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摘 要：作为一个农业大国农用机械化使用程度是国家农业生产力的重要标志，随着劳动力成本的增加及科学技术的发展，农用无人机越来越受到世界各国各界的广发关注。本文首先分析了农用无人机的发展和优势，在此基础上设计了一种农用喷洒无人直升机飞控系统。同时采取了模块化设计思路，便于调试和测试，采用了導航级和控制级两级PID控制方式。飞控系统硬件由主控芯片、惯性测量模块、JZ863无线数传模块、MicroMagIC模块、数模转换模块、GPS导航模块、PWM监测模块、MPXV7002DP压力计模块、数据采集模块、电源模块等组成。本设计以油动无人直升机为平台，应用开源地面站进行调试，最终实现无人直升机自动增稳、喷洒模式、速度控制模式、自动悬停和一键紧急悬停等功能。
关键词：农用无人机；飞控系统；喷洒模式；自动悬停
中图分类号：V211.52 文献标识码：A DOI：10.11974/nyyjs.20150932014
1 农用无人机简介及其优点
农用无人机由三部分组成：飞行平台、任务系统（拍摄系统、喷洒系统）、飞控系统。通过地面遥控或GPS 控制来完成任务，可以检测作物生长和病虫害的情况、喷洒药剂、种子和粉剂。农用无人机分为固定翼无人机、单轴无人机和多轴无人机。按动力分，分为电动和油动无人机； 电动机稳定性高，易于操控且节能环保，油动机动力强劲，载荷大、航时长。
随着科技的发展农业技术发展十分迅速，近年来高科技产品逐渐替代人工生产。农用无人直升机是小型无人直升机范畴中的一种，被应用于农药喷洒、灌溉作业、森林灭火、电力寻线、水质监测等方面[1]。给农业生产带来了很多方便，具体优势如下。
1.1 高效安全
无人直升机喷洒飞行速度易于控制，与农作物的距离最低保持在一定的固定高度，其喷洒效率比人工高。在喷洒过程中远距离的遥控操作无人机使人接触不到农药，从而不会因为长时间接触农药造成身体中毒等危害。
1.2 数字遥控作业
农用无人直升机采用的使远距离遥控操控作业，带有飞控系统的无人机操作简单，飞行稳定，且可实现低空作业，一般无人驾驶植保飞机的作业高度为1 ～ 20 m[2]。喷洒作业时，通过无线数传与地面站连接可以在显示界面实时观察飞机的主要参数和农药的喷洒情况。
1.3 喷洒均匀，防治效果好
直升机旋翼产生的涡流可极大地改善喷洒效果，能使农药均匀覆盖在农作物茎叶的背面[3]。雾状喷洒覆盖密度高、均匀，防治效果比人工好。当无人直升机飞行高度较低时其旋翼产生向下气流使药液雾滴形成气雾流能够渗透到茎叶背面和作物根部，这是人工喷洒很难做到的，药液喷洒均匀，因次防治效果比较好，同时还可以减少农药流失造成的环境污染。
1.4 成本低
无人直升机喷洒系统采用微粒比例喷洒技术和人工相比至少可以减少10%的农药量，有效的降低成本。同时小型无人直升机无需跑道，机动性能好，适合不同面积大小的地块，每小时能喷洒6.67hm2，平均每667m2的成本仅为1～2元[4]。
总之，设计农用无人直升机飞控系统大大降低了对操控手能力的要求，机器智能化程度更进一步，农药喷洒的效率更高，促进了无人直机农药喷洒技术在农业上广泛的应用。
2 飞控系统介绍
2.1 自动控制原理
控制系统主要有2个作用，自动增稳和与导航设备交联实现自主飞行。当飞机受到干扰姿态改变时，陀螺仪、三轴加速度计以及空速计等将会测出飞机的俯仰角、航向角、倾斜角、三轴角速度和三轴的加速度等参数与标准参数比较，经过主控制器的计算后去操作舵机改变桨叶角调整飞机的姿态。无人机与GPS及惯性测量组件交联导航时，飞机受到干扰偏离了预定飞行轨迹，传感器测出的参数与GSP及预定参数比较，经处理器计算后发出指令操作舵机改变飞机姿态按照预定轨迹飞行[5]。原理如图1。
2.2 飞控硬件系统的组成和功能
2.2.1 飞控主控芯片
主控芯片选择的是Atmega1280＼2560，其就是数字信号处理运算微处理器。
2.2.2 惯性测量模块
惯性测量单元组要由三轴加速度计、垂直陀螺、双轴陀螺等组成。其主要的作用是测量俯仰角、航向角、倾斜角、三轴角速度和加速度等参数，与磁传感器、GSP交联进行数据校正准确的计算出飞机的姿态。
