基于紅外信標(biāo)的植保無人機(jī)助降系統(tǒng)研究

項(xiàng)立，王全輝，陳文霞

（嶺南師范學(xué)院信息工程學(xué)院，湛江 524000）

0 引言

近年來，中國(guó)“新農(nóng)村”建設(shè)越來越受到國(guó)家的重視。在“新農(nóng)村”建設(shè)過程中的一個(gè)重要內(nèi)容就是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)安全和高效率。噴藥作業(yè)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中是一個(gè)重要的作業(yè)項(xiàng)目。人工打農(nóng)藥主要存在以下幾個(gè)問題。①風(fēng)險(xiǎn)高。每年我國(guó)因噴藥作業(yè)中毒人數(shù)高達(dá)十萬，致死率高［1］，這導(dǎo)致年輕人不愿意從事噴藥工作。②成本高。以山區(qū)柑橘為例，人工噴藥成本不低于人民幣20元/畝，農(nóng)忙期可達(dá)25元/畝。③殘留重。人工噴藥采用壓力噴頭粗獷噴灑，農(nóng)藥浪費(fèi)嚴(yán)重，并且對(duì)土地造成過多的農(nóng)藥殘留。④效率低。在病蟲害高發(fā)期，常出現(xiàn)較大塊的面積天天噴藥也還趕不上害蟲的繁殖速度。相較于傳統(tǒng)人工噴藥機(jī)器，農(nóng)業(yè)植保無人機(jī)不但可以有效地提升作業(yè)效率，還可以有效地降低人工噴藥成本、避免操作人員中毒、減少藥物殘留，因而受到了農(nóng)戶的廣泛歡迎。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，2019年我國(guó)植保無人機(jī)市場(chǎng)保有量突破4萬架，國(guó)內(nèi)研究和開發(fā)植保無人機(jī)的企業(yè)超過200家，比較著名的是大疆和極飛兩家企業(yè)。大疆作為民用航拍技術(shù)和全世界市場(chǎng)份額的領(lǐng)頭羊，大疆在植保無人機(jī)領(lǐng)域推出MG-1S、T-16等機(jī)型［2］。極飛公司的P40、P20等植保無人機(jī)，也擁有大量的市場(chǎng)份額。植保無人機(jī)在普通農(nóng)業(yè)植保領(lǐng)域已經(jīng)取得了較多的成就，無人機(jī)植保技術(shù)在我國(guó)水稻、棉花、辣椒等低矮作物總作業(yè)面積突破4億畝次。但形成鮮明對(duì)比的是，無人機(jī)保值技術(shù)在市場(chǎng)保有量高達(dá)1.67億畝的高植株果樹的實(shí)際作業(yè)量少到可忽略不計(jì)，同時(shí)針對(duì)高植株植物（柑橘等果樹）噴藥作業(yè)的植保無人機(jī)研究相對(duì)匱乏。不同于平原的無人機(jī)噴藥，大量高植株植物生長(zhǎng)于坡地，適合植保無人機(jī)的起降區(qū)域相當(dāng)小，稍不注意就會(huì)因降落失敗而炸機(jī)，造成嚴(yán)重?fù)p失。植保無人機(jī)坡地定點(diǎn)降落問題是一個(gè)亟待研究的問題。

