智慧农业中基于视觉的简易四旋翼无人机设计

苏柳舒，蒋泽辉，张 颖，徐天越，吴 阳

（无锡太湖学院智能装备工程学院，江苏无锡 214064）

0 引言

基于物联网技术在现代农业领域的应用，智慧农业已经开始兴起，相较于传统农业，智慧农业主要表现在其特有的监控功能系统、监测功能系统、实时图像与视频监控功能［1］。其中无人机正是智慧农业的重要工具，为智慧农业提供了有效支撑。与发达国家相比，我国农业装备技术起步较晚，但是我国对于农用无人机比较重视，涌现出一大批比较好的农用无人机，随着集约化、大规模生产方式的推广普及，农用无人机作业已经成为未来病虫害防治、灾害预警的通用手段［2］。

本文设计了基于STM32 单片机的简易四旋翼无人机，通过PID 算法实现对飞行状态的姿态调整，实现在遥控状态下的无人机的自稳飞行，并通过OpenMV 实现农业生产中的自动巡检及现场图片收集，最终为林业的实时监管提供科学有效的依据，保障农作物的健康生长［3］。

1 四旋翼无人机的结构设计

设计的简易四旋翼无人机的整体结构，主要包括叶桨保护罩、桨叶、电机、机架等部分。

1.1 叶桨保护罩

在调试四轴的时候，摔下来、失控是很常见的，所以设计叶桨保护罩，可以很大程度上减小桨叶、电机报废的概率，减小经济损失，避免无人机叶桨损坏降低工作效率。

1.2 桨叶

四旋翼无人机的飞行依赖的是两对螺旋桨力的抵消，而两对相反旋转的桨叶才能抵消作用力，所以四旋翼无人机的桨叶有A、B 之分。两款桨叶的旋向相反，选用55 mm桨叶，A桨叶安装在电机2和电机4上，B桨叶安装在电机1和电机3上。

1.3 电机

空心杯电机时本次设计中首个重要部件。当选择了不合适的电机时会造成电机侧向震动大，从而使得桨叶转动之后产生很大的侧向震动，进而会严重干扰加速度计，接着引起飞行器的姿态、角度很大的偏差，最终无人机不能垂直飞行。空心杯电机使用SI2302这款MOS管进行驱动。

1.4 机架

机架方面，如果采用飞控板和机架隔离的方式，能从一定程度上降低震动的影响，但是这样会增加重量及成本，所以选择了PCB 机架，这个方案相对来说可以减轻设计方面的工作量。

2 四旋翼无人机的硬件设计

四旋翼无人机整体框图如图1所示。

图1 无人机整体框

2.1 飞行控制器

四旋翼无人机需要用到PID调速，对控制器的运算速度有要求［4］，而STM32F103C8T6选用的是LQFP-48封装，封装比较大，能降低焊接难度，且价格低廉，研究成本比较低，网上有大量的资料可以提供参考，因此选用STM32F103C8T6作为飞行控制器。

2.2 MPU6050姿态传感器

姿态传感器是由陀螺仪传感器和加速度传感器两个传感器共同集合而成的一个系统。陀螺仪的原理是一个旋转物体的旋转轴所指的方向在不受外力影响时不会改变，通过运用多种方法读取轴所指示的方向，控制系统在读取信号后能够做出相应反馈。采用MPU6050姿态传感器检测无人机的状态。

2.3 FBM320气压计

FBM320 气压计采用SiP 封装技术，成功地将采用MEMS 工艺的气压传感芯片与采用CMOS 工艺的信号处理芯片整合到了同一个封装内，并且提供了标准I2C 以及SPI 数字信号通信串口，可以和主芯片进行通信。

2.4 SI24R1无线芯片

采用的SI24R1 作为无线收发器芯片，是因为无线发射可以做到7 dB，在发射和接收端都采用陶瓷天线的前提下，可以达到50 m 的通讯距离；且SMA 接口，可方便连接外置天线；价格便宜，性价比高。

2.5 供电电路设计

使用600 mAh锂离子电池供电，采用升压电路使电压由3.7 V升到5 V，采用降压电路使电压由5 V升到3.3 V。是因为在进行供电时，没有负载的情况下，电机能够正常启动，但是当4 个空心杯都安装上桨叶，在达到全速运转的情况下，瞬间电池的输出电业就会被降低到3 V以下，不足以驱动电机。这时候如果直接用电池给LDO供电，那LDO就会失效［5］。

2.6 电机驱动电路

选择720 空心杯电机，它的能量转换效率高，起动、制动迅速，响应极快；在推荐运行区域内的高速运转状态下，可以方便地对转速进行灵敏的调节，运行稳定性十分可靠，转速的波动很小。

2.7 视觉模块

视觉部分单独设计难度较大，所以直接使用OpenMV 视觉模块。它是基于STM32 的机器视觉模块，集成了OV7725 摄像头，这个特点使得它可以很灵活地和其他流行的模块配合，实现复杂的功能［6］。另外，选用了NRF24L01无线传输模块，利用SPI接口进行图像的实时传输。经过实测，空旷条件下2 M传输速率下15 m，1 M传输速率30 m，250 K传输速率50 m；满足要求。

3 四旋翼无人机程序设计

四旋翼无人机的飞行控制程序使用基于C 语言的Keil5 编写，视觉部分的OpenMV 使用基于Python语言的OpenMV IDE编写。

3.1 姿态程序系统设计

姿态程序设计主要围绕FBM320 气压计（MEMS传感器）的数据进行，姿态系统程序的软件流程图如图2所示。

FBM320 气压计接收到的数据不可避免会有噪声，所以姿态调整系统需要对采集到的数据进行滤波处理，之后才能对滤波信号进行姿态解算。

加速度传感器提取到的信号在与陀螺仪提取到的信号进行结合的时候以低频信号为主，所以针对这一特性，需要通过均值滤波提高信噪比来优化加速度传感器接收的数据。

3.2 PID调节算法设计

依据控制对象的输出反馈信号进行纠正的控制方式被称为闭环控制，当测量值与预期值产生偏差时，通过闭环调节可以得到修正；控制线路通过测量值与理论值的比较，再调节控制线路输出的信号。PID调节是一种最常用也最简单、使用最为广泛的闭环控制算法。有效组合使用这3个控制方法，可以正确高效地修正被控制对象产生的偏差，进而使整个系统平稳有效的运行［7］。

4 结语

本文从四旋翼的飞行理论入手，结合机器视觉，设计出一套适用于农业生产，能够实时传输飞行画面的无人机，为后续采用无人机实现植保及病害识别、自动喷药等做准备。系统中包含了各类传感元件，并运用了PID调节算法，使得无人机实现飞行时的自稳态调节。选用STM32 作为核心，使用多种传感器反馈得到无人机的状态，从而更正各个传感器的数据，最后采用PID调节算法处理数据，利用电机转速的改变，实现无人机的各种飞行动作和姿态调节。利用OpenMV 采集图像数据并通过无线芯片实现图片传输，让无人机在飞行时能够拥有图传的功能，赋予了无人机基本的视觉能力。

图2 姿态程序设计流程