摘要：傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的植保工作依靠人力、效率低下、噴灑不均勻。植保無人機(jī)作為一種創(chuàng)新的技術(shù)，能有效改善傳統(tǒng)植保工作的缺點(diǎn)。首先，介紹植保無人機(jī)的背景，探討其相比于傳統(tǒng)植保工作的優(yōu)勢和面臨的挑戰(zhàn)，以及對提高農(nóng)作物產(chǎn)量、減少農(nóng)藥使用量和環(huán)境污染的分析。結(jié)合國內(nèi)外相關(guān)研究，展望植保無人機(jī)的前景。其次，闡述植保無人機(jī)的實(shí)現(xiàn)方式，確定無人機(jī)是以STM32F407為核心，綜述由哪些相關(guān)的單元、模塊組成并且如何配合實(shí)現(xiàn)功能。再次，設(shè)計方案中詳細(xì)介紹各個功能電路的工作原理和技術(shù)要點(diǎn)。姿態(tài)控制是植保無人機(jī)的核心技術(shù)之一，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)垂直、俯仰等運(yùn)動。通過攝像頭模塊、農(nóng)藥噴灑模塊等，實(shí)現(xiàn)對農(nóng)作物的快速識別和精確噴灑。通過測試，獲得數(shù)據(jù)后進(jìn)行理論分析證明無人機(jī)能夠高效、穩(wěn)定地實(shí)現(xiàn)噴灑功能。最后，對本文研究內(nèi)容的缺點(diǎn)做總結(jié)，找到需進(jìn)一步研究改進(jìn)之處，為農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展和環(huán)境保護(hù)作出貢獻(xiàn)。

關(guān)鍵詞：植保飛行器四旋翼姿態(tài)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植保無人機(jī)發(fā)展前景

農(nóng)業(yè)對國家的重要性體現(xiàn)在經(jīng)濟(jì)發(fā)展、糧食安全、農(nóng)村發(fā)展和環(huán)境保護(hù)等方面，是國家發(fā)展中不可或缺的重要組成部分。我國農(nóng)業(yè)的發(fā)展趨勢是朝著現(xiàn)代化、可持續(xù)化、智能化等方向發(fā)展，而植保無人機(jī)恰好符合農(nóng)業(yè)的發(fā)展趨勢，大大簡便了植保工作，提高了農(nóng)業(yè)工作的效率。

植保無人機(jī)[1-2]相比傳統(tǒng)植保工作有許多優(yōu)勢。首先，植保無人機(jī)可以減少勞動力成本而傳統(tǒng)植保工作需要大量的人工操作和勞動力。其次，傳統(tǒng)植保工作需要人工噴灑，往往會出現(xiàn)噴灑不夠均勻、農(nóng)藥浪費(fèi)等問題，而植保無人機(jī)的噴灑系統(tǒng)能夠做到噴灑均勻覆蓋，減少了農(nóng)藥使用量并且降低了環(huán)境污染。最后，無人機(jī)可以在較短的時間內(nèi)快速飛行，覆蓋更大的農(nóng)田面積，節(jié)省了工作時間提高了工作效率。同時，植保無人機(jī)也面臨著許多挑戰(zhàn)。在國內(nèi)外相關(guān)研究中，植保無人機(jī)已經(jīng)取得了一些令人矚目的成果。國內(nèi)外許多農(nóng)業(yè)企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)已經(jīng)開始應(yīng)用植保無人機(jī)進(jìn)行實(shí)際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，取得了顯著的效果。

綜上所述，植保無人機(jī)作為一種新興的農(nóng)業(yè)技術(shù)，具有提高農(nóng)作物產(chǎn)量、減少農(nóng)藥使用量和環(huán)境污染的潛力。盡管面臨一些挑戰(zhàn)，但通過進(jìn)一步的研究和改進(jìn)，植保無人機(jī)有望在農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化和環(huán)境保護(hù)方面發(fā)揮更大的作用。未來，植保無人機(jī)將在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用和推廣。