無人機(jī)常用的定點(diǎn)降落方法主要有：基于全球定位系統(tǒng)GPS的定點(diǎn)降落和機(jī)器視覺輔助的定點(diǎn)降落等［3］?；贕PS的定點(diǎn)降落依托于GPS記錄無人機(jī)起飛點(diǎn)的經(jīng)緯度的一鍵返航。無人機(jī)規(guī)劃飛行路徑并實(shí)時(shí)獲取中途位置點(diǎn)的坐標(biāo),形成飛行路徑信息，接收到返回指令后進(jìn)行返航。然而，GPS定位精度低，無人機(jī)較難精準(zhǔn)定位起飛點(diǎn)，從而很難進(jìn)行自動(dòng)精準(zhǔn)降落，在某些特殊情況下可能會(huì)因?yàn)榻德潼c(diǎn)偏離起飛點(diǎn)，造成事故。無人機(jī)降落到一定高度后加入人工干預(yù)，可實(shí)現(xiàn)安全降落，但是這種方法對(duì)植保無人機(jī)操作員的要求比較高。植保無人機(jī)體積龐大，對(duì)降落要求很高，稍不注意，幾萬元的無人機(jī)就可能毀于一旦。此外，使用GPS實(shí)現(xiàn)無人機(jī)定點(diǎn)降落結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，功耗低，但對(duì)算法的要求較高，且必須借助衛(wèi)星進(jìn)行定位，容易受到外界信號(hào)的干擾，定位精度不高，存在局限性。當(dāng)前還有一部分植保無人機(jī)采用全稱實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)載波相位差分定位技術(shù)（RTK）定位，其動(dòng)態(tài)定位效果不理想且要額外增加很高的RTK定位基站成本。機(jī)器視覺輔助進(jìn)行的定點(diǎn)降落用GPS粗定位與運(yùn)動(dòng)檢測(cè)技術(shù)定位相結(jié)合的方法。將攝像頭置于無人機(jī)起飛點(diǎn)處,通過攝像頭獲取無人機(jī)的位置,然后發(fā)送命令來控制無人機(jī)運(yùn)動(dòng)［4］。通過采用無人機(jī)雙攝像頭和慣性導(dǎo)航系統(tǒng),采用光流傳感器和慣性測(cè)量模塊定位的方法來提高無人機(jī)的定位精度［5］。擴(kuò)展卡爾曼算法也用于無人機(jī)定位，但需安置攝像頭等或需要較復(fù)雜的光流計(jì)算且實(shí)施起來較為復(fù)雜［6］。對(duì)于植保無人機(jī)而言，這些方法適用性不高［3］。植保無人機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)功率大，在下降過程中揚(yáng)起的大量沙塵以及現(xiàn)場(chǎng)噴藥產(chǎn)生的部分煙霧，使得圖像識(shí)別攝像頭容易被遮擋；設(shè)置的紙質(zhì)或布制降落靶標(biāo)也經(jīng)常被巨大的氣流吹飛或被砂石遮擋，采用不易吹飛的靶標(biāo)不易攜帶。文獻(xiàn)［7］提出利用紫外光散射通信、無背景噪聲干擾的優(yōu)勢(shì)搭建基于紫外信標(biāo)的無人機(jī)助降系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)高精度助降引導(dǎo)，但是該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，成本偏高。

可以看出，上述種種無人機(jī)輔助降落方式都存在一定缺陷，并不適用于高植株植保無人機(jī)降落，為此本文提出了一套能夠滿足植保無人機(jī)在坡地自動(dòng)降落過程中的定位方案，該方案通過減小著陸過程中的定位誤差，使植保無人機(jī)獲得更準(zhǔn)確的位置信息，實(shí)現(xiàn)精確著陸，從而使植保無人機(jī)更加適用于高植株作物的噴藥作業(yè)。

1 植保無人機(jī)

植保無人機(jī)由飛控系統(tǒng)、毫米波雷達(dá)、螺旋槳、電機(jī)、地面云臺(tái)、電池、噴灑作業(yè)的噴嘴、載藥桶等及其他部件組成。自制植保無人機(jī)如圖1所示。

圖1 自制植保無人機(jī)

植保無人機(jī)的工作環(huán)境復(fù)雜，尤其是應(yīng)用于坡地高植株作物，如柑橘等。這種工作場(chǎng)景地形復(fù)雜，可供長(zhǎng)度近2米的植保無人機(jī)起降的區(qū)域較小。其具體應(yīng)用場(chǎng)景如圖2所示。本文主要研究植保無人機(jī)的自動(dòng)降落裝置。

