用于温室环境空间分布监测的微型飞行器研发_房俊龙.pdf

用于温室环境空间分布监测的微型飞行器研发 房俊龙 1 孙志佳 1 张 馨 2 宋金龙 1 吴文彪 2 崔忠辉 3 1 东北农业大学 电气与信息学院 哈尔滨 150030 2 北京农业信息技术研究中心 北京 100097 3 曲 阜师范大学 物理工程学院 山东 曲阜 273165 摘 要 测量并了解温室空间环境分布情况对于温室性能评估 精细环境调控及病害预警至关重要 传统单点测 量不能反映温室环境整体情况 而布设大量有线 无线传感器测量方式 对成本及生产提出很高的要求 为此 设计了一款微型四旋翼飞行器并在其上集成环境测量传感器 采用超声波测距传感器解决了飞行器在温室内定 位 避障等实际应用问题 实现温室空间环境可靠 稳定 快速获取 同时 开展飞行器温湿度采集可行性评估 平面空间温湿度监测试验 探索微型飞行器在温室空间环境监测的可行性 实验结果表明 飞行器测量结果与 真实值相比具有一定偏差 但偏差很小 最大不超过 1 微型飞行器用于温室室内空间环境快速监测是可行的 关键词 微型四旋翼飞行器 温室 空间信息采集 自主定位导航 自主避障 中图分类号 S625 5 S625 3 文献标识码 A 文章编号 1003 188X 2016 03 0008 06 0 引言 微型四旋翼飞行器具有垂直起降 定点悬停 结 构简单 易于控制等特点 可以在小空间内完成监测 任务 1 近年来 由于微处理器技术的进步 新型材 料的应用 传感器工艺的提高 电池续航能力的提升 动力装置的改善及控制算法的改进 为四旋翼飞行器 的应用提供了技术支撑 2 3 已有商用产品如德国 Microdrones 公司的 MD4 200 我国大疆公司的 F450 F550 精灵系列等 四旋翼飞行器最初用于军事侦 察 如空中监察战场 目标跟踪与定位 电子对抗和敌 情获取等 7 目前 在民用方面应用较多的如航拍 农药喷洒 植物保护 灾情信息收集及城市环境监测 等 9 11 中国农业大学植物营养系与北京星马航空 科技有限公司合作 使用无人机进行农药喷洒 提高 了农药的喷洒效率 节约了成本 提高了农民的经济 效益 12 13 北京农业信息技术研究中心研制出了 U VICs 无人机遥感系统 克服了有人机遥感受航时 恶劣气候条件及危险工作环境的影响 弥补了卫星遥 感由于天气和时间无法获取目标区域信息的缺陷 并 能提供多角度 高分辨率影像 避免了地面遥感范围 小 收稿日期 2015 02 10 基金项目 国家高技术研究发展计划 863 计划 项目 2013AA10300 5 北京市农林科学院科技创新能力建设专项 KJCX20140 203 作者简介 房俊龙 1971 男 黑龙江延寿人 教授 博士生导师 E mail junlongfang 126 com 通讯作者 吴文彪 1981 男 江苏盐城人 助理研究员 硕士 E mail wuwb nercita org cn 视野窄及工作量大等问题 14 以上应用主要集中在 室外空旷大环境下 由于诸多限制未能在温室环境中 应用 温室环境信息测量调控在生产中至关重要 传统 通过单一测量点反映温室整体环境已不能满足需求 经常出现生长不一致 局部病害滋生等问题 因此 需要了解整个温室空间环境信息的空间分布实现精 准环境调控 为作物提供均一 适宜的物理环境 目 前 已有的测量方法有直接测量法和模型模拟法 直 接测量主要通过在监测空间布置大量的无线传感器 或有线传感器节点测量周围空间环境信息的分布情 况 15 16 但因布点过多会影响正常生产 模拟测量法 是通过建立温室的数学模型 运用计算机模拟仿真技 术 了解整个温室空间环境信息的分布规律 模拟结 果可作为环境调控的依据 17 18 模拟法依赖模型的 精度 同时温室内作物不同对预测模型提出很大挑 战 因此采用微型的四旋翼飞行器测量温室空间环境 信息 能够很好地解决以上问题 但直接在温室里使 用微型四旋翼飞行器 还需要解决在温室内避障 定 位导航 自主飞行及动力能源等方面的问题 本设计通过在飞行器上加装激光测距传感器 超 声波传感器 气压计及环境测量传感器等 开展飞行 器硬件和软件程序设计 开发了一种在温室内简单避 