2能模塊設(shè)計

2.1電源模塊

電源模塊為整機(jī)供電[3]。首設(shè)計電路產(chǎn)生5V電壓。TI公司的TPS54xx[4]，這一系列的芯片轉(zhuǎn)換效率高，輸入電壓范圍寬，輸出電流大，工作頻率高，而且能夠減小外圍器件的尺寸和成本。同時，它還集成了多種保護(hù)功能，如過溫保護(hù)、過載保護(hù)和短路保護(hù)等，來保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定的運(yùn)行。TPS5430這種芯片是這個系列典型的代表，它是一種DC-DC降壓轉(zhuǎn)換芯片，可以把輸入電壓從12V降到5V，而且具有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。這種芯片采用了先進(jìn)的降壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和可調(diào)節(jié)的反饋電路，從而能夠在寬輸入電壓范圍內(nèi)工作，一般為5.5～36V。該芯片采用小尺寸封裝，功耗較低，但是效率高，適用于各種電源應(yīng)用，如工業(yè)自動化、通信設(shè)備、消費(fèi)電子den。芯片的最小輸入電壓是5.5V，最大輸入電壓是36V。最低輸出電壓是1.2V，能夠提供穩(wěn)定的5V輸出，同時正常輸出電流為3A?？傊?，TPS5430是一種既可靠、又高效的，能夠?qū)崿F(xiàn)12V轉(zhuǎn)5V降壓芯片，適用于多種應(yīng)用場景，并且能提供穩(wěn)定的電源輸出。故選用此芯片，電源電路設(shè)計如圖1所示。

降壓電路由一個電阻和一個穩(wěn)壓管串聯(lián)而成，當(dāng)穩(wěn)壓管上分壓為3.3V時，與穩(wěn)壓管并聯(lián)的負(fù)端電即為3.3V。

2.2電機(jī)模塊

本項目主要是對無人機(jī)進(jìn)行控制，對電機(jī)[5]有極高的控制精度要求，普通的直流電機(jī)達(dá)不到實(shí)際要求，需要使用無刷電機(jī)，而本項目使用的是大疆DJI2212920KV同款航模無刷自鎖馬達(dá)電機(jī)。

2.2.1電機(jī)的轉(zhuǎn)向的控制

無刷電機(jī)與傳統(tǒng)的電機(jī)結(jié)構(gòu)上有較大的差別，而主要是換向器的結(jié)構(gòu)不同。無刷電機(jī)需要通過無刷控制器也就是電調(diào)的控制才能實(shí)現(xiàn)連續(xù)不斷的運(yùn)轉(zhuǎn)。其實(shí)際的控制方式是使用霍爾元件不斷檢測磁場從而反應(yīng)出轉(zhuǎn)子的位置，再將信息傳輸至主控芯片，如單片機(jī)STM32F407[6]等。然后，根據(jù)預(yù)先的編碼程序進(jìn)行運(yùn)算處理，改變實(shí)際的單元結(jié)構(gòu)電機(jī)驅(qū)動板上的開關(guān)管的通斷狀態(tài)，進(jìn)而給電機(jī)的線圈提供不同方向的電流，從而促使轉(zhuǎn)子帶動螺旋槳的轉(zhuǎn)動，可以實(shí)現(xiàn)對飛行器各個飛行方向的控制。

2.2.2電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制

對電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制主要依靠于對電機(jī)驅(qū)動板的控制，通常使用PWM脈寬調(diào)制技術(shù)。其核心點(diǎn)在于對加在電機(jī)上電壓大小進(jìn)行控制，進(jìn)而使用改變電樞電壓的方式來改變轉(zhuǎn)速。線圈兩端的電壓越大，通過線圈的電流越大，生成磁場越強(qiáng)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動得就越快。

綜上，在實(shí)驗(yàn)中對電機(jī)的控制需要把握住幾個關(guān)鍵點(diǎn)。

（1）對線圈電流繞組中電流方向的檢測與控制，因?yàn)樗姆较驔Q定著電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向。

（2）霍爾元件的控制與信號檢測的靈敏度，因?yàn)樗鼪Q定電流換向問題。

（3）SPM波信號的輸出性質(zhì)，因?yàn)樗刂齐姍C(jī)的轉(zhuǎn)速。

2.3噴灑模塊

噴灑部分則是植保無人機(jī)的核心組成部分之一。植保無人機(jī)的噴灑部分用于控制農(nóng)藥、肥料以及其他液體的噴灑，提高農(nóng)作物的產(chǎn)量和質(zhì)量。