2.2.3 无线数传模块
无线数传模块主要实现将机载参数传输到地面站和将地面站的指令传输给处理器。实现地面站对飞机监测和控制的功能。
2.2.4 电子磁传感器（MicroMagIC）
实时测量飞机当前的磁航向，与惯性组件和GPS交联校正出准确的磁航向。
2.2.5 空压计模块（MPXV7002DP）
测试出飞机的气压高度和空速。
2.2.6 其他模块
GPS模块、电源模块、PWM监测模块、数据采集模块、电源模块、A/D转换模块等。其各关系如图2。
2.3 飞控软件实现
飞控系统软件以Arduino为开发环境，以C/C 为基础语言。系统软件总流程图如图3，共有19条语句。第一条语句if （millis（）-fast_loopTimer > 19）中的millis（）函数是在程序开始运行进入系统初始化时开始中断等待，如果等待时间超过20ms时就会执行下面全部程序，不满足条件就会一直等待。后面的程序有fast_loop（）、medium_loop（）、one_second_loop（）。除了medium_loop（ ）执行频率为10HZ外其他语句都是50HZ。
3 实验调试
调试过程主要做3件事情：遥控器输入校准；加速度校准；罗盘校准。完成以上操作后可以解锁操作、飞行模式配置以及飞行保护设置。最为重要的是PID参数设置，PID控制是自动化控制领域应用非常广的控制方式。其中P代表比例，I代表积分，D代表微分，PID是基于数学中一项重要分支。微积分学为基础的数字化自动控制方式，它以传感器采集的数据作为输入源，按预定的PID参数根据特定的计算以后输出控制[6]。根据查阅资料和反复调试实验总结出调试方法：先把D置零，加大P值，使飞机适当的开始震荡，然后增加D值，拉低P调节后的作用，使震荡放缓，最终调到不过冲为止。P越大，飞机倾斜后恢复速度越快，表现为越灵活，但过大会产生震荡；D越大，调节越平缓，表现为越平稳，但D过大会使调节时间延长，表现为反应迟钝。I的调节是建立在PD的基础上的，PD的改变都会影响I的效果，所以最终的调节步骤是先调节P确定灵敏度，接着调节D调整平稳度，最后调节确定精度。 4 地面站
地面站是应用开源的Misson Planner地面站。它具有这几种特性：使用Google Maps进行即点即得的航点输入；从下拉菜单中选择任务指令；下载任务日志然后进行分析；配置机身上的设置；用来搭建全功能硬件回路无人机模拟器的PC飞行模拟器界面；从串口终端查看输出。主界面左上方为8个主菜单按钮，飞行数据实时显示飞行姿态与数据；飞行计划是任务规划菜单；初始设置用于固件的安装与升级以及一些基本设置；配置调试包含了详尽的PID调节，参数调整等菜单；模拟是给飞控刷入特定的模拟器固件后，将作为一个模拟器在电脑上模拟飞行使用；终端是一个类似DOS环境的命令行调试窗口，功能非常强大。
5 结论与展望
中国的无人机行业发展之快速，其市场需求越来越大，无人机生产企业众多。目前无人机主要运用于航拍和保值，航拍市场已经被多轴无人机占领。然而中国是一个农业大国，发展农村经济是国家的重要战略，给无人机在农业方面的应用于推广带来了前所未有的机会。多轴无人机喷晒农药其存在很多问题，所以油动无人直升机喷洒农药将是未来的必然趋势。虽然无人直升机飞控系统已经研制从来多年，但还是没有达到理想的效果，还有待进一步的提高。希望能早日实现油动无人直升机在农业方面的广泛应用，推动农村经济的发展，使我国农业走进高科技时代。
参考文献
[1]彭延辉，徐国华.无人驾驶直升机的技术发展及其关键技术[J].飞行力学，2004，22（1）：1～5，17.
[2]关继伟.农用无人遥控飞行器优势和效益分析[J].农机使用与维修. 2014 （12）： 76-78.
[3] 梁建，薛新宇，傅錫敏等.我国航空施药技术的发展[M].2008年植保机械与施药技术国际研讨会论文集.北京：中国农业大学出版社，2008：46～50.
[4] 贾莉.水稻施肥用上无人直升机[J].致富天地，2011，（7）：68～68.