障 定位导航 自主飞行并能够进行空间环境信息测 量的微型四旋翼飞行器 为温室性能评估及温室环境 调控提供数据支撑 8 2016 年 3 月 农 机 化 研 究 第 3 期 DOI 10 13427 ki njyi 2016 03 002 1 系统结构 温室空间环境信息采集系统是由微型四旋翼飞行 器构成的空间环境信息采集平台 温室环境控制器及 环境调控执行机构组成 空间环境信息采集平台主 要负责空间环境信息采集传输功能 通过 PC 机编辑 航点 并将航点写入采集平台 采集平台根据预设航 点信息 自主起飞并按照预设航点信息飞行进行环境 信息采集及数据实时传输 环境控制器能够与空间 采集平台实现双向通信 实现空间数据的接收 存储 显示及飞行器控制等功能 并对整个温室空间环境信 息的分布情况进行分析 分析结果作为温室环境调控 决策的依据 根据环境控制器分析的结果 发出相应 环境调控指令 控制执行机构 如风机 通风电极 帘 幕等 根据指令做出相应的动作 实现环境调控 系 统结构如图 1 所示 图 1 系统结构框图 Fig 1 Block diagram of the system 空间环境信息采集平台是本设计的重点 微型四 旋翼飞行器作为空间信息采集平台 在温室内飞行在 整体布局形式上与常规飞行器相比 应具有结构更为 紧凑 一定载荷量 体积小 质量轻 飞行灵活 以及长 航时等特点 本设计围绕以上特点进行空间环境信息 采集平台的设计制作 2 硬件设计 2 1 飞行器飞控硬件设计 四旋翼飞行器的飞行控制系统硬件主要包括飞行 控制器 姿态测量传感器 低压报警电路 无线数据传 输模块 超声波传感器 气压高度计及激光测距传感 器 由于飞行器的特殊要求 在主控制器的选择上需 要充分考虑芯片的体积 功耗 可靠性 成本及运算能 力等各方面参数 本设计选用 Atmel 公司的 AV 2560 控制芯片作为核心处理器 AV 单片机具有高速 低 功耗 保密性高 I O 驱动能力强等特点 具有 14 组 PWM 输出 16 组 ADC 4 组 USA T 接口 54 个数字 I O 1 个硬件 I 2 C 总线接口及 1 个硬件 SPI 总线接口 能够满足与传感器设备通信 控制算法运算及快速 PWM 输出等功能 19 机载控制器能够处理各种传感 器信息并控制环境测量传感器数据的发送 微型四 旋翼飞行器的姿态控制是保证飞行器稳定飞行的前 提 因此需要快速准确的姿态信息测量 设计采用 MPU6000 传感器结合电子罗盘 气压高度计 超声波 传感器组成飞行姿态测量系统 实现准确快速的姿态 测量 MPU 60X0 是全国首例 9 轴运动传感器 集成 了 3 轴 MEMS 陀螺仪 3 轴 MEMS 加速度计 以及可扩 展的的数字运动处理器 DMP 可用 I 2 C 接口连接 1 个 第三方传感器 扩展之后可以输出 1 个 9 轴传感器信 息 MPU 60X0 内置 DMP 可以输出 6 轴或 9 轴的旋 转矩阵 四元数 欧拉角格式的融合演算数据 大大减 少了 MCU 进行复杂数据融合演算的过程 HMC5883 电子罗盘用于修正偏航角的测量误差 实现航向控 制 MB1242 超声波传感器和 MS5611 气压计数据 通 过数据融合演算实现飞行高度的控制 报警电路用 于电池电压的监测实现低压报警功能 无线传输模 块用于数据信息的无线传输 设计选用了 450mm 轴距的四旋翼机架 四旋翼 飞行器的动力选用维奇 AS2216 无刷直流电机 配合 1045 螺旋桨 采用航模动力锂电池作为整个飞行控制 系统的动力能源 动力和能源装置的质量在四旋翼 飞行器整机质量占据很大比例 合理地搭配能够达到 最大的飞行效果 设计采用好盈公司的 Sky Walker 系列 20A 四合一电子调速器 其与 4 个独立的电调相 比更加集中 使结构更为紧凑 总体硬件设计框图如 图 2 所示 图 2 总体硬件设计框图 Fig 2 Design diagram of overall hardware 2 2 飞行器性能指标 四旋翼飞行器有多种材质和尺寸可供选择 针对 9 2016 年 3 月 农 机 化 研 究 第 3 期 在温室内飞行的需求必须保证拥有足够的负载能力 