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基于ARM9的無(wú)人機(jī)農(nóng)業(yè)植保作業(yè)系統(tǒng)
摘要：介紹了一個(gè)以ARM9為控制核心，遙控器或PC計(jì)算機(jī)為交互設(shè)備的無(wú)人機(jī)農(nóng)業(yè)值保系統(tǒng)的主要設(shè)計(jì)思想。著重對(duì)系統(tǒng)的組成、硬件配置、軟件設(shè)計(jì)及主要功能進(jìn)行了詳細(xì)的描述，并給出了ARM9控制程序的流程圖，文章還對(duì)系統(tǒng)的通信程序設(shè)計(jì)做了簡(jiǎn)要闡述。
關(guān)鍵詞：無(wú)人機(jī);ARM9;測(cè)控系統(tǒng);遙控器;數(shù)據(jù)采集
1、概述
主要應(yīng)用多旋翼智能無(wú)人進(jìn)行液體物質(zhì)的自動(dòng)添加，加滿后自動(dòng)停止加注。能夠自動(dòng)巡航，在飛行狀態(tài)下，該控制系統(tǒng)應(yīng)具有利用慣性測(cè)量單元配合機(jī)載衛(wèi)星定位系統(tǒng)測(cè)得當(dāng)前飛行方向及飛行姿態(tài)數(shù)據(jù)并根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求提供相關(guān)數(shù)據(jù)的提取與傳輸?shù)墓δ�。該系統(tǒng)采用PC機(jī)、ARM9及遙控器對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集、分析及處理。
2、系統(tǒng)組成
該系統(tǒng)由無(wú)人機(jī)、ARM9、遙控器、計(jì)算機(jī)以及相應(yīng)的軟件系統(tǒng)組成。系統(tǒng)組成情況見(jiàn)圖1所示。其中，智能無(wú)人機(jī)和ARM9為系統(tǒng)基本配置，其余為可選部分，用戶可根據(jù)需求選擇遙控器或計(jì)算機(jī)，也可兩者都選。
2.1多旋翼無(wú)人機(jī)
該機(jī)是垂直起降、自主導(dǎo)航的無(wú)人飛行器系統(tǒng)，具備人工遙控、定點(diǎn)懸停、航線飛行等多種飛行模式，統(tǒng)集成了三軸加速度計(jì)、三軸陀螺儀、磁力計(jì)、氣壓高度計(jì)等多種高精度傳感器和先進(jìn)的控制算法設(shè)計(jì)，操控因而變得非常簡(jiǎn)單，對(duì)于毫無(wú)遙控飛行經(jīng)驗(yàn)，也能夠在很短的時(shí)間內(nèi)學(xué)會(huì)它的操控飛行。在這款旋翼機(jī)上還加裝了無(wú)線數(shù)字圖傳，可以實(shí)時(shí)的將監(jiān)視到的圖像信息，傳到地面控制中心。
2.2 ARM9
智能無(wú)人機(jī)是一個(gè)比較復(fù)雜的集成系統(tǒng)，需要飛行器的設(shè)計(jì)、空間定位、路徑規(guī)劃、飛行控制、圖像識(shí)別等各方面技術(shù)的支持。為了能夠充分利用這些技術(shù)，我們通過(guò)ARM9將各個(gè)功能模塊化，通過(guò)合理的架構(gòu)設(shè)計(jì)將其整合，達(dá)到智能控制的目的。
2.3遙控器
用于向ARM9發(fā)送控制命令，接受ARM發(fā)送的試驗(yàn)數(shù)據(jù);完成各種試驗(yàn)參數(shù)的設(shè)置。
2.4計(jì)算機(jī)
用于向ARM發(fā)送控制命令，接受、顯示并存儲(chǔ)ARM發(fā)送的各種數(shù)據(jù);完成各種試驗(yàn)參數(shù)的設(shè)置;對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)估;在聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行時(shí)接受上位計(jì)算機(jī)的試驗(yàn)指令，并將其返回的數(shù)據(jù)傳送給上位計(jì)算機(jī)。
3、系統(tǒng)硬件配置
根據(jù)系統(tǒng)的組成情況及功能要求，硬件配置選擇如下：
(1)計(jì)算機(jī)：PC兼容機(jī)或品牌計(jì)算機(jī)，CPU 1.0GHz以上，128M以上內(nèi)存，30G以上硬盤(pán)，52倍光驅(qū)，17H-RS232C串口。
(2)ARM9：最高頻率200MHz;16KB指令高速緩存，8KB數(shù)據(jù)高速緩存，硬件JAVA加速，擴(kuò)展多媒體指令集結(jié)構(gòu)。
(3)遙控器：進(jìn)行無(wú)人機(jī)升降，護(hù)航等控制。
(4)傳感器：磁傳感器：最主要的就是要遠(yuǎn)離電動(dòng)馬達(dá)，由于電動(dòng)馬達(dá)產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度遠(yuǎn)大于地球的磁場(chǎng)強(qiáng)度，所以馬達(dá)接近傳感器會(huì)產(chǎn)生硬磁的失真。還有用到加速度傳感器、陀螺儀、磁傳感器、壓力傳感器等。
4、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包括ARM、遙控器及PC計(jì)
算機(jī)軟件三部分。
4.1 ARM軟件設(shè)計(jì)
