用于溫室環(huán)境空間分布監(jiān)測的微型飛行器研發(fā)_房俊龍.pdf

用于溫室環(huán)境空間分布監(jiān)測的微型飛行器研發(fā) 房俊龍 1 孫志佳 1 張 馨 2 宋金龍 1 吳文彪 2 崔忠輝 3 1 東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 電氣與信息學(xué)院 哈爾濱 150030 2 北京農(nóng)業(yè)信息技術(shù)研究中心 北京 100097 3 曲 阜師范大學(xué) 物理工程學(xué)院 山東 曲阜 273165 摘 要 測量并了解溫室空間環(huán)境分布情況對于溫室性能評估 精細(xì)環(huán)境調(diào)控及病害預(yù)警至關(guān)重要 傳統(tǒng)單點測 量不能反映溫室環(huán)境整體情況 而布設(shè)大量有線 無線傳感器測量方式 對成本及生產(chǎn)提出很高的要求 為此 設(shè)計了一款微型四旋翼飛行器并在其上集成環(huán)境測量傳感器 采用超聲波測距傳感器解決了飛行器在溫室內(nèi)定 位 避障等實際應(yīng)用問題 實現(xiàn)溫室空間環(huán)境可靠 穩(wěn)定 快速獲取 同時 開展飛行器溫濕度采集可行性評估 平面空間溫濕度監(jiān)測試驗 探索微型飛行器在溫室空間環(huán)境監(jiān)測的可行性 實驗結(jié)果表明 飛行器測量結(jié)果與 真實值相比具有一定偏差 但偏差很小 最大不超過 1 微型飛行器用于溫室室內(nèi)空間環(huán)境快速監(jiān)測是可行的 關(guān)鍵詞 微型四旋翼飛行器 溫室 空間信息采集 自主定位導(dǎo)航 自主避障 中圖分類號 S625 5 S625 3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 1003 188X 2016 03 0008 06 0 引言 微型四旋翼飛行器具有垂直起降 定點懸停 結(jié) 構(gòu)簡單 易于控制等特點 可以在小空間內(nèi)完成監(jiān)測 任務(wù) 1 近年來 由于微處理器技術(shù)的進(jìn)步 新型材 料的應(yīng)用 傳感器工藝的提高 電池續(xù)航能力的提升 動力裝置的改善及控制算法的改進(jìn) 為四旋翼飛行器 的應(yīng)用提供了技術(shù)支撐 2 3 已有商用產(chǎn)品如德國 Microdrones 公司的 MD4 200 我國大疆公司的 F450 F550 精靈系列等 四旋翼飛行器最初用于軍事偵 察 如空中監(jiān)察戰(zhàn)場 目標(biāo)跟蹤與定位 電子對抗和敵 情獲取等 7 目前 在民用方面應(yīng)用較多的如航拍 農(nóng)藥噴灑 植物保護(hù) 災(zāi)情信息收集及城市環(huán)境監(jiān)測 等 9 11 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)植物營養(yǎng)系與北京星馬航空 科技有限公司合作 使用無人機(jī)進(jìn)行農(nóng)藥噴灑 提高 了農(nóng)藥的噴灑效率 節(jié)約了成本 提高了農(nóng)民的經(jīng)濟(jì) 效益 12 13 北京農(nóng)業(yè)信息技術(shù)研究中心研制出了 U VICs 無人機(jī)遙感系統(tǒng) 克服了有人機(jī)遙感受航時 惡劣氣候條件及危險工作環(huán)境的影響 彌補(bǔ)了衛(wèi)星遙 感由于天氣和時間無法獲取目標(biāo)區(qū)域信息的缺陷 并 能提供多角度 高分辨率影像 避免了地面遙感范圍 小 收稿日期 2015 02 10 基金項目 國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃 863 計劃 項目 2013AA10300 5 北京市農(nóng)林科學(xué)院科技創(chuàng)新能力建設(shè)專項 KJCX20140 203 作者簡介 房俊龍 1971 男 黑龍江延壽人 教授 博士生導(dǎo)師 E mail junlongfang 126 com 通訊作者 吳文彪 1981 男 