较强的机械强度 小巧的外型和轻盈的机身 设计选 用无刷电机配合螺旋桨最大拉力约为 860g 四旋翼飞 行器最大起飞质量约为 2 84kg 具有大约 1 5kg 的负 载能力 四旋翼飞行器配备 3S 航模动力锂电池 在 不携带负载的情况下能够正常飞行 10min 携带 1kg 左右负载的情况下能够悬停 8min 左右 飞行器选用 的 X 模式机架结构 飞行方式更加灵活 2 3 自主定位导航及避障系统 目前 导航方法主要有基于视觉的自主定位导 航 基于 GPS 的自主定位导航及基于激光测距仪的自 主定位导航 20 各有优缺点 本设计采用 KLH 100 激光测距传感器 MS5611 气压传感器 HMC5883L 电 子罗盘及 MB1242 超声波传感器构成室内定位导航及 避障系统的硬件 激光测距传感器通过测量飞行器 距离温室墙壁距离信息来确定其水平面坐标并感知 飞行前方障碍物信息 气压高度计及超声波传感器 测量距离地面的高度信息 进而确定飞行器在整个温 室内立体的三维坐标 最终确定飞行器在温室内的空 间位置 电子罗盘得到飞行器的航向信息 通过程序 控制实现飞行器在温室内自主定位导航 飞行器通 过激光测距传感器感知的障碍物信息并结合程序控 制 实现 1m 以内的障碍物躲避 障碍物距离大于 1m 默认前方无障碍物 自主定位导航实现如图 3 所示 图 3 自主定位导航框图 Fig 3 Block diagram of autonomous positioning and navigation 3 软件系统设计 3 1 软件系统总体设计 微型四旋翼飞行器控制系统软件是在其硬件的基 础上根据功能和系统需求来设计实现的 是飞行器在 温室空间内进行数据传输 监测 控制 自主定位导 航 避障等功能的具体实现过程 程序设计采用模块 化的设计思想 总的设计目标是协调各个功能模块有 序运行 根据控制算法实现稳定飞行 本设计首先对 飞行控制系统进行总体的软件设计 然后针对各个模 块进行具体的软件实现 飞行控制系统的软件总体 工作流程图如 4 所示 飞控程序工作流程如下 系统初始化部分 包括 定时 计数器初始化 串口初始化 外接传感器接口初 始化 中断向量初始化 AD 采集初始化及参数初始化 等 自检过程包括外部传感器联机检查 通信检查 保 护及电压检测和四旋翼飞行器水平检查等 自检合 格以后进入程序主循环 飞行器在主循环中完成各个 功能模块的调用 姿态检测与控制 自动增稳 自主定 位导航 自主避障 以及控制电机等功能 图 4 软件系统工作流程图 Fig 4 Operation flowchart of software system 3 2 自主定位导航软件实现 飞行控制器通过读取安装在前方和侧方的激光传 感器数据确定水平方向上的坐标 对气压高度计及 超声波传感器处理得到垂直方向上的坐标 最终确定 飞行器在温室空间立体三维坐标 实现温室空间定 位 电子罗盘信息确定飞行器机头方向 编写程序实 现飞行器方向的控制 飞行器自主定位导航程序工 作流程如下 首先通过 PC 机编辑航点信息并载入飞 控存储区 将第一航点信息设置在起飞点附近 使飞 行器能够快速进入航点飞行 考虑飞行器使用 3S 锂 电池供电 空载飞行时间约为 10min 左右 航点不宜设 置过多 载入航点之后 飞行器上电自主起飞 通过导 01 2016 年 3 月 农 机 化 研 究 第 3 期 航控制算法将当前位置和存储区航点信息进行对比 确定导航方案 实现温室内的自主定位导航 每个航 点根据要求悬停进行环境信息采集 执行完最后一个 航点之后返航并进行自主降落 自主定位导航程序 工作流程如图 5 所示 图 5 自主定位导航系统工作流程图 Fig 5 Operation flowchart of autonomous positioning and navigation 3 3 自主避障软件设计 四旋翼飞行器在复杂环境中进行自主避障 一直 以来都是四旋翼飞行器智能飞行研究的难点 也是目 前飞行器智能控制需要解决的难题 设计的微型四 旋翼飞行器 根据在温室内飞行的需求 进行了简单 的避障设计 但本设计还不能够达到飞行器在复杂环 境中智能避障控制的需求 