基于STM32F407的植保飛行器設(shè)計(jì)研究

摘要：傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的植保工作依靠人力、效率低下、噴灑不均勻。植保無(wú)人機(jī)作為一種創(chuàng)新的技術(shù)，能有效改善傳統(tǒng)植保工作的缺點(diǎn)。首先，介紹植保無(wú)人機(jī)的背景，探討其相比于傳統(tǒng)植保工作的優(yōu)勢(shì)和面臨的挑戰(zhàn)，以及對(duì)提高農(nóng)作物產(chǎn)量、減少農(nóng)藥使用量和環(huán)境污染的分析。結(jié)合國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究，展望植保無(wú)人機(jī)的前景。其次，闡述植保無(wú)人機(jī)的實(shí)現(xiàn)方式，確定無(wú)人機(jī)是以STM32F407為核心，綜述由哪些相關(guān)的單元、模塊組成并且如何配合實(shí)現(xiàn)功能。再次，設(shè)計(jì)方案中詳細(xì)介紹各個(gè)功能電路的工作原理和技術(shù)要點(diǎn)。姿態(tài)控制是植保無(wú)人機(jī)的核心技術(shù)之一，實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)垂直、俯仰等運(yùn)動(dòng)。通過(guò)攝像頭模塊、農(nóng)藥噴灑模塊等，實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)作物的快速識(shí)別和精確噴灑。通過(guò)測(cè)試，獲得數(shù)據(jù)后進(jìn)行理論分析證明無(wú)人機(jī)能夠高效、穩(wěn)定地實(shí)現(xiàn)噴灑功能。最后，對(duì)本文研究?jī)?nèi)容的缺點(diǎn)做總結(jié)，找到需進(jìn)一步研究改進(jìn)之處，為農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展和環(huán)境保護(hù)作出貢獻(xiàn)。

關(guān)鍵詞：植保飛行器四旋翼姿態(tài)控制STM32F407

ResearchontheDesignofPlantProtectionAircraftBasedonSTM32F407

XUXinyaoLIShihaoDONGDingming（DONG-DINGMing？？）ZHAIZihanDONGFangrong（DONG-FANGRong？？）XIANGFei*WANGJinchan

HenanUniversityofScienceandTechnology，Luoyang，HenanProvince，471023China

Abstract：Plantprotectionworkintraditionalagriculturereliesonmanpowerandhasproblemssuchaslowefficiencyandunevenspraying.Aplantprotectiondrone，asaninnovativetechnology，caneffectivelyimprovetheshortcomingsoftraditionalplantprotectionwork.First，thisstudyintroducesthebackgroundoftheplantprotectiondrone，exploresitsadvantagesandchallengescomparedtotraditionalplantprotectionwork，analyzesitspotentialtoincreasecropyieldsandreducepesticideuseandenvironmentalpollution，andlooksforwardtoitsprospectincombinationwithrelevantresearchathomeandabroad.Then，thisstudyexpoundstheimplementationmethodoftheplantprotectiondrone，determinesthatitisbasedonSTM32F407，andsummarizeswhatrelatedunitsandmodulesitiscomposedofandhowtheycooperatetorealizefunctions.Next，theworkingprincipleandtechnicalpointsofeachfunctionalcircuitare introducedindetailinthedesignscheme.Attitudecontrolisoneofthecoretechnologiesoftheplantprotectiondrone，whichrealizesitsverticalandpitchmovements.Throughcameramodules，pesticidesprayingmodulesandothermodules，therapididentificationandaccuratesprayingofcropsarerealized.Throughthetest，dataisobtained，andthenthetheoreticalanalysisofdataiscarriedout，whichprovesthatdronescanachievethesprayingfunctionefficientlyandstably.Finally，thisarticlesummarizestheshortcomingsofresearchcontent，andidentifiestheareasthatneedtobefurtherstudiedandimproved，inordertocontributetothesustainabledevelopmentoftheagriculturalindustryandenvironmentalprotection.

