房俊龍，孫志佳，張　馨，宋金龍，吳文彪，崔忠輝

(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 )

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用于溫室環(huán)境空間分布監(jiān)測(cè)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(cè)量并了解溫室空間環(huán)境分布情況對(duì)于溫室性能評(píng)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(diǎn)測(cè)量不能反映溫室環(huán)境整體情況，而布設(shè)大量有線/無(wú)線傳感器測(cè)量方式，對(duì)成本及生產(chǎn)提出很高的要求。為此，設(shè)計(jì)了一款微型四旋翼飛行器并在其上集成環(huán)境測(cè)量傳感器，采用超聲波測(cè)距傳感器解決了飛行器在溫室內(nèi)定位、避障等實(shí)際應(yīng)用問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)溫室空間環(huán)境可靠、穩(wěn)定、快速獲取。同時(shí)，開(kāi)展飛行器溫濕度采集可行性評(píng)估、平面空間溫濕度監(jiān)測(cè)試驗(yàn)，探索微型飛行器在溫室空間環(huán)境監(jiān)測(cè)的可行性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：飛行器測(cè)量結(jié)果與真實(shí)值相比具有一定偏差，但偏差很小，最大不超過(guò)1℃，微型飛行器用于溫室室內(nèi)空間環(huán)境快速監(jiān)測(cè)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

0引言

微型四旋翼飛行器具有垂直起降、定點(diǎn)懸停、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于控制等特點(diǎn)，可以在小空間內(nèi)完成監(jiān)測(cè)任務(wù)[1]。近年來(lái)，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(dòng)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(guó)Microdrones 公司的MD4-200，我國(guó)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(chǎng)、目標(biāo)跟蹤與定位、電子對(duì)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(cè)等[9-11]。中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)植物營(yíng)養(yǎng)系與北京星馬航空科技有限公司合作，使用無(wú)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(wú)人機(jī)遙感系統(tǒng)，克服了有人機(jī)遙感受航時(shí)，惡劣氣候條件及危險(xiǎn)工作環(huán)境的影響，彌補(bǔ)了衛(wèi)星遙感由于天氣和時(shí)間無(wú)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、視野窄及工作量大等問(wèn)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(cè)量調(diào)控在生產(chǎn)中至關(guān)重要，傳統(tǒng)通過(guò)單一測(cè)量點(diǎn)反映溫室整體環(huán)境已不能滿(mǎn)足需求，經(jīng)常出現(xiàn)生長(zhǎng)不一致、局部病害滋生等問(wèn)題。因此，需要了解整個(gè)溫室空間環(huán)境信息的空間分布實(shí)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(cè)量方法有直接測(cè)量法和模型模擬法：直接測(cè)量主要通過(guò)在監(jiān)測(cè)空間布置大量的無(wú)線傳感器或有線傳感器節(jié)點(diǎn)測(cè)量周?chē)臻g環(huán)境信息的分布情況[15-16]，但因布點(diǎn)過(guò)多會(huì)影響正常生產(chǎn)；模擬測(cè)量法是通過(guò)建立溫室的數(shù)學(xué)模型，運(yùn)用計(jì)算機(jī)模擬仿真技術(shù)，了解整個(gè)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(lài)模型的精度，同時(shí)溫室內(nèi)作物不同對(duì)預(yù)測(cè)模型提出很大挑戰(zhàn)，因此采用微型的四旋翼飛行器測(cè)量溫室空間環(huán)境信息，能夠很好地解決以上問(wèn)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(dòng)力能源等方面的問(wèn)題。

本設(shè)計(jì)通過(guò)在飛行器上加裝激光測(cè)距傳感器、超聲波傳感器、氣壓計(jì)及環(huán)境測(cè)量傳感器等，開(kāi)展飛行器硬件和軟件程序設(shè)計(jì)，開(kāi)發(fā)了一種在溫室內(nèi)簡(jiǎn)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(cè)量的微型四旋翼飛行器，為溫室性能評(píng)估及溫室環(huán)境調(diào)控提供數(shù)據(jù)支撐。

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(tái)、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(tái)主要負(fù)責(zé)空間環(huán)境信息采集傳輸功能；通過(guò)PC機(jī)編輯航點(diǎn)，并將航點(diǎn)寫(xiě)入采集平臺(tái)，采集平臺(tái)根據(jù)預(yù)設(shè)航點(diǎn)信息，自主起飛并按照預(yù)設(shè)航點(diǎn)信息飛行進(jìn)行環(huán)境信息采集及數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸。環(huán)境控制器能夠與空間采集平臺(tái)實(shí)現(xiàn)雙向通信，實(shí)現(xiàn)空間數(shù)據(jù)的接收、存儲(chǔ)、顯示及飛行器控制等功能，并對(duì)整個(gè)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(dòng)作，實(shí)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