噴灑部分主要包含以下組件如圖2所示。

（1）噴嘴：位于整個噴灑部分的末端，用于將液體噴灑至目標(biāo)植物上。噴嘴的選型影響著噴灑均勻性[7]和覆蓋范圍。

（2）噴灑泵：是液體傳輸通道，用于抽取容器中的液體送至噴嘴進(jìn)行噴灑，噴灑泵的性能直接影響到噴灑效果和噴灑速度。

（3）電機(jī)和傳動系統(tǒng)：驅(qū)動噴灑泵以及控制噴嘴的開關(guān)。

（4）控制器：使用SMT32F407主控芯片控制噴灑部分的操作，使用OpenMV攝像頭模塊識別目標(biāo)并傳輸數(shù)據(jù)至主控芯片。

（5）儲液器：存儲無人機(jī)所需噴灑的液體。

噴灑部分控制的大體步驟如下。

（1）初始化GPIO口并根據(jù)需求設(shè)置噴灑量和噴灑時間。通過設(shè)置PWM信號的周期和占空比控制噴灑量，定時器定時控制噴灑時間。

（2）通過攝像頭模塊與主控芯片串口通信[8]，根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)判斷是否開啟噴灑泵電源以及噴嘴的控制器。

（3）根據(jù)噴灑時間或其他條件關(guān)閉噴灑泵的電源以及噴嘴。

（4）噴灑完畢，繼續(xù)判斷并執(zhí)行下一次噴灑操作。

2.4攝像頭模塊

為實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程噴灑農(nóng)藥，需要無人機(jī)具備自動識別、實(shí)時處理功能，添加攝像頭模塊能夠幫助無人機(jī)高效實(shí)現(xiàn)該功能。攝像頭模塊依靠圖像傳感器、圖像處理器等其他電子元件能夠?qū)崿F(xiàn)捕捉、處理和傳輸圖像信號。本次采用以STM32H743為核心的OpenMV[9]，它是有圖像處理功能的可編程單片機(jī)攝像頭，具有小巧、低功耗、低成本等特點(diǎn)。所有輸入、輸出引腳輸出3.3V，可耐受5V電壓。攝像頭芯片采用OV7725，高效實(shí)現(xiàn)機(jī)器視覺應(yīng)用[10]?；贠penMV的攝像頭模塊幫助無人機(jī)實(shí)現(xiàn)顏色識別、數(shù)字識別功能。攝像頭用于拍攝實(shí)時圖像，內(nèi)部H7系列的32單片機(jī)用于處理圖像信息與機(jī)器識別。通過計算機(jī)Python編程，設(shè)置攝像頭顏色識別、數(shù)字識別功能的參數(shù)，利用邊緣檢測[11]等相關(guān)算法實(shí)現(xiàn)功能。無人機(jī)識別到顏色、數(shù)字等信息后，通過串口通信將數(shù)據(jù)發(fā)送給主控模塊進(jìn)而控制藥物的噴灑。

3飛行器姿態(tài)控制

飛行器的姿態(tài)控制[12]，通過改變電機(jī)轉(zhuǎn)速帶動螺旋槳產(chǎn)生的升力來實(shí)現(xiàn)。四旋翼無人機(jī)是十字結(jié)構(gòu)的，由四個電機(jī)分布在其末端，對角兩兩一組分為正槳和反槳兩組，同一組螺旋槳旋轉(zhuǎn)方向相同。通常攝像頭所在位置為無人機(jī)機(jī)頭，規(guī)定其右側(cè)電機(jī)為1號，按照順時針順序規(guī)定其他電機(jī)編號，依次是2號、3號和4號電機(jī)。正槳由2號和4號電機(jī)構(gòu)成，為逆時針轉(zhuǎn)動；反槳由1號和3號電機(jī)構(gòu)成，為順時針轉(zhuǎn)動。因?yàn)檎龢头礃獌山M電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向相反，力矩相互抵消，故無人機(jī)不存在自旋現(xiàn)象。

