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植保无人机及其作业中关键技术开发与设计

2020-08-14 364 上传者：管理员

摘要：本文设计了六旋翼植保无人机以及设计无人机的自动植保作业系统。对作业需求和飞行原理进行分析后提出设计方案，即植保无人机包括飞控设计、机架设计、动力设计、喷洒系统设计等。飞行实验和喷洒实验对相关功能进行实验验证并测试了可靠性。实验中，对调试完成的植保无人机进行了一系列测试，包括离地前的各项功能检查、适航性的判断、以及各个飞行模式的测试等，确保了无人机能实现一系列的植保功能，设计的PID程序可以有效控制样机作业。

关键词：
PID
六旋翼
植保技术
植保无人机
飞控
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传统农业生产过程中，致使农药利用率很低，仅35%左右；同时农药残留量很大，对环境污染严重。病虫害产生概率大，危害面积大，每年因为病虫害无法及时防治导致的减产在10%～30%之间[1]。

用植保无人机喷洒农药，农药利用率非常高。依据全国农技中心标准信息处发布的数据，2016年我国病虫草鼠害爆发面积近63亿亩次，比上年缩小10.8%，防治面积76亿亩次，同比减少9.8%。然而，农药产量微增，2016年1～8月，累计生产化学农药249.17万吨，比上年同期增长1.96%，杀菌剂同比增长2.22%，除草剂同比增长6.23%。植保无人机的推行有助于实现精准施药，可节省农药[2,3]。

然而植保类无人机使用潜能却没有完全被激发出来。本设计预期的植保无人机不需要很高的航线高度，但是必须要有很高的载重量，在作业工作下可以连续飞行，并且需要实现农药喷洒的操控，以及农田中作业航线的规划和执行[4]。而这些中心技术在当前民用植保类无人机研究范围还是处于薄弱环节。另外，当前民用植保类无人机在垂直方向的抗风性能、精确定位、航迹的规划这些问题上都是亟需改进的[5,6,7,8]。

1、植保无人机设计方案

1.1 植保无人机需求分析

本次设计目的是研究植保无人机，目标是让植保无人机能够实现植保作业功能，而且能适应各种环境，能实现不同的植保需求[9]。因此，植保无人机有如下功能需求。

1）飞行控制：植保无人机不能仅仅有手动模式的飞行，还应该有由地面站控制的自主作业的飞行模式，也就是说植保无人机在受遥控器控制的同时，还可以被地面站控制。

2）喷药功能：喷药功能包含手动喷药与自动喷药。植保机飞手可以遥控植保无人机飞行到作业区域打开控制开关进行农药喷洒。另一方面，在地面站可以给植保无人机进行航线规划，让植保无人机自动飞行到一块区域进行喷洒[10]。

3）药量监测功能：植保无人机在喷洒农药时，对剩余药量进行监控，当药箱药量低于设置的阈值时，会自动返航补药。

4）避障功能：植保无人机在农田间作业时，难免碰上地形变化，对于简单的地形变化，植保无人机应该具有避障功能以预防事故发生。

5）安全控制功能：植保无人机可能会碰到的突发情况有遥控器信号失联、电池剩余电量低等，植保无人机应该具有预警功能或者碰到突发情况的紧急预案设置。

6）高可靠性：由于植保无人机一般体型较大，所以如果发生事故对工作人员的安全会有一定的威胁性，因此，植保无人机应该具有高可靠性。安全是作业的前提。

7）可扩展性：植保无人机应该能根据不同环境，选择加装一些不同的装备，例如超声波避障、定高雷达等。

1.2 主体结构设计

无人机整体控制系统分为飞行控制系统和智能喷洒控制系统两个子系统来设计。这两个子系统通过UaRT接口进行通讯，整个硬件系统的架构如图1所示。

图1植保无人机硬件系统

1.3 机架

如图2所示，机架为采用CaTia设计的轴距1500mm的六轴机架。6个机臂采用空心的碳纤维管，中心板采用厚度为4mm的碳纤维板，起落架设计也是采用空心的碳纤维管。各个碳纤维部件之间的连接采用铝合金材质的管夹管套等。铝合金和碳纤维材料之间，通过M3大小的螺钉螺母连接。