[5]张剑. 小型无人直升机悬停/小速度下的飞行控制律设计技术研究[D]. 南京航空航天大学， 2009.
[6]陶永华， 尹怡欣， 葛芦生. 新型PID控制及应用[M]. 机械工业出版社， 1988：97～99
作者简介：牟涛（1986-），男，四川省广元市人，西京学院研究生，专业方向：控制工程；蔡红专（1966-），男，西京学院，副教授。
关键词：农用无人机；飞控系统；喷洒模式；自动悬停
中图分类号：V211.52 文献标识码：A DOI：10.11974/nyyjs.20150932014
1 农用无人机简介及其优点
农用无人机由三部分组成：飞行平台、任务系统（拍摄系统、喷洒系统）、飞控系统。通过地面遥控或GPS 控制来完成任务，可以检测作物生长和病虫害的情况、喷洒药剂、种子和粉剂。农用无人机分为固定翼无人机、单轴无人机和多轴无人机。按动力分，分为电动和油动无人机； 电动机稳定性高，易于操控且节能环保，油动机动力强劲，载荷大、航时长。
随着科技的发展农业技术发展十分迅速，近年来高科技产品逐渐替代人工生产。农用无人直升机是小型无人直升机范畴中的一种，被应用于农药喷洒、灌溉作业、森林灭火、电力寻线、水质监测等方面[1]。给农业生产带来了很多方便，具体优势如下。
1.1 高效安全
无人直升机喷洒飞行速度易于控制，与农作物的距离最低保持在一定的固定高度，其喷洒效率比人工高。在喷洒过程中远距离的遥控操作无人机使人接触不到农药，从而不会因为长时间接触农药造成身体中毒等危害。
1.2 数字遥控作业
农用无人直升机采用的使远距离遥控操控作业，带有飞控系统的无人机操作简单，飞行稳定，且可实现低空作业，一般无人驾驶植保飞机的作业高度为1 ～ 20 m[2]。喷洒作业时，通过无线数传与地面站连接可以在显示界面实时观察飞机的主要参数和农药的喷洒情况。
1.3 喷洒均匀，防治效果好
直升机旋翼产生的涡流可极大地改善喷洒效果，能使农药均匀覆盖在农作物茎叶的背面[3]。雾状喷洒覆盖密度高、均匀，防治效果比人工好。当无人直升机飞行高度较低时其旋翼产生向下气流使药液雾滴形成气雾流能够渗透到茎叶背面和作物根部，这是人工喷洒很难做到的，药液喷洒均匀，因次防治效果比较好，同时还可以减少农药流失造成的环境污染。
1.4 成本低
无人直升机喷洒系统采用微粒比例喷洒技术和人工相比至少可以减少10%的农药量，有效的降低成本。同时小型无人直升机无需跑道，机动性能好，适合不同面积大小的地块，每小时能喷洒6.67hm2，平均每667m2的成本仅为1～2元[4]。
总之，设计农用无人直升机飞控系统大大降低了对操控手能力的要求，机器智能化程度更进一步，农药喷洒的效率更高，促进了无人直机农药喷洒技术在农业上广泛的应用。
2 飞控系统介绍
2.1 自动控制原理
控制系统主要有2个作用，自动增稳和与导航设备交联实现自主飞行。当飞机受到干扰姿态改变时，陀螺仪、三轴加速度计以及空速计等将会测出飞机的俯仰角、航向角、倾斜角、三轴角速度和三轴的加速度等参数与标准参数比较，经过主控制器的计算后去操作舵机改变桨叶角调整飞机的姿态。无人机与GPS及惯性测量组件交联导航时，飞机受到干扰偏离了预定飞行轨迹，传感器测出的参数与GSP及预定参数比较，经处理器计算后发出指令操作舵机改变飞机姿态按照预定轨迹飞行[5]。原理如图1。
2.2 飞控硬件系统的组成和功能
2.2.1 飞控主控芯片
主控芯片选择的是Atmega1280＼2560，其就是数字信号处理运算微处理器。
2.2.2 惯性测量模块
惯性测量单元组要由三轴加速度计、垂直陀螺、双轴陀螺等组成。其主要的作用是测量俯仰角、航向角、倾斜角、三轴角速度和加速度等参数，与磁传感器、GSP交联进行数据校正准确的计算出飞机的姿态。
2.2.3 无线数传模块
无线数传模块主要实现将机载参数传输到地面站和将地面站的指令传输给处理器。实现地面站对飞机监测和控制的功能。
2.2.4 电子磁传感器（MicroMagIC）
实时测量飞机当前的磁航向，与惯性组件和GPS交联校正出准确的磁航向。
2.2.5 空压计模块（MPXV7002DP）
