农业植保多旋翼无人机飞行控制系统设计

【目的】为了确保农业植保无人机能够在合适的位置喷洒农药,提高控制精度、作业效率并降低成本,有必要对多旋翼无人机的飞行控制系统进行优化设计。【方法】本研究团队以STM32F428IGT6芯片为核心,设计了农业植保多旋翼无人机飞行控制系统。首先概述了无人机飞行控制系统的整体架构,该飞控系统由主控系统、惯性测量单元、喷洒系统、空速测量系统等构成。其次,详细分析了无人机飞行控制系统的电源供电系统设计、通信设计、传感器选择、喷洒系统设计等硬件设计。最后,阐述了无人机飞行控制系统的算法设计,主要包括无人机姿态解算和PID控制算法,并介绍了该系统应用优势。【结果】该系统各模块之间执行SPI和CAN总线协议,可以将传感器实时采集的高度、速度、偏航角等参数传输到主控系统中,利用MCU芯片完成参数的分析处理,在此基础上发出新的调控指令,让多旋翼无人机沿着既定航线飞行,在到达特定位置后启动喷洒系统并完成喷药作业。【结论】该系统能让无人机在合适位置喷洒农药,达到远程控制、自动作业的效果,提高了植保作业效率,有利于促进现代农业机械化高质量发展。     

基于无线传感网的无人机精准喷药系统研究

喷药无人机由飞行平台、飞行控制系统和喷药系统组成,主要用于农药的喷洒。无线传感网络是一种结合了计算、通信和传感器3种技术的产物,可实现对无人机的控制。为此,基于无线传感网络设计了喷药无人机以较低的能量遍历农作物区域的航线控制系统,通过GDOP算法对无人机的航线进行规划和控制,从而达到无人机精准喷药的目的。试验结果表明:基于无线传感网络的无人机航线规划能够使无人机以较低的能量消耗遍历农作物区域,从而达到精准喷药的目的。     

基于CPF-EKF算法的大载荷植保无人机姿态解算方法

为了解决传统人工喷洒农药的不足,更高效地进行病虫害的防治,设计了基于八轴十六旋翼无人机的农药喷洒系统,实现了农药的机载喷洒功能。使用共轴双桨和旋翼模块的倾斜配置,对八轴多旋翼无人机进行结构改进,提高了系统的安全性与可靠性。整个系统满载10 kg,喷洒飞行速度可到达5 m/s,飞行时间超过10 min。针对传统扩展卡尔曼滤波(Extended Kalman filter,EKF)姿态解算方法无法满足大载荷无人机强振动条件下的工作要求,导致姿态角解算精度不高,并且容易导致姿态角发散的问题,提出了基于20维状态量的CPF-EKF算法,额外引入了陀螺仪、加速度计和磁力计偏置误差作为状态量,使三轴姿态角的最优估计值更加准确,并且引入互补滤波(Complement filter,CPF)检测模块,当检测到EKF有发散趋势时,对EKF进行复位,从而简单高效地避免了EKF发散。采用实际飞行数据对算法进行验证,静态试验表明,该算法滚转角和俯仰角精度为±0.05°,偏航角精度为±0.2°。动态试验中以MTi传感器输出为参考,CPF-EKF在姿态解算过程中出现复位,三轴姿态角准确跟踪并未发散,并且动态精度与MTi相当,滚转角、俯仰角精度为±0.1°,偏航角精度为±0.5°,并且算法具有良好的实时性,证明了该算法的有效性。     

基于无线传感网络的农业无人机航线控制系统

无人机是一个由飞行器、控制站、通讯设备和其它部件形成的系统,在农业领域主要应用于农药喷洒、信息监测和农业保险勘察。农业无人机在飞行过程中的实际航线与规划航路之间会存在偏差,不仅降低了作业质量,还会影响作业效率。无线传感网络是一种与无人机紧密结合的技术,可以用于对无人机的航线进行控制。为此,基于无线传感网络,设计了无人机的航线控制系统。该系统由无人机平台、传感节点、汇聚节点和控制中心4部分组成,对航线的控制通过二维坐标系跟随算法完成。试验结果表明:无线传感网络对直线和曲线航线的跟踪更加稳定,具有较高的航线控制精确度。     

基于单片机的农药喷洒机械自动调平系统设计

设计一套基于单片机STC89C51的农药喷洒机械自动调平控制系统,使安装在机械车上的农药喷洒装置在不平整的农田或山地作业时,始终能水平地喷洒农药。系统采用倾角传感器进行倾斜检测,再经单片机控制电路,最终由三位四通电磁换向阀控制液压缸完成自动调平。该系统对提高农药的利用率、降低农作物生产成本起着积极地推动作用。     

四旋翼无人机飞行控制系统设计

本文设计了以STM32F103C8为主控芯片的控制系统,该系统通过MPU6050整合性六轴运动处理组件采集数据并进行滤波处理,再利用四元数姿态解算算法得到姿态角,使用HC-SR04超声波来测量飞行器高度,通过PID控制实现飞行器姿态和高度的控制。测试结果表明,该系统能使飞行器完成起飞、悬停、降落一系列动作,且稳定可靠。     

