四旋翼无人植保机飞控系统设计

王梓丁 浙江农林大学 310000

随着现代农业发展，农业对植保技术的要求也越来越高。传统的植保技术已经不能较好满足当前要求，开发适合现代农业的新型植保技术已经成为当前的趋势。针对我国南方以丘陵和山区地形为主的小面积种植区域并结合目前生产现状及精准农业发展需求，本项目设计了基于STM32F407为MCU小型四旋翼植保无人机，实现在小面积种植区域内平稳飞行，满足精准作业要求。

本项目开发内容主要包括：飞控板及外围电路，传感器底层驱动，飞行控制程序等。

硬件部分

(1)MCU模块

飞控采用STM32F407做为MCU，该芯片是采用32位RISC内核的Cortex-M4架构，工作频率180MHz，有丰富的外部接口和内置存储器，可由2.0V至 3.6V直流电供电，该芯片还专门进行了低功耗设计，可以广泛应用于无人机或便携设备的嵌入式开发。STM32F407 满足植保无人机主控制器对实时性和复杂数据处理能力的要求。

(2)姿态检测模块

四旋翼植保无人机需要实时进行姿态解算，选用MPU9250复合芯片作为姿态检测单元的主要传感器。采用MPU9250芯片作为姿态检测单元的主要传感器,MPU9250一部分由三轴加速度计和三轴陀螺仪组成，另一部分包含一片三轴磁力计AK8963，内置数字运动处理系统(DMP)[1]。

(3)位置检测模块

为实现四旋翼植保无人机自动巡航完成预定的航迹规划，需要提供精确的导航参数，如方位、速度和位置等。利用GPS（Global Positioning System）导航信息精度高的特点，设计了基于GPS的位置检测单元[2]。

(4)高度检测模块

植保无人机在飞行作业时，不仅需要位置信息同时对高度信息也具有严格的要求，通过GPS得到的高度信息数据更新慢、数据不稳定和精度低不能满足植保无人机对高度信息的要求，所以设计了基于气压计的气压高度及模块单元。

(5)数据存储模块

为方便对植保无人机飞行状态进行测试和分析，设计了数据存储单元，以SD卡和AT24C16 作为其存储单元。其中SD 卡记录了植保无人机的实时飞行数据，其中包括惯性测量单元和位置检测单元的数据等飞行日志，方便以后对植保无人机整个使用情况做一个整体的评估和记录。

(6)电源模块

电源是整个系统稳定运行的关键，电源模块包括14.8V转5V电路以及5V转3.3V和3.0V 电路。选用TPS62163将14.8V电压降到5V，TPS62163 是TI公司生产的高性

能电源芯片，其最小输入为3V，最大输入是17V，能够提供稳定的5V输出，最大电流为1A。然后通过电源芯片TPS79333和TPS79330对5V电压进行降压分别得到3.3V和3.0V电压，以满足不同器件对电压的要求。

(7)遥控器模块

方便对植保无人机进行操作和监控，对传统的遥控器进行了改进，设计了植保无人机手持遥控器，其以数据传输系统和图像传输系统相结合的方式对控制命令发送和接收，同时将植保无人机回传的数据和图像进行显示，实现植保无人机传输和显示一体化的功能[3]。

(8)数据传输模块

数据传输系统采用亿佰特SX1278 无线模块，使用433MHz 频段进行数据传输，该模块是高度集成低功耗半双工无线数据传输模块，其嵌入高速低功耗单片机和高性能扩频射频芯片SX1278，同时采用高效的循环交织纠检错编码，具有较强的抗干扰性和灵敏度，提供了多个频道选择，可在线修改串口速率，收发频率，发射功率，射频速率等各种参数。

(9)喷洒模块

（1）喷洒装置

整个喷洒装置主要由水泵和喷头组成。采用普兰迪1206自吸式水泵，自吸式水泵较潜水泵具有扬程高，出水量大等特点。喷头选用电动离心喷头或者扇形喷嘴，对于不同的应用场景选用不同的喷头，利用底板和碳纤维管将水泵和喷头固定在四旋翼脚架的下方，确保作业时能够实现稳定喷洒。

软件部分

软件系统是整个无人机系统的灵魂，四旋翼植保无人机系统中的各种任务调度、姿态解算和实时信息获知、飞行任务等都需要借助软件系统来实现。为提高软件系统的可读性、可移植性，需要对软件系统进行层次划分，不同层次的程序实现不同的功能。这样设计还能提高软件系统的可测试性和可维护性，便于开发和验证，提高工作效率。

(1)姿态控制

植保无人机每一时刻飞行状态可以分解为在地理坐标系下这一时刻姿态的横滚角、俯仰角和偏航角。分别对姿态角度进行角度和角速度都采用PID控制。因为各个通道之间是独立的，同时采用串级PID控制算法，将多变量输入多变量输出的复杂控制系统化简为多变量输入而输出为单一的输出系统。

(2)姿态位置解算算法

植保无人机姿态和位置检测系统由三轴陀螺仪、三轴加速度计、三轴磁力计和GPS组成，采用四元数法对姿态矩阵进行计算，针对多传感器在频域上的特点，实现了基于互补滤波的姿态和位置解算算法。

(3)位置控制

高度控制也采取串级PID控制算法，外环是高度控制环，输入的是期望高度，反馈的是数据融合得到的高度信息，内环是速度环，输入外环的输出值，以垂直方向上速度值作为反馈值。