圖2 植保無人機(jī)用于高植株作物的應(yīng)用場(chǎng)景

2 助降系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

植保無人機(jī)助降系統(tǒng)的硬件由三部分組成：①地面的紅外線發(fā)射裝置（紅外信標(biāo)），放置在無人機(jī)將要降落的地點(diǎn)。②搭載在無人機(jī)上的紅外接收機(jī)載裝置，在無人機(jī)接收到紅外信標(biāo)的紅外信號(hào)后，與地面控制中心結(jié)合無人機(jī)的俯仰角度對(duì)無人機(jī)的位置進(jìn)行調(diào)整，然后開始降落。③藍(lán)牙傳輸裝置，藍(lán)牙模塊（包括藍(lán)牙發(fā)送模塊和藍(lán)牙接收模塊）選取HC-05模塊，HC05的主要優(yōu)勢(shì)是集成度高、使用靈活、成本低。具體實(shí)現(xiàn)如圖2所示。下面對(duì)紅外接收機(jī)載裝置和紅外線發(fā)射裝置進(jìn)行詳細(xì)介紹。

2.1 紅外線發(fā)射裝置

紅外發(fā)射裝置主要包括：采用STC15作為微控制器、外接大功率紅外發(fā)射模塊、電源部分、聲光提示電路等。STC15具有性能高、便于操作、經(jīng)濟(jì)適用等優(yōu)點(diǎn)，本文選用的STC15W4K48S4型號(hào)屬于STC15芯片中的加強(qiáng)型，是同類芯片中性能較高的。簡(jiǎn)單來說，紅外發(fā)射裝置通過紅外發(fā)射器構(gòu)成的紅外信標(biāo)不斷發(fā)射信號(hào)。電源部分為無人機(jī)發(fā)射信號(hào)過程的穩(wěn)壓電源取樣基準(zhǔn)，穩(wěn)壓器根據(jù)電壓來識(shí)別輸出電壓的高低從而進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)。發(fā)射器由大功率紅外發(fā)射模塊構(gòu)成，其電路如圖3所示。

圖3 紅外發(fā)射模塊電路原理

此發(fā)射模塊由多個(gè)紅外管連接而成，其功率較大。微控制器STC15以38 kHz的頻率調(diào)制發(fā)射“5A”的規(guī)定數(shù)據(jù)，通過紅外發(fā)射管將數(shù)據(jù)發(fā)射出去。紅外線發(fā)射裝置的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4所示，整體外觀如圖5所示。

圖4 紅外發(fā)射裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖5 紅外發(fā)射裝置整體外觀

2.2 紅外接收裝置

本次接收站選用STC89C52型號(hào)主芯片來處理信號(hào)，多個(gè)紅外接收探頭排列分布。接收器為圓形，圓周上設(shè)置了多個(gè)紅外接收器，并且特意裝設(shè)一個(gè)紅外接收器位于圓中心。只有當(dāng)所有接收器都接收到紅外信標(biāo)的紅外發(fā)射信號(hào)，即無人機(jī)位于信標(biāo)正上方時(shí)，無人機(jī)才會(huì)開啟自動(dòng)降落動(dòng)作，如圖2所示。很容易的發(fā)現(xiàn)，無人機(jī)降落的準(zhǔn)確精度由接收站上的紅外接收器決定，紅外接收器越多，則可參照的方位點(diǎn)越多，更能減少降落誤差。本設(shè)計(jì)設(shè)置了代表東、南、西、北、中等9個(gè)方向的接收器，如圖6所示。

