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无人机电机控制开发

宣布时间:2019年01月08日 10:01    宣布者:小编
要害词: 无人机 , 电机控制
泉源:Digi-Key

到 2050 年,全球生齿能够靠近 100 亿。联络国粮食及农业组织 (UN FAO) 2017 粮食及农业未来申报指出,农业产量需增产 50% 才可供应充实的粮食。

联络国粮食及农业组织指出了若干亟待处置赏罚赏罚的粮食增产寻衅。网罗促进墟落贫贱生长、完善粮食系统和前进农业临盆力。而先进手艺关于应对这些寻衅起到主要作用。智能农业的泛起有益于作物产量和家畜治理的刷新。例如应用物联网 (IoT) 手艺可以前进着物产能和家畜安康水平。

群集作物高度、植物密度、叶片状态或牲畜体温等数据赞助农场主、农业临盆者优化植物或植物治理,和意料和最年夜化产量。经由数据剖析后,农场主须要一些有用措施,从而能够凭证所群集信息快速做出决议妄图。但主要效果是农场规模能够极端宏年夜,舒展数千英亩。这时间间,作物或牲畜的检查使命会很是耗时。此外,还难以周全明确作物或植物的安康状态,不容易发现特定区域的部门栽种密度缺乏、干旱或虫害效果。

而无人机能够胜任这些使命。手艺公司正在寻觅措施,让农场主能够应用无人机快速查询会见年夜面积区域,群集可见和非可见波长下的深度信息(图 1)。无人飞翔器 (UAV) 正推动着精准农业的组成,同时也为专家们带了开发云剖析工具的时机,该工具旨在剖析 UAV 飞翔时代群集的数据,以供做出适当的照顾。无人机经由历程优化浇灌、施肥或虫害控制赞助农场主前进产量,并经由历程更高效应用化肥降低资源。

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图 1: 航拍影象的云剖析可以检测作物和土壤状态。(图片泉源: PrecisionHawk)。

农用 UAV 着实不局限于群集数据。具有 10 kg、20 kg 或更高有用载荷的多转子 UAV 比应用拖沓机或轻型飞机的传统农药喷洒要领具有更多优势。培训 UAV 驾驶员比培训飞翔员的时间要短且用度低,而且就购置和操作飞翔器自己而言用度也相对较低。与应用拖沓机相比,喷洒农药的 UAV 速率更快且不会风险作物。此外,纵然连日下雨组成空中积水的情形下,无人机仍可完成作业。

用于精准农业的 UAV 手艺

UAV 进入精准农业市场的时间很短且正处于生耐久,相关律例还未事实敲定。虽然美国联邦航空治理局 (FAA) 赞成小我应用 UAV,但现在榨取用于商用。

就 UAV 手艺而言,一架及格的飞翔器须要基本的电机和飞翔控制、传感器、遥测手艺和用于喷洒农药的阀致动器和液位检测等系统。还建议装配基于雷达的防撞装配。

轻型低功耗高光谱传感器群集的数据相比于传统可见光谱摄像机可为农场主供应更多作物状态信息。高光谱传感器泉源于首先在卫星应用中得以验证的高光谱手艺。应用一系列检测器在超出可见光谱的波长下搜集数据,各检测器经由调治后在超近红外(VNIR,380 至 1000 nm)、近红外(NIR,900 至 1700 nm)或短波长红外(SWIR,950 至 2500 nm)等窄波段内使命。在这类波长下比伶仃的可见光谱更能清晰地不雅不雅察到作物病害的化学特点或其他虫害。现已面市的高光谱传感器价钱实惠,具有低掉落真、宽视场和板载处置赏罚赏罚功效,可以扫除噪音并确保搜集图片的准确性。

完成飞翔

用于精准农业的 UAV 种类多样,从小型结实翼飞机到多转子四轴无人机型平台。用于喷洒农药的 UAV 能够网罗六个或更多转子以供应充实升力,详细取决于预期的有用载荷。

无人机型 UAV 通常接纳有刷或无刷直流 (BLDC) 电机驱动抬升旋翼。小型飞翔器接纳有刷电机以完成轻质简朴单纯的特点,而请求高可靠性和低电磁噪声的 UAV 更偏向于应用 BLDC,特殊是年夜型 UAV。

