微型低空遙感平臺(tái)研究與實(shí)踐

李丹

摘要：本文依托吉林省數(shù)字農(nóng)業(yè)重點(diǎn)學(xué)科，使用吉林省智慧農(nóng)業(yè)工程研究中心農(nóng)作物生產(chǎn)設(shè)施，開(kāi)展微型低空遙感平臺(tái)研究設(shè)計(jì)與實(shí)踐。本文詳細(xì)闡述了數(shù)字農(nóng)業(yè)領(lǐng)域低空遙感技術(shù)的現(xiàn)狀、應(yīng)用場(chǎng)景與關(guān)鍵技術(shù)、實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景、實(shí)驗(yàn)實(shí)施方案、核心系統(tǒng)設(shè)計(jì)等內(nèi)容。此系統(tǒng)經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，運(yùn)行效果良好。

Abstract： Based on Jilin Province digital agriculture key discipline， using the crop production facility of Jilin Province Intelligent Agricultural Engineering Research Center， the research design and practice of micro-low altitude remote sensing platform are carried out in this paper. The present situation， application scenarios， key technologies， experiment scenarios， experiment scheme and core system design of low-altitude remote sensing technology in digital agriculture are described in detail in this paper.

關(guān)鍵詞：低空遙感;飛行控制;數(shù)據(jù)采集

Key words： low altitude remote sensing;flight control;data acquisition

中圖分類(lèi)號(hào)：P627? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-4311（2020）04-0236-02

1? 農(nóng)用低空遙感技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

將低空遙感技術(shù)運(yùn)用到農(nóng)業(yè)中是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的再次技術(shù)革新。低空遙感平臺(tái)可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)設(shè)備作業(yè)范圍小、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)難等問(wèn)題，同時(shí)又彌補(bǔ)了衛(wèi)星遙感的成本高、受天氣狀況影響大等問(wèn)題。微型低空遙感平臺(tái)可以獲取土壤墑情、監(jiān)測(cè)作物長(zhǎng)勢(shì)、病蟲(chóng)害等農(nóng)業(yè)生產(chǎn)信息，幫助農(nóng)田管理者檢測(cè)農(nóng)田，改變從前廣施肥、多撒藥的粗獷作業(yè)方式，達(dá)到節(jié)約成本、達(dá)到精準(zhǔn)作業(yè)的目的，真正完成從傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向數(shù)字農(nóng)業(yè)的轉(zhuǎn)型。農(nóng)用低空遙感技術(shù)在美國(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家使用較早，已經(jīng)成為植保領(lǐng)域的主力軍。低空遙感目前在我國(guó)處于起步階段，主要在農(nóng)業(yè)保險(xiǎn)賠付、小面積農(nóng)田農(nóng)藥噴施等方面有了一些應(yīng)用。研制農(nóng)用低空遙感平臺(tái)成為了一個(gè)新興的農(nóng)用設(shè)備產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域。

2? 低空遙感平臺(tái)應(yīng)用場(chǎng)景及其關(guān)鍵技術(shù)

本文針對(duì)目前溫室和農(nóng)業(yè)大田環(huán)境信息分布式監(jiān)測(cè)技術(shù)上存在的需求，設(shè)計(jì)一個(gè)程控自主飛行無(wú)人機(jī)低空遙感系統(tǒng)，系統(tǒng)小巧、靈活并且可以飛行姿態(tài)自主控制、自主定位與導(dǎo)航、自主避障、完成信息數(shù)據(jù)分析處理。

本文針對(duì)無(wú)人機(jī)低空遙感系統(tǒng)識(shí)別作物種類(lèi)進(jìn)行研究，在可見(jiàn)光區(qū)低空遙感影像對(duì)作物種類(lèi)反應(yīng)是較為敏感的，可以判讀出作物的種類(lèi)。針對(duì)無(wú)人機(jī)低空遙感系統(tǒng)識(shí)別作物長(zhǎng)勢(shì)進(jìn)行研究，根據(jù)不同作物長(zhǎng)勢(shì)的葉片對(duì)不同電磁波的反射特征不同，可以進(jìn)行作物長(zhǎng)勢(shì)分析。同時(shí)對(duì)植被覆蓋率監(jiān)測(cè)、土壤溫濕度監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域進(jìn)行研究。關(guān)鍵技術(shù)闡述如下：

①無(wú)人機(jī)低空遙感平臺(tái)的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)。無(wú)人機(jī)低空遙感平臺(tái)應(yīng)該以小巧、靈活、具有一定的載荷量作為基本的設(shè)計(jì)原則，夠在農(nóng)作物生長(zhǎng)空間內(nèi)靈活飛行。②脫離RC遙控器，實(shí)現(xiàn)程序控制飛行，完成智能懸停設(shè)定高度、完成按照預(yù)先設(shè)定規(guī)劃路徑智能飛行。③脫離RC遙控器，實(shí)現(xiàn)程序控制飛行，完成對(duì)農(nóng)田作物生產(chǎn)設(shè)施的智能躲避。④采集信息數(shù)據(jù)的無(wú)線(xiàn)傳輸。主要目的是將采集到的空間環(huán)境數(shù)據(jù)，通過(guò)無(wú)線(xiàn)技術(shù)傳輸?shù)江h(huán)境控制器，作為環(huán)境調(diào)控的依據(jù)。⑤飛行器姿態(tài)控制。在保證飛行器在作物生長(zhǎng)空間穩(wěn)定飛行的前提下實(shí)現(xiàn)對(duì)空間環(huán)境信息的測(cè)量。

