【摘  要】论文依托吉林省智慧农业工程中心和数字农业学科，探索与实践一种农业低空遥感系统，达到设计成本低、操作简易的目标。论文阐述了低空遥感系统的功能需求、结构设计、实施方案，详细描述了系统平台子系统硬件选型方案、平台自由度控制方法，强调了串级PID控制对控制实时性、准确性的重要作用。项目产品在数字农业企业测评与试用，课题技术已经细分成大学生教学案例及学业评价指标。

【Abstract】Relying on Jilin Province Intelligent Agricultural Engineering Center and digital agriculture discipline， this paper explores and practices an agricultural low-altitude remote sensing system to achieve the goal of low design cost and easy operation. This paper describes the functional requirements， structure design and implementation scheme of the low-altitude remote sensing system， describes in detail the hardware selection scheme of the subsystem of the system platform and the control method of platform degrees of freedom， and emphasizes the important role of cascade PID control in real-time and accuracy control. The project products are evaluated and tried in digital agricultural enterprises， and the subject technology has been subdivided into college students' teaching case and academic evaluation indicator.

【关键词】四旋翼飞行器;监测;低空遥感

【Keywords】quad-rotor aircraft ; monitoring; low-altitude remote sensing

【中图分类号】S127                                             【文献标志码】A                                                 【文章编号】1673-1069（2021）01-0166-02

1 引言

吉林农业科技学院在2015年获得吉林省教育厅审批的吉林省智慧农业工程研究中心，在2018年获得吉林省数字农业交叉学科。依托智慧农业工程中心和数字农业学科，研究服务农业现代化和乡村振兴相关技术，特别是农业低空遥感、农业物联网、农村电商、农业大数据分析等内容。智慧农业工程研究中心在农业低空遥感技术方向，采用四旋翼飞行器作为移动平台，机载传感器作为数据监测装置设备，进行应用型研究。

吉林农业科技学院的办学定位是努力建设一流应用型本科高等学校，积极推进以科研助力教学改革。智慧农业工程研究中心也在此方向作出重大贡献。积极地将农业低空遥感技术及应用案例转化为教学用例，提高学生的创新创意创业意识，促进应用型教学改革的落地。并且为应用型大學的学生学业评价，提供新的参考指标。

2020年第8号台风“巴威”、第9号台风“美莎克”和台风“海神”先后影响东北地区，造成大田农作物的大面积倒伏，旋翼无人机灾后测产起到很关键的作用。项目实践与探索一种农业低空遥感系统，达到成本低、操作简易的目标，适合在农业农村大田耕作期间使用，可以在检测农田环境、预警作物病虫害、预估灾后产量、预警秸秆焚烧等领域应用。

2 系统功能分析

农业低空遥感系统通常采用四旋翼飞行器作为大田物理环境空间的移动平台，机载传感器作为数据监测装置设备，机载通信设备作为数据传送通道。农业低空遥感系统节点可以抽象成为一个可以在大田作物生长的三维物理空间任意移动的质点，该点可以收集周围环境信息并可以将信息发送回数据处理监测中心。

从农业低空遥感系统功能实现的角度分析，本文着重强调系统节点的稳定性和监测物理环境参数的精确性。本文着重强调的系统节点稳定性，也就是四旋翼飞行器作为大田物理环境空间的移动平台的稳定性。四旋翼飞行器是输入四驱动和输出六自由度的欠驱系统，因此，保证飞行器稳定性是研究难点，包括飞行器的上升下降、前行后退、左右移动、横滚、俯仰、偏航行为的稳定性。同时，智能型、自主型四旋翼飞行器还包括躲避障碍物、循迹边界、空间定位等辅助功能。本文着重强调的监测物理环境参数的精确性，也就是可以测量节点周围环境的光照度、温度、湿度、气体浓度以及作物生长的图片、视频、光谱信息。

3 系统结构设计

根据农业低空遥感系统功能的需求分析结论，设计系统结构化的子系统模块结构方案。四旋翼飞行器移动平台包含六自由度自稳系统、自主巡航系统、环境监测系统、通信系统;地面站平台包含通信系统、数据分析系统。

在阐述六自由度自稳系统时，建立xyz三维直角坐标系，xy平面是水平面，而z轴垂直向上。在xy平面上x轴负向与y轴正向所夹1象限，顺时分布2、3、4象限，“X”型四旋翼飞行器放置在xy水平面，1号旋翼电机在1象限的角平分线上，2号、3号、4号电机分布在2、3、4象限的角平分线上。四旋翼飞行器移动平台的六自由度输出控制，包括沿着z轴移动进行上升下降、沿着y轴移动进行前行后退、沿着x轴移动进行左右移动、围绕y轴旋转进行横滚、围绕x轴旋转进行俯仰、围绕z轴旋转进行偏航。

