關于智能植保（果樹）無人機自動控制系統的研究

　　楊晶晶，宋丹雪（杭州電子科技大學，杭州?310000）

　　摘?要：無人機植保的自動化和智能化很大程度上解決操作門檻高的問題，也是推廣此項技術的關鍵。本文構建出一個自動化的尋跡尋址系統，通過GPS定位技術得到果田坐標信息，圖像處理技術自動尋找并懸停在每棵果樹上，再根據傳感器測距技術調整噴灑農藥的合適距離，提高了農藥噴灑的精準度和安全性，實現了功能的自動化。因為該系統只需用一臺有GPS和藍牙功能的手機即可搜集需要的果田信息，再傳輸給無人機，無人機即可自動尋跡尋址，所以在很大程度上解放了雙手，降低了操作的門檻，有利于無人機植保的推廣。

　　關鍵詞：自動控制系統；GPS定位技術；圖像處理技術；算法優化；傳感器測距

　　近年來，果樹無人機農藥噴灑技術發展迅速。與傳統人工施藥方式相比，植保無人機噴灑速度效率高，能有效降低人工成本，提高工作效率。由植保機械代替人工噴灑農藥將是未來農業的發展趨勢。但是目前生產的植保機基本都需要人工手動控制，而操作植保無人機需要較高門檻，果農只能通過將技術人員請上門進行噴灑農藥，這樣的不便利性造成植保行業無人機推廣緩慢。制約我國果樹植保行業無人機推廣的主要瓶頸問題已由飛行平臺與控制系統的穩定性問題轉化為無人植保機智能化低、環境感知功能低、操作門檻高、自動化低的問題。完善的自動化尋跡尋址噴灑系統能很大程度上解決操作門檻高的問題。

　　本文主要利用GPS定位技術、圖像處理技術、算法優化、傳感器測距技術，構建出一個完善的自動化尋跡尋址噴灑系統。

　　1 系統構架與工作原理

　　圖1示意了自動化系統總體工作流程，主要由手動記錄標記位置、自動規劃路線、圖像處理、傳感器測距幾個重要部分組成。

　　1.1 手動記錄標記位置

　　果樹種植多為成排種植，系統第一次使用或新增果樹樹則需手動記錄每排首尾兩棵樹的（新）坐標。為了使操作更加簡便，只需用手機自帶的GPS功能，記錄所需每排首尾兩棵樹的坐標，再用藍牙技術將所有標記點坐標傳輸到無人機進行下一步的處理。

　　1.2 自動規劃路線

　　我們將種植果樹排的方向規定為y軸，在用標記點坐標確定了農田邊界之后，將GPS坐標轉換成X-Y坐標。我們得到了關于y軸上的兩條邊界點集。這兩條邊界上的點兩兩一組對應，兩點之間即為第n排果樹。我們的系統可以容許無人機有任意的起飛地點，然后自動規劃最佳路線，并進行精確的、無遺漏的農藥噴灑。另外，系統還可以根據邊界點的二次修改，自動修改坐標點集，重新規劃最佳噴灑路線。

　　當無人機需要補充農藥或者電量不足時，會記住噴灑農藥的進度，即某棵果樹的坐標點，和此次噴灑任務的路線規劃，然后暫停任務，回到補給點降落，停止工作。待補給完成，人工開啟此任務，無人機便會回到記憶點繼續任務。當然人工也可隨時暫停任務。

　　1.3 圖像處理

　　主要分為兩個方面：一是判斷果樹位置，來調整懸停位置；二是判斷果樹大小，以確定噴灑農藥的多少。規定無人機飛行的大致路線基本與排的方向一致，無人機自載的攝像頭將俯拍的圖像不斷傳回微處理器進行處理，根據圖像信息調整無人機位置，使其懸停在果樹上。再根據圖像信息確定果樹的生長大小，將信息傳到下一步驟。

　　1.4 傳感器測距

　　根據圖像處理傳來的果樹大小信息，無人機會利用傳感器測距技術自動調整噴灑高度及噴灑農藥大小進行噴灑，讓農藥噴灑能更深入而不僅僅浮于表面，減少農藥浪費。

　　2 系統硬件搭配

　　系統的硬件模塊基本由圖2所示。藍牙模塊將手機里收集的標記坐標傳輸到無人機上，配合著GPS模塊得到的位置信息，圖像處理模塊得到的樹木信息，測距儀得到的高度信息，微處理器處理得到的信息，再給飛控系統發出指令，實現無人機的自動化智能化尋跡尋址噴灑功能。

　　2.1 飛控

　　飛行控制器件擬采用大疆N3 AG型號的飛控。作為NAZA飛控系列的最新一代產品，N3多旋翼飛控系統采用DJI最新的控制導航算法，新增的內置雙IMU冗余設計，可實現數據實時互為備份，結合全新內減震結構設計，賦予飛行器高可靠性；“黑匣子”數據記錄系統為飛行性能分析提供精準數據支持，同時，對于包括Lightbridge 2和 DJI Assistant 2等在內的一系列DJI配件、高性能軟件、SDK和A3 Upgrade Kit高性能導航模塊的支持，可幫助飛行器實現豐富的應用擴展。

　　2.2 微處理器

　　主控器件STM32F103單片機使用的是ARM 公司為要求性能高、成本低、功耗低的嵌入式應用專門設計的32位的ARM Cortex-M3內核。擁有可達128 kB的嵌入式閃存、20 kB的SRAM 和十分豐富的外設：兩個1μs的12位ADC，1個全速USB（OTG）接口，1個CAN 接口，3個4 M/S的UART，2個18 M/S的SPI，2個I 2 C等。內部還集成了復位電路、低電壓檢測、調壓器、精確的RC振蕩器等該系列單片機不僅功能強大而且功耗相當低，在72 MHz時消耗36 mA（所有外設處于工作狀態），相當于0.5 mA/MHz，待機時下降到2μA ，是32位市場上功耗最低的產品。STM32F103系列單片機豐富的I/O 接口可以與傳感器模塊進行高效通信，用其做主控制器可以減少使用器件從而簡化使整體電路，很好地達到降低EMS成本的目標。

