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基于ARM9的無人機農(nóng)業(yè)植保作業(yè)系統(tǒng)
摘要：介紹了一個以ARM9為控制核心，遙控器或PC計算機為交互設(shè)備的無人機農(nóng)業(yè)值保系統(tǒng)的主要設(shè)計思想。著重對系統(tǒng)的組成、硬件配置、軟件設(shè)計及主要功能進行了詳細的描述，并給出了ARM9控制程序的流程圖，文章還對系統(tǒng)的通信程序設(shè)計做了簡要闡述。
關(guān)鍵詞：無人機;ARM9;測控系統(tǒng);遙控器;數(shù)據(jù)采集
1、概述
主要應(yīng)用多旋翼智能無人進行液體物質(zhì)的自動添加，加滿后自動停止加注。能夠自動巡航，在飛行狀態(tài)下，該控制系統(tǒng)應(yīng)具有利用慣性測量單元配合機載衛(wèi)星定位系統(tǒng)測得當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、ARM9及遙控器對無人機進行控制，實現(xiàn)試驗數(shù)據(jù)的自動采集、分析及處理。
2、系統(tǒng)組成
該系統(tǒng)由無人機、ARM9、遙控器、計算機以及相應(yīng)的軟件系統(tǒng)組成。系統(tǒng)組成情況見圖1所示。其中，智能無人機和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算機，也可兩者都選。
2.1多旋翼無人機
該機是垂直起降、自主導(dǎo)航的無人飛行器系統(tǒng)，具備人工遙控、定點懸停、航線飛行等多種飛行模式，統(tǒng)集成了三軸加速度計、三軸陀螺儀、磁力計、氣壓高度計等多種高精度傳感器和先進的控制算法設(shè)計，操控因而變得非常簡單，對于毫無遙控飛行經(jīng)驗，也能夠在很短的時間內(nèi)學(xué)會它的操控飛行。在這款旋翼機上還加裝了無線數(shù)字圖傳，可以實時的將監(jiān)視到的圖像信息，傳到地面控制中心。
2.2 ARM9
智能無人機是一個比較復(fù)雜的集成系統(tǒng)，需要飛行器的設(shè)計、空間定位、路徑規(guī)劃、飛行控制、圖像識別等各方面技術(shù)的支持。為了能夠充分利用這些技術(shù)，我們通過ARM9將各個功能模塊化，通過合理的架構(gòu)設(shè)計將其整合，達到智能控制的目的。
2.3遙控器
用于向ARM9發(fā)送控制命令，接受ARM發(fā)送的試驗數(shù)據(jù);完成各種試驗參數(shù)的設(shè)置。
2.4計算機
用于向ARM發(fā)送控制命令，接受、顯示并存儲ARM發(fā)送的各種數(shù)據(jù);完成各種試驗參數(shù)的設(shè)置;對試驗數(shù)據(jù)進行評估;在聯(lián)網(wǎng)運行時接受上位計算機的試驗指令，并將其返回的數(shù)據(jù)傳送給上位計算機。
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)計算機：PC兼容機或品牌計算機，CPU 1.0GHz以上，128M以上內(nèi)存，30G以上硬盤，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，擴展多媒體指令集結(jié)構(gòu)。
(3)遙控器：進行無人機升降，護航等控制。
(4)傳感器：磁傳感器：最主要的就是要遠離電動馬達，由于電動馬達產(chǎn)生的磁場強度遠大于地球的磁場強度，所以馬達接近傳感器會產(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
本系統(tǒng)的軟件設(shè)計包括ARM、遙控器及PC計
算機軟件三部分。
4.1 ARM軟件設(shè)計
ARM軟件采用Linux的開發(fā)平臺設(shè)計。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強度、遙控器或PC計算機發(fā)送的啟動、自動、上升、下降、加速、護航、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)備運行狀態(tài)信息傳送給PC計算機;參數(shù)設(shè)置模塊根據(jù)遙控器或PC機傳送的參數(shù)計算出其它參數(shù)，并把所有參數(shù)存儲到ARM的存儲器中。在研究的初始階段，由于機載處理器性能的限制，我們選擇將數(shù)據(jù)發(fā)送到地面基站進行運算處理，然后傳回給無人機，指導(dǎo)無人機的運動。由于在個過程中一般是沒有人工參與，所以也能算智能控制一種，但地面處理器和智能無人機之間通信性能對這種控制方式的自主性影響較大。實現(xiàn)讓無人機在一個未知環(huán)境中進行探索，同時完成二維環(huán)境建模，并完成了部分三維建模工作。我們將搭載在無傳回地面站，用不同的算法模塊(建模、定位、避障)進行數(shù)據(jù)處理，將處理好的數(shù)據(jù)結(jié)果發(fā)送給無人機。
4.2遙控器軟件設(shè)計
輕觸遙控器軟軟件設(shè)計包括農(nóng)藥播撒、病蟲害監(jiān)測、水土保持觀察、作物產(chǎn)量評估等農(nóng)業(yè)植保作業(yè)�？梢酝ㄟ^App上的幾個按鈕就能完成無人機高清航拍、自動懸停、夜航功能、自動返航、實時數(shù)據(jù)顯示等功能。
4.3 PC計算機軟件設(shè)計
PC計算機軟件采用Linux開發(fā)平臺設(shè)計，試驗數(shù)據(jù)的存儲與管理采用My sql數(shù)據(jù)庫，ARM與PC計算機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)無人機農(nóng)業(yè)植保作業(yè)飛行控制系統(tǒng)功能：1.該控制系統(tǒng)有與有效機載重量相適應(yīng)的執(zhí)行機構(gòu)功率輸出零部件合理設(shè)計方案2.具有北斗(次選GPS)的精準機載定位系統(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)具有利用慣性測量單元配合機載衛(wèi)星定位系統(tǒng)測得當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，該控制系統(tǒng)有應(yīng)急保護技術(shù)與系統(tǒng)如：失控保護、斷槳保護及遙控器觸發(fā)自動返航等功能5.能夠?qū)崟r提供機載電源系統(tǒng)中各類電源電量量程及報警信息的電源管理系統(tǒng)6.設(shè)計有飛行姿態(tài)及其它控制硬件機構(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)的環(huán)境下保持良好的飛行姿態(tài)8.該控制系統(tǒng)設(shè)計有較大的存儲空間，以便能夠接收地面大量的植保作業(yè)飛行計劃數(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)實時修正預(yù)定飛行計劃數(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不同類型的遙控接收機2.該系統(tǒng)的地面端與飛行器端設(shè)計有對應(yīng)的數(shù)傳模塊。
(3)無人機植保作業(yè)保障子系統(tǒng)功能：該系統(tǒng)能夠在無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
本文介紹了無人機農(nóng)業(yè)植保作業(yè)的具體功能及其實現(xiàn)。從系統(tǒng)的組成，硬件的配置，軟件設(shè)計及功能設(shè)計均做出了具體研究，提供了可實現(xiàn)設(shè)計的具體方案。
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