KeyWords：Plantprotectionaircraft;Quadrotor;Attitudecontrol;STM32F407

1植保無(wú)人機(jī)發(fā)展前景

農(nóng)業(yè)對(duì)國(guó)家的重要性體現(xiàn)在經(jīng)濟(jì)發(fā)展、糧食安全、農(nóng)村發(fā)展和環(huán)境保護(hù)等方面，是國(guó)家發(fā)展中不可或缺的重要組成部分。我國(guó)農(nóng)業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)是朝著現(xiàn)代化、可持續(xù)化、智能化等方向發(fā)展，而植保無(wú)人機(jī)恰好符合農(nóng)業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)，大大簡(jiǎn)便了植保工作，提高了農(nóng)業(yè)工作的效率。

植保無(wú)人機(jī)[1-2]相比傳統(tǒng)植保工作有許多優(yōu)勢(shì)。首先，植保無(wú)人機(jī)可以減少勞動(dòng)力成本而傳統(tǒng)植保工作需要大量的人工操作和勞動(dòng)力。其次，傳統(tǒng)植保工作需要人工噴灑，往往會(huì)出現(xiàn)噴灑不夠均勻、農(nóng)藥浪費(fèi)等問(wèn)題，而植保無(wú)人機(jī)的噴灑系統(tǒng)能夠做到噴灑均勻覆蓋，減少了農(nóng)藥使用量并且降低了環(huán)境污染。最后，無(wú)人機(jī)可以在較短的時(shí)間內(nèi)快速飛行，覆蓋更大的農(nóng)田面積，節(jié)省了工作時(shí)間提高了工作效率。同時(shí)，植保無(wú)人機(jī)也面臨著許多挑戰(zhàn)。在國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究中，植保無(wú)人機(jī)已經(jīng)取得了一些令人矚目的成果。國(guó)內(nèi)外許多農(nóng)業(yè)企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)已經(jīng)開(kāi)始應(yīng)用植保無(wú)人機(jī)進(jìn)行實(shí)際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，取得了顯著的效果。

綜上所述，植保無(wú)人機(jī)作為一種新興的農(nóng)業(yè)技術(shù)，具有提高農(nóng)作物產(chǎn)量、減少農(nóng)藥使用量和環(huán)境污染的潛力。盡管面臨一些挑戰(zhàn)，但通過(guò)進(jìn)一步的研究和改進(jìn)，植保無(wú)人機(jī)有望在農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化和環(huán)境保護(hù)方面發(fā)揮更大的作用。未來(lái)，植保無(wú)人機(jī)將在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用和推廣。

2能模塊設(shè)計(jì)

2.1電源模塊

電源模塊為整機(jī)供電[3]。首設(shè)計(jì)電路產(chǎn)生5V電壓。TI公司的TPS54xx[4]，這一系列的芯片轉(zhuǎn)換效率高，輸入電壓范圍寬，輸出電流大，工作頻率高，而且能夠減小外圍器件的尺寸和成本。同時(shí)，它還集成了多種保護(hù)功能，如過(guò)溫保護(hù)、過(guò)載保護(hù)和短路保護(hù)等，來(lái)保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定的運(yùn)行。TPS5430這種芯片是這個(gè)系列典型的代表，它是一種DC-DC降壓轉(zhuǎn)換芯片，可以把輸入電壓從12V降到5V，而且具有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。這種芯片采用了先進(jìn)的降壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和可調(diào)節(jié)的反饋電路，從而能夠在寬輸入電壓范圍內(nèi)工作，一般為5.5～36V。該芯片采用小尺寸封裝，功耗較低，但是效率高，適用于各種電源應(yīng)用，如工業(yè)自動(dòng)化、通信設(shè)備、消費(fèi)電子den。芯片的最小輸入電壓是5.5V，最大輸入電壓是36V。最低輸出電壓是1.2V，能夠提供穩(wěn)定的5V輸出，同時(shí)正常輸出電流為3A。總之，TPS5430是一種既可靠、又高效的，能夠?qū)崿F(xiàn)12V轉(zhuǎn)5V降壓芯片，適用于多種應(yīng)用場(chǎng)景，并且能提供穩(wěn)定的電源輸出。故選用此芯片，電源電路設(shè)計(jì)如圖1所示。

降壓電路由一個(gè)電阻和一個(gè)穩(wěn)壓管串聯(lián)而成，當(dāng)穩(wěn)壓管上分壓為3.3V時(shí)，與穩(wěn)壓管并聯(lián)的負(fù)端電即為3.3V。

2.2電機(jī)模塊

本項(xiàng)目主要是對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行控制，對(duì)電機(jī)[5]有極高的控制精度要求，普通的直流電機(jī)達(dá)不到實(shí)際要求，需要使用無(wú)刷電機(jī)，而本項(xiàng)目使用的是大疆DJI2212920KV同款航模無(wú)刷自鎖馬達(dá)電機(jī)。