江蘇鹽城人 助理研究員 碩士 E mail wuwb nercita org cn 視野窄及工作量大等問題 14 以上應(yīng)用主要集中在 室外空曠大環(huán)境下 由于諸多限制未能在溫室環(huán)境中 應(yīng)用 溫室環(huán)境信息測量調(diào)控在生產(chǎn)中至關(guān)重要 傳統(tǒng) 通過單一測量點反映溫室整體環(huán)境已不能滿足需求 經(jīng)常出現(xiàn)生長不一致 局部病害滋生等問題 因此 需要了解整個溫室空間環(huán)境信息的空間分布實現(xiàn)精 準(zhǔn)環(huán)境調(diào)控 為作物提供均一 適宜的物理環(huán)境 目 前 已有的測量方法有直接測量法和模型模擬法 直 接測量主要通過在監(jiān)測空間布置大量的無線傳感器 或有線傳感器節(jié)點測量周圍空間環(huán)境信息的分布情 況 15 16 但因布點過多會影響正常生產(chǎn) 模擬測量法 是通過建立溫室的數(shù)學(xué)模型 運(yùn)用計算機(jī)模擬仿真技 術(shù) 了解整個溫室空間環(huán)境信息的分布規(guī)律 模擬結(jié) 果可作為環(huán)境調(diào)控的依據(jù) 17 18 模擬法依賴模型的 精度 同時溫室內(nèi)作物不同對預(yù)測模型提出很大挑 戰(zhàn) 因此采用微型的四旋翼飛行器測量溫室空間環(huán)境 信息 能夠很好地解決以上問題 但直接在溫室里使 用微型四旋翼飛行器 還需要解決在溫室內(nèi)避障 定 位導(dǎo)航 自主飛行及動力能源等方面的問題 本設(shè)計通過在飛行器上加裝激光測距傳感器 超 聲波傳感器 氣壓計及環(huán)境測量傳感器等 開展飛行 器硬件和軟件程序設(shè)計 開發(fā)了一種在溫室內(nèi)簡單避 障 定位導(dǎo)航 自主飛行并能夠進(jìn)行空間環(huán)境信息測 量的微型四旋翼飛行器 為溫室性能評估及溫室環(huán)境 調(diào)控提供數(shù)據(jù)支撐 8 2016 年 3 月 農(nóng) 機(jī) 化 研 究 第 3 期 DOI 10 13427 ki njyi 2016 03 002 1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 溫室空間環(huán)境信息采集系統(tǒng)是由微型四旋翼飛行 器構(gòu)成的空間環(huán)境信息采集平臺 溫室環(huán)境控制器及 環(huán)境調(diào)控執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成 空間環(huán)境信息采集平臺主 要負(fù)責(zé)空間環(huán)境信息采集傳輸功能 通過 PC 機(jī)編輯 航點 并將航點寫入采集平臺 采集平臺根據(jù)預(yù)設(shè)航 點信息 自主起飛并按照預(yù)設(shè)航點信息飛行進(jìn)行環(huán)境 信息采集及數(shù)據(jù)實時傳輸 環(huán)境控制器能夠與空間 采集平臺實現(xiàn)雙向通信 實現(xiàn)空間數(shù)據(jù)的接收 存儲 顯示及飛行器控制等功能 并對整個溫室空間環(huán)境信 息的分布情況進(jìn)行分析 分析結(jié)果作為溫室環(huán)境調(diào)控 決策的依據(jù) 根據(jù)環(huán)境控制器分析的結(jié)果 發(fā)出相應(yīng) 環(huán)境調(diào)控指令 控制執(zhí)行機(jī)構(gòu) 如風(fēng)機(jī) 通風(fēng)電極 簾 幕等 根據(jù)指令做出相應(yīng)的動作 實現(xiàn)環(huán)境調(diào)控 系 統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 1 所示 圖 1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 Fig 1 Block diagram of the system 空間環(huán)境信息采集平臺是本設(shè)計的重點 微型四 旋翼飛行器作為空間信息采集平臺 