基于PWM的农药变量注入控制系统设计与试验

针对目前农药定量喷洒技术的缺陷,设计了一种农药注入式管路混合的变量喷洒控制系统.该控制系统利用单片机通过脉宽调制方式,对蠕动泵(直流电机)进行控制,实现纯药量精确输出,再利用限流阀控制单位时间水的通过量,二者在管路中混合实现浓度匹配.用户在使用时,只需通过键盘输入单位面积喷洒药量,控制系统会通过预先设计好的算法,得到驱动蠕动泵(直流电机)工作的占空比值,便可控制电机的转速.同时,控制系统不断通过采样电机转速和车速对实际喷洒药量进行校验控制.     

基于STM32的远程控制植保无人机

针对农药喷洒存在的低效高害问题,提出了一种基于STM32单片机的植保无人机设计方案。以STM32F407单片机为控制核心,配合陀螺仪、气压计、超声波磁力计模块等实现基本的飞行姿态控制。遥控器通过2.4G接收机发送信号给单片机控制农药喷洒装置的启停。此外,无人机上装有GPS模块,可回传位置信号,给远程的手动操控提供参考。该植保无人机运行稳定,可远程控制,提高工作效率,减少对人体的危害,实现高效低害的农药喷洒。     

农用无人机自主飞行技术研究与趋势

随着人工智能、深度学习的快速发展,无人机自主飞行技术已然成为无人机智能化评价之一。在精准农业与智慧农业的倡导下,无人机在农业领域发展迅猛。农用无人机应用场景包括:作物授粉、喷洒作业、农情监测、打顶剪枝、疏花疏果及畜牧跟踪,其自主程度重要性不言而喻。综述国内外无人机飞行技术研究现状,介绍农用无人机在自主控制方法、避障方法、轨迹规划算法以及精准喷洒方法的研究进展,分析指出农用无人机系统自主环境感知能力差、信息处理速度慢、路径规划算法收敛慢、作物识别率低等不足,提出采用多传感器组合、双冗余控制、多算法融合和基于深度学习的作物特征识别等改进方法。本文为农用无人机自主飞行技术满足智能作业需求提供理论基础。     

基于神经网络算法的植保无人机硬件电路设计

针对现有的植保无人机操控较为复杂的现状,基于神经网络算法进行了硬件电路设计。植保无人机的主要组成包括控制结构、承力结构、升力结构和喷洒结构。为了提高多旋翼无人机的性能,采用BP神经网络对其控制系统进行设计,包括建立模型辨识控制器和逆模型控制器,以达到对多旋翼植保机辨识和控制的要求。为了验证该植保无人机的性能,对其进行控制性能和喷药试验。试验结果表明:植保无人机控制系统具有良好的自适应控制能力,喷药过程稳定,能够满足客户要求。     

倾转三旋翼垂直起降无人机悬停姿态控制

针对一种倾转三旋翼垂直起降(VTOL)飞行器在悬停状态下的姿态控制问题,设计了一种基于STM32系列微控制器的飞行控制系统。采用十轴组合惯性导航模块实时采集载机平台姿态信息,并结合基于四元数的互补滤波算法进行姿态信息解算。针对无人机姿态控制实时性和精度要求高的特点,采用串级PID控制算法对载机进行悬停状态下的姿态控制。实验结果表明:串级PID控制算法在悬停状态下能够对倾转三旋翼垂直起降飞行器进行快速、稳定、准确的姿态控制,并具有一定的鲁棒性。在横滚角的内环采用PD控制(Kp为8.371,Kd为3.015),外环采用PD控制(Kp为5.1,Kd为1.15);俯仰角的内环采用PD控制(Kp为3.137,Kd为1.6),外环采用PID控制(Kp为3.43,Ki为0.003,Kd为3.97);偏航角采用PI控制(Kp为9.30,Ki为0.11)时,其悬停状态下具有最优姿态控制效果。研究结果对倾转三旋翼垂直起降飞行器飞行控制的后续研究具有指导作用。     

基于单片机PWM变量农药喷洒控制系统的研究

针对目前农药变量喷洒技术缺乏的情况,开发了一种农药变量喷洒的控制系统。以往的农药变量喷洒控制系统大部分是利用读取流量传感器的值,然后通过调节拖拉机速度或者水压来控制喷头流量大小,进而达到在喷洒过程中单位面积的量相等。而本套控制系统是通过试验将PWM和速度通过公式整合起来,然后通过霍尔传感器来采集拖拉机速度来自动调节PWM的值,保证了单位面积内喷洒量的相同,从而达到变量喷洒、均匀喷洒的效果。     

变量喷药装置控制系统的设计与试验

针对基于BRAVO 180S计算机的农药喷洒装置,设计了一种实时变量喷药系统。该系统主要包括主控制器、各传感器、执行机构及控制系统硬件电路等。通过实时喷洒控制试验,结果表明,主阀进水口压力及分阀开合状态与喷洒的农药流量呈正相关关系,控制器根据执行机构调节阀的开合程度在线调节农药喷洒量,其液位标定试验数据经MATLAB插值计算得出药液液位误差为0.01%。可为实时变量喷药机的设计提供理论与实践参考。     