飞翔器的焦点部件是飞翔控制器,用于处置赏罚赏罚导航、控制电机完成腾飞和在飞翔中保持高度和航向。GPS 导航与轻型小型 MEMS 传感器(例如 3 轴加速率计、3 轴陀螺仪平和压传感器)相联络,可完成准一定位、运动控制和高度感知。就保证飞翔稳固性而言,模子直升机控制器经由历程控制反扭矩尾桨来防止机身沿着自己轴线改变,与当今的多转子 UAV 飞翔控制用具有类似的原理。在 UAV 控制器中,基于 MEMS 传感器融合的惯性丈量功效可以调剂每个电机的速率,确保飞翔器按划定偏向飞翔。

作为精准农业赞助工具,飞翔控制器的真正作用展现在用户接口和特点方面,可以赞助一定 UAV 飞翔蹊径。农场主需事后准确地一定 UAV 飞翔蹊径,以便取得特定区域的完全图片,或确保以最省时省力的要领周全药物喷洒,且尽能够防止过喷情形。

加速电机控制开发

为简化电机驱动的开发,浩荡制造商供应了多种评价套件。控制算法通常收费供应,例如应用霍尔传感器或反电动势丈量来检测转子职位的磁场定向控制 (FOC) 等。这些套件可经由历程供应示例软件,赞助工程师们在应用开发方面取得有益的泉源,让其能够快速顺遂地开发种种电机。

可是,纵然可以借助这些套件,工程师们仍需控制应用电机阻拦设计的专业知识,才干精准地控制速率与扭矩。寻衅在于为特定电机设置软件,然后还须要微调参数以优化对速率和扭矩指令的照顾。工程师须要算出电机的恒压 (Ke)、磨擦系数和惯性矩。假定控制器依附于反电动势丈量,需设置无传感器状态不雅不雅察和速率调治。比来,TI 和 STMicroelectronics 等供应商已告成简化电机的特点化和调谐,是以开发职员无需事前明确电机特点便可驱动电机。两家制造商的妄图略有不合。

ST 在 MC 使命台电机控制开发情形中培植识别和调谐功效(图 2)。电机剖析器经由历程静态开环和闭环测试自动检测电机参数,每次只需几秒钟便可完成。其他功率级、驱动和控制级参数经由历程 MC 使命台 GUI 输入。然后天生并编译项目,让电机泉源迁徙改变且受控。届时 MC 使命台一触式调谐功效可以俭梗直接地调剂设置,保证速率和扭矩控制结实。

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图 2: ST MC 使命台赞助设置。电机剖析器工具可以搜集未知电机参数。

经由历程实验 MC 使命台中的此功效,开发职员具有多种微控制器选择,如种类单一的 STM32 MCU,还可以应用 STM32 生态系统培植低资源的开发平台。比来,ST 推出了接纳不合妄图的 STSPIN32F0。它将一切 STM32F0 微控制器和三相半桥栅极驱动器集成在统一封装当中,具有过流/过压/超温掩护和一组用于霍尔传感器解码的运算镌汰年夜器。STEVAL-SPIN3201 评价板将 STSPIN32F0 IC 与电源治理功效相联络,将与 STSW-STM32100 电机控制资源库合营应用。下载 STSW-SPIN3201 固件示例并联络 MC 使命台,快速完成电机驱动和启动开发使命。

TI 的妄图基于将其 InstaSPIN™-MOTION 软件处置赏罚赏罚妄图嵌入到微控制器(如 TMS320F28069M 等 C2000 Piccolo™ 系列器件)的 ROM 中。InstaSPIN-MOTION 网罗 TI 的 FAST™(磁通量、角度、速率、扭矩)基于软件的转子磁通传感器。还网罗用于电机剖析、单个参数协调谐滋扰源榨取的元器件,可以一定电机类型(图 3)。

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图 3: TI InstaSPIN-MOTION 接纳嵌入在微控制器中的固件完成电机功效。

开发职员可以在 TI MotorWare™ 软件情形中应用 InstaSPIN-MOTION 功效。DRV8312-69M-KIT 将网罗 TMS320F28069M 的控制板与网罗 DRV8312 IC 的电源模块基板相联络,DRV8312 IC 是一款网罗驱动无刷直流电机所需电路的三相整合逆变器。还供应 55 W 电机。

总结

精准农业还为无人机手艺带来了此外一激感人心的时机。接纳高效经济的要领优化产量势在必行,这将促阻拦业蓬勃生长。应用软件来简化飞翔编程并剖析搜集数据和应用现有电机控制专业手艺快速培植稳固可控机身,必将是告成的要害。
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