四旋翼無人植保機(jī)飛控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王梓丁 浙江農(nóng)林大學(xué) 310000

隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展，農(nóng)業(yè)對(duì)植保技術(shù)的要求也越來越高。傳統(tǒng)的植保技術(shù)已經(jīng)不能較好滿足當(dāng)前要求，開發(fā)適合現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的新型植保技術(shù)已經(jīng)成為當(dāng)前的趨勢(shì)。針對(duì)我國南方以丘陵和山區(qū)地形為主的小面積種植區(qū)域并結(jié)合目前生產(chǎn)現(xiàn)狀及精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)發(fā)展需求，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)了基于STM32F407為MCU小型四旋翼植保無人機(jī)，實(shí)現(xiàn)在小面積種植區(qū)域內(nèi)平穩(wěn)飛行，滿足精準(zhǔn)作業(yè)要求。

本項(xiàng)目開發(fā)內(nèi)容主要包括：飛控板及外圍電路，傳感器底層驅(qū)動(dòng)，飛行控制程序等。

硬件部分

(1)MCU模塊

飛控采用STM32F407做為MCU，該芯片是采用32位RISC內(nèi)核的Cortex-M4架構(gòu)，工作頻率180MHz，有豐富的外部接口和內(nèi)置存儲(chǔ)器，可由2.0V至 3.6V直流電供電，該芯片還專門進(jìn)行了低功耗設(shè)計(jì)，可以廣泛應(yīng)用于無人機(jī)或便攜設(shè)備的嵌入式開發(fā)。STM32F407 滿足植保無人機(jī)主控制器對(duì)實(shí)時(shí)性和復(fù)雜數(shù)據(jù)處理能力的要求。

(2)姿態(tài)檢測(cè)模塊

四旋翼植保無人機(jī)需要實(shí)時(shí)進(jìn)行姿態(tài)解算，選用MPU9250復(fù)合芯片作為姿態(tài)檢測(cè)單元的主要傳感器。采用MPU9250芯片作為姿態(tài)檢測(cè)單元的主要傳感器,MPU9250一部分由三軸加速度計(jì)和三軸陀螺儀組成，另一部分包含一片三軸磁力計(jì)AK8963，內(nèi)置數(shù)字運(yùn)動(dòng)處理系統(tǒng)(DMP)[1]。

(3)位置檢測(cè)模塊

為實(shí)現(xiàn)四旋翼植保無人機(jī)自動(dòng)巡航完成預(yù)定的航跡規(guī)劃，需要提供精確的導(dǎo)航參數(shù)，如方位、速度和位置等。利用GPS（Global Positioning System）導(dǎo)航信息精度高的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了基于GPS的位置檢測(cè)單元[2]。

(4)高度檢測(cè)模塊

植保無人機(jī)在飛行作業(yè)時(shí)，不僅需要位置信息同時(shí)對(duì)高度信息也具有嚴(yán)格的要求，通過GPS得到的高度信息數(shù)據(jù)更新慢、數(shù)據(jù)不穩(wěn)定和精度低不能滿足植保無人機(jī)對(duì)高度信息的要求，所以設(shè)計(jì)了基于氣壓計(jì)的氣壓高度及模塊單元。

(5)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊

為方便對(duì)植保無人機(jī)飛行狀態(tài)進(jìn)行測(cè)試和分析，設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元，以SD卡和AT24C16 作為其存儲(chǔ)單元。其中SD 卡記錄了植保無人機(jī)的實(shí)時(shí)飛行數(shù)據(jù)，其中包括慣性測(cè)量單元和位置檢測(cè)單元的數(shù)據(jù)等飛行日志，方便以后對(duì)植保無人機(jī)整個(gè)使用情況做一個(gè)整體的評(píng)估和記錄。

(6)電源模塊

電源是整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵，電源模塊包括14.8V轉(zhuǎn)5V電路以及5V轉(zhuǎn)3.3V和3.0V 電路。選用TPS62163將14.8V電壓降到5V，TPS62163 是TI公司生產(chǎn)的高性

