基于STM32F407的植保飞行器设计研究

摘要：传统农业的植保工作依靠人力、效率低下、喷洒不均匀。植保无人机作为一种创新的技术，能有效改善传统植保工作的缺点。首先，介绍植保无人机的背景，探讨其相比于传统植保工作的优势和面临的挑战，以及对提高农作物产量、减少农药使用量和环境污染的分析。结合国内外相关研究，展望植保无人机的前景。其次，阐述植保无人机的实现方式，确定无人机是以STM32F407为核心，综述由哪些相关的单元、模块组成并且如何配合实现功能。再次，设计方案中详细介绍各个功能电路的工作原理和技术要点。姿态控制是植保无人机的核心技术之一，实现无人机垂直、俯仰等运动。通过摄像头模块、农药喷洒模块等，实现对农作物的快速识别和精确喷洒。通过测试，获得数据后进行理论分析证明无人机能够高效、稳定地实现喷洒功能。最后，对本文研究内容的缺点做总结，找到需进一步研究改进之处，为农业产业可持续发展和环境保护作出贡献。

关键词：植保飞行器四旋翼姿态控制STM32F407

ResearchontheDesignofPlantProtectionAircraftBasedonSTM32F407

XUXinyaoLIShihaoDONGDingming（DONG-DINGMing？？）ZHAIZihanDONGFangrong（DONG-FANGRong？？）XIANGFei*WANGJinchan

HenanUniversityofScienceandTechnology，Luoyang，HenanProvince，471023China

Abstract：Plantprotectionworkintraditionalagriculturereliesonmanpowerandhasproblemssuchaslowefficiencyandunevenspraying.Aplantprotectiondrone，asaninnovativetechnology，caneffectivelyimprovetheshortcomingsoftraditionalplantprotectionwork.First，thisstudyintroducesthebackgroundoftheplantprotectiondrone，exploresitsadvantagesandchallengescomparedtotraditionalplantprotectionwork，analyzesitspotentialtoincreasecropyieldsandreducepesticideuseandenvironmentalpollution，andlooksforwardtoitsprospectincombinationwithrelevantresearchathomeandabroad.Then，thisstudyexpoundstheimplementationmethodoftheplantprotectiondrone，determinesthatitisbasedonSTM32F407，andsummarizeswhatrelatedunitsandmodulesitiscomposedofandhowtheycooperatetorealizefunctions.Next，theworkingprincipleandtechnicalpointsofeachfunctionalcircuitare introducedindetailinthedesignscheme.Attitudecontrolisoneofthecoretechnologiesoftheplantprotectiondrone，whichrealizesitsverticalandpitchmovements.Throughcameramodules，pesticidesprayingmodulesandothermodules，therapididentificationandaccuratesprayingofcropsarerealized.Throughthetest，dataisobtained，andthenthetheoreticalanalysisofdataiscarriedout，whichprovesthatdronescanachievethesprayingfunctionefficientlyandstably.Finally，thisarticlesummarizestheshortcomingsofresearchcontent，andidentifiestheareasthatneedtobefurtherstudiedandimproved，inordertocontributetothesustainabledevelopmentoftheagriculturalindustryandenvironmentalprotection.

KeyWords：Plantprotectionaircraft;Quadrotor;Attitudecontrol;STM32F407

1植保无人机发展前景

农业对国家的重要性体现在经济发展、粮食安全、农村发展和环境保护等方面，是国家发展中不可或缺的重要组成部分。我国农业的发展趋势是朝着现代化、可持续化、智能化等方向发展，而植保无人机恰好符合农业的发展趋势，大大简便了植保工作，提高了农业工作的效率。

植保无人机[1-2]相比传统植保工作有许多优势。首先，植保无人机可以减少劳动力成本而传统植保工作需要大量的人工操作和劳动力。其次，传统植保工作需要人工喷洒，往往会出现喷洒不够均匀、农药浪费等问题，而植保无人机的喷洒系统能够做到喷洒均匀覆盖，减少了农药使用量并且降低了环境污染。最后，无人机可以在较短的时间内快速飞行，覆盖更大的农田面积，节省了工作时间提高了工作效率。同时，植保无人机也面临着许多挑战。在国内外相关研究中，植保无人机已经取得了一些令人瞩目的成果。国内外许多农业企业和研究机构已经开始应用植保无人机进行实际农业生产，取得了显著的效果。

综上所述，植保无人机作为一种新兴的农业技术，具有提高农作物产量、减少农药使用量和环境污染的潜力。尽管面临一些挑战，但通过进一步的研究和改进，植保无人机有望在农业现代化和环境保护方面发挥更大的作用。未来，植保无人机将在农业领域得到广泛应用和推广。