空間環(huán)境信息采集平臺(tái)是本設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。微型四旋翼飛行器作為空間信息采集平臺(tái)，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(zhǎng)航時(shí)等特點(diǎn)，本設(shè)計(jì)圍繞以上特點(diǎn)進(jìn)行空間環(huán)境信息采集平臺(tái)的設(shè)計(jì)制作。

2硬件設(shè)計(jì)

2.1飛行器飛控硬件設(shè)計(jì)

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(cè)量傳感器、低壓報(bào)警電路、無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊、超聲波傳感器、氣壓高度計(jì)及激光測(cè)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(jì)選用Atmel公司的AVR2560控制芯片作為核心處理器。AVR單片機(jī)具有高速、低功耗、保密性高、I/O驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)等特點(diǎn)，具有14組PWM輸出、16組ADC、4組USART接口、54個(gè)數(shù)字I/O、1個(gè)硬件I2C總線接口及1個(gè)硬件SPI總線接口，能夠滿(mǎn)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(cè)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(cè)量。設(shè)計(jì)采用MPU6000傳感器結(jié)合電子羅盤(pán)、氣壓高度計(jì)、超聲波傳感器組成飛行姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確快速的姿態(tài)測(cè)量。MPU-60X0是全國(guó)首例9軸運(yùn)動(dòng)傳感器，集成了3軸MEMS陀螺儀、3軸MEMS加速度計(jì)，以及可擴(kuò)展的的數(shù)字運(yùn)動(dòng)處理器DMP，可用I2C接口連接1個(gè)第三方傳感器，擴(kuò)展之后可以輸出1個(gè)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(guò)程。HMC5883電子羅盤(pán)用于修正偏航角的測(cè)量誤差，實(shí)現(xiàn)航向控制。MB1242超聲波傳感器和MS5611氣壓計(jì)數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)據(jù)融合演算實(shí)現(xiàn)飛行高度的控制。報(bào)警電路用于電池電壓的監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)低壓報(bào)警功能。無(wú)線傳輸模塊用于數(shù)據(jù)信息的無(wú)線傳輸。

設(shè)計(jì)選用了450mm軸距的四旋翼機(jī)架。四旋翼飛行器的動(dòng)力選用維奇AS2216無(wú)刷直流電機(jī)，配合1045螺旋槳，采用航模動(dòng)力鋰電池作為整個(gè)飛行控制系統(tǒng)的動(dòng)力能源。動(dòng)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(jì)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(gè)獨(dú)立的電調(diào)相比更加集中，使結(jié)構(gòu)更為緊湊?？傮w硬件設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。

圖2　總體硬件設(shè)計(jì)框圖

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(duì)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(jì)選用無(wú)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(dòng)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(jué)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(cè)距儀的自主定位導(dǎo)航[20]，各有優(yōu)缺點(diǎn)。本設(shè)計(jì)采用KLH-100激光測(cè)距傳感器、MS5611氣壓傳感器、HMC5883L電子羅盤(pán)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(cè)距傳感器通過(guò)測(cè)量飛行器距離溫室墻壁距離信息來(lái)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(jì)及超聲波傳感器測(cè)量距離地面的高度信息，進(jìn)而確定飛行器在整個(gè)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(pán)得到飛行器的航向信息，通過(guò)程序控制實(shí)現(xiàn)飛行器在溫室內(nèi)自主定位導(dǎo)航。飛行器通過(guò)激光測(cè)距傳感器感知的障礙物信息并結(jié)合程序控制，實(shí)現(xiàn)1m以?xún)?nèi)的障礙物躲避，障礙物距離大于1m默認(rèn)前方無(wú)障礙物。自主定位導(dǎo)航實(shí)現(xiàn)如圖3所示。

圖3　自主定位導(dǎo)航框圖

3軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1軟件系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

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(lái)設(shè)計(jì)實(shí)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(cè)、控制、自主定位導(dǎo)航、避障等功能的具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程。程序設(shè)計(jì)采用模塊化的設(shè)計(jì)思想，總的設(shè)計(jì)目標(biāo)是協(xié)調(diào)各個(gè)功能模塊有序運(yùn)行，根據(jù)控制算法實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定飛行。本設(shè)計(jì)首先對(duì)飛行控制系統(tǒng)進(jìn)行總體的軟件設(shè)計(jì)，然后針對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行具體的軟件實(shí)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(shí)/計(jì)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(guò)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(cè)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(gè)功能模塊的調(diào)用、姿態(tài)檢測(cè)與控制、自動(dòng)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