在溫室內(nèi)飛行在 整體布局形式上與常規(guī)飛行器相比 應(yīng)具有結(jié)構(gòu)更為 緊湊 一定載荷量 體積小 質(zhì)量輕 飛行靈活 以及長 航時等特點 本設(shè)計圍繞以上特點進(jìn)行空間環(huán)境信息 采集平臺的設(shè)計制作 2 硬件設(shè)計 2 1 飛行器飛控硬件設(shè)計 四旋翼飛行器的飛行控制系統(tǒng)硬件主要包括飛行 控制器 姿態(tài)測量傳感器 低壓報警電路 無線數(shù)據(jù)傳 輸模塊 超聲波傳感器 氣壓高度計及激光測距傳感 器 由于飛行器的特殊要求 在主控制器的選擇上需 要充分考慮芯片的體積 功耗 可靠性 成本及運(yùn)算能 力等各方面參數(shù) 本設(shè)計選用 Atmel 公司的 AV 2560 控制芯片作為核心處理器 AV 單片機(jī)具有高速 低 功耗 保密性高 I O 驅(qū)動能力強(qiáng)等特點 具有 14 組 PWM 輸出 16 組 ADC 4 組 USA T 接口 54 個數(shù)字 I O 1 個硬件 I 2 C 總線接口及 1 個硬件 SPI 總線接口 能夠滿足與傳感器設(shè)備通信 控制算法運(yùn)算及快速 PWM 輸出等功能 19 機(jī)載控制器能夠處理各種傳感 器信息并控制環(huán)境測量傳感器數(shù)據(jù)的發(fā)送 微型四 旋翼飛行器的姿態(tài)控制是保證飛行器穩(wěn)定飛行的前 提 因此需要快速準(zhǔn)確的姿態(tài)信息測量 設(shè)計采用 MPU6000 傳感器結(jié)合電子羅盤 氣壓高度計 超聲波 傳感器組成飛行姿態(tài)測量系統(tǒng) 實現(xiàn)準(zhǔn)確快速的姿態(tài) 測量 MPU 60X0 是全國首例 9 軸運(yùn)動傳感器 集成 了 3 軸 MEMS 陀螺儀 3 軸 MEMS 加速度計 以及可擴(kuò) 展的的數(shù)字運(yùn)動處理器 DMP 可用 I 2 C 接口連接 1 個 第三方傳感器 擴(kuò)展之后可以輸出 1 個 9 軸傳感器信 息 MPU 60X0 內(nèi)置 DMP 可以輸出 6 軸或 9 軸的旋 轉(zhuǎn)矩陣 四元數(shù) 歐拉角格式的融合演算數(shù)據(jù) 大大減 少了 MCU 進(jìn)行復(fù)雜數(shù)據(jù)融合演算的過程 HMC5883 電子羅盤用于修正偏航角的測量誤差 實現(xiàn)航向控 制 MB1242 超聲波傳感器和 MS5611 氣壓計數(shù)據(jù) 通 過數(shù)據(jù)融合演算實現(xiàn)飛行高度的控制 報警電路用 于電池電壓的監(jiān)測實現(xiàn)低壓報警功能 無線傳輸模 塊用于數(shù)據(jù)信息的無線傳輸 設(shè)計選用了 450mm 軸距的四旋翼機(jī)架 四旋翼 飛行器的動力選用維奇 AS2216 無刷直流電機(jī) 配合 1045 螺旋槳 采用航模動力鋰電池作為整個飛行控制 系統(tǒng)的動力能源 動力和能源裝置的質(zhì)量在四旋翼 飛行器整機(jī)質(zhì)量占據(jù)很大比例 合理地搭配能夠達(dá)到 最大的飛行效果 設(shè)計采用好盈公司的 Sky Walker 系列 20A 四合一電子調(diào)速器 其與 4 個獨立的電調(diào)相 比更加集中 使結(jié)構(gòu)更為緊湊 總體硬件設(shè)計框圖如 圖 2 所示 圖 2 總體硬件設(shè)計框圖 Fig 2 Design diagram of overall hardware 2 2 飛行器性能指標(biāo) 四旋翼飛行器有多種材質(zhì)和尺寸可供選擇 針對 9 2016 年 3 月 農(nóng) 機(jī) 化 研 究 第 3 期 在溫室內(nèi)飛行的需求必須保證擁有足夠的負(fù)載能力 較強(qiáng)的機(jī)械強(qiáng)度 小巧的外型和輕盈的機(jī)身 設(shè)計選 用無刷電機(jī)配合螺旋槳最大拉力約為 860g 四旋翼飛 行器最大起飛質(zhì)量約為 2 84kg 具有大約 1 5kg 的負(fù) 載能力 四旋翼飛行器配備 3S 航模動力鋰電池 在 不攜帶負(fù)載的情況下能夠正常飛行 