测试出飞机的气压高度和空速。
2.2.6 其他模块
GPS模块、电源模块、PWM监测模块、数据采集模块、电源模块、A/D转换模块等。其各关系如图2。
2.3 飞控软件实现
飞控系统软件以Arduino为开发环境，以C/C 为基础语言。系统软件总流程图如图3，共有19条语句。第一条语句if （millis（）-fast_loopTimer > 19）中的millis（）函数是在程序开始运行进入系统初始化时开始中断等待，如果等待时间超过20ms时就会执行下面全部程序，不满足条件就会一直等待。后面的程序有fast_loop（）、medium_loop（）、one_second_loop（）。除了medium_loop（ ）执行频率为10HZ外其他语句都是50HZ。
3 实验调试
调试过程主要做3件事情：遥控器输入校准；加速度校准；罗盘校准。完成以上操作后可以解锁操作、飞行模式配置以及飞行保护设置。最为重要的是PID参数设置，PID控制是自动化控制领域应用非常广的控制方式。其中P代表比例，I代表积分，D代表微分，PID是基于数学中一项重要分支。微积分学为基础的数字化自动控制方式，它以传感器采集的数据作为输入源，按预定的PID参数根据特定的计算以后输出控制[6]。根据查阅资料和反复调试实验总结出调试方法：先把D置零，加大P值，使飞机适当的开始震荡，然后增加D值，拉低P调节后的作用，使震荡放缓，最终调到不过冲为止。P越大，飞机倾斜后恢复速度越快，表现为越灵活，但过大会产生震荡；D越大，调节越平缓，表现为越平稳，但D过大会使调节时间延长，表现为反应迟钝。I的调节是建立在PD的基础上的，PD的改变都会影响I的效果，所以最终的调节步骤是先调节P确定灵敏度，接着调节D调整平稳度，最后调节确定精度。 4 地面站
地面站是应用开源的Misson Planner地面站。它具有这几种特性：使用Google Maps进行即点即得的航点输入；从下拉菜单中选择任务指令；下载任务日志然后进行分析；配置机身上的设置；用来搭建全功能硬件回路无人机模拟器的PC飞行模拟器界面；从串口终端查看输出。主界面左上方为8个主菜单按钮，飞行数据实时显示飞行姿态与数据；飞行计划是任务规划菜单；初始设置用于固件的安装与升级以及一些基本设置；配置调试包含了详尽的PID调节，参数调整等菜单；模拟是给飞控刷入特定的模拟器固件后，将作为一个模拟器在电脑上模拟飞行使用；终端是一个类似DOS环境的命令行调试窗口，功能非常强大。
5 结论与展望
中国的无人机行业发展之快速，其市场需求越来越大，无人机生产企业众多。目前无人机主要运用于航拍和保值，航拍市场已经被多轴无人机占领。然而中国是一个农业大国，发展农村经济是国家的重要战略，给无人机在农业方面的应用于推广带来了前所未有的机会。多轴无人机喷晒农药其存在很多问题，所以油动无人直升机喷洒农药将是未来的必然趋势。虽然无人直升机飞控系统已经研制从来多年，但还是没有达到理想的效果，还有待进一步的提高。希望能早日实现油动无人直升机在农业方面的广泛应用，推动农村经济的发展，使我国农业走进高科技时代。
参考文献
[1]彭延辉，徐国华.无人驾驶直升机的技术发展及其关键技术[J].飞行力学，2004，22（1）：1～5，17.
[2]关继伟.农用无人遥控飞行器优势和效益分析[J].农机使用与维修. 2014 （12）： 76-78.
[3] 梁建，薛新宇，傅錫敏等.我国航空施药技术的发展[M].2008年植保机械与施药技术国际研讨会论文集.北京：中国农业大学出版社，2008：46～50.
[4] 贾莉.水稻施肥用上无人直升机[J].致富天地，2011，（7）：68～68.
[5]张剑. 小型无人直升机悬停/小速度下的飞行控制律设计技术研究[D]. 南京航空航天大学， 2009.
[6]陶永华， 尹怡欣， 葛芦生. 新型PID控制及应用[M]. 机械工业出版社， 1988：97～99
作者简介：牟涛（1986-），男，四川省广元市人，西京学院研究生，专业方向：控制工程；蔡红专（1966-），男，西京学院，副教授。