3.1垂直運(yùn)動

為使力矩之和為零保證無人機(jī)不自旋，且只在垂直方向運(yùn)動，需要同時并同量地改變四個螺旋槳轉(zhuǎn)速。當(dāng)同時同量地增大螺旋槳轉(zhuǎn)速時，此時螺旋槳產(chǎn)生的升力不斷增大，若升力大于無人機(jī)自身重力時，將在垂直方向上向上運(yùn)動；同理同時同量地減小4個螺旋槳轉(zhuǎn)速，產(chǎn)生的升力將減小。升力等于重力時，無人機(jī)在垂直方向上維持當(dāng)前飛行狀態(tài)。

3.2俯仰運(yùn)動

當(dāng)同時同量地減小機(jī)頭兩側(cè)的電機(jī)轉(zhuǎn)速，增大另外兩個電機(jī)轉(zhuǎn)速。即1號、4號電機(jī)減速，2號、3號電機(jī)提速，2號、3號電機(jī)產(chǎn)生的升力大于另外兩個電機(jī)，無人機(jī)因受力不均勻存在向前的分量，從而實(shí)現(xiàn)無人機(jī)水平向前的運(yùn)動。同理，仍然同時同量改變轉(zhuǎn)速，1號、4號電機(jī)提速，2號、3號電機(jī)減速，1號、4號電機(jī)產(chǎn)生的升力更大，產(chǎn)生向后的分量，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)水平向后飛行。

3.3偏航運(yùn)動

想要實(shí)現(xiàn)無人機(jī)的偏航運(yùn)動可以通過改變電機(jī)轉(zhuǎn)速，通過差速控制來實(shí)現(xiàn)無人機(jī)的偏航運(yùn)動。差速控制也是常見的控制偏航運(yùn)動的方法，通過調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到偏航運(yùn)動的控制。無人機(jī)對角線的電機(jī)轉(zhuǎn)速方向一致。逆時針轉(zhuǎn)動的螺旋槳控制無人機(jī)順時針偏航，順時針轉(zhuǎn)動的螺旋槳控制無人機(jī)逆時針偏航。例如：想要達(dá)到無人機(jī)順時針偏航的目的，可以通過增大兩個逆時針螺旋槳電機(jī)的轉(zhuǎn)速，或者是減小兩個順時針螺旋槳電機(jī)的轉(zhuǎn)速。從而達(dá)到偏航的目的。

3.4翻滾運(yùn)動

無人機(jī)的翻滾運(yùn)動需要調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)。在翻滾運(yùn)動之前，要有良好的無人機(jī)姿態(tài)，當(dāng)達(dá)到可以翻滾的條件時，就可以調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速。如果需要向左反轉(zhuǎn)，增加軸右側(cè)兩個電機(jī)的轉(zhuǎn)速，減小軸左側(cè)兩個電機(jī)的轉(zhuǎn)速，就可以實(shí)現(xiàn)左翻轉(zhuǎn)，右反轉(zhuǎn)反之。

4結(jié)論

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)是社會發(fā)展的基石，不斷對其生產(chǎn)方式做出革新以求提高其產(chǎn)量為新時代的發(fā)展擔(dān)負(fù)起應(yīng)盡的責(zé)任。

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的化學(xué)化和機(jī)械化是當(dāng)前的農(nóng)業(yè)發(fā)展的一大路徑，使用各種方式將其統(tǒng)一結(jié)合起來以追求提高生產(chǎn)力，而植保飛行器便是基于這一目的而研發(fā)使用的現(xiàn)代化工具。由于其本身應(yīng)用原理的復(fù)雜性導(dǎo)致實(shí)現(xiàn)其工作方式需要更多的技術(shù)支持，難度較大，但是應(yīng)用前景較大。

本項目主要完成后相關(guān)總結(jié)。

（1）自身的技術(shù)發(fā)展。在參考相關(guān)文獻(xiàn)，實(shí)際的應(yīng)用手冊對飛行器進(jìn)行了學(xué)習(xí)與實(shí)驗(yàn)，使其簡單具備平穩(wěn)飛行能力、一定的定位功能以及遙感檢測等，從而實(shí)現(xiàn)智能化噴灑和檢測即最后的精準(zhǔn)停機(jī)。

