自主無(wú)人機(jī)在農(nóng)業(yè)施肥與除蟲害的應(yīng)用

田野 黑龍江農(nóng)墾科技職業(yè)學(xué)院

為適應(yīng)社會(huì)的發(fā)展需求，農(nóng)業(yè)在耕地，播種以及收割的效率上都開始提高，但是關(guān)于農(nóng)藥噴灑仍有不足。當(dāng)前農(nóng)藥噴灑采用的方式還是以往人工噴灑，還有就是存在農(nóng)藥噴灑工具，農(nóng)藥噴灑技術(shù)滯后問題，這樣的狀態(tài)無(wú)法跟上農(nóng)業(yè)技術(shù)的發(fā)展水平，對(duì)于大規(guī)模病蟲害的防治不利。傳統(tǒng)意義上的噴灑方式，實(shí)際工作效率不高，致使會(huì)出現(xiàn)噴灑不均勻的問題，而且負(fù)責(zé)農(nóng)藥噴灑的工作人員直接在處于藥?kù)F的環(huán)境中，威脅著他們的身體健康。

自主無(wú)人機(jī)在科學(xué)技術(shù)的發(fā)展下誕生，得到了大力推廣。對(duì)于旋翼無(wú)人機(jī)而言，操作上非常簡(jiǎn)單，具有飛行穩(wěn)定的特點(diǎn)，在多個(gè)領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，尤其是在偵查，監(jiān)控等領(lǐng)域應(yīng)用最多。但是，當(dāng)前情況是無(wú)人機(jī)控制算法，產(chǎn)品應(yīng)用仍處于不成熟狀態(tài)，在農(nóng)業(yè)應(yīng)用發(fā)展上還無(wú)法做到平衡。為此，要研究無(wú)人機(jī)噴灑控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，讓農(nóng)藥能自動(dòng)化進(jìn)行噴灑，有效解決以往人工噴灑給人們健康帶來危害和實(shí)際利用率低的問題，從而促使工作效率得到提高。

一、系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（一）無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)

重量較輕，硬度較強(qiáng)，比較容易成形，這是復(fù)合性材料的優(yōu)勢(shì)，所以在無(wú)人機(jī)的機(jī)身骨架位置適合應(yīng)用復(fù)合材料。四旋翼無(wú)人機(jī)中，1號(hào)和3號(hào)無(wú)刷電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向與2號(hào)和4號(hào)無(wú)刷電機(jī)的旋轉(zhuǎn)正好方向相反。換言之，一個(gè)是逆時(shí)針的旋轉(zhuǎn)，還有一個(gè)是順時(shí)針的旋轉(zhuǎn)，其設(shè)計(jì)的主要目的是將無(wú)人機(jī)飛行時(shí)對(duì)角線旋翼反轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的陀螺效率加以抵消，從而在飛行中預(yù)防自旋現(xiàn)象的發(fā)生。

（二）農(nóng)藥噴灑系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在自主農(nóng)藥噴灑系統(tǒng)中，其中的硬件結(jié)構(gòu)是由STM32單片機(jī)實(shí)現(xiàn)，主要是利用WiFi 接收控制的信號(hào)，并依據(jù)信號(hào)加以處理。另外，單片機(jī)利用對(duì)繼電器閉合的控制實(shí)施農(nóng)藥的噴灑工作，并在實(shí)際采集中整合傳感器中傳來的數(shù)據(jù)信息，進(jìn)一步獲取飛行姿態(tài)，充分調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，確保無(wú)人機(jī)噴灑能夠保持平衡性。

二、硬件設(shè)計(jì)

（一）STM32最小系統(tǒng)板

STM32最水系統(tǒng)板主要的組成是多個(gè)部分，包括電源模塊，復(fù)位模塊、通訊接口電路等。STM32將電路和復(fù)位電路、電源模塊整合起來，有電壓轉(zhuǎn)換的功能，而且在最小系統(tǒng)板的正極輸入端接二極管可預(yù)防電源芯片被燒壞的情況。除此之外，復(fù)位電路能夠讓系統(tǒng)恢復(fù)到最初狀態(tài)，在無(wú)人機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)生故障的過程中，可利用復(fù)位來恢復(fù)運(yùn)作。

（二）AK8975磁力計(jì)

AK8975磁力計(jì)磁力計(jì)模塊與電子陀螺儀 MPU6050 可以進(jìn)行有效的組合，保證在三維空間的飛行下，無(wú)人機(jī)飛行器姿態(tài)測(cè)量數(shù)據(jù)的測(cè)量準(zhǔn)確性可以基本上符合實(shí)際的需要。