3? 低空遙感平臺(tái)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景

首先，智慧農(nóng)業(yè)工程研究中心已經(jīng)建設(shè)完成了智慧農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室，實(shí)驗(yàn)室含有物聯(lián)網(wǎng)智慧農(nóng)業(yè)沙盤(pán)仿真系統(tǒng)，為無(wú)人機(jī)低空遙感系統(tǒng)調(diào)試提供農(nóng)作物生長(zhǎng)的空間環(huán)境仿真信息數(shù)據(jù)。其次，智慧農(nóng)業(yè)工程研究中心已經(jīng)建設(shè)完成了一棟現(xiàn)代化智能溫室，溫室包含有智能灌溉系統(tǒng)、智能?chē)婌F系統(tǒng)、智能溫度控制系統(tǒng)、智能外遮陽(yáng)控制系統(tǒng)，為無(wú)人機(jī)低空遙感系統(tǒng)調(diào)試提供物理實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景。然后，智慧農(nóng)業(yè)工程研究中心已經(jīng)購(gòu)置四旋翼飛行器10余架，提供低空遙感系統(tǒng)調(diào)試的硬件平臺(tái)。最后，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)研發(fā)成果“基于A(yíng)RM的測(cè)控系統(tǒng)”獲得2015年吉林市科技進(jìn)步獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)，省級(jí)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽飛行器競(jìng)賽項(xiàng)目獲得5項(xiàng)二等獎(jiǎng)、2項(xiàng)三等獎(jiǎng)，為項(xiàng)目實(shí)施提供豐富的低空遙感技術(shù)經(jīng)驗(yàn)積累。

4? 低空遙感平臺(tái)實(shí)施方案

設(shè)計(jì)低空遙感平臺(tái)的關(guān)鍵難點(diǎn)技術(shù)包含遙感平臺(tái)的穩(wěn)定姿態(tài)控制、高度設(shè)定控制。核心技術(shù)包含農(nóng)情信息采集與信息分析處理，實(shí)現(xiàn)數(shù)字農(nóng)業(yè)農(nóng)情檢測(cè)領(lǐng)域的智能化、現(xiàn)代化。

低空遙感平臺(tái)設(shè)計(jì)任務(wù)實(shí)施方案包括：首先，選擇中央控制層的嵌入式微處理器型號(hào)。中央控制層使用三個(gè)UART通信接口，分別與FMU飛行控制層通信、信息采集層通信和中央控制層調(diào)試模塊通信;系統(tǒng)要求實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理，需要運(yùn)行嵌入式操作系統(tǒng)，綜合上述因素選擇了低功耗32位微處理器STM32F103芯片。其次，F(xiàn)MU飛行控制層的模塊型號(hào)選擇?？紤]飛行控制效果的穩(wěn)定性和飛行控制代碼的健壯性，選擇了基于A(yíng)RM的32位開(kāi)源飛行控制模塊PixHawk。充分利用PixHawk開(kāi)源硬件設(shè)計(jì)和開(kāi)源飛行控制源代碼，實(shí)現(xiàn)低空遙感平臺(tái)的穩(wěn)定姿態(tài)控制。然后，選擇信息采集層的攝像傳感器型號(hào)。采集層主要使用OV7725攝像頭完成農(nóng)情信息采集與圖像信息處理，輸出二值化圖像。最后，整機(jī)飛行調(diào)試。

5? 低空遙感平臺(tái)核心系統(tǒng)設(shè)計(jì)

5.1 系統(tǒng)功能整體設(shè)計(jì)

低空遙感平臺(tái)采用分層設(shè)計(jì)的方法。系統(tǒng)總體按照功能層次分為中央控制層、FMU飛行控制層、伺服驅(qū)動(dòng)層、信息采集層。中央控制層主要負(fù)責(zé)接收來(lái)自信息采集層的低空環(huán)境參數(shù)，并且進(jìn)行處理分析得到飛行控制的控制增量，將控制增量發(fā)送給FMU飛行控制層。FMU飛行控制層主要負(fù)責(zé)接收來(lái)自中央控制層的控制信息和接收來(lái)自RC遙控手柄的控制信息，并且將控制信息轉(zhuǎn)換為控制脈沖發(fā)送給伺服驅(qū)動(dòng)層。伺服驅(qū)動(dòng)層主要負(fù)責(zé)接收FMU飛行控制層的控制脈沖，并且通過(guò)電子調(diào)速器控制無(wú)刷電機(jī)旋轉(zhuǎn)，從而調(diào)整遙感平臺(tái)的姿態(tài)、高度、角度。信息采集層主要負(fù)責(zé)通過(guò)攝像頭等傳感器采集低空環(huán)境參數(shù)，并將信息發(fā)送給中央控制層。