主控制器通过在飞行器 飞行过程中读取激光测距传感器信息 进行障碍物感 知 根据编写的程序控制算法 确定飞行器的避障控 制策略 实现在温室内飞行过程中的简单避障功能 激光测距传感器对于微型四旋翼飞行器 具有定位及 障碍物信息感知双重功能 避障子程序的工作流程 如下 首先 飞行器在飞行过程中利用激光测距传感 器进行障碍物距离信息监测 如果检测到距离大于 1m 认为飞行方向上无障碍物 否则认为有障碍 若有障 碍物则将障碍物信息传递给主控制器 主控制器根据 障碍物信息进行决策确定避障控制策略 发送相应控 制指令 控制电机驱动模块输出不同的 PWM 控制信 号 控制飞行器的转向或悬停等各种避障动作 实现 飞行器简单的自主避障功能 具体避障程序流程如 图 6 所示 图 6 避障程序流程图 Fig 6 Program flow diagram of obstacle avoidance 4 试验及数据分析 4 1 试验器材及步骤 2015 年 1 月 30 日在北京农业信息研究中心的日 光温室内开展飞行器温湿度采集可行性评估及平面 空间温湿度监测试验 试验器材主要包括 主动式无 线温湿度传感器系统 AWSN 1 敏感元件为瑞士盛 世瑞恩的 SHT11 温湿度传感器及微型四旋翼飞行器 主动式无线温湿度测量系统是北京农业智能装备技 术研究中心研发的一款低功耗无线温湿度测量系统 主要用于设施农业 库房 暖通等场合进行温湿度测 量 测量数据通过上位机界面实时显示并且能够将数 据导出进行分析 试验通过主动无线数据采集软件进行数据记录 传感器主动上传时间间隔设为 10s 首先进行试验的 准备工作 包括试验设备的组装 通信的调试及传感 器一致性校验 选出一致性好的传感器用于试验 试验分为两组 第 1 组为可行性评估试验 通过支 架将传感器节点固定 高度为 1m 置于试验区域 微 型四旋翼飞行器携带传感器节点飞到支架附近悬停 进行温湿度测量 测量 8min 第 2 组为平面空间监测试验 水平和垂直方向间 隔 2m 分别选定 3 个区域 共 9 个区域 采用传感器节 点及微型四旋翼飞行器 分别在 9 个区域 高度 1m 的 水平面上进行空间平面温度测量 每个区域测量 1min 最后 通过试验数据分析 说明使用微型四旋 翼飞行器进行温室空间环境信息测量的可行性及准 11 2016 年 3 月 农 机 化 研 究 第 3 期 确性 温室内测量试验如图 7 所示 图 7 温室内测量试验 Fig 7 Greenhouse measuring test 4 2 试验数据分析 4 2 1 可行性评估实验数据分析 试验过程中主动式无线温湿度系统工作良好 数 据记录可靠有效 温室内单点测量试验数据如表 1 所 示 选取 2015 年 2 月 1 日上午 11 09 11 16 代表 性的数据进行分析 由表 1 可知 在微型四旋翼飞行 器起飞与降落过程测量的温度数据略高于传感器节 点的温度 湿度数据变动不大 在正常悬停测量中微 型四旋翼飞行器测量温度数据普遍低于传感器节点 的测量的数据 湿度数据基本正确 起飞与降落温度 偏高是由于飞行器测量高度未到达悬停的高度所造 成 飞行器正常悬停测量的温度低于传感器节点 主 要原因是微型四旋翼飞行器旋翼快速转动产生气流 变动的影响 由以上数据分析结果可知 虽然旋翼转 动对测量结果有一定的影响 但通过技术手段削弱其 影响 将微型四旋翼飞行器用于空间环境测量是可行 的 表 1 温室单点测量数据 Table 1 Greenhouse single point measurement data 时间 空气温度 空气温度 飞机 空气湿度 空气湿度 飞机 11 16 14 5 14 8 91 3 95 2 11 15 14 2 13 9 91 5 92 3 11 14 14 6 14 2 90 5 90 9 11 13 14 7 14 5 89 5 88 4 11 12 14 8 14 6 89 1 88 7 11 11 14 8 14 7 87 9 86 7 11 10 14 9 14 9 88 5 87 0 11 09 14 8 15 3 90 0 85 9 4 2 2 平面空间监测实验数据分析 