2能模块设计

2.1电源模块

电源模块为整机供电[3]。首设计电路产生5V电压。TI公司的TPS54xx[4]，这一系列的芯片转换效率高，输入电压范围宽，输出电流大，工作频率高，而且能够减小外围器件的尺寸和成本。同时，它还集成了多种保护功能，如过温保护、过载保护和短路保护等，来保证系统安全稳定的运行。TPS5430这种芯片是这个系列典型的代表，它是一种DC-DC降压转换芯片，可以把输入电压从12V降到5V，而且具有广泛的应用领域。这种芯片采用了先进的降压拓扑结构和可调节的反馈电路，从而能够在宽输入电压范围内工作，一般为5.5～36V。该芯片采用小尺寸封装，功耗较低，但是效率高，适用于各种电源应用，如工业自动化、通信设备、消费电子den。芯片的最小输入电压是5.5V，最大输入电压是36V。最低输出电压是1.2V，能够提供稳定的5V输出，同时正常输出电流为3A。总之，TPS5430是一种既可靠、又高效的，能够实现12V转5V降压芯片，适用于多种应用场景，并且能提供稳定的电源输出。故选用此芯片，电源电路设计如图1所示。

降压电路由一个电阻和一个稳压管串联而成，当稳压管上分压为3.3V时，与稳压管并联的负端电即为3.3V。

2.2电机模块

本项目主要是对无人机进行控制，对电机[5]有极高的控制精度要求，普通的直流电机达不到实际要求，需要使用无刷电机，而本项目使用的是大疆DJI2212920KV同款航模无刷自锁马达电机。

2.2.1电机的转向的控制

无刷电机与传统的电机结构上有较大的差别，而主要是换向器的结构不同。无刷电机需要通过无刷控制器也就是电调的控制才能实现连续不断的运转。其实际的控制方式是使用霍尔元件不断检测磁场从而反应出转子的位置，再将信息传输至主控芯片，如单片机STM32F407[6]等。然后，根据预先的编码程序进行运算处理，改变实际的单元结构电机驱动板上的开关管的通断状态，进而给电机的线圈提供不同方向的电流，从而促使转子带动螺旋桨的转动，可以实现对飞行器各个飞行方向的控制。

2.2.2电机转速的控制

对电机转速的控制主要依靠于对电机驱动板的控制，通常使用PWM脉宽调制技术。其核心点在于对加在电机上电压大小进行控制，进而使用改变电枢电压的方式来改变转速。线圈两端的电压越大，通过线圈的电流越大，生成磁场越强，转子转动得就越快。

综上，在实验中对电机的控制需要把握住几个关键点。

（1）对线圈电流绕组中电流方向的检测与控制，因为它的方向决定着电机的旋转方向。

（2）霍尔元件的控制与信号检测的灵敏度，因为它决定电流换向问题。

（3）SPM波信号的输出性质，因为它控制电机的转速。

2.3喷洒模块

喷洒部分则是植保无人机的核心组成部分之一。植保无人机的喷洒部分用于控制农药、肥料以及其他液体的喷洒，提高农作物的产量和质量。

喷洒部分主要包含以下组件如图2所示。

（1）喷嘴：位于整个喷洒部分的末端，用于将液体喷洒至目标植物上。喷嘴的选型影响着喷洒均匀性[7]和覆盖范围。

（2）喷洒泵：是液体传输通道，用于抽取容器中的液体送至喷嘴进行喷洒，喷洒泵的性能直接影响到喷洒效果和喷洒速度。

（3）电机和传动系统：驱动喷洒泵以及控制喷嘴的开关。

（4）控制器：使用SMT32F407主控芯片控制喷洒部分的操作，使用OpenMV摄像头模块识别目标并传输数据至主控芯片。

（5）储液器：存储无人机所需喷洒的液体。

喷洒部分控制的大体步骤如下。

（1）初始化GPIO口并根据需求设置喷洒量和喷洒时间。通过设置PWM信号的周期和占空比控制喷洒量，定时器定时控制喷洒时间。

（2）通过摄像头模块与主控芯片串口通信[8]，根据接收到的数据判断是否开启喷洒泵电源以及喷嘴的控制器。

（3）根据喷洒时间或其他条件关闭喷洒泵的电源以及喷嘴。

（4）喷洒完毕，继续判断并执行下一次喷洒操作。

2.4摄像头模块

为实现远程喷洒农药，需要无人机具备自动识别、实时处理功能，添加摄像头模块能够帮助无人机高效实现该功能。摄像头模块依靠图像传感器、图像处理器等其他电子元件能够实现捕捉、处理和传输图像信号。本次采用以STM32H743为核心的OpenMV[9]，它是有图像处理功能的可编程单片机摄像头，具有小巧、低功耗、低成本等特点。所有输入、输出引脚输出3.3V，可耐受5V电压。摄像头芯片采用OV7725，高效实现机器视觉应用[10]。基于OpenMV的摄像头模块帮助无人机实现颜色识别、数字识别功能。摄像头用于拍摄实时图像，内部H7系列的32单片机用于处理图像信息与机器识别。通过计算机Python编程，设置摄像头颜色识别、数字识别功能的参数，利用边缘检测[11]等相关算法实现功能。无人机识别到颜色、数字等信息后，通过串口通信将数据发送给主控模块进而控制药物的喷洒。