（2）自身存在有一定的優(yōu)點(diǎn)與不足。該飛行器有著噴灑便利，適合于大面積的種植地實(shí)現(xiàn)高效率的工作，在這種環(huán)境下成本較低；但是也有著天然的缺點(diǎn)，由于其對飛行姿態(tài)控制要求較高，一些普通的電機(jī)無法實(shí)現(xiàn)功能。所以選用三相交流電機(jī)實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的多狀態(tài)控制，這也導(dǎo)致運(yùn)載能力，飛行高度，續(xù)航能力受限制，這些也都是該飛行器未來的發(fā)展方向，需要不斷的技術(shù)創(chuàng)新和改進(jìn)來一步步解決難題。

（3）應(yīng)用場景。該機(jī)器主要應(yīng)用于大面積的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)作物如水稻、小麥、玉米等等作物的噴灑作業(yè)與病蟲妨害等，加上在緊急情況下用于森林防火、大面積區(qū)域的檢測工作。

（4）本小組使用現(xiàn)行通用的STM32F407核心板作為主控芯片，運(yùn)行頻率高，外設(shè)功能強(qiáng)大，擁有更高的性能來完成各種應(yīng)用場景，以其較為強(qiáng)大的數(shù)據(jù)運(yùn)算能力盡可能減少外圍設(shè)備的負(fù)擔(dān)，以求降低自身的重量同時加大負(fù)荷量，使其有更為廣闊的應(yīng)用場景。同時將小巧的無人機(jī)和植物保護(hù)相結(jié)，利用無人機(jī)靈活方便，易于控制的特點(diǎn)，在精準(zhǔn)地實(shí)現(xiàn)植物保護(hù)的同時節(jié)約成本。

參考文獻(xiàn)

[1]婁尚易，薛新宇，顧偉等.農(nóng)用植保無人機(jī)的研究現(xiàn)狀及趨勢[J].農(nóng)機(jī)化研究，2017，39（12）：1-6，31.

[2]張磊.四旋翼植保無人機(jī)的研究與設(shè)計[D].武漢科技大學(xué)，2019.

[3]周興達(dá)，蔣永恒，王帥，等.基于FPGA的無人機(jī)BLDC電調(diào)模塊設(shè)計與實(shí)現(xiàn)[J].電子設(shè)計工程，2019，27（3）：169-172，177.

[4]秦洋陽，林孫如.用TPS54xx設(shè)計DC/DC轉(zhuǎn)換電路[J].現(xiàn)代商貿(mào)工業(yè)，2009，21（8）：285-286.

[5]曹云飛，車彥企，鄒夢麗.便捷式小型智能運(yùn)輸機(jī)器人的設(shè)計[J].產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新研究，2022（12）：96-98.

[6]楊益寬，王俊偉，孫鈺樟.基于OpenMV視覺技術(shù)對物體識別與跟蹤的實(shí)驗(yàn)研究[J].化工自動化及儀表，2023，50（4）：569-572.

[7]韓文霆，吳普特，楊青，等.噴灌水量分布均勻性評價指標(biāo)比較及研究進(jìn)展[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2005（9）：172-177.

[8]勾慧蘭，劉光超.基于STM32的最小系統(tǒng)及串口通信的實(shí)現(xiàn)[J].工業(yè)控制計算機(jī)，2012，25（9）：26-28.

[9]楊益寬，王俊偉，孫鈺樟.基于OpenMV視覺技術(shù)對物體識別與跟蹤的實(shí)驗(yàn)研究[J].化工自動化及儀表，2023，50（4）：569-572.

[10]朱亞軍，陳砆興.基于機(jī)器視覺的目標(biāo)識別方法的研究進(jìn)展[J].科技資訊，2023，21（21）：21-24.

[11]劉立昂，葛海波，魏秋月，等.基于邊緣計算的實(shí)時目標(biāo)檢測算法[J].傳感器與微系統(tǒng)，2023，42（12）：115-118.

[12]李統(tǒng)帥，陳龍勝，彭云，等.四旋翼飛行器魯棒自適應(yīng)抗干擾姿態(tài)控制[J/OL].航空工程進(jìn)展1-10[2023-12-08].http：//kns.cnki.net/kcms/detail/61.1479.V.20231201.1727.002.html.