3.2自主定位導(dǎo)航軟件實(shí)現(xiàn)

飛行控制器通過(guò)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(duì)氣壓高度計(jì)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(shí)現(xiàn)溫室空間定位。電子羅盤(pán)信息確定飛行器機(jī)頭方向，編寫(xiě)程序?qū)崿F(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(guò)PC機(jī)編輯航點(diǎn)信息并載入飛控存儲(chǔ)區(qū)，將第一航點(diǎn)信息設(shè)置在起飛點(diǎn)附近，使飛行器能夠快速進(jìn)入航點(diǎn)飛行。考慮飛行器使用3S鋰電池供電，空載飛行時(shí)間約為10min左右，航點(diǎn)不宜設(shè)置過(guò)多；載入航點(diǎn)之后，飛行器上電自主起飛，通過(guò)導(dǎo)航控制算法將當(dāng)前位置和存儲(chǔ)區(qū)航點(diǎn)信息進(jìn)行對(duì)比確定導(dǎo)航方案，實(shí)現(xiàn)溫室內(nèi)的自主定位導(dǎo)航；每個(gè)航點(diǎn)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(gè)航點(diǎn)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

3.3自主避障軟件設(shè)計(jì)

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(lái)都是四旋翼飛行器智能飛行研究的難點(diǎn)，也是目前飛行器智能控制需要解決的難題。設(shè)計(jì)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(jiǎn)單的避障設(shè)計(jì)，但本設(shè)計(jì)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(guò)在飛行器飛行過(guò)程中讀取激光測(cè)距傳感器信息，進(jìn)行障礙物感知，根據(jù)編寫(xiě)的程序控制算法，確定飛行器的避障控制策略，實(shí)現(xiàn)在溫室內(nèi)飛行過(guò)程中的簡(jiǎn)單避障功能。激光測(cè)距傳感器對(duì)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(guò)程中利用激光測(cè)距傳感器進(jìn)行障礙物距離信息監(jiān)測(cè)，如果檢測(cè)到距離大于1m認(rèn)為飛行方向上無(wú)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(dòng)模塊輸出不同的PWM控制信號(hào)，控制飛行器的轉(zhuǎn)向或懸停等各種避障動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)飛行器簡(jiǎn)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

4試驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析

4.1試驗(yàn)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(kāi)展飛行器溫濕度采集可行性評(píng)估及平面空間溫濕度監(jiān)測(cè)試驗(yàn)。試驗(yàn)器材主要包括：主動(dòng)式無(wú)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(dòng)式無(wú)線溫濕度測(cè)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(wú)線溫濕度測(cè)量系統(tǒng)，主要用于設(shè)施農(nóng)業(yè)、庫(kù)房、暖通等場(chǎng)合進(jìn)行溫濕度測(cè)量，測(cè)量數(shù)據(jù)通過(guò)上位機(jī)界面實(shí)時(shí)顯示并且能夠?qū)?shù)據(jù)導(dǎo)出進(jìn)行分析。

試驗(yàn)通過(guò)主動(dòng)無(wú)線數(shù)據(jù)采集軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄，傳感器主動(dòng)上傳時(shí)間間隔設(shè)為10s。首先進(jìn)行試驗(yàn)的準(zhǔn)備工作，包括試驗(yàn)設(shè)備的組裝、通信的調(diào)試及傳感器一致性校驗(yàn)，選出一致性好的傳感器用于試驗(yàn)。

試驗(yàn)分為兩組：第1組為可行性評(píng)估試驗(yàn)，通過(guò)支架將傳感器節(jié)點(diǎn)固定，高度為1m，置于試驗(yàn)區(qū)域；微型四旋翼飛行器攜帶傳感器節(jié)點(diǎn)飛到支架附近懸停進(jìn)行溫濕度測(cè)量，測(cè)量8min。

第2組為平面空間監(jiān)測(cè)試驗(yàn)，水平和垂直方向間隔2m分別選定3個(gè)區(qū)域，共9個(gè)區(qū)域，采用傳感器節(jié)點(diǎn)及微型四旋翼飛行器，分別在9個(gè)區(qū)域，高度1m的水平面上進(jìn)行空間平面溫度測(cè)量，每個(gè)區(qū)域測(cè)量1min。最后，通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，說(shuō)明使用微型四旋翼飛行器進(jìn)行溫室空間環(huán)境信息測(cè)量的可行性及準(zhǔn)確性。溫室內(nèi)測(cè)量試驗(yàn)如圖7所示。