3飞行器姿态控制

飞行器的姿态控制[12]，通过改变电机转速带动螺旋桨产生的升力来实现。四旋翼无人机是十字结构的，由四个电机分布在其末端，对角两两一组分为正桨和反桨两组，同一组螺旋桨旋转方向相同。通常摄像头所在位置为无人机机头，规定其右侧电机为1号，按照顺时针顺序规定其他电机编号，依次是2号、3号和4号电机。正桨由2号和4号电机构成，为逆时针转动；反桨由1号和3号电机构成，为顺时针转动。因为正桨和反桨两组电机的旋转方向相反，力矩相互抵消，故无人机不存在自旋现象。

3.1垂直运动

为使力矩之和为零保证无人机不自旋，且只在垂直方向运动，需要同时并同量地改变四个螺旋桨转速。当同时同量地增大螺旋桨转速时，此时螺旋桨产生的升力不断增大，若升力大于无人机自身重力时，将在垂直方向上向上运动；同理同时同量地减小4个螺旋桨转速，产生的升力将减小。升力等于重力时，无人机在垂直方向上维持当前飞行状态。

3.2俯仰运动

当同时同量地减小机头两侧的电机转速，增大另外两个电机转速。即1号、4号电机减速，2号、3号电机提速，2号、3号电机产生的升力大于另外两个电机，无人机因受力不均匀存在向前的分量，从而实现无人机水平向前的运动。同理，仍然同时同量改变转速，1号、4号电机提速，2号、3号电机减速，1号、4号电机产生的升力更大，产生向后的分量，实现无人机水平向后飞行。

3.3偏航运动

想要实现无人机的偏航运动可以通过改变电机转速，通过差速控制来实现无人机的偏航运动。差速控制也是常见的控制偏航运动的方法，通过调节电机转速达到偏航运动的控制。无人机对角线的电机转速方向一致。逆时针转动的螺旋桨控制无人机顺时针偏航，顺时针转动的螺旋桨控制无人机逆时针偏航。例如：想要达到无人机顺时针偏航的目的，可以通过增大两个逆时针螺旋桨电机的转速，或者是减小两个顺时针螺旋桨电机的转速。从而达到偏航的目的。

3.4翻滚运动

无人机的翻滚运动需要调节电机转速实现。在翻滚运动之前，要有良好的无人机姿态，当达到可以翻滚的条件时，就可以调节电机转速。如果需要向左反转，增加轴右侧两个电机的转速，减小轴左侧两个电机的转速，就可以实现左翻转，右反转反之。

4结论

农业生产是社会发展的基石，不断对其生产方式做出革新以求提高其产量为新时代的发展担负起应尽的责任。

农业生产的化学化和机械化是当前的农业发展的一大路径，使用各种方式将其统一结合起来以追求提高生产力，而植保飞行器便是基于这一目的而研发使用的现代化工具。由于其本身应用原理的复杂性导致实现其工作方式需要更多的技术支持，难度较大，但是应用前景较大。

本项目主要完成后相关总结。

（1）自身的技术发展。在参考相关文献，实际的应用手册对飞行器进行了学习与实验，使其简单具备平稳飞行能力、一定的定位功能以及遥感检测等，从而实现智能化喷洒和检测即最后的精准停机。

（2）自身存在有一定的优点与不足。该飞行器有着喷洒便利，适合于大面积的种植地实现高效率的工作，在这种环境下成本较低；但是也有着天然的缺点，由于其对飞行姿态控制要求较高，一些普通的电机无法实现功能。所以选用三相交流电机实现对电机的多状态控制，这也导致运载能力，飞行高度，续航能力受限制，这些也都是该飞行器未来的发展方向，需要不断的技术创新和改进来一步步解决难题。

（3）应用场景。该机器主要应用于大面积的农业生产作物如水稻、小麦、玉米等等作物的喷洒作业与病虫妨害等，加上在紧急情况下用于森林防火、大面积区域的检测工作。

（4）本小组使用现行通用的STM32F407核心板作为主控芯片，运行频率高，外设功能强大，拥有更高的性能来完成各种应用场景，以其较为强大的数据运算能力尽可能减少外围设备的负担，以求降低自身的重量同时加大负荷量，使其有更为广阔的应用场景。同时将小巧的无人机和植物保护相结，利用无人机灵活方便，易于控制的特点，在精准地实现植物保护的同时节约成本。

参考文献

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