10min 攜帶 1kg 左右負(fù)載的情況下能夠懸停 8min 左右 飛行器選用 的 X 模式機(jī)架結(jié)構(gòu) 飛行方式更加靈活 2 3 自主定位導(dǎo)航及避障系統(tǒng) 目前 導(dǎo)航方法主要有基于視覺的自主定位導(dǎo) 航 基于 GPS 的自主定位導(dǎo)航及基于激光測距儀的自 主定位導(dǎo)航 20 各有優(yōu)缺點 本設(shè)計采用 KLH 100 激光測距傳感器 MS5611 氣壓傳感器 HMC5883L 電 子羅盤及 MB1242 超聲波傳感器構(gòu)成室內(nèi)定位導(dǎo)航及 避障系統(tǒng)的硬件 激光測距傳感器通過測量飛行器 距離溫室墻壁距離信息來確定其水平面坐標(biāo)并感知 飛行前方障礙物信息 氣壓高度計及超聲波傳感器 測量距離地面的高度信息 進(jìn)而確定飛行器在整個溫 室內(nèi)立體的三維坐標(biāo) 最終確定飛行器在溫室內(nèi)的空 間位置 電子羅盤得到飛行器的航向信息 通過程序 控制實現(xiàn)飛行器在溫室內(nèi)自主定位導(dǎo)航 飛行器通 過激光測距傳感器感知的障礙物信息并結(jié)合程序控 制 實現(xiàn) 1m 以內(nèi)的障礙物躲避 障礙物距離大于 1m 默認(rèn)前方無障礙物 自主定位導(dǎo)航實現(xiàn)如圖 3 所示 圖 3 自主定位導(dǎo)航框圖 Fig 3 Block diagram of autonomous positioning and navigation 3 軟件系統(tǒng)設(shè)計 3 1 軟件系統(tǒng)總體設(shè)計 微型四旋翼飛行器控制系統(tǒng)軟件是在其硬件的基 礎(chǔ)上根據(jù)功能和系統(tǒng)需求來設(shè)計實現(xiàn)的 是飛行器在 溫室空間內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸 監(jiān)測 控制 自主定位導(dǎo) 航 避障等功能的具體實現(xiàn)過程 程序設(shè)計采用模塊 化的設(shè)計思想 總的設(shè)計目標(biāo)是協(xié)調(diào)各個功能模塊有 序運(yùn)行 根據(jù)控制算法實現(xiàn)穩(wěn)定飛行 本設(shè)計首先對 飛行控制系統(tǒng)進(jìn)行總體的軟件設(shè)計 然后針對各個模 塊進(jìn)行具體的軟件實現(xiàn) 飛行控制系統(tǒng)的軟件總體 工作流程圖如 4 所示 飛控程序工作流程如下 系統(tǒng)初始化部分 包括 定時 計數(shù)器初始化 串口初始化 外接傳感器接口初 始化 中斷向量初始化 AD 采集初始化及參數(shù)初始化 等 自檢過程包括外部傳感器聯(lián)機(jī)檢查 通信檢查 保 護(hù)及電壓檢測和四旋翼飛行器水平檢查等 自檢合 格以后進(jìn)入程序主循環(huán) 飛行器在主循環(huán)中完成各個 功能模塊的調(diào)用 姿態(tài)檢測與控制 自動增穩(wěn) 自主定 位導(dǎo)航 自主避障 以及控制電機(jī)等功能 圖 4 軟件系統(tǒng)工作流程圖 Fig 4 Operation flowchart of software system 3 2 自主定位導(dǎo)航軟件實現(xiàn) 飛行控制器通過讀取安裝在前方和側(cè)方的激光傳 感器數(shù)據(jù)確定水平方向上的坐標(biāo) 對氣壓高度計及 超聲波傳感器處理得到垂直方向上的坐標(biāo) 最終確定 飛行器在溫室空間立體三維坐標(biāo) 實現(xiàn)溫室空間定 位 電子羅盤信息確定飛行器機(jī)頭方向 編寫程序?qū)?