（三）MPU6050電子陀螺儀

電子陀螺儀可在無(wú)人機(jī)飛行的時(shí)候，全面監(jiān)測(cè)飛行器的姿態(tài)，從而保證飛行器能夠依據(jù)遙感控制器的指令準(zhǔn)確的飛行。電子蛇螺儀和磁力計(jì)，由于都是準(zhǔn)確度較高的電子元器伯，因此在進(jìn)行安裝的時(shí)候，一定要確保是水平放置的情況。除此之外，可應(yīng)用3D打印技術(shù)，制定水平旋轉(zhuǎn)臺(tái)，并把傳感器安裝在水平放置臺(tái)上，再利用無(wú)人機(jī)進(jìn)行準(zhǔn)確調(diào)試，從而有效縮小因?yàn)閮A斜帶來的飛行上的誤差。

三、軟件算法設(shè)計(jì)

（一）整體框架

在自主無(wú)人機(jī)實(shí)施農(nóng)藥噴灑中，整體的框架設(shè)計(jì)是由人機(jī)飛行器系統(tǒng)軟件，以及部分主程序組成。傳感器的初始化，飛行器飛姿態(tài)的有效調(diào)整以及優(yōu)先順序調(diào)控等，這些都是主程序所承載的實(shí)際功能。進(jìn)行農(nóng)藥噴灑的時(shí)候，飛行器移動(dòng)和藥箱重量都比較輕，要調(diào)整飛行器的轉(zhuǎn)速，還有飛行器的轉(zhuǎn)向，這就給無(wú)人機(jī)姿態(tài)控制提出了比較高的要求。所以要在各個(gè)傳感器模塊的數(shù)據(jù)上采用 5 ms 讀取，利用算法將數(shù)據(jù)整合起來，從而傳送到控制器當(dāng)中做相應(yīng)的調(diào)整。

（二）農(nóng)藥噴灑的遠(yuǎn)程控制

在STM32單片機(jī)和遙控器之間，通訊的形式可以利用 WiFi 實(shí)現(xiàn)。而遙控器發(fā)送的信號(hào)可以直接給無(wú)人機(jī)遠(yuǎn)程來控制農(nóng)藥的噴灑。實(shí)施操作的時(shí)候，工作人員利用遙控器對(duì)無(wú)人機(jī)的飛行工和加以控制，由STM32單片機(jī)來接收遙控的信號(hào)，從而獲得良好的無(wú)人機(jī)姿態(tài)，并對(duì)姿態(tài)采樣獲得初步數(shù)值，再應(yīng)用PID控制對(duì)電機(jī)加以調(diào)整，以此讓無(wú)人機(jī)的飛行能夠保持在正確的道路中。第一，依據(jù)發(fā)送噴灑指令給單片機(jī)，然后收到指令后對(duì)繼電器閉合加以控制，促使農(nóng)藥噴灑裝置能夠?qū)嵤┯行У墓ぷ鳌５诙?，信?hào)角發(fā)端有低電平觸發(fā)的時(shí)候，要把公共端和常開端接通好，從而讓水泵能夠接收到高電平，水泵斷電后農(nóng)藥的噴灑工作停止。

（三）農(nóng)藥噴灑無(wú)人機(jī)測(cè)試

當(dāng)自主無(wú)人機(jī)硬件和軟件設(shè)計(jì)工作完成以后，在農(nóng)藥噴灑中可做相應(yīng)的調(diào)試，并在初步調(diào)試測(cè)試的時(shí)候，利用尼龍繩在無(wú)人機(jī)對(duì)角處將重物固定上。與此同時(shí)，選擇功能強(qiáng)的開源上位機(jī)，把串口和無(wú)線WiFi模塊進(jìn)行連接，再由上位機(jī)給無(wú)人機(jī)飛發(fā)送指令，從而能夠傳輸飛信狀態(tài)信息到上位機(jī)中。

（四）無(wú)人機(jī)噴灑測(cè)試

完成無(wú)人機(jī)調(diào)試以后，需要采用3D打印技術(shù)，制定模擬裝載農(nóng)藥的水箱，并在箱里內(nèi)置水泵，然后在無(wú)人機(jī)飛行姿態(tài)和農(nóng)藥噴灑時(shí)使用遙控器來加以控制，以此把實(shí)際農(nóng)藥噴灑控制在合理的范圍，以直徑φ2 m為宜。

四、結(jié)語(yǔ)

在自主無(wú)人機(jī)噴灑控制系統(tǒng)中，利用遙控器控制無(wú)人機(jī)，可以實(shí)施農(nóng)藥的有效性噴灑。實(shí)踐表明，無(wú)人機(jī)農(nóng)藥噴灑有很多的優(yōu)勢(shì)，包括噴灑穩(wěn)定，實(shí)用性強(qiáng)，當(dāng)然最為主要的還是在農(nóng)業(yè)施肥與除蟲害方面優(yōu)勢(shì)明顯，一方面可在很大程度上降低工作人員的勞動(dòng)量，另一方面還有利于勞動(dòng)成本的節(jié)約，給農(nóng)藥噴灑效率的提高帶來益處。