圖6 紅外接收裝置9個(gè)方向

紅外接收電路的作用是將地面紅外信標(biāo)發(fā)射紅外線的信號(hào)通過串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為字節(jié)，供并行數(shù)據(jù)的器件使用，也就是將無人機(jī)的發(fā)射信號(hào)情況讀入芯片，并將其信息錄入，經(jīng)過進(jìn)一步處理，成為為后續(xù)傳輸給藍(lán)牙模塊獲得反饋信息的重要電路。因?yàn)樵O(shè)計(jì)選取了不同的方位進(jìn)行發(fā)射，所以將多個(gè)串口電路并聯(lián)，其各部分的RxD和TxD引腳接在對(duì)應(yīng)的芯片上。植保無人機(jī)紅外接收裝置總共9個(gè)紅外接收管，按不同方向安裝，接收特定方向的信號(hào)，如圖8所示。信號(hào)經(jīng)二片74LS151多選一輸出后，由微控制器掃描哪些接收頭接收到“5A”信號(hào)。微控制器經(jīng)過掃描確定是哪一個(gè)接收頭接收到了信號(hào)，可以判斷出來無人機(jī)與紅外信標(biāo)相對(duì)的方位。紅外接收裝置的整體外觀如圖9所示。

圖7 紅外接收電路原理

圖8 紅外接收端內(nèi)部

圖9 紅外接收端外觀

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

植保無人機(jī)的軟件系統(tǒng)比較復(fù)雜，主要包括飛行主控模塊、農(nóng)藥噴灑模塊、飛行避障算法模塊、起飛和降落模塊等。降落算法的基本流程是：無人機(jī)在GPS定位輔助下，飛回起距降落點(diǎn)半徑15 m，高度15 m區(qū)域內(nèi)（由機(jī)載毫米波雷達(dá)定高）。如果能接收到地面發(fā)射的紅外信號(hào)，就進(jìn)入引導(dǎo)模式。根據(jù)紅外接收頭不同管子接收到的信號(hào)及實(shí)際離地高度，計(jì)算出離真實(shí)降落點(diǎn)的方向和距離，從而調(diào)整無人機(jī)在空中的位置，直到飛到正上方為止。其中由于無人機(jī)飛行中自身姿態(tài)并非水平，所以需要調(diào)用傾斜角經(jīng)卡爾曼濾波后，補(bǔ)償計(jì)算誤差。在正發(fā)射器正上方后開始下降，下降過程中受風(fēng)速影響會(huì)偏離中心點(diǎn)，所以需要邊下降邊補(bǔ)償，直至在目標(biāo)點(diǎn)上空3 m處作精確校準(zhǔn)，最后直接降落。

將紅外接收機(jī)載設(shè)備搭載于無人機(jī)上，一切前期準(zhǔn)備工作就緒后，初始化發(fā)射模塊，使其發(fā)射一個(gè)頻率為38 kHz的紅外線，并讓無人機(jī)正常起飛。紅外接收器的接收紅外線頻率為38 kHz，為了使紅外線能正常收發(fā)，發(fā)射模塊與接收模塊的紅外頻率必須保持一致，也就是紅外信標(biāo)上的STC15W4K48S4芯片需要控制發(fā)射模塊發(fā)射出38 kHz的“5A”信號(hào)。遙控?zé)o人機(jī)飛到接收站上方3～4 m的高度，等待地面接收站接收機(jī)載設(shè)備發(fā)出的紅外信號(hào)。若機(jī)載設(shè)備上的藍(lán)牙設(shè)備接收到地面接收站的回傳信號(hào)后，會(huì)在內(nèi)部進(jìn)行一個(gè)判定，即發(fā)射的紅外線是否已經(jīng)被接收站上所有的接收器接收。若沒有，則通過回傳的方位信號(hào)進(jìn)行無人機(jī)的調(diào)整。由于無人機(jī)上的開發(fā)平臺(tái)有較開放的通信協(xié)議，無人機(jī)降落前的方位校準(zhǔn)可以依靠芯片控制無人機(jī)的飛行控制器來實(shí)現(xiàn)。直至無人機(jī)位于接收站的正上方，即表示定位準(zhǔn)確，無人機(jī)可以執(zhí)行自動(dòng)降落命令。發(fā)射機(jī)和控制器的具體實(shí)現(xiàn)過程如圖10所示，接收機(jī)的具體實(shí)現(xiàn)過程如圖11所示。

圖10 發(fā)射機(jī)和控制器軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖11 接收機(jī)軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

