微控制器中的固件實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)電機(jī)功能

到 2050 年，全球人口可能接近 100 億。聯(lián)合國(guó)糧食及農(nóng)業(yè)組織 (UN FAO) 2017 糧食及農(nóng)業(yè)未來(lái)報(bào)告指出，農(nóng)業(yè)產(chǎn)量需增產(chǎn) 50% 才可提供充足的糧食。

聯(lián)合國(guó)糧食及農(nóng)業(yè)組織指出了若干亟待解決的糧食增產(chǎn)挑戰(zhàn)。包括促進(jìn)農(nóng)村繁榮發(fā)展、完善糧食體系以及提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力。而先進(jìn)技術(shù)對(duì)于應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)起到重要作用。智能農(nóng)業(yè)的出現(xiàn)有利于作物產(chǎn)量和家畜管理的改善。例如使用物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 技術(shù)可以提高作物產(chǎn)能和家畜健康水平。

收集作物高度、植物密度、葉片狀況或牲畜體溫等數(shù)據(jù)幫助農(nóng)場(chǎng)主、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者優(yōu)化植物或動(dòng)物管理，以及預(yù)測(cè)和最大化產(chǎn)量。經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)分析后，農(nóng)場(chǎng)主需要一些有效措施，從而能夠根據(jù)所收集信息快速做出決策。但主要問(wèn)題是農(nóng)場(chǎng)規(guī)?？赡軜O其龐大，蔓延數(shù)千英畝。這時(shí)，作物或牲畜的檢查工作會(huì)十分耗時(shí)。此外，還難以全面了解作物或動(dòng)物的健康狀況，不容易發(fā)現(xiàn)特定區(qū)域的局部種植密度不足、干旱或蟲害問(wèn)題。

而無(wú)人機(jī)能夠勝任這些工作。技術(shù)公司正在尋找方法，讓農(nóng)場(chǎng)主能夠使用無(wú)人機(jī)快速調(diào)查大面積區(qū)域，收集可見和非可見波長(zhǎng)下的深度信息（圖 1）。無(wú)人飛行器 (UAV) 正推動(dòng)著精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的形成，同時(shí)也為專家們帶了開發(fā)云分析工具的機(jī)遇，該工具旨在分析 UAV 飛行期間收集的數(shù)據(jù)，以供做出適當(dāng)?shù)捻憫?yīng)。無(wú)人機(jī)通過(guò)優(yōu)化灌溉、施肥或蟲害控制幫助農(nóng)場(chǎng)主提高產(chǎn)量，并通過(guò)更高效利用化肥降低成本。

圖 1： 航拍影像的云分析可以檢測(cè)作物和土壤狀況。（圖片來(lái)源： PrecisionHawk）。

農(nóng)用 UAV 并不局限于收集數(shù)據(jù)。具有 10 kg、20 kg 或更高有效載荷的多轉(zhuǎn)子 UAV 比使用拖拉機(jī)或輕型飛機(jī)的傳統(tǒng)農(nóng)藥噴灑方式具有更多優(yōu)勢(shì)。培訓(xùn) UAV 駕駛員比培訓(xùn)飛行員的時(shí)間要短且費(fèi)用低，而且就購(gòu)買和操作飛行器本身而言費(fèi)用也相對(duì)較低。與使用拖拉機(jī)相比，噴灑農(nóng)藥的 UAV 速度更快且不會(huì)損害作物。此外，即使連日下雨造成地面積水的情況下，無(wú)人機(jī)仍可完成作業(yè)。

用于精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的 UAV 技術(shù)

UAV 進(jìn)入精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)市場(chǎng)的時(shí)間很短且正處于發(fā)展期，相關(guān)法規(guī)還未最終敲定。盡管美國(guó)聯(lián)邦航空管理局 (FAA) 批準(zhǔn)個(gè)人使用 UAV，但目前禁止用于商用。

就 UAV 技術(shù)而言，一架合格的飛行器需要基本的電機(jī)和飛行控制、傳感器、遙測(cè)技術(shù)以及用于噴灑農(nóng)藥的閥致動(dòng)器和液位檢測(cè)等系統(tǒng)。還建議安裝基于雷達(dá)的防撞裝置。