基于无线传感网络的无人机喷药沉积效果检测

农业生产过程面临病虫草害的严重威胁,喷洒农药是较为常用的防治方法。随着农业飞行器的推广,以无人机作为载具的航空喷施发展迅速,成为当前最为理想的农药喷洒方式。无人机喷药的雾滴沉积特性对防治效果有很大影响,是当前研究的重点。为此,设计了一种无人机喷药的雾滴沉积效果检测系统,利用无线传感网络进行航线控制,进行采样点定位以及飞行速度、高度和下方风场的数据采集。结果表明:飞行速度和高度对雾滴沉积量有相似的影响,飞行速度对雾滴沉积量的影响大于飞行高度,而雾滴沉积均匀性主要受到无人机飞行速度的影响。该检测方法具有较高的准确性,可为拓宽无线传感网络的应用范围提供依据。     

基于PWM变量农药喷洒控制系统的研究

针对目前农药喷洒的严重浪费和污染情况,开发出了一种变量喷洒的控制系统.传统的农药喷洒大都采用机械式调节方式来进行农药喷洒.该控制系统将流量、压强以及PWM和速度通过公式联系起来,根据采集的NDVI和速度信息值调节PWM,利用霍尔传感器来采集拖拉机速度,从而保证了农药的有效利用.     

计算机数据融合算法下植保机精准化作业研究

针对我国传统的植保机在精准化作业和自动化喷洒方面存在的不足，基于计算机数据融合算法对植保机精准化作业进行了设计试验。植保机的主要组成包括控制单元模块、信息采集模块、传感器模块、数据传输模块和变量执行器模块。为了实现植保机的精准化作业，对植保机的飞行姿态调整和变量喷药过程进行了算法设计。其中，飞行姿态控制采用双闭环位置式PID控制算法，喷药过程采用改进的遗传PID控制算法进行控制。为了验证植保机精准化作业的效果，对其进行姿态控制和变量喷药试验。结果表明：植保机姿态控制良好，能够完成精准化喷药。     

基于单片机的定量农药喷洒控制系统

针对目前农药定量喷洒技术缺乏的情况,开发了一种农药定量喷洒的控制系统.该控制系统利用单片机和L298芯片通过控制直流水泵的工作时间来实现其功能.用户只需通过键盘输入校核时间并开启系统,再输入校核量和实际需要的农药量,单片机会通过内部设计的算法计算出直流水泵的工作时间,从而达到定量喷药的目的.通过大量的实验发现,利用此控制系统,可以达到农药的定量精准喷洒.     

植保无人机药箱建模与姿态控制器设计

为了提高八旋翼植保无人机的可控制性,对无人机喷洒过程中药箱进行了分析和建模,推导出长方体药箱质量和转动惯量随时间变化的公式,进一步得到了植保无人机精确的时变性动力学模型.为了验证模型的正确性和先进控制律的控制效果,设计自适应反步终端滑模姿态控制器,第一步采用典型反演控制;第二步应用终端滑模控制,使最后状态在有限时间内收敛到理想值;第三步设计了自适应控制律以消除未知干扰的影响,设计的控制器均满足Lyapunov稳定性理论.对控制器进行了仿真和试验验证,控制效果与模糊PID姿态控制器进行对比分析,结果表明:建立的时变性动力学模型可以使自适应反步终端滑模控制器良好地应用到无人机上,姿态角控制效果得到明显改善,试验中姿态角误差分别降低了25.57%,24.21%和19.41%,同时控制器对外界未知干扰不敏感,且具有较强的鲁棒性.     

基于嵌入式的多功能无人机控制系统研究

以多功能无人机嵌入式控制系统为研究对象,通过对无人机使用过程中的控制工作流程和飞行参考坐标系进行分析,搭建控制系统的供电、处理器、通讯等硬件电路.根据无人机的实际飞行状态,建立嵌入式控制系统当中的相关物理模型及控制系统算法模型,从而搭建控制系统软件.针对设计好的控制系统进行控制系统仿真,结果表明:该系统可较好地追踪系统...     

多旋翼植保无人机变量喷洒系统设计

基于脉宽调制(Pulse Width Modulation,PWM)技术设计了多旋翼植保无人机变量喷洒控制系统。该系统由硬件和软件两部分组成,硬件由多旋翼植保无人机起落架、变量喷洒控制器及霍尔流量计组成,软件则实现占空比控制喷洒流量。采用Abaqus有限元分析软件对多旋翼植保无人机变量喷洒系统的关键受力部件进行线性静力分析,结果表明:关键受力部件变形较小,设计合理。此外,进行了占空比与喷洒流量关系实验,结果表明:当占空比为6%~8%时,流量与占空比采用3次多项式得到较好的拟合其可决系数R~2达0.998;当占空比大于8%时,喷洒流量达到最大且不随占空比增加而变化。