　　2.3 數字信號處理器

　　TMS320x24x系列數字信號處理器是TI公司推出地一種面向數字馬達控制、嵌入式控制系統和數字控制系統開發的新型可編程DSP芯片。LF2407是x240x系列DSP控制器性能最強、片上設施最完備的一個型號，被廣泛用于代碼開發、系統仿真及實際系統中，其主要特點：

　　1） 采用高性能靜態CMOS技術，使得供電電壓降為3.3 V，減小了控制器的功耗;30 MIPS的執行速度使得指令周期縮短到33 ns（30 MHz），從而提高了控制器的實時控制能力。

　　2） 兩個事件管理器模塊EVA和EVB，每個包括：兩個16位通用定時器;8個16位的脈寬調制（PWM）通道。適用于控制交流感應電機、無刷直流電機、步進電機和逆變器等。

　　3） 10位A/D轉換器最小轉換時間為500 ns，可選擇由兩個事件管理器來觸發兩個8通道輸入A/D轉換器或一個16位通道輸入的A/D轉換器。

　　2.4 測距傳感器

　　夏普的GP2Y0A02YK0F距離測量傳感器模塊。它由PSD(position sensitive detector) 和IRED (infraredemitting diode) 以及信號處理電路三部分組成。由于采用了三角測量方法，被測物體的材質、環境溫度以及測量時間都不會影響傳感器的測量精度。傳感器輸出電壓值對應探測的距離。通過測量電壓值就可以得出所探測物體的距離，所以這款傳感器可以用于距離測量、避障等場合。

　　2.5 藍牙

　　無人機藍牙采用HC06型號藍牙。此模塊遵循藍牙2.0協議，支持SPP藍牙串口協議，支持UART接口。成本低兼容性好，功耗低。可使無人機與電腦、藍牙主機、手機等智能終端配對。寬波特率范圍4 800~1 382 400，兼容5 V/3.3 V單片機系統，寬電壓供電3.3 V~5.5 V。連接飛控，需要修改波特率為115 200，命令為AT+BAUD8。

　　3 系統詳細設計

　　3.1 形成二維坐標模型

　　將果田視為一個矩形，將種植果樹排的方向規定為y軸，矩形的兩條長或寬邊上的每顆果樹坐標信息已知，并分別存入兩個集里面，一一對應。為了給無人機更簡明的工作指示和給果農更好的信息反饋，我們的系統將自動形成一個更規整的二維坐標模型。

　　3.2 自動尋跡設計思路

　　無人機起飛，GPS自我定位，確定離無人機最近的一個邊角點，作為此次任務的起點，并自動飛行至該點。例如圖中，最近距離紅線標注，起點為（m-1，1）。

　　此次任務噴灑路線規劃按如圖所示，蛇形飛行，最后回到原點。其中每一排由橫坐標最小和最大兩個邊界點坐標定位，即若一排上新增果樹，自動判定新邊界點并刪除舊邊界點。其間的果樹通過連續拍攝圖片，提取圖片信息，精確獲取果樹位置，實時微調無人機噴灑位置。

　　中途沒電或農藥不足，記下當前坐標（m-2，3），回到原點補給，之后返回（m-2，3）點，繼續此次任務。

　　3.3 圖像識別

　　采用ARM微處理器的STM32F103芯片進行圖像處理，圖像處理的程序在Keil uVision4環境下通過C語言實現。

　　先將采集到的圖像進行灰度轉換。在程序編寫中先通過公式計算像素亮點值，再將得到的結果賦值給R、G、B三基色，即可將彩色圖像轉化為灰度圖像。再將圖像閾值化分割。將圖像二值化，即把圖片中的樹與空地分別出來。理想的二值化圖像是目標物（果樹）為純黑色，背景（空地）為純白色。數學上可描述為：

　　這里的T是閾值，將T值用于整幅圖像，進行全局閾值化。在一個坐標為 (x,y)的點對 T 值的選取依賴于圍繞 (x,y)的領域中所有像素值的統計特性，這個過程稱為局部或區域閾值化。

　　圖像處理好后，識別圖像中果樹的位置，以調整無人機的懸停位置；識別圖像中果樹的大小，將信息傳向下一個模塊。

　　3.4 傳感器測距

　　在無人機確定了需要噴灑的果樹位置，并從上空移動到該位置之后，紅外線測距模塊將會啟動。我們的無人機運用了夏普GP2Y0A02YK0F型紅外測距傳感器，當無人機下降去靠近果樹時，在離果樹20 cm~150 cm之內，此模塊輸出電壓將會隨著距離的減小而增大。因此無人機可以自動下降到噴灑農藥的最佳位置，進行對果樹的農藥噴灑。

　　4 結論

　　本文運用GPS定位技術、圖像處理技術、算法優化、傳感器測距技術，提出一種自動化系統取代人工遙控植保無人機進行噴灑農藥。降低了植保無人機使用的門檻，同時也大大減少了人工成本和農藥浪費量。

　　參考文獻

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　　[5] 用于小面積農地果樹的智能植保無人機系統的研究與推廣[R].杭州：杭州電子科技大學，2018.

　　本文來源于科技期刊《電子產品世界》2019年第12期第37頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。