現(xiàn)飛行器方向的控制 飛行器自主定位導(dǎo)航程序工 作流程如下 首先通過 PC 機(jī)編輯航點信息并載入飛 控存儲區(qū) 將第一航點信息設(shè)置在起飛點附近 使飛 行器能夠快速進(jìn)入航點飛行 考慮飛行器使用 3S 鋰 電池供電 空載飛行時間約為 10min 左右 航點不宜設(shè) 置過多 載入航點之后 飛行器上電自主起飛 通過導(dǎo) 01 2016 年 3 月 農(nóng) 機(jī) 化 研 究 第 3 期 航控制算法將當(dāng)前位置和存儲區(qū)航點信息進(jìn)行對比 確定導(dǎo)航方案 實現(xiàn)溫室內(nèi)的自主定位導(dǎo)航 每個航 點根據(jù)要求懸停進(jìn)行環(huán)境信息采集 執(zhí)行完最后一個 航點之后返航并進(jìn)行自主降落 自主定位導(dǎo)航程序 工作流程如圖 5 所示 圖 5 自主定位導(dǎo)航系統(tǒng)工作流程圖 Fig 5 Operation flowchart of autonomous positioning and navigation 3 3 自主避障軟件設(shè)計 四旋翼飛行器在復(fù)雜環(huán)境中進(jìn)行自主避障 一直 以來都是四旋翼飛行器智能飛行研究的難點 也是目 前飛行器智能控制需要解決的難題 設(shè)計的微型四 旋翼飛行器 根據(jù)在溫室內(nèi)飛行的需求 進(jìn)行了簡單 的避障設(shè)計 但本設(shè)計還不能夠達(dá)到飛行器在復(fù)雜環(huán) 境中智能避障控制的需求 主控制器通過在飛行器 飛行過程中讀取激光測距傳感器信息 進(jìn)行障礙物感 知 根據(jù)編寫的程序控制算法 確定飛行器的避障控 制策略 實現(xiàn)在溫室內(nèi)飛行過程中的簡單避障功能 激光測距傳感器對于微型四旋翼飛行器 具有定位及 障礙物信息感知雙重功能 避障子程序的工作流程 如下 首先 飛行器在飛行過程中利用激光測距傳感 器進(jìn)行障礙物距離信息監(jiān)測 如果檢測到距離大于 1m 認(rèn)為飛行方向上無障礙物 否則認(rèn)為有障礙 若有障 礙物則將障礙物信息傳遞給主控制器 主控制器根據(jù) 障礙物信息進(jìn)行決策確定避障控制策略 發(fā)送相應(yīng)控 制指令 控制電機(jī)驅(qū)動模塊輸出不同的 PWM 控制信 號 控制飛行器的轉(zhuǎn)向或懸停等各種避障動作 實現(xiàn) 飛行器簡單的自主避障功能 具體避障程序流程如 圖 6 所示 圖 6 避障程序流程圖 Fig 6 Program flow diagram of obstacle avoidance 4 試驗及數(shù)據(jù)分析 4 1 試驗器材及步驟 2015 年 1 月 30 日在北京農(nóng)業(yè)信息研究中心的日 光溫室內(nèi)開展飛行器溫濕度采集可行性評估及平面 空間溫濕度監(jiān)測試驗 試驗器材主要包括 主動式無 線溫濕度傳感器系統(tǒng) AWSN 1 敏感元件為瑞士盛 世瑞恩的 SHT11 溫濕度傳感器及微型四旋翼飛行器 主動式無線溫濕度測量系統(tǒng)是北京農(nóng)業(yè)智能裝備技 術(shù)研究中心研發(fā)的一款低功耗無線溫濕度測量系統(tǒng) 主要用于設(shè)施農(nóng)業(yè) 庫房 暖通等場合進(jìn)行溫濕度測 量 測量數(shù)據(jù)通過上位機(jī)界面實時顯示并且能夠?qū)?shù) 據(jù)導(dǎo)出進(jìn)行分析 試驗通過主動無線數(shù)據(jù)采集軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄 傳感器主動上傳時間間隔設(shè)為 10s 首先進(jìn)行試驗的 準(zhǔn)備工作 包括試驗設(shè)備的組裝 通信的調(diào)試及傳感 器一致性校驗 選出一致性好的傳感器用于試驗 試驗分為兩組 第 1 組為可行性評估試驗 通過支 架將傳感器節(jié)點固定 高度為 1m 置于試驗區(qū)域 微 型四旋翼飛行器攜帶傳感器節(jié)點飛到支架附近懸停 進(jìn)行溫濕度測量 測量 8min 第 2 組為平面空間監(jiān)測試驗 水平和垂直方向間 隔 2m 分別選定 3 個區(qū)域 共 9 個區(qū)域 采用傳感器節(jié) 點及微型四旋翼飛行器 分別在 9 個區(qū)域 高度 1m 的 水平面上進(jìn)行空間平面溫度測量 每個區(qū)域測量 1min 最后 通過試驗數(shù)據(jù)分析 說明使用微型四旋 翼飛行器進(jìn)行溫室空間環(huán)境信息測量的可行性及準(zhǔn) 11 2016 年 3 月 農(nóng) 