假定1号、3号电机顺时针旋转螺旋桨，2号、4号电机逆时针旋转螺旋桨，当顺时针扭矩和逆时针扭矩相等时平台自身稳定不转动。当四个电机合力等于四旋翼飞行器重力时，处于平台悬停状态，当大于重力时平台上升，否则下降。当3号、4号电机合力大于1号、2号电机合力时，平台沿着y轴前进，否则后退。当1号、4号电机合力大于2号、3号电机合力时，平台沿着x轴右移，否则左移。假定平台自身稳定不转动时，同时，等量提高1号、3号电机转速，平台自身顺时针偏航，否则逆时针偏航。

4 实施方案设计

按照农业低空遥感系统功能分析和结构设计方案，在课题研究过程中，将系统实施按模块和专业技术细节划分，组织各专业学生参与科研项目。四旋翼飞行器移动平台包含六自由度自稳系统、自主巡航系统、环境监测系统、通信系统;地面站平台包含通信系统、数据分析系统。通信系统模块由移动通信技术专业学生团队负责;数据分析系统模块由大数据专业学生团队负责;六自由度自稳系统由电气工程及其自动化专业学生团队负责;自主巡航系统、环境监测系统模块由电子信息科学与技术、软件工程专业学生团队负责。移动平台样机外观如图1所示。

六自由度自稳系统包含四旋翼电机的电子调速器、测量飞行器姿态的三轴角速度陀螺仪、预估高度的气压计等机载设备。由于四旋翼飞行器的四动力输入、六自由度输出的欠驱动特性，使得六自由度自稳系统控制异常复杂，需要单独的CPU实时处理。本文中六自由度自稳系统采用开源框架自动驾驶仪Pixhawk模块，增设微控制器管理自主巡航系统、环境监测系统、通信系统。微控制器采用低成本、低功耗、高性能处理器STM32F03ZET芯片，自主巡航系统采用GPRS模块，环境监测系统采用温湿度传感器DHT12、图像识别模块OpenMV4 H7、通信系统采用nRF2401。当前，四旋翼飞行器的控制平台包含2个CPU，即自动驾驶仪Pixhawk模块CPU和自动巡航系统CPU，两者按照UART串行通信协议传送控制指令和反馈状态信息。在全自主农业低空遥感系统中，自动巡航系统CPU的作用相当于飞机飞行指挥官，自动驾驶仪Pixhawk模块CPU相当于飞机驾驶员，两者协同工作。

在控制农业低空遥感四旋翼飞行器的飞行姿态和空间位置时，为了达到实时性、准确性一般采用串级PID控制算法。P控制算法是比例方法，它是整体控制算法不可缺失的主要控制成分;I控制算法是积分控制方法，是整体控制算法的辅助控制成分，用来消除从开始控制到当前时刻的累积偏差;D控制算法是微分控制方法，是整体控制算法的辅助控制成分，用来消除预测到的即将发生的偏差，也就是超调成分。在控制飞行器绕z轴实现偏航转动时，采用串级PID控制算法的双闭环控制，外层闭环控制偏航转动角度值，内层闭环控制偏航转动角加速度值。这样的双闭环结构可以由内闭环控制实现偏航转动控制速度的实时性，外闭环控制实现偏航转动控制角度的准确性。

5 结论

项目实践的农业低空遥感系统成本低、操作简易，适合在农业农村大田耕作期间使用，用于检测农田环境、预警作物病虫害、预估灾后产量、预警秸秆焚烧等领域。项目的实践可以作为数字农业在大田作物检测领域推广应用的典型案例，为智慧农业工程应用提供参考。

项目的实施过程中调动了吉林农业科技学院电气与信息工程学院各个专业的师生，例如，移动通信技术、电子信息科學与技术、电气工程及其自动化、软件工程等。使学生在动手实践中深化理论知识的理解，教师在实践过程中将科研项目技术细节内容分解成典型教学案例，使得项目成为评价学生学业水平的新型参考指标。

【参考文献】

【1】李丹.微型低空遥感平台研究与实践[J].价值工程，2020，39（04）：236-237.

【2】闫宏洋，李丹.基于四旋翼飞行器的农田作物环境信息采集系统设计[J].内燃机与配件，2018（08）：10-11.

【3】郑亮，李丹，袁健男.航空相机操纵器实时通信电控系统分析[J].产业与科技论坛，2014，13（15）：60-61.