5.2 功能模塊詳細(xì)設(shè)計(jì)

5.2.1 中央控制層設(shè)計(jì)

中央控制層負(fù)責(zé)計(jì)算下一時(shí)刻低空遙感平臺(tái)所需控制量，將封裝數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體發(fā)送給FMU飛行控制層，這個(gè)功能類(lèi)似于RC遙控手柄的控制增量;同時(shí)，將FMU飛行控制層測(cè)定的姿態(tài)角度值、高度值發(fā)送給采集層，用于采集層的參數(shù)自補(bǔ)償。

中央控制層電路板根據(jù)功能劃分設(shè)計(jì)的模塊包括：嵌入式微處理器模塊STM32F103、按鍵模塊、蜂鳴器模塊、LED指示燈模塊、撥碼開(kāi)關(guān)模塊、UART接口模塊。中央控制層電路板包括與FMU飛行控制層通信的UART接口、與采集層通信的UART接口和DEBUG調(diào)試的UART接口。中央控制層電路板使用按鍵模塊切換遙感平臺(tái)遙控器模式或者程控自主飛行模式，使用撥碼開(kāi)關(guān)模塊鎖定自主懸停、GPRS定位等飛行方式。

中央控制層的程序流程設(shè)計(jì)為循環(huán)結(jié)構(gòu)，依次掃描執(zhí)行：更新按鍵、編碼器信息獲取工作模式工作方式;接收并解析FMU飛行控制層和采集層發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)信息;處理調(diào)試信息;分析解鎖方式;更新PID值;更新控制量;設(shè)置找回方式;發(fā)送數(shù)據(jù)幀。

5.2.2 飛行控制層設(shè)計(jì)

飛行控制層采用開(kāi)源PixHawk飛行控制模塊，接收RC遙控手柄控制量或是中央控制層UART發(fā)送的控制量，發(fā)送給電子調(diào)速器控制脈沖，調(diào)節(jié)低空遙控平臺(tái)的姿態(tài)角度、高度值。同時(shí)，F(xiàn)MU飛行控制層將當(dāng)前的控制量和傳感器采集到的姿態(tài)角度傳送給中央控制板，用于計(jì)算下一時(shí)刻的控制量。

5.2.3 數(shù)據(jù)采集層設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集層搭載OV7725攝像頭，發(fā)送采集到的農(nóng)田作物信息。根據(jù)中央控制層發(fā)來(lái)的當(dāng)前姿態(tài)角度等信息對(duì)實(shí)際采集到的信息進(jìn)行運(yùn)算補(bǔ)償。最終將運(yùn)算后的位置信息發(fā)送給控制層。發(fā)送采集的圖像分為灰色圖像或二值化圖像。灰色圖像以4：3的寬高比輸出圖像，當(dāng)小于最大分辨率是，總是輸出采集到的中心部位。二值化圖像將圖像上的點(diǎn)的灰度值為0或255，也就是將整個(gè)圖像呈現(xiàn)出明顯的黑白效果。將256個(gè)亮度等級(jí)的灰度圖像通過(guò)適當(dāng)?shù)拈撝颠x取而獲得仍然可以反映圖像整體和局部特征的二值化圖像。

5.2.4 伺服驅(qū)動(dòng)層設(shè)計(jì)

伺服驅(qū)動(dòng)層采用好贏(yíng)樂(lè)天20A無(wú)刷馬達(dá)電子調(diào)速器、大功率2212無(wú)刷電機(jī)、9450自鎖漿組成。好贏(yíng)樂(lè)天20A無(wú)刷馬達(dá)電子調(diào)速器輸入是直流，由3節(jié)鋰電池來(lái)供電，輸出是三相交流，直接驅(qū)動(dòng)大功率2212無(wú)刷電機(jī)。

6? 應(yīng)用前景

對(duì)農(nóng)情信息進(jìn)行監(jiān)測(cè)，使用農(nóng)業(yè)微型無(wú)人機(jī)作為低空遙感平臺(tái)，獲得高分辨率的低空遙感圖像，具有快速、機(jī)動(dòng)靈活、成本低、經(jīng)濟(jì)實(shí)用的特點(diǎn)，是對(duì)傳統(tǒng)農(nóng)田信息獲取方式的一種有效方案。從提高農(nóng)藥有效利用率、減少勞動(dòng)力、提高作業(yè)效率、降低作物傷害、減輕對(duì)土壤的重復(fù)碾壓等方面考慮，其優(yōu)越性已遠(yuǎn)超過(guò)地面機(jī)械作業(yè)效果。因此，變革傳統(tǒng)農(nóng)耕方式，采用低空遙感平臺(tái)進(jìn)行農(nóng)情信息檢測(cè)在國(guó)內(nèi)有巨大的發(fā)展?jié)摿蛻?yīng)用前景。

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