機(jī) 化 研 究 第 3 期 確性 溫室內(nèi)測量試驗如圖 7 所示 圖 7 溫室內(nèi)測量試驗 Fig 7 Greenhouse measuring test 4 2 試驗數(shù)據(jù)分析 4 2 1 可行性評估實驗數(shù)據(jù)分析 試驗過程中主動式無線溫濕度系統(tǒng)工作良好 數(shù) 據(jù)記錄可靠有效 溫室內(nèi)單點測量試驗數(shù)據(jù)如表 1 所 示 選取 2015 年 2 月 1 日上午 11 09 11 16 代表 性的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析 由表 1 可知 在微型四旋翼飛行 器起飛與降落過程測量的溫度數(shù)據(jù)略高于傳感器節(jié) 點的溫度 濕度數(shù)據(jù)變動不大 在正常懸停測量中微 型四旋翼飛行器測量溫度數(shù)據(jù)普遍低于傳感器節(jié)點 的測量的數(shù)據(jù) 濕度數(shù)據(jù)基本正確 起飛與降落溫度 偏高是由于飛行器測量高度未到達(dá)懸停的高度所造 成 飛行器正常懸停測量的溫度低于傳感器節(jié)點 主 要原因是微型四旋翼飛行器旋翼快速轉(zhuǎn)動產(chǎn)生氣流 變動的影響 由以上數(shù)據(jù)分析結(jié)果可知 雖然旋翼轉(zhuǎn) 動對測量結(jié)果有一定的影響 但通過技術(shù)手段削弱其 影響 將微型四旋翼飛行器用于空間環(huán)境測量是可行 的 表 1 溫室單點測量數(shù)據(jù) Table 1 Greenhouse single point measurement data 時間 空氣溫度 空氣溫度 飛機(jī) 空氣濕度 空氣濕度 飛機(jī) 11 16 14 5 14 8 91 3 95 2 11 15 14 2 13 9 91 5 92 3 11 14 14 6 14 2 90 5 90 9 11 13 14 7 14 5 89 5 88 4 11 12 14 8 14 6 89 1 88 7 11 11 14 8 14 7 87 9 86 7 11 10 14 9 14 9 88 5 87 0 11 09 14 8 15 3 90 0 85 9 4 2 2 平面空間監(jiān)測實驗數(shù)據(jù)分析 平面空間溫度分布如圖 8 所示 其中 左右兩圖 分別為傳感器節(jié)點與微型四旋翼飛行器 在 9 個試驗 測量區(qū)域測量得到的高度為 1m 平面的溫度分布情 況 由圖 8 分析可知 除微型四旋翼飛行器起飛地點 略高于傳感器測量點溫度外 飛行器測量得到各個區(qū) 域的溫度分布普遍低于傳感器節(jié)點測量溫度的區(qū)域 溫度 但最大偏差不超過 1 造成微型四旋翼飛行 器測量的溫度普遍偏低的主要因素是微型四旋翼飛 行器旋翼轉(zhuǎn)動產(chǎn)生快速變動氣流的影響 設(shè)計的微 型四旋翼飛行器可以通過優(yōu)化飛行器的機(jī)架結(jié)構(gòu)使 溫度測量傳感器盡量遠(yuǎn)離旋翼或改變旋翼的大小來 解決氣流變動的影響 旋翼轉(zhuǎn)動帶來的空氣流動的 影響是值得進(jìn)一步研究的問題 也是微型四旋翼飛行 器能否獲取準(zhǔn)確的空間環(huán)境數(shù)據(jù)的關(guān)鍵性問題 圖 8 平面空間溫度分布圖 Fig 8 Planar spatial temperature profile 5 結(jié)論 1 由溫室內(nèi)進(jìn)行的可行性評估試驗的分析結(jié)果 可知 微型四旋翼飛行器測量得到的空間數(shù)據(jù)與真實 值有一定的偏差 但偏差不大 由于飛行器促進(jìn)空氣 流通 其測量結(jié)果更能反映當(dāng)前環(huán)境 因此運(yùn)用微型 四旋翼飛行器進(jìn)行空間環(huán)境信息采集是可行的 2 平面空間監(jiān)測試驗的結(jié)果 進(jìn)一步驗證了可行 21 2016 年 3 月 農(nóng) 機(jī) 化 研 究 第 3 期 性評估試驗的結(jié)論 微型四旋翼飛行器旋翼轉(zhuǎn)動帶來 的空氣快速流動 對測量結(jié)果產(chǎn)生了一定的影響 