于ARM9的无人机农业植保作业

　　摘要：介绍了一个以ARM9为控制核心，遥控器或PC计算机为交互设备的无人机农业值保系统的主要设计思想。着重对系统的组成、硬件配置、软件设计及主要功能进行了详细的描述，并给出了ARM9控制程序的流程图，文章还对系统的通信程序设计做了简要阐述。

　　关键词：无人机;ARM9;测控系统;遥控器;数据采集

　　1、概述

　　主要应用多旋翼智能无人进行液体物质的自动添加，加满后自动停止加注。能够自动巡航，在飞行状态下，该控制系统应具有利用惯性测量单元配合机载卫星定位系统测得当前飞行方向及飞行姿态数据并根据系统设计要求提供相关数据的提取与传输的功能。该系统采用PC机、ARM9及遥控器对无人机进行控制，实现试验数据的自动采集、分析及处理。

　　2、系统组成

　　该系统由无人机、ARM9、遥控器、计算机以及相应的软件系统组成。系统组成情况见图1所示。其中，智能无人机和ARM9为系统基本配置，其余为可选部分，用户可根据需求选择遥控器或计算机，也可两者都选。

　　2.1多旋翼无人机

　　该机是垂直起降、自主导航的无人飞行器系统，具备人工遥控、定点悬停、航线飞行等多种飞行模式，统集成了三轴加速度计、三轴陀螺仪、磁力计、气压高度计等多种高精度传感器和先进的控制算法设计，操控因而变得非常简单，对于毫无遥控飞行经验，也能够在很短的时间内学会它的操控飞行。在这款旋翼机上还加装了无线数字图传，可以实时的将监视到的图像信息，传到地面控制中心。

　　2.2 ARM9

　　智能无人机是一个比较复杂的集成系统，需要飞行器的设计、空间定位、路径规划、飞行控制、图像识别等各方面技术的支持。为了能够充分利用这些技术，我们通过ARM9将各个功能模块化，通过合理的架构设计将其整合，达到智能控制的目的。

　　2.3遥控器

　　用于向ARM9发送控制命令，接受ARM发送的试验数据;完成各种试验参数的设置。

　　2.4计算机

　　用于向ARM发送控制命令，接受、显示并存储ARM发送的各种数据;完成各种试验参数的设置;对试验数据进行评估;在联网运行时接受上位计算机的试验指令，并将其返回的数据传送给上位计算机。

　　3、系统硬件配置

　　根据系统的组成情况及功能要求，硬件配置选择如下：

　　(1)计算机：PC兼容机或品牌计算机，CPU 1.0GHz以上，128M以上内存，30G以上硬盘，52倍光驱，17H-RS232C串口。

　　(2)ARM9：最高频率200MHz;16KB指令高速缓存，8KB数据高速缓存，硬件JAVA加速，扩展多媒体指令集结构。

　　(3)遥控器：进行无人机升降，护航等控制。

　　(4)传感器：磁传感器：最主要的就是要远离电动马达，由于电动马达产生的磁场强度远大于地球的磁场强度，所以马达接近传感器会产生硬磁的失真。还有用到加速度传感器、陀螺仪、磁传感器、压力传感器等。

　　4、系统软件设计

　　本系统的软件设计包括ARM、遥控器及PC计

　　算机软件三部分。

　　4.1 ARM软件设计

　　ARM软件采用Linux的开发平台设计。软件包括初始化、命令接收、设备控制、数据传送、参数设置等模块。命令接收模块接受磁场强度、遥控器或PC计算机发送的启动、自动、上升、下降、加速、护航、急停等操作命令;设备控制模块按接受到的命令启停相应的物理装置，控制设备运行;数据传送模块完成数据的返回，如电量，加注药量等数据的传输，并把这些数据及设备运行状态信息传送给PC计算机;参数设置模块根据遥控器或PC机传送的参数计算出其它参数，并把所有参数存储到ARM的存储器中。在研究的初始阶段，由于机载处理器性能的限制，我们选择将数据发送到地面基站进行运算处理，然后传回给无人机，指导无人机的运动。由于在个过程中一般是没有人工参与，所以也能算智能控制一种，但地面处理器和智能无人机之间通信性能对这种控制方式的自主性影响较大。实现让无人机在一个未知环境中进行探索，同时完成二维环境建模，并完成了部分三维建模工作。我们将搭载在无传回地面站，用不同的算法模块(建模、定位、避障)进行数据处理，将处理好的数据结果发送给无人机。

　　4.2遥控器软件设计

　　轻触遥控器软软件设计包括农药播撒、病虫害监测、水土保持观察、作物产量评估等农业植保作业。可以通过App上的几个按钮就能完成无人机高清航拍、自动悬停、夜航功能、自动返航、实时数据显示等功能。

　　4.3 PC计算机软件设计

　　PC计算机软件采用Linux开发平台设计，试验数据的存储与管理采用My sql数据库，ARM与PC计算机之间的通讯采用自由端口模式。

　　4.3.1结构及功能描述

　　功能描述如下：

　　(1)无人机农业植保作业飞行控制系统功能：1.该控制系统有与有效机载重量相适应的执行机构功率输出零部件合理设计方案2.具有北斗(次选GPS)的精准机载定位系统及能够锁定高度、平稳悬停的控制功能3.在飞行状态下，控制系统具有利用惯性测量单元配合机载卫星定位系统测得当前飞行方向及飞行姿态数据并根据系统设计要求提供相关数据的提取与传输的功能4.飞行器发生异常时，该控制系统有应急保护技术与系统如：失控保护、断桨保护及遥控器触发自动返航等功能5.能够实时提供机载电源系统中各类电源电量量程及报警信息的电源管理系统6.设计有飞行姿态及其它控制硬件机构的减震系统7.该控制系统能在风力<8m/s(小于5级)的环境下保持良好的飞行姿态8.该控制系统设计有较大的存储空间，以便能够接收地面大量的植保作业飞行计划数据，并能够根据地面定位系统提供的定位数据实时修正预定飞行计划数据。

　　(2)飞行定位与位置修正功能：1.该飞控系统的遥控器通信部分能够兼容常见不同类型的遥控接收机2.该系统的地面端与飞行器端设计有对应的数传模块。

　　(3)无人机植保作业保障子系统功能：该系统能够在无人值守条件下完成大量飞行器用锂电池的充电工作。

　　5、结束语

　　本文介绍了无人机农业植保作业的具体功能及其实现。从系统的组成，硬件的配置，软件设计及功能设计均做出了具体研究，提供了可实现设计的具体方案。　
参考文献：

　　[1]Unmanned systems integrated roadmap FY2011-2036. Department of Defense， USA， 2011.

　　[2]Clapper J， Young J， Cartwright J， et al. Unmanned systems roadmap 2007-2032. Washington：Office of the Secretary of Defense， 2007.

　　[3]王英勋，蔡志浩.无人机的自主飞行控制. 航空制造技术， 2009(8)：26-31.

　　[4]Casbeer D W， Kingston D B， Beard R W， et al. Cooperative forest fire surveillance using a team of small unmanned air vehicles. Int J Syst Sci，2006， 37(6)：351-360.

　　[5]Girard A， Howell A， Hedrick K. Border patrol and surveillance missions using multiple unmanned air vehicles//Proc. IEEE Conf. Decision and Control， 2004：620-625.(end)