2.2.1電機(jī)的轉(zhuǎn)向的控制

無(wú)刷電機(jī)與傳統(tǒng)的電機(jī)結(jié)構(gòu)上有較大的差別，而主要是換向器的結(jié)構(gòu)不同。無(wú)刷電機(jī)需要通過(guò)無(wú)刷控制器也就是電調(diào)的控制才能實(shí)現(xiàn)連續(xù)不斷的運(yùn)轉(zhuǎn)。其實(shí)際的控制方式是使用霍爾元件不斷檢測(cè)磁場(chǎng)從而反應(yīng)出轉(zhuǎn)子的位置，再將信息傳輸至主控芯片，如單片機(jī)STM32F407[6]等。然后，根據(jù)預(yù)先的編碼程序進(jìn)行運(yùn)算處理，改變實(shí)際的單元結(jié)構(gòu)電機(jī)驅(qū)動(dòng)板上的開(kāi)關(guān)管的通斷狀態(tài)，進(jìn)而給電機(jī)的線(xiàn)圈提供不同方向的電流，從而促使轉(zhuǎn)子帶動(dòng)螺旋槳的轉(zhuǎn)動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)飛行器各個(gè)飛行方向的控制。

2.2.2電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制

對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制主要依靠于對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)板的控制，通常使用PWM脈寬調(diào)制技術(shù)。其核心點(diǎn)在于對(duì)加在電機(jī)上電壓大小進(jìn)行控制，進(jìn)而使用改變電樞電壓的方式來(lái)改變轉(zhuǎn)速。線(xiàn)圈兩端的電壓越大，通過(guò)線(xiàn)圈的電流越大，生成磁場(chǎng)越強(qiáng)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)得就越快。

綜上，在實(shí)驗(yàn)中對(duì)電機(jī)的控制需要把握住幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。

（1）對(duì)線(xiàn)圈電流繞組中電流方向的檢測(cè)與控制，因?yàn)樗姆较驔Q定著電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向。

（2）霍爾元件的控制與信號(hào)檢測(cè)的靈敏度，因?yàn)樗鼪Q定電流換向問(wèn)題。

（3）SPM波信號(hào)的輸出性質(zhì)，因?yàn)樗刂齐姍C(jī)的轉(zhuǎn)速。

2.3噴灑模塊

噴灑部分則是植保無(wú)人機(jī)的核心組成部分之一。植保無(wú)人機(jī)的噴灑部分用于控制農(nóng)藥、肥料以及其他液體的噴灑，提高農(nóng)作物的產(chǎn)量和質(zhì)量。

噴灑部分主要包含以下組件如圖2所示。

（1）噴嘴：位于整個(gè)噴灑部分的末端，用于將液體噴灑至目標(biāo)植物上。噴嘴的選型影響著噴灑均勻性[7]和覆蓋范圍。

（2）噴灑泵：是液體傳輸通道，用于抽取容器中的液體送至噴嘴進(jìn)行噴灑，噴灑泵的性能直接影響到噴灑效果和噴灑速度。

（3）電機(jī)和傳動(dòng)系統(tǒng)：驅(qū)動(dòng)噴灑泵以及控制噴嘴的開(kāi)關(guān)。

（4）控制器：使用SMT32F407主控芯片控制噴灑部分的操作，使用OpenMV攝像頭模塊識(shí)別目標(biāo)并傳輸數(shù)據(jù)至主控芯片。

（5）儲(chǔ)液器：存儲(chǔ)無(wú)人機(jī)所需噴灑的液體。

噴灑部分控制的大體步驟如下。

（1）初始化GPIO口并根據(jù)需求設(shè)置噴灑量和噴灑時(shí)間。通過(guò)設(shè)置PWM信號(hào)的周期和占空比控制噴灑量，定時(shí)器定時(shí)控制噴灑時(shí)間。

（2）通過(guò)攝像頭模塊與主控芯片串口通信[8]，根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)判斷是否開(kāi)啟噴灑泵電源以及噴嘴的控制器。

