接采用PPM(Pulse Position Modulation)方式對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行信號(hào)的控制。為了更好地控制無人機(jī)的上升下降，還需采用超聲波模塊，結(jié)合氣壓計(jì)測(cè)量無人機(jī)的高度。硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖3所示。無人機(jī)加速時(shí)，旋翼電機(jī)瞬間產(chǎn)生較大的電流，且無人機(jī)姿勢(shì)實(shí)時(shí)變化，其控制電流也隨之變化，隨之會(huì)產(chǎn)生電磁干擾，造成通訊控制信號(hào)錯(cuò)亂，如圖4所示。為了防止旋翼電機(jī)在姿態(tài)急劇變化時(shí)，反向電壓通過電子調(diào)速器反饋到微處理器，可能造成電壓瞬間過大燒毀微處理器，所以需要加接隔離電路。

圖2 系統(tǒng)組成框圖Fig.2 The system block diagram

圖3 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.3 The stricter diagram of hardware

圖4 電平轉(zhuǎn)換電路Fig.4 The level switching circuit

同時(shí)，要單片機(jī)輸出的PWM信號(hào)輸出到電機(jī)上，需加上隔離電路用來保護(hù)單片機(jī)，如圖5所示。

圖5 隔離電路Fig.5 The buffer circuit

1.2.2 軟件設(shè)計(jì)方案

軟件程序設(shè)計(jì)，必須滿足無人機(jī)噴灑所需要的各種控制要求，主要包含3個(gè)部分：首先，需要確定遙控器與無人機(jī)之間的聯(lián)系，尤其是當(dāng)遙控器失控后無人機(jī)做出的保護(hù)，如果通訊異常失聯(lián)，其中斷檢測(cè)會(huì)觸發(fā)，無人機(jī)會(huì)根據(jù)電量判斷是直接降落還是返航；其次，獲取遙控器的控制信號(hào)，及時(shí)響應(yīng)控制命令，并進(jìn)行一定的平滑處理以防止搖桿異常撥動(dòng)；最后，初始化開機(jī)后的各模塊，并對(duì)傳感器進(jìn)行自檢及無人機(jī)環(huán)境情況進(jìn)行檢測(cè)，自檢完成后會(huì)捕獲控制信號(hào)，通過平滑處理控制信號(hào)，將控制信號(hào)輸入到PID控制器，再轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的PWM脈寬輸出到電機(jī)，從而控制無人機(jī)完成動(dòng)作。其程序流程如圖6所示。

圖6 程序流程圖Fig.6 The program flowchart

1.3 機(jī)體設(shè)計(jì)方案

農(nóng)用無人機(jī)不僅需要安全飛行還需要載重能力，據(jù)此選擇合適的電機(jī)、電調(diào)與槳葉。通過計(jì)算電機(jī)推力及所需的起飛質(zhì)量，為安全起見電機(jī)推力大于起飛質(zhì)量?jī)杀丁o人機(jī)除了正常起飛還需要完成農(nóng)藥噴灑等相關(guān)動(dòng)作，即前進(jìn)、后退、偏航等運(yùn)動(dòng)，在電池耗電電壓下降的情況下也需要保證電機(jī)的響應(yīng)能力和安全邊界。無人機(jī)由于需要搭載藥箱，所以在計(jì)算整機(jī)質(zhì)量時(shí)要加上藥箱裝滿藥和無人機(jī)本身的質(zhì)量。因此，選擇TYI5008 KV400電機(jī)作為動(dòng)力，電機(jī)配合2260碳纖維槳時(shí)的參數(shù)如表1所示。電機(jī)的工作電流為30～40A，為了增加安全邊界，采用好贏天行者50A電調(diào)驅(qū)動(dòng)，單個(gè)電機(jī)最大功率為960W，最大拉力可達(dá)4 200g。因此，該四旋翼無人機(jī)最大起飛質(zhì)量能達(dá)到16.8kg。為了保證無人機(jī)的安全飛行以及噴灑動(dòng)作的完成，當(dāng)無人機(jī)藥箱滿載時(shí)，且電機(jī)輸出占空比為85%時(shí)，電池輸出電流總體應(yīng)小于80A。當(dāng)電機(jī)輸出電流為16 A、無人機(jī)在搭載滿農(nóng)藥的情況下，無人機(jī)的整體質(zhì)量在12.0kg左右。