ARM軟件采用Linux的開(kāi)發(fā)平臺(tái)設(shè)計(jì)。軟件包括初始化、命令接收、設(shè)備控制、數(shù)據(jù)傳送、參數(shù)設(shè)置等模塊。命令接收模塊接受磁場(chǎng)強(qiáng)度、遙控器或PC計(jì)算機(jī)發(fā)送的啟動(dòng)、自動(dòng)、上升、下降、加速、護(hù)航、急停等操作命令;設(shè)備控制模塊按接受到的命令啟停相應(yīng)的物理裝置，控制設(shè)備運(yùn)行;數(shù)據(jù)傳送模塊完成數(shù)據(jù)的返回，如電量，加注藥量等數(shù)據(jù)的傳輸，并把這些數(shù)據(jù)及設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息傳送給PC計(jì)算機(jī);參數(shù)設(shè)置模塊根據(jù)遙控器或PC機(jī)傳送的參數(shù)計(jì)算出其它參數(shù)，并把所有參數(shù)存儲(chǔ)到ARM的存儲(chǔ)器中。在研究的初始階段，由于機(jī)載處理器性能的限制，我們選擇將數(shù)據(jù)發(fā)送到地面基站進(jìn)行運(yùn)算處理，然后傳回給無(wú)人機(jī)，指導(dǎo)無(wú)人機(jī)的運(yùn)動(dòng)。由于在個(gè)過(guò)程中一般是沒(méi)有人工參與，所以也能算智能控制一種，但地面處理器和智能無(wú)人機(jī)之間通信性能對(duì)這種控制方式的自主性影響較大。實(shí)現(xiàn)讓無(wú)人機(jī)在一個(gè)未知環(huán)境中進(jìn)行探索，同時(shí)完成二維環(huán)境建模，并完成了部分三維建模工作。我們將搭載在無(wú)傳回地面站，用不同的算法模塊(建模、定位、避障)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，將處理好的數(shù)據(jù)結(jié)果發(fā)送給無(wú)人機(jī)。
4.2遙控器軟件設(shè)計(jì)
輕觸遙控器軟軟件設(shè)計(jì)包括農(nóng)藥播撒、病蟲(chóng)害監(jiān)測(cè)、水土保持觀察、作物產(chǎn)量評(píng)估等農(nóng)業(yè)植保作業(yè)�？梢酝ㄟ^(guò)App上的幾個(gè)按鈕就能完成無(wú)人機(jī)高清航拍、自動(dòng)懸停、夜航功能、自動(dòng)返航、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示等功能。
4.3 PC計(jì)算機(jī)軟件設(shè)計(jì)
PC計(jì)算機(jī)軟件采用Linux開(kāi)發(fā)平臺(tái)設(shè)計(jì)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與管理采用My sql數(shù)據(jù)庫(kù)，ARM與PC計(jì)算機(jī)之間的通訊采用自由端口模式。
4.3.1結(jié)構(gòu)及功能描述
功能描述如下：
(1)無(wú)人機(jī)農(nóng)業(yè)植保作業(yè)飛行控制系統(tǒng)功能：1.該控制系統(tǒng)有與有效機(jī)載重量相適應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)功率輸出零部件合理設(shè)計(jì)方案2.具有北斗(次選GPS)的精準(zhǔn)機(jī)載定位系統(tǒng)及能夠鎖定高度、平穩(wěn)懸停的控制功能3.在飛行狀態(tài)下，控制系統(tǒng)具有利用慣性測(cè)量單元配合機(jī)載衛(wèi)星定位系統(tǒng)測(cè)得當(dāng)前飛行方向及飛行姿態(tài)數(shù)據(jù)并根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求提供相關(guān)數(shù)據(jù)的提取與傳輸?shù)墓δ?.飛行器發(fā)生異常時(shí)，該控制系統(tǒng)有應(yīng)急保護(hù)技術(shù)與系統(tǒng)如：失控保護(hù)、斷槳保護(hù)及遙控器觸發(fā)自動(dòng)返航等功能5.能夠?qū)崟r(shí)提供機(jī)載電源系統(tǒng)中各類電源電量量程及報(bào)警信息的電源管理系統(tǒng)6.設(shè)計(jì)有飛行姿態(tài)及其它控制硬件機(jī)構(gòu)的減震系統(tǒng)7.該控制系統(tǒng)能在風(fēng)力<8m/s(小于5級(jí))的環(huán)境下保持良好的飛行姿態(tài)8.該控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)有較大的存儲(chǔ)空間，以便能夠接收地面大量的植保作業(yè)飛行計(jì)劃數(shù)據(jù)，并能夠根據(jù)地面定位系統(tǒng)提供的定位數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)修正預(yù)定飛行計(jì)劃數(shù)據(jù)。
(2)飛行定位與位置修正功能：1.該飛控系統(tǒng)的遙控器通信部分能夠兼容常見(jiàn)不同類型的遙控接收機(jī)2.該系統(tǒng)的地面端與飛行器端設(shè)計(jì)有對(duì)應(yīng)的數(shù)傳模塊。
(3)無(wú)人機(jī)植保作業(yè)保障子系統(tǒng)功能：該系統(tǒng)能夠在無(wú)人值守條件下完成大量飛行器用鋰電池的充電工作。
5、結(jié)束語(yǔ)
本文介紹了無(wú)人機(jī)農(nóng)業(yè)植保作業(yè)的具體功能及其實(shí)現(xiàn)。從系統(tǒng)的組成，硬件的配置，軟件設(shè)計(jì)及功能設(shè)計(jì)均做出了具體研究，提供了可實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的具體方案。
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