图2机架设计

1.4 飞控系统

飞控采用STM32F405主芯片，缓存128Mhz，主芯片用于传感器数据采集，电机PWM控制量的计算；STM32F103作为系统故障协处理器，主要用在遥控器输入、LED显示状态指示、蜂鸣器警报音；飞控经过串口实现主处理器与协处理间有效数据的分享。输入接口主要包括传感器接口与遥控信号输入接口，输出接口主要包有PWM输出接口、Can、iiC、UaRT等输出接口，如图3所示为飞控输入输出布局图，飞控支持黑匣子记录飞行数据，有利于分析改进，空余接口方便扩展gPS和罗盘等[1]。

图3飞控输入输出布局

1.5 动力系统

植保无人机的动力系统包括三相交流无刷电机、电子调速器和螺旋桨等部件。动力系统决定了植保无人机的升力大小和载重能力，以及做动作的能力。电机、电调和螺旋桨之间的适配至关重要[2]。

本次设计采用Q9XLKV100无刷电机搭配30inch长螺距80mm的螺旋桨，配套采用了100a的电调。

1.6 喷洒系统

植保无人机喷洒系统包括水泵、喷头、药壶以及连接软管。泵为最大流量3.5L/min的隔膜泵，喷头采用高压雾化喷头，软管则根据喷头入水口的内径大小选择。药壶采用植保机的专用药壶，容量为20L。

1.7 植保功能

本次设计的植保无人机有如下多种植保作业的特色功能。

1.7.1 半自动作业模式

通过遥控器5通道切换到半自动作业模式下。在半自动模式下，植保无人机喷洒农药根据飞行速度来决定，飞行速度快时喷洒就快，反之亦然。当飞行速度持续降低，低于作业阈值时水泵将停止工作。

1.7.2 aB点作业模式

植保无人机在aB点模式，将会自主飞行喷洒农药，无需人工干预。aB点模式适于矩形区域使用，需要操作的步骤很少。

1.7.3 手动作业模式

手动作业模式可以使用但是不推荐，该模式为全人工手动飞行，有较高的自主选择性，适合山地果园等复杂地形使用。

1.7.4 断点续喷功能

飞行过程中，植保无人机检测到药量不足、接到返航命令、电压不足等异常情况时，将自动执行断点记录、续喷等操作。

1.7.5 低压保护功能

在飞行过程中放电到设置的过低电压阈值就会触发低压保护，目的是保护电池不过量放电等，由于锂聚合物电池放电完后过一会会有回压，所以实际电压会比低压保护设置的电压要高一点。

低压保护一共分为两级。触发一级低压保护后，LED报警灯亮，植保无人机将根据调参软件中的设置执行自动返航或者原地着陆；触发二级低压保护后，将自动执行原地着陆。

2、测试及结论

2.1 飞行测试

植保无人机飞行前需对各个部件进行目视观测检查有无异常情况，以及根据以下所列事项逐一测试。

1）遥控器检查：遥控器通道设置的对应功能，遥控器，1～4通道对应为滚转、俯仰、偏航、油门，5～8通道应有自定义通道功能。

2）飞行模式检查：飞行前检查当前的飞行模式。

3）通电自检：连接电池给飞机通电，检查各部件工作情况。

a.将植保无人机电池插入插头中，植保无人机通电。

b.等到植保无人机飞控gPS模块能够进行定位时，再操作。

c.来回扳动5通道飞行模式切换开关。

d.通电后用数据线或者数传模块连接PC端地面站，查看定位情况。

4）低空试飞：首次试飞根据以下步骤进行以确保安全。

a.把植保无人机放在室外空旷地离人至少5m以外，然后观察飞控系统搜星是否正常（红色闪灯变为绿色闪灯）。

b.将植保无人机调到姿态模式，然后解锁，解锁后点击开始启动。

c.电机全部启动后，此时轻推油门杆至25%左右，保持油门大小，轻微打滚转杆、俯仰杆，观察电机转速变化是否与拨动杆变化一致，如果一致，则滚转杆、俯仰杆回中，然后继续推油门，直到植保机离地。

d.将植保无人机飞行到2m高度并尝试操作各个通道，看响应是否正常，若正常，则可继续飞行，并进行植保作业。

2.2 喷洒系统测试

2.2.1 地面测试

地面主要测试喷洒流量大小和电压等是否符合预期。喷头上有节流阀可以调节喷出农药流量大小。变压模块上有电压调节旋钮可以调节电压大小。电压大小直接决定了水泵抽水速度的快慢。调试好了之后达到预期目标即可装上无人机进行测试。