在 后續(xù)的研究過程中 還需進(jìn)行大量的試驗 分析氣流 變動的影響 旋翼轉(zhuǎn)動帶來的影響是值得進(jìn)一步研究 的問題 3 微型四旋翼飛行器在進(jìn)行空間環(huán)境信息采集 的過程中飛行時間最大為 8min 時間有限 不能夠進(jìn) 行長時間測量 因此 微型四旋翼飛行器的續(xù)航問題 也是后續(xù)研究的重點 參考文獻(xiàn) 1 秦博 王蕾 無人機(jī)發(fā)展綜述 J 飛航導(dǎo)彈 2002 8 4 10 2 2014 機(jī)器人 微機(jī)電一體化和人工智能國際會議 J 智 能系統(tǒng)學(xué)報 2014 3 371 3 高世橋 曲大成 微機(jī)電系統(tǒng) MEMS 技術(shù)的研究與應(yīng)用 J 科技導(dǎo)報 2004 4 17 21 4 臧克 孫永華 李京 等 微型無人機(jī)遙感系統(tǒng)在汶川地 震中的應(yīng)用 J 自然災(zāi)害學(xué)報 2010 3 162 166 5 陳怡 媒體無人機(jī) 新聞采集的未來標(biāo)配 J 軍事記 者 2014 11 61 62 6 閔際元 孟京 馬毅 等 無人機(jī)航拍應(yīng)用于氣象信息服 務(wù)展望 J 廣播與電視技術(shù) 2012 6 73 76 7 李磊 熊濤 胡湘陽 等 淺論無人機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域及前景 J 地理空間信息 2010 5 7 9 8 本報記者 魏建峰 通訊員 等 無人機(jī)助現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展 飛翔 N 昌吉日報 漢 2014 07 15 A06 9 李繼宇 張鐵民 彭孝東 等 小型無人機(jī)在農(nóng)田信息監(jiān) 測系統(tǒng)中的應(yīng)用 J 農(nóng)機(jī)化研究 2010 32 5 183 186 10 李云 徐偉 吳瑋 災(zāi)害監(jiān)測無人機(jī)技術(shù)應(yīng)用與研究 J 災(zāi)害學(xué) 2011 26 1 138 143 11 臧克 孫永華 李京 等 微型無人機(jī)遙感系統(tǒng)在汶川地 震中的應(yīng)用 J 自然災(zāi)害學(xué)報 2010 3 162 166 12 芮玉奎 芮法富 楊林 等 我國首次使用無人機(jī)大面積 噴灑農(nóng)藥紀(jì)實 J 農(nóng)技服務(wù) 2010 12 1575 1576 13 王剛 安陽市利用農(nóng)用無人直升機(jī)開展植保專業(yè)化統(tǒng) 防統(tǒng)治初探 J 中國植保導(dǎo)刊 2013 7 60 62 14 汪沛 羅錫文 周志艷 等 基于微小型無人機(jī)的遙感信 息獲取關(guān)鍵技術(shù)綜述 J 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報 2014 18 1 12 15 董璞 基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的溫室環(huán)境智能控制系統(tǒng) 研究 D 沈陽 遼寧工程技術(shù)大學(xué) 2010 16 孫忠富 曹洪太 李洪亮 等 基于 GP S 和 WEB 的溫室 環(huán)境信息采集系統(tǒng)的實現(xiàn) J 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報 2006 22 6 131 134 17 王蘭 陳佩寒 李敏霞 日光溫室微氣候模擬研究 J 安徽農(nóng)業(yè)科學(xué) 2010 24 13398 13399 18 鄧玲黎 李百軍 毛罕平 長江中下游地區(qū)溫室內(nèi)溫度 濕度預(yù)測模型的研究 J 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報 2004 20 1 263 266 19 霍宏偉 ATmega128 2560 