圖7　溫室內(nèi)測(cè)量試驗(yàn)

4.2試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

4.2.1可行性評(píng)估實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)過(guò)程中主動(dòng)式無(wú)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(diǎn)測(cè)量試驗(yàn)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(guò)程測(cè)量的溫度數(shù)據(jù)略高于傳感器節(jié)點(diǎn)的溫度，濕度數(shù)據(jù)變動(dòng)不大；在正常懸停測(cè)量中微型四旋翼飛行器測(cè)量溫度數(shù)據(jù)普遍低于傳感器節(jié)點(diǎn)的測(cè)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(cè)量高度未到達(dá)懸停的高度所造成。飛行器正常懸停測(cè)量的溫度低于傳感器節(jié)點(diǎn)，主要原因是微型四旋翼飛行器旋翼快速轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生氣流變動(dòng)的影響。由以上數(shù)據(jù)分析結(jié)果可知：雖然旋翼轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)測(cè)量結(jié)果有一定的影響，但通過(guò)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(cè)量是可行的。

表1　溫室單點(diǎn)測(cè)量數(shù)據(jù)

4.2.2平面空間監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)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(diǎn)與微型四旋翼飛行器，在9個(gè)試驗(yàn)測(cè)量區(qū)域測(cè)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(diǎn)略高于傳感器測(cè)量點(diǎn)溫度外，飛行器測(cè)量得到各個(gè)區(qū)域的溫度分布普遍低于傳感器節(jié)點(diǎn)測(cè)量溫度的區(qū)域溫度，但最大偏差不超過(guò)1℃。造成微型四旋翼飛行器測(cè)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(dòng)產(chǎn)生快速變動(dòng)氣流的影響。設(shè)計(jì)的微型四旋翼飛行器可以通過(guò)優(yōu)化飛行器的機(jī)架結(jié)構(gòu)使溫度測(cè)量傳感器盡量遠(yuǎn)離旋翼或改變旋翼的大小來(lái)解決氣流變動(dòng)的影響。旋翼轉(zhuǎn)動(dòng)帶來(lái)的空氣流動(dòng)的影響是值得進(jìn)一步研究的問(wèn)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(wèn)題。

圖8　平面空間溫度分布圖

5結(jié)論

1)由溫室內(nèi)進(jìn)行的可行性評(píng)估試驗(yàn)的分析結(jié)果可知：微型四旋翼飛行器測(cè)量得到的空間數(shù)據(jù)與真實(shí)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(cè)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(cè)試驗(yàn)的結(jié)果，進(jìn)一步驗(yàn)證了可行性評(píng)估試驗(yàn)的結(jié)論；微型四旋翼飛行器旋翼轉(zhuǎn)動(dòng)帶來(lái)的空氣快速流動(dòng)，對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生了一定的影響。在后續(xù)的研究過(guò)程中，還需進(jìn)行大量的試驗(yàn)，分析氣流變動(dòng)的影響，旋翼轉(zhuǎn)動(dòng)帶來(lái)的影響是值得進(jìn)一步研究的問(wèn)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(guò)程中飛行時(shí)間最大為8min，時(shí)間有限，不能夠進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間測(cè)量。因此，微型四旋翼飛行器的續(xù)航問(wèn)題也是后續(xù)研究的重點(diǎn)。

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Development of MAV for Monitoring Spatial Distribution of Greenhouse Environment

Fang Junlong1, Sun Zhijia1, Zhang Xin2, Song Jinlong1, Wu Wenbiao2, Cui Zhonghui3

(1.College of Electrical and Information, Northeast Agricultural University,Harbin 150030,China； 2. Beijing Research 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 evaluation, 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 production 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 greenhouse environment regulatory and greenhouse performance evaluation plays an important role. And carry out the temperature and humidity in the greenhouse aircraft acquisition feasibility assessments, flat space temperature and humidity monitoring two groups of tests. The results show that: the aircraft measurements compared with the real value of a certain bias, 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

文章編號(hào)：1003-188X(2016)03-0008-06

中圖分類(lèi)號(hào)：S625.5;S625.3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡(jiǎn)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。

基金項(xiàng)目：國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)項(xiàng)目(2013AA103005)；北京市農(nóng)林科學(xué)院科技創(chuàng)新能力建設(shè)專(zhuān)項(xiàng)(KJCX20140203)

收稿日期：2015-02-10