表1 電機(jī)參數(shù)Table 1 Electric machine parameter

續(xù)表1

2 PID控制參數(shù)計(jì)算

假設(shè)在理想狀態(tài)下，飛行器的構(gòu)造是嚴(yán)格對(duì)稱的，且每個(gè)電機(jī)和旋翼也完全相同，通電之后電機(jī)就會(huì)帶動(dòng)旋翼旋轉(zhuǎn)，因每個(gè)旋翼的轉(zhuǎn)速是相同的，飛行器可以保持平衡狀態(tài)。但這種假設(shè)條件是不存在的，且實(shí)際飛行中還會(huì)受氣流等外界因素影響，為了使飛行器平衡就需要引入一種負(fù)反饋控制算法，實(shí)時(shí)地對(duì)每個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)，糾正姿態(tài)偏差。本系統(tǒng)選用了構(gòu)造簡(jiǎn)單、控制效果好且運(yùn)算量小PID算法對(duì)姿態(tài)進(jìn)行調(diào)節(jié)，并采用內(nèi)環(huán)角速度外環(huán)角度的雙閉環(huán)形式，其控制算法框圖如圖7所示。對(duì)角度的微分其意義就等同于角速度，又由于角速度閉環(huán)控制的存在，所以就省去了角度環(huán)控制的微分環(huán)節(jié)。PID控制算法標(biāo)準(zhǔn)形式見式(1)，為了方便計(jì)算機(jī)處理可變?yōu)殡x散化式(2)。式(2)中，e(k)為系統(tǒng)偏差，在本系統(tǒng)中為期望值與反饋值的差；u(t)是系統(tǒng)輸出，系統(tǒng)外環(huán)的輸出為角速度的期望值，它與角速度反饋的差就是角速度環(huán)的輸入；KP，KI，KD分別稱作比例、積分、微分參數(shù)，需根據(jù)具體系統(tǒng)特點(diǎn)進(jìn)行調(diào)節(jié)，使系統(tǒng)穩(wěn)定[10]。

(1)

(2)

由于積分在實(shí)際意義上是連續(xù)的，但單片機(jī)是數(shù)字系統(tǒng)，不能實(shí)現(xiàn)連續(xù)的積分，只能以累加的形式代替積分，微分用前后兩次輸入的差進(jìn)行代替，在實(shí)際應(yīng)用中也取得了良好的效果。飛行器的橫滾、俯仰及航向3個(gè)維度都需使用PID算法進(jìn)行控制，將3個(gè)環(huán)節(jié)的輸出分別累加到對(duì)應(yīng)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)飛行器的姿態(tài)穩(wěn)定可控。使用PID算法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行姿態(tài)控制，但PID控制算法往往需根據(jù)系統(tǒng)特性選擇恰當(dāng)?shù)膮?shù)使系統(tǒng)達(dá)到更穩(wěn)定的狀態(tài)，合適的參數(shù)才能保證飛行器起飛后姿態(tài)的穩(wěn)定[11]。