能電源芯片，其最小輸入為3V，最大輸入是17V，能夠提供穩(wěn)定的5V輸出，最大電流為1A。然后通過電源芯片TPS79333和TPS79330對(duì)5V電壓進(jìn)行降壓分別得到3.3V和3.0V電壓，以滿足不同器件對(duì)電壓的要求。

(7)遙控器模塊

方便對(duì)植保無人機(jī)進(jìn)行操作和監(jiān)控，對(duì)傳統(tǒng)的遙控器進(jìn)行了改進(jìn)，設(shè)計(jì)了植保無人機(jī)手持遙控器，其以數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)和圖像傳輸系統(tǒng)相結(jié)合的方式對(duì)控制命令發(fā)送和接收，同時(shí)將植保無人機(jī)回傳的數(shù)據(jù)和圖像進(jìn)行顯示，實(shí)現(xiàn)植保無人機(jī)傳輸和顯示一體化的功能[3]。

(8)數(shù)據(jù)傳輸模塊

數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)采用億佰特SX1278 無線模塊，使用433MHz 頻段進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，該模塊是高度集成低功耗半雙工無線數(shù)據(jù)傳輸模塊，其嵌入高速低功耗單片機(jī)和高性能擴(kuò)頻射頻芯片SX1278，同時(shí)采用高效的循環(huán)交織糾檢錯(cuò)編碼，具有較強(qiáng)的抗干擾性和靈敏度，提供了多個(gè)頻道選擇，可在線修改串口速率，收發(fā)頻率，發(fā)射功率，射頻速率等各種參數(shù)。

(9)噴灑模塊

（1）噴灑裝置

整個(gè)噴灑裝置主要由水泵和噴頭組成。采用普蘭迪1206自吸式水泵，自吸式水泵較潛水泵具有揚(yáng)程高，出水量大等特點(diǎn)。噴頭選用電動(dòng)離心噴頭或者扇形噴嘴，對(duì)于不同的應(yīng)用場(chǎng)景選用不同的噴頭，利用底板和碳纖維管將水泵和噴頭固定在四旋翼腳架的下方，確保作業(yè)時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定噴灑。

軟件部分

軟件系統(tǒng)是整個(gè)無人機(jī)系統(tǒng)的靈魂，四旋翼植保無人機(jī)系統(tǒng)中的各種任務(wù)調(diào)度、姿態(tài)解算和實(shí)時(shí)信息獲知、飛行任務(wù)等都需要借助軟件系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。為提高軟件系統(tǒng)的可讀性、可移植性，需要對(duì)軟件系統(tǒng)進(jìn)行層次劃分，不同層次的程序?qū)崿F(xiàn)不同的功能。這樣設(shè)計(jì)還能提高軟件系統(tǒng)的可測(cè)試性和可維護(hù)性，便于開發(fā)和驗(yàn)證，提高工作效率。

(1)姿態(tài)控制

植保無人機(jī)每一時(shí)刻飛行狀態(tài)可以分解為在地理坐標(biāo)系下這一時(shí)刻姿態(tài)的橫滾角、俯仰角和偏航角。分別對(duì)姿態(tài)角度進(jìn)行角度和角速度都采用PID控制。因?yàn)楦鱾€(gè)通道之間是獨(dú)立的，同時(shí)采用串級(jí)PID控制算法，將多變量輸入多變量輸出的復(fù)雜控制系統(tǒng)化簡(jiǎn)為多變量輸入而輸出為單一的輸出系統(tǒng)。

(2)姿態(tài)位置解算算法

植保無人機(jī)姿態(tài)和位置檢測(cè)系統(tǒng)由三軸陀螺儀、三軸加速度計(jì)、三軸磁力計(jì)和GPS組成，采用四元數(shù)法對(duì)姿態(tài)矩陣進(jìn)行計(jì)算，針對(duì)多傳感器在頻域上的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了基于互補(bǔ)濾波的姿態(tài)和位置解算算法。

(3)位置控制

高度控制也采取串級(jí)PID控制算法，外環(huán)是高度控制環(huán)，輸入的是期望高度，反饋的是數(shù)據(jù)融合得到的高度信息，內(nèi)環(huán)是速度環(huán)，輸入外環(huán)的輸出值，以垂直方向上速度值作為反饋值。