（3）根據(jù)噴灑時(shí)間或其他條件關(guān)閉噴灑泵的電源以及噴嘴。

（4）噴灑完畢，繼續(xù)判斷并執(zhí)行下一次噴灑操作。

2.4攝像頭模塊

為實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程噴灑農(nóng)藥，需要無(wú)人機(jī)具備自動(dòng)識(shí)別、實(shí)時(shí)處理功能，添加攝像頭模塊能夠幫助無(wú)人機(jī)高效實(shí)現(xiàn)該功能。攝像頭模塊依靠圖像傳感器、圖像處理器等其他電子元件能夠?qū)崿F(xiàn)捕捉、處理和傳輸圖像信號(hào)。本次采用以STM32H743為核心的OpenMV[9]，它是有圖像處理功能的可編程單片機(jī)攝像頭，具有小巧、低功耗、低成本等特點(diǎn)。所有輸入、輸出引腳輸出3.3V，可耐受5V電壓。攝像頭芯片采用OV7725，高效實(shí)現(xiàn)機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用[10]。基于OpenMV的攝像頭模塊幫助無(wú)人機(jī)實(shí)現(xiàn)顏色識(shí)別、數(shù)字識(shí)別功能。攝像頭用于拍攝實(shí)時(shí)圖像，內(nèi)部H7系列的32單片機(jī)用于處理圖像信息與機(jī)器識(shí)別。通過(guò)計(jì)算機(jī)Python編程，設(shè)置攝像頭顏色識(shí)別、數(shù)字識(shí)別功能的參數(shù)，利用邊緣檢測(cè)[11]等相關(guān)算法實(shí)現(xiàn)功能。無(wú)人機(jī)識(shí)別到顏色、數(shù)字等信息后，通過(guò)串口通信將數(shù)據(jù)發(fā)送給主控模塊進(jìn)而控制藥物的噴灑。

3飛行器姿態(tài)控制

飛行器的姿態(tài)控制[12]，通過(guò)改變電機(jī)轉(zhuǎn)速帶動(dòng)螺旋槳產(chǎn)生的升力來(lái)實(shí)現(xiàn)。四旋翼無(wú)人機(jī)是十字結(jié)構(gòu)的，由四個(gè)電機(jī)分布在其末端，對(duì)角兩兩一組分為正槳和反槳兩組，同一組螺旋槳旋轉(zhuǎn)方向相同。通常攝像頭所在位置為無(wú)人機(jī)機(jī)頭，規(guī)定其右側(cè)電機(jī)為1號(hào)，按照順時(shí)針順序規(guī)定其他電機(jī)編號(hào)，依次是2號(hào)、3號(hào)和4號(hào)電機(jī)。正槳由2號(hào)和4號(hào)電機(jī)構(gòu)成，為逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)；反槳由1號(hào)和3號(hào)電機(jī)構(gòu)成，為順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。因?yàn)檎龢头礃獌山M電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向相反，力矩相互抵消，故無(wú)人機(jī)不存在自旋現(xiàn)象。

3.1垂直運(yùn)動(dòng)

為使力矩之和為零保證無(wú)人機(jī)不自旋，且只在垂直方向運(yùn)動(dòng)，需要同時(shí)并同量地改變四個(gè)螺旋槳轉(zhuǎn)速。當(dāng)同時(shí)同量地增大螺旋槳轉(zhuǎn)速時(shí)，此時(shí)螺旋槳產(chǎn)生的升力不斷增大，若升力大于無(wú)人機(jī)自身重力時(shí)，將在垂直方向上向上運(yùn)動(dòng)；同理同時(shí)同量地減小4個(gè)螺旋槳轉(zhuǎn)速，產(chǎn)生的升力將減小。升力等于重力時(shí)，無(wú)人機(jī)在垂直方向上維持當(dāng)前飛行狀態(tài)。

3.2俯仰運(yùn)動(dòng)

當(dāng)同時(shí)同量地減小機(jī)頭兩側(cè)的電機(jī)轉(zhuǎn)速，增大另外兩個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速。即1號(hào)、4號(hào)電機(jī)減速，2號(hào)、3號(hào)電機(jī)提速，2號(hào)、3號(hào)電機(jī)產(chǎn)生的升力大于另外兩個(gè)電機(jī)，無(wú)人機(jī)因受力不均勻存在向前的分量，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)水平向前的運(yùn)動(dòng)。同理，仍然同時(shí)同量改變轉(zhuǎn)速，1號(hào)、4號(hào)電機(jī)提速，2號(hào)、3號(hào)電機(jī)減速，1號(hào)、4號(hào)電機(jī)產(chǎn)生的升力更大，產(chǎn)生向后的分量，實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)水平向后飛行。

3.3偏航運(yùn)動(dòng)