系列單片機(jī)原理與高級應(yīng)用 M 北京 中國林業(yè)出版社 2006 24 66 20 白志君 四旋翼無人機(jī)室內(nèi)自主導(dǎo)航系統(tǒng)的研究與實 現(xiàn) D 廈門 廈門大學(xué) 2014 Development of MAV for Monitoring Spatial Distribution of Greenhouse Environment Fang Junlong 1 Sun Zhijia 1 Zhang Xin 2 Song Jinlong 1 Wu Wenbiao 2 Cui Zhonghui 3 1 College of Electrical and Information Northeast Agricultural University Harbin 150030 China 2 Beijing esearch Center for Information Technology in Agriculture Beijing 100097 China 3 College of Physics Engineering Qufu Normal University Qufu 273165 China Abstract Measure and understand the distribution of greenhouse space environment for greenhouse performance evalua tion fine environmental control disease is crucial warning the traditional single point measurement does not reflect the overall situation of the greenhouse environment and laid a lot of wired wireless sensor measurement cost and pro duction for the very high demand Article designed a miniature four rotor aircraft and in its integrated environmental measurement sensors as a means of monitoring greenhouse space environment information to solve the shortcomings of current greenhouse environment monitoring the distribution of the space environment monitoring to achieve fine green house environment regulatory and greenhouse performance evaluation plays an important role And carry out the tempera ture and humidity in the greenhouse aircraft acquisition feasibility assessments flat space temperature and humidity moni toring two groups of tests The results show that the aircraft measurements compared with the real value of a certain bi as but the deviation is small you can use the micro four rotor measuring spatial environmental information Key words MAV greenhouse space information collection autonomous navigation autonomous obstacle avoidance 31 2016 年 3 月 農(nóng) 機(jī) 化 研 究 第 3 期