輕型低功耗高光譜傳感器收集的數(shù)據(jù)相比于傳統(tǒng)可見光譜攝像機(jī)可為農(nóng)場(chǎng)主提供更多作物狀況信息。高光譜傳感器起源于首先在衛(wèi)星應(yīng)用中得以驗(yàn)證的高光譜技術(shù)。使用一系列檢測(cè)器在超出可見光譜的波長(zhǎng)下采集數(shù)據(jù)，各檢測(cè)器經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)后在超近紅外（VNIR，380 至 1000 nm）、近紅外（NIR，900 至 1700 nm）或短波長(zhǎng)紅外（SWIR，950 至 2500 nm）等窄波段內(nèi)工作。在這種波長(zhǎng)下比單獨(dú)的可見光譜更能清晰地觀察到作物病害的化學(xué)特征或其他蟲害。現(xiàn)已面市的高光譜傳感器價(jià)格實(shí)惠，具有低失真、寬視場(chǎng)和板載處理功能，可以消除噪音并確保采集圖片的準(zhǔn)確性。

實(shí)現(xiàn)飛行

用于精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的 UAV 種類多樣，從小型固定翼飛機(jī)到多轉(zhuǎn)子四軸無(wú)人機(jī)型平臺(tái)。用于噴灑農(nóng)藥的 UAV 可能包含六個(gè)或更多轉(zhuǎn)子以提供充足升力，具體取決于預(yù)期的有效載荷。

無(wú)人機(jī)型 UAV 通常采用有刷或無(wú)刷直流 (BLDC) 電機(jī)驅(qū)動(dòng)抬升旋翼。小型飛行器采用有刷電機(jī)以實(shí)現(xiàn)輕質(zhì)簡(jiǎn)易的特性，而要求高可靠性和低電磁噪聲的 UAV 更傾向于使用 BLDC，特別是大型 UAV。

飛行器的核心部件是飛行控制器，用于處理導(dǎo)航、控制電機(jī)完成起飛以及在飛行中保持高度和航向。GPS 導(dǎo)航與輕型小型 MEMS 傳感器（例如 3 軸加速度計(jì)、3 軸陀螺儀和氣壓傳感器）相結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定位、運(yùn)動(dòng)控制和高度感知。就保證飛行穩(wěn)定性而言，模型直升機(jī)控制器通過(guò)控制反扭矩尾槳來(lái)防止機(jī)身沿著自身軸線旋轉(zhuǎn)，與現(xiàn)今的多轉(zhuǎn)子 UAV 飛行控制器具有相似的原理。在 UAV 控制器中，基于 MEMS 傳感器融合的慣性測(cè)量功能可以調(diào)整每個(gè)電機(jī)的速度，確保飛行器按規(guī)定方向飛行。

作為精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)輔助工具，飛行控制器的真正作用體現(xiàn)在用戶接口和特性方面，可以幫助確定 UAV 飛行路線。農(nóng)場(chǎng)主需預(yù)先準(zhǔn)確地確定 UAV 飛行路徑，以便獲取特定區(qū)域的完整圖片，或確保以最省時(shí)省力的方式全面藥物噴灑，且盡可能避免過(guò)噴情況。

加速電機(jī)控制開發(fā)

為簡(jiǎn)化電機(jī)驅(qū)動(dòng)的開發(fā)，眾多制造商提供了多種評(píng)估套件?？刂扑惴ㄍǔＣ赓M(fèi)提供，例如使用霍爾傳感器或反電動(dòng)勢(shì)測(cè)量來(lái)檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置的磁場(chǎng)定向控制 (FOC) 等。這些套件可通過(guò)提供示例軟件，幫助工程師們?cè)趹?yīng)用開發(fā)方面取得有利的開端，讓其能夠快速順利地開發(fā)各類電機(jī)。

然而，即使可以借助這些套件，工程師們?nèi)孕枵莆帐褂秒姍C(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)的專業(yè)知識(shí)，才能精準(zhǔn)地控制速度與扭矩。挑戰(zhàn)在于為特定電機(jī)設(shè)置軟件，然后還需要微調(diào)參數(shù)以優(yōu)化對(duì)速度和扭矩指令的響應(yīng)。工程師需要算出電機(jī)的恒壓 (Ke)、摩擦系數(shù)和慣性矩。如果控制器依賴于反電動(dòng)勢(shì)測(cè)量，需設(shè)置無(wú)傳感器狀態(tài)觀察和速度調(diào)節(jié)。最近，TI 和 STMicroelectronics 等供應(yīng)商已成功簡(jiǎn)化電機(jī)的特征化和調(diào)諧，因此開發(fā)人員無(wú)需事先了解電機(jī)特性便可驅(qū)動(dòng)電機(jī)。兩家制造商的方案略有不同。