平面空间温度分布如图 8 所示 其中 左右两图 分别为传感器节点与微型四旋翼飞行器 在 9 个试验 测量区域测量得到的高度为 1m 平面的温度分布情 况 由图 8 分析可知 除微型四旋翼飞行器起飞地点 略高于传感器测量点温度外 飞行器测量得到各个区 域的温度分布普遍低于传感器节点测量温度的区域 温度 但最大偏差不超过 1 造成微型四旋翼飞行 器测量的温度普遍偏低的主要因素是微型四旋翼飞 行器旋翼转动产生快速变动气流的影响 设计的微 型四旋翼飞行器可以通过优化飞行器的机架结构使 温度测量传感器尽量远离旋翼或改变旋翼的大小来 解决气流变动的影响 旋翼转动带来的空气流动的 影响是值得进一步研究的问题 也是微型四旋翼飞行 器能否获取准确的空间环境数据的关键性问题 图 8 平面空间温度分布图 Fig 8 Planar spatial temperature profile 5 结论 1 由温室内进行的可行性评估试验的分析结果 可知 微型四旋翼飞行器测量得到的空间数据与真实 值有一定的偏差 但偏差不大 由于飞行器促进空气 流通 其测量结果更能反映当前环境 因此运用微型 四旋翼飞行器进行空间环境信息采集是可行的 2 平面空间监测试验的结果 进一步验证了可行 21 2016 年 3 月 农 机 化 研 究 第 3 期 性评估试验的结论 微型四旋翼飞行器旋翼转动带来 的空气快速流动 对测量结果产生了一定的影响 在 后续的研究过程中 还需进行大量的试验 分析气流 变动的影响 旋翼转动带来的影响是值得进一步研究 的问题 3 微型四旋翼飞行器在进行空间环境信息采集 的过程中飞行时间最大为 8min 时间有限 不能够进 行长时间测量 因此 微型四旋翼飞行器的续航问题 也是后续研究的重点 参考文献 1 秦博 王蕾 无人机发展综述 J 飞航导弹 2002 8 4 10 2 2014 机器人 微机电一体化和人工智能国际会议 J 智 能系统学报 2014 3 371 3 高世桥 曲大成 微机电系统 MEMS 技术的研究与应用 J 科技导报 2004 4 17 21 4 臧克 孙永华 李京 等 微型无人机遥感系统在汶川地 震中的应用 J 自然灾害学报 2010 3 162 166 5 陈怡 媒体无人机 新闻采集的未来标配 J 军事记 者 2014 11 61 62 6 闵际元 孟京 马毅 等 无人机航拍应用于气象信息服 务展望 J 广播与电视技术 2012 6 73 76 7 李磊 熊涛 胡湘阳 等 浅论无人机应用领域及前景 J 地理空间信息 2010 5 7 9 8 本报记者 魏建峰 通讯员 等 无人机助现代农业发展 飞翔 N 昌吉日报 汉 2014 07 15 A06 9 李继宇 张铁民 彭孝东 等 小型无人机在农田信息监 测系统中的应用 J 农机化研究 2010 32 5 183 186 10 李云 徐伟 吴玮 灾害监测无人机技术应用与研究 J 灾害学 2011 26 1 138 143 11 臧克 孙永华 李京 等 微型无人机遥感系统在汶川地 震中的应用 J 自然灾害学报 2010 3 162 166 12 芮玉奎 芮法富 杨林 等 我国首次使用无人机大面积 喷洒农药纪实 J 农技服务 2010 12 1575 1576 13 王刚 安阳市利用农用无人直升机开展植保专业化统 防统治初探 J 中国植保导刊 2013 7 60 62 14 汪沛 罗锡文 周志艳 等 基于微小型无人机的遥感信 息获取关键技术综述 J 农业工程学报 2014 18 1 12 15 董璞 基于无线传感器网络的温室环境智能控制系统 研究 D 沈阳 辽宁工程技术大学 2010 16 孙忠富 曹洪太 李洪亮 等 基于 GP S 和 WEB 的温室 环境信息采集系统的实现 J 农业工程学报 2006 22 6 131 134 17 王兰 陈佩寒 李敏霞 日光温室微气候模拟研究 J 安徽农业科学 2010 24 13398 13399 18 邓玲黎 李百军 毛罕平 长江中下游地区温室内温度 湿度预测模型的研究 J 农业工程学报 2004 20 1 263 266 19 霍宏伟 ATmega128 2560 系列单片机原理与高级应用 M 北京 中国林业出版社 