圖7 控制算法框圖Fig.7 The contral algorihm block diagram

因此，需要對(duì)飛行器的橫滾角、俯仰角及航向角進(jìn)行參數(shù)調(diào)試，在調(diào)試過程中應(yīng)保證飛行器在當(dāng)前要調(diào)試的維度上能夠自由活動(dòng)，在其他維度應(yīng)固定，以免對(duì)調(diào)試造成影響。在實(shí)際調(diào)試時(shí)，首先對(duì)飛行器進(jìn)行固定，若要對(duì)橫滾角PID控制參數(shù)進(jìn)行調(diào)試，應(yīng)使飛行器能夠沿橫滾角自由轉(zhuǎn)動(dòng)，能夠最大化地較少外界影響，以保證調(diào)試的參數(shù)結(jié)果可靠、穩(wěn)定。在實(shí)際參數(shù)整定中，應(yīng)結(jié)合參數(shù)的實(shí)際物理意義進(jìn)行整定。本系統(tǒng)使用外環(huán)角度、內(nèi)環(huán)角速度的雙閉環(huán)PID形式。其意義為：當(dāng)真實(shí)的飛行器姿態(tài)和期望的飛行器姿態(tài)之間發(fā)生了角度偏差，不立即對(duì)飛行器進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整，而是先計(jì)算出應(yīng)以什么樣的角速度對(duì)飛行器姿態(tài)進(jìn)行調(diào)整，并將其輸出，作為內(nèi)環(huán)角速度控制器的輸入，糾正姿態(tài)偏差，從而保證飛行器姿態(tài)穩(wěn)定可控。根據(jù)內(nèi)外環(huán)的意義分析，應(yīng)先保證角速度環(huán)的穩(wěn)定，才能實(shí)現(xiàn)角度環(huán)的功能，所以應(yīng)按照先內(nèi)環(huán)，再外環(huán)的順序進(jìn)行調(diào)試[12]。

由圖2控制系統(tǒng)框圖可知：角速度環(huán)分為比例、積分和微分3個(gè)環(huán)節(jié)。其中，比例環(huán)節(jié)對(duì)應(yīng)式(2)中KPe(k)，易知比例環(huán)節(jié)輸出和輸入誤差大小成線性關(guān)系，即誤差越大輸出越大，所以比例環(huán)節(jié)在PID控制器中是主回復(fù)力，確定了KP參數(shù)，才能對(duì)其他參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)。由比例環(huán)節(jié)表達(dá)式可知：當(dāng)輸入誤差一定時(shí)，KP參數(shù)若偏小，輸出偏小，達(dá)不到控制效果；若KP參數(shù)偏大，會(huì)使比例環(huán)節(jié)輸出偏大，造成超調(diào)使系統(tǒng)不穩(wěn)定。所以，在調(diào)試過程中按照此分析結(jié)果進(jìn)行調(diào)試，在調(diào)試中發(fā)現(xiàn)當(dāng)角速度環(huán)KP值為3.8時(shí)飛行器角速度有良好的響應(yīng)。但根據(jù)KPe(k)得到：當(dāng)KP參數(shù)一定輸入誤差e(k)較小時(shí)，比例環(huán)節(jié)輸出也偏小，甚至不能修正誤差。所以只有KP參數(shù)的系統(tǒng)仍存在較小的誤差。

3 飛行測(cè)試

由于四旋翼飛行器有6個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度，但只有4個(gè)控制自由度，是典型的非線性欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。所以，在實(shí)際飛行時(shí)要求飛行器在平面平移時(shí)相應(yīng)超調(diào)小、波動(dòng)小、漂移小；姿態(tài)角度應(yīng)無超調(diào)、調(diào)節(jié)時(shí)間短，能夠快速穩(wěn)定。為了保證飛行器性能穩(wěn)定可靠，需要對(duì)飛行器分別進(jìn)行室內(nèi)、室外飛行穩(wěn)定性測(cè)試。飛行器通電后，姿態(tài)會(huì)穩(wěn)定在水平0°位置，撥動(dòng)遙控器搖桿，飛行器姿態(tài)跟隨搖桿變化，給飛行器施加干擾，能感覺到飛行器對(duì)干擾的排斥，飛行器姿態(tài)能夠迅速回正；在室外微風(fēng)的環(huán)境下，飛行姿態(tài)受風(fēng)力影響較小，在遙控器的操作下能夠正常飛行，且仍具有良好的穩(wěn)定性。圖8為實(shí)物圖。

圖8 實(shí)物圖Fig.8 Picture of real products

4 結(jié)論

四旋翼飛行器是一類復(fù)雜的多變量欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，具有非線性、大時(shí)滯、強(qiáng)耦合及時(shí)變等特性，在飛行過程中很容易受到各種外部環(huán)境的干擾和影響。針對(duì)以上不穩(wěn)定因素，采用MPU-6050作為姿態(tài)傳感器提供反饋，以角度外環(huán)和角速度內(nèi)環(huán)構(gòu)成的串級(jí)PID作為控制算法，最終設(shè)計(jì)完成的飛行器可以達(dá)到穩(wěn)定飛行的目的。