想要實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)的偏航運(yùn)動(dòng)可以通過(guò)改變電機(jī)轉(zhuǎn)速，通過(guò)差速控制來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)的偏航運(yùn)動(dòng)。差速控制也是常見(jiàn)的控制偏航運(yùn)動(dòng)的方法，通過(guò)調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到偏航運(yùn)動(dòng)的控制。無(wú)人機(jī)對(duì)角線(xiàn)的電機(jī)轉(zhuǎn)速方向一致。逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)的螺旋槳控制無(wú)人機(jī)順時(shí)針偏航，順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)的螺旋槳控制無(wú)人機(jī)逆時(shí)針偏航。例如：想要達(dá)到無(wú)人機(jī)順時(shí)針偏航的目的，可以通過(guò)增大兩個(gè)逆時(shí)針螺旋槳電機(jī)的轉(zhuǎn)速，或者是減小兩個(gè)順時(shí)針螺旋槳電機(jī)的轉(zhuǎn)速。從而達(dá)到偏航的目的。

3.4翻滾運(yùn)動(dòng)

無(wú)人機(jī)的翻滾運(yùn)動(dòng)需要調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)。在翻滾運(yùn)動(dòng)之前，要有良好的無(wú)人機(jī)姿態(tài)，當(dāng)達(dá)到可以翻滾的條件時(shí)，就可以調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速。如果需要向左反轉(zhuǎn)，增加軸右側(cè)兩個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，減小軸左側(cè)兩個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，就可以實(shí)現(xiàn)左翻轉(zhuǎn)，右反轉(zhuǎn)反之。

4結(jié)論

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)是社會(huì)發(fā)展的基石，不斷對(duì)其生產(chǎn)方式做出革新以求提高其產(chǎn)量為新時(shí)代的發(fā)展擔(dān)負(fù)起應(yīng)盡的責(zé)任。

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的化學(xué)化和機(jī)械化是當(dāng)前的農(nóng)業(yè)發(fā)展的一大路徑，使用各種方式將其統(tǒng)一結(jié)合起來(lái)以追求提高生產(chǎn)力，而植保飛行器便是基于這一目的而研發(fā)使用的現(xiàn)代化工具。由于其本身應(yīng)用原理的復(fù)雜性導(dǎo)致實(shí)現(xiàn)其工作方式需要更多的技術(shù)支持，難度較大，但是應(yīng)用前景較大。

本項(xiàng)目主要完成后相關(guān)總結(jié)。

（1）自身的技術(shù)發(fā)展。在參考相關(guān)文獻(xiàn)，實(shí)際的應(yīng)用手冊(cè)對(duì)飛行器進(jìn)行了學(xué)習(xí)與實(shí)驗(yàn)，使其簡(jiǎn)單具備平穩(wěn)飛行能力、一定的定位功能以及遙感檢測(cè)等，從而實(shí)現(xiàn)智能化噴灑和檢測(cè)即最后的精準(zhǔn)停機(jī)。

（2）自身存在有一定的優(yōu)點(diǎn)與不足。該飛行器有著噴灑便利，適合于大面積的種植地實(shí)現(xiàn)高效率的工作，在這種環(huán)境下成本較低；但是也有著天然的缺點(diǎn)，由于其對(duì)飛行姿態(tài)控制要求較高，一些普通的電機(jī)無(wú)法實(shí)現(xiàn)功能。所以選用三相交流電機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的多狀態(tài)控制，這也導(dǎo)致運(yùn)載能力，飛行高度，續(xù)航能力受限制，這些也都是該飛行器未來(lái)的發(fā)展方向，需要不斷的技術(shù)創(chuàng)新和改進(jìn)來(lái)一步步解決難題。

（3）應(yīng)用場(chǎng)景。該機(jī)器主要應(yīng)用于大面積的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)作物如水稻、小麥、玉米等等作物的噴灑作業(yè)與病蟲(chóng)妨害等，加上在緊急情況下用于森林防火、大面積區(qū)域的檢測(cè)工作。

（4）本小組使用現(xiàn)行通用的STM32F407核心板作為主控芯片，運(yùn)行頻率高，外設(shè)功能強(qiáng)大，擁有更高的性能來(lái)完成各種應(yīng)用場(chǎng)景，以其較為強(qiáng)大的數(shù)據(jù)運(yùn)算能力盡可能減少外圍設(shè)備的負(fù)擔(dān)，以求降低自身的重量同時(shí)加大負(fù)荷量，使其有更為廣闊的應(yīng)用場(chǎng)景。同時(shí)將小巧的無(wú)人機(jī)和植物保護(hù)相結(jié)，利用無(wú)人機(jī)靈活方便，易于控制的特點(diǎn)，在精準(zhǔn)地實(shí)現(xiàn)植物保護(hù)的同時(shí)節(jié)約成本。

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