ST 在 MC 工作臺(tái)電機(jī)控制開發(fā)環(huán)境中創(chuàng)建識(shí)別和調(diào)諧功能（圖 2）。電機(jī)分析器通過(guò)靜態(tài)開環(huán)和閉環(huán)測(cè)試自動(dòng)檢測(cè)電機(jī)參數(shù)，每次只需幾秒鐘即可完成。其他功率級(jí)、驅(qū)動(dòng)和控制級(jí)參數(shù)通過(guò) MC 工作臺(tái) GUI 輸入。然后生成并編譯項(xiàng)目，讓電機(jī)開始轉(zhuǎn)動(dòng)且受控。屆時(shí) MC 工作臺(tái)一觸式調(diào)諧功能可以簡(jiǎn)單直接地調(diào)整設(shè)置，保證速度和扭矩控制平穩(wěn)。

圖 2： ST MC 工作臺(tái)輔助設(shè)置。電機(jī)分析器工具可以采集未知電機(jī)參數(shù)。

通過(guò)實(shí)施 MC 工作臺(tái)中的此功能，開發(fā)人員具有多種微控制器選擇，如種類繁多的 STM32 MCU，還可以利用 STM32 生態(tài)系統(tǒng)創(chuàng)建低成本的開發(fā)平臺(tái)。最近，ST 推出了采用不同方案的 STSPIN32F0。它將整個(gè) STM32F0 微控制器和三相半橋柵極驅(qū)動(dòng)器集成在同一封裝之中，具有過(guò)流/過(guò)壓/超溫保護(hù)以及一組用于霍爾傳感器解碼的運(yùn)算放大器。STEVAL-SPIN3201 評(píng)估板將 STSPIN32F0 IC 與電源管理功能相結(jié)合，將與 STSW-STM32100 電機(jī)控制資源庫(kù)配合使用。下載 STSW-SPIN3201 固件示例并結(jié)合 MC 工作臺(tái)，快速實(shí)現(xiàn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)以及啟動(dòng)開發(fā)工作。

TI 的方案基于將其 InstaSPIN?-MOTION 軟件解決方案嵌入到微控制器（如 TMS320F28069M 等 C2000 Piccolo? 系列器件）的 ROM 中。InstaSPIN-MOTION 包括 TI 的 FAST?（磁通量、角度、速度、扭矩）基于軟件的轉(zhuǎn)子磁通傳感器。還包括用于電機(jī)分析、單個(gè)參數(shù)調(diào)諧和干擾源抑制的元器件，可以確定電機(jī)類型（圖 3）。

圖 3： TI InstaSPIN-MOTION 采用嵌入在微控制器中的固件實(shí)現(xiàn)電機(jī)功能。

開發(fā)人員可以在 TI MotorWare? 軟件環(huán)境中使用 InstaSPIN-MOTION 功能。DRV8312-69M-KIT 將包含 TMS320F28069M 的控制板與包含 DRV8312 IC 的電源模塊基板相結(jié)合，DRV8312 IC 是一款包含驅(qū)動(dòng)無(wú)刷直流電機(jī)所需電路的三相整合逆變器。還提供 55 W 電機(jī)。

總結(jié)

精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)還為無(wú)人機(jī)技術(shù)帶來(lái)了另一激動(dòng)人心的機(jī)會(huì)。采用高效經(jīng)濟(jì)的方式優(yōu)化產(chǎn)量勢(shì)在必行，這將促進(jìn)行業(yè)蓬勃發(fā)展。使用軟件來(lái)簡(jiǎn)化飛行編程并分析采集數(shù)據(jù)以及利用現(xiàn)有電機(jī)控制專業(yè)技術(shù)快速創(chuàng)建穩(wěn)定可控機(jī)身，必將是成功的關(guān)鍵。