2.2.2 空中测试

空中测试主要测试气流对于喷头的干扰情况以及喷洒系统的稳定性。

2.3 测试数据及结论

本次试飞试验实测数据如表1中所示。

表1测试数据

根据试飞所测得参数，横向对比国内目前市面上出售的成品植保无人机，本次设计的植保机参数优异，许多方面领先于其他机器，证明本次设计比较成功。

3、反馈调试

反馈调试主要是解决试飞过程中发现的小问题，以及让飞行更加稳定等。

3.1 调整电机水平

电机座与碳纤维机臂之间的连接是通过铝合金管夹来夹住的，碳纤维管又是圆柱体，所以安装时候操作不当容易导致电机座倾斜。经过试飞后发现了该问题，于是加以改进，用水平仪测量电机座是否水平，然后加以调整。

3.2 调整重心

植保无人机要悬挂药壶，药壶加满水后植保无人机的重心和空载时植保无人机的重心不一致，而重心又是植保无人机飞行中特别关键的因素。试飞时就会明显感觉到重心的变化，要靠手动操纵遥控摇杆才能修正回来。通过调整挂药壶位置和电池位置，效果得到了改善。

3.3 PID调节

飞行测试发现植保无人机在飞行操纵上有些响应效果不是很好。通过调整PiD参数来改善，如图4所示。由于飞控自带黑匣子，使得导出上次试飞的飞行黑匣子记录非常便利，导出参数为Bblog文件。使用PiD-analyzer软件对参数文件进行分析。PiD-analyzer软件是专门用于分析飞行控制系统PiD参数的软件。随后生成无人机飞行的阶跃响应波形图、阶跃响应分立频谱图、反应跟随控制波形图以及噪声分布图等。为了改善飞行体验，将根据图进行分析和PiD调试。

图4主程序流程图

由图5观察可知，植保无人机在滚转轴向上的P值偏高，系统过冲严重，超过平衡位置25%，植保无人机表现为做滚转操作的时候反应过度；D值偏低，50ms内波形一直持续震荡，没有收拢的迹象，植保无人机表现为滚转方向会产生震颤；由于系统不稳定i值不好判断，暂时跳过。

植保无人机在俯仰轴向上过冲，说明P值偏高，植保无人机表现为做俯仰的时候反应过度；系统响应曲线震荡，所以D值偏低，植保无人机表现为俯仰方向会产生震颤；由于系统不稳定i值不好判断，暂时跳过。

再看偏航轴向上的响应曲线，由于系统不稳定P值不好判断暂时跳过；系统曲线震荡所以D值偏低，植保无人机表现为偏航方向会产生震颤；由于曲线收拢趋势在1之下，说明系统偏移，i值过低，植保无人机表现为向一侧的偏移量一直累加。结合噪声来看，该响应主要是因为系统误差等原因不稳定，应当先调节硬件然后再考虑调节PiD，最后如果曲线还是不稳定可以考虑卡尔曼滤波消除噪音。

图5阶跃响应曲线

根据分析结论，对于横滚轴向，调整参数增加了横滚轴向的P和i的值，减小了D的值；对于俯仰轴向，调整参数增加了横滚轴向的P的值，i的值保持不变，增加了D的值。对于偏航轴向，减小了P的值，其余值保持不变。

4、结论

本次设计完成得到以下结论。

1）根据试飞所测得参数，横向对比国内目前市面上出售的成品植保无人机，本次设计的植保无人机参数优异，许多方面领先于其他机器。所设计的植保无人机飞行高度可以达到预期5m的要求，载重量较高，在作业任务下可以持续飞行，并且可以实现农药喷洒的控制，以及农田中作业轨迹的规划和执行。设计的飞行控制系统采用自动导航算法的优化以及PiD控制算法和模糊控制算法的结合运用实现定位和轨迹设定。在该飞控的控制下，多轴植保无人机可以实现农药喷洒且实现农药喷洒持续作业时间不低于20min的技术要求，具有较强价值。

植保无人机的飞行需要关注稳定性，包括采取硬件的组装和软件的调参等方法来调整植保无人机的稳定性。其中，最重要的是使用PiD参数的调整来使得植保无人机能达到或接近理想的飞行状态。

参考文献：

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