無人機(jī)進(jìn)行自動(dòng)降落的整個(gè)過程中，通過終端顯示數(shù)據(jù)信息進(jìn)行記錄。當(dāng)無人機(jī)降落至地面關(guān)閉電機(jī)，停止旋轉(zhuǎn)，則降落成功。降落過程記錄的數(shù)據(jù)通過串口線連接電腦，把這些數(shù)據(jù)上傳至電腦，用電腦處理分析降落數(shù)據(jù)。測(cè)試結(jié)果是：本文設(shè)計(jì)的無人機(jī)在各種不同高度下進(jìn)行降落測(cè)試，都能夠成功安全降落，沒有出現(xiàn)墜機(jī)現(xiàn)象，降落過程機(jī)體能夠保持平穩(wěn)，沒有出現(xiàn)較大的姿態(tài)變化，無人機(jī)著陸后能夠自動(dòng)關(guān)閉電機(jī)停止旋轉(zhuǎn)。整個(gè)測(cè)試過程都沒有出現(xiàn)無人機(jī)異?，F(xiàn)象。選取了不同高度下無人機(jī)的降落情況5次，具體如表1所示。

表1 降落性能效果

接收站有9個(gè)外接收器，分別代表9個(gè)方位，具體分布如圖9所示。以接收站中心的接收器為準(zhǔn)，即代表方位為中處的紅外接收器，設(shè)此坐標(biāo)為A（X，Y）。以無人機(jī)實(shí)際降落的位置為準(zhǔn)，取中間的發(fā)射器的實(shí)際位置為a（x，y），以cm為誤差單位，橫坐標(biāo)表示無人機(jī)向東西方向偏移，縱坐標(biāo)表示無人機(jī)向南北方向偏移，將A和a之間的直線距離定為誤差距離。在確保周圍環(huán)境無風(fēng)的情況下，將接收站位置A與降落位置a的坐標(biāo)繪制成降落誤差對(duì)比圖，測(cè)得數(shù)據(jù)入圖12所示。

由圖12和表1可得，在無風(fēng)環(huán)境下，無人機(jī)實(shí)際降落位置與接收站位置之間的距離在5 cm左右，此誤差很小，在合理的范圍之內(nèi)。出現(xiàn)此誤差的可能因素是無人機(jī)自身降落過程中出現(xiàn)了機(jī)身偏移，以及記錄測(cè)量數(shù)據(jù)過程中的細(xì)小出入。

圖12 植保無人機(jī)降落誤差分布

通過上述實(shí)驗(yàn)表明，本文設(shè)計(jì)的無人機(jī)自動(dòng)降落控制系統(tǒng)能夠控制無人機(jī)安全、穩(wěn)定、快速自動(dòng)降落，并且將實(shí)際降落位置的誤差盡可能減小，所以本文研究的自動(dòng)降落算法具有可行性和穩(wěn)定性，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)語

本文研究植保無人機(jī)的紅外信標(biāo)的助降系統(tǒng)，研究其機(jī)載紅外接收器、紅外信標(biāo)、監(jiān)控模塊等硬件部分，以及相應(yīng)的軟件。選用配合紅外發(fā)射和接收組件，搭載在無人機(jī)上，利用地面接收站與無人機(jī)上的紅外接收器進(jìn)行對(duì)接傳輸信號(hào)，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)自動(dòng)降落的誤差補(bǔ)償方案。在今后工作中，需要進(jìn)一步改進(jìn)設(shè)計(jì)加強(qiáng)其可靠性、安全性、準(zhǔn)確性。無人機(jī)的降落誤差補(bǔ)償可結(jié)合多傳感器技術(shù)進(jìn)行相應(yīng)加強(qiáng)，以達(dá)到更好地縮小誤差，例如結(jié)合超寬帶技術(shù)和藍(lán)牙5.0就能實(shí)現(xiàn)更好地縮小誤差。應(yīng)對(duì)多架無人機(jī)同時(shí)降落，助降系統(tǒng)還計(jì)劃運(yùn)用固態(tài)激光雷達(dá)來實(shí)現(xiàn)。