2006 24 66 20 白志君 四旋翼无人机室内自主导航系统的研究与实 现 D 厦门 厦门大学 2014 Development of MAV for Monitoring Spatial Distribution of Greenhouse Environment Fang Junlong 1 Sun Zhijia 1 Zhang Xin 2 Song Jinlong 1 Wu Wenbiao 2 Cui Zhonghui 3 1 College of Electrical and Information Northeast Agricultural University Harbin 150030 China 2 Beijing esearch Center for Information Technology in Agriculture Beijing 100097 China 3 College of Physics Engineering Qufu Normal University Qufu 273165 China Abstract Measure and understand the distribution of greenhouse space environment for greenhouse performance evalua tion fine environmental control disease is crucial warning the traditional single point measurement does not reflect the overall situation of the greenhouse environment and laid a lot of wired wireless sensor measurement cost and pro duction for the very high demand Article designed a miniature four rotor aircraft and in its integrated environmental measurement sensors as a means of monitoring greenhouse space environment information to solve the shortcomings of current greenhouse environment monitoring the distribution of the space environment monitoring to achieve fine green house environment regulatory and greenhouse performance evaluation plays an important role And carry out the tempera ture and humidity in the greenhouse aircraft acquisition feasibility assessments flat space temperature and humidity moni toring two groups of tests The results show that the aircraft measurements compared with the real value of a certain bi as but the deviation is small you can use the micro four rotor measuring spatial environmental information Key words MAV greenhouse space information collection autonomous navigation autonomous obstacle avoidance 31 2016 年 3 月 农 机 化 研 究 第 3 期