雙旋翼橫列式無(wú)人機(jī)在農(nóng)業(yè)植保領(lǐng)域的應(yīng)用

劉思奕 周 航

(武漢億航自動(dòng)化有限公司，湖北 武漢 430000)

1 國(guó)內(nèi)植保無(wú)人機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀

中國(guó)作為農(nóng)業(yè)大國(guó)，擁有1.3億hm2基本農(nóng)田，每年需要大量的農(nóng)業(yè)植保機(jī)械作業(yè)。然而，農(nóng)村勞動(dòng)力短缺，年輕人不愿意從事繁重的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，老年人體力下降，對(duì)于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)心有余而力不足。此外，每年農(nóng)藥中毒、農(nóng)藥殘留和污染事件頻發(fā)，給家庭帶來(lái)巨大的悲痛。與傳統(tǒng)植保作業(yè)相比，無(wú)人機(jī)植保具高效率、更綠色、更安全等特點(diǎn)，作業(yè)人員也避免了暴露于農(nóng)藥當(dāng)中的危險(xiǎn)，因此受到市場(chǎng)廣泛歡迎。

國(guó)內(nèi)植保無(wú)人機(jī)產(chǎn)業(yè)最初是從2008年起步，起初是以油動(dòng)無(wú)人直升機(jī)作業(yè)為主。當(dāng)時(shí)植保無(wú)人機(jī)發(fā)展處于萌芽階段，價(jià)格高，性能穩(wěn)定性差，沒(méi)有實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)，用戶難以盈利。自2016年以后，我國(guó)植保無(wú)人機(jī)產(chǎn)業(yè)開(kāi)始迅猛發(fā)展，各大無(wú)人機(jī)廠家陸續(xù)加入，使產(chǎn)品的性能、性價(jià)比快速提升。

植保無(wú)人機(jī)的機(jī)型按照動(dòng)力可分為油動(dòng)型和電動(dòng)型，按照旋翼數(shù)量可分為單旋翼和多旋翼。油動(dòng)型植保無(wú)人機(jī)以單旋翼為主，電動(dòng)型以多旋翼居多。油動(dòng)型植保無(wú)人機(jī)載重量大，有效載荷在15～30kg，續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)，連續(xù)作業(yè)能力強(qiáng)，但操控相對(duì)復(fù)雜，維護(hù)成本較高，售價(jià)昂貴；電動(dòng)型植保無(wú)人機(jī)載重量小，有效載荷在10～20kg，續(xù)航時(shí)間受電池容量限制，但操控簡(jiǎn)單，容易維護(hù)，穩(wěn)定性更好，售價(jià)低。

目前我國(guó)植保無(wú)人機(jī)銷量逐年上升，作業(yè)面積保持大幅的增長(zhǎng)，但相對(duì)于發(fā)達(dá)國(guó)家，我國(guó)農(nóng)業(yè)植保環(huán)節(jié)的機(jī)械化水平較低，植保機(jī)械滲透率提升空間很大。

2 新型雙旋翼橫列式無(wú)人機(jī)的研發(fā)

針對(duì)大型果園、農(nóng)場(chǎng)等環(huán)境，定點(diǎn)安裝攝像頭來(lái)監(jiān)測(cè)作物生長(zhǎng)狀況，存在著監(jiān)視范圍窄、果園布線難、線路易損壞、保護(hù)難度高、投入資金大等問(wèn)題。本文設(shè)計(jì)了一種新型雙旋翼橫列式無(wú)人機(jī)(圖1)。該無(wú)人機(jī)可以對(duì)果園、農(nóng)場(chǎng)等環(huán)境進(jìn)行快速勘探，觀察作物長(zhǎng)勢(shì)、監(jiān)視蟲(chóng)害影響，并對(duì)作物產(chǎn)量進(jìn)行預(yù)估。該產(chǎn)品具有輕量化、柔性化、智能化以及性價(jià)比高等特點(diǎn)。

圖1 新型雙旋翼橫列式無(wú)人機(jī)

2.1 整體設(shè)計(jì)框架

機(jī)身整體將采用3D打印技術(shù)進(jìn)行加工制作，設(shè)計(jì)框架如圖2所示，主要分為主控系統(tǒng)與圖傳系統(tǒng)。其中主控系統(tǒng)主要包括對(duì)左右無(wú)刷電機(jī)、GPS定位系統(tǒng)、遙控接收器等部件進(jìn)行控制或接收信號(hào)，圖傳系統(tǒng)將OpenMV捕獲的作物圖片經(jīng)過(guò)主控板處理后實(shí)時(shí)傳輸給圖傳發(fā)射器。

圖2 無(wú)人機(jī)整體設(shè)計(jì)框架

2.2 主控系統(tǒng)

主控板Omnibus F4V3采用進(jìn)口STM32F405主芯片，緩存高達(dá)128MHz，拓展IO口豐富。該無(wú)人機(jī)是通過(guò)2只BLS 30A電調(diào)分別控制左右2枚無(wú)刷電機(jī)，BLS電調(diào)自帶12顆ESR電容組成的濾電容電路，能夠有效降低對(duì)圖傳設(shè)備的干擾，并提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。GPS導(dǎo)航系統(tǒng)采用BN-220模塊，內(nèi)置FLASH、TTL電平、1HZ輸出、NMEA-0183協(xié)議輸出。數(shù)據(jù)信息回傳模塊(遙控接收器)采用PRM-03，該模塊能將飛控中的GPS、飛行高度、飛行速度、飛行距離等信息回傳到AT9或AT10中，再在AT9或AT10的界面上顯示出來(lái)?；谝陨细咝阅苣K的組合搭配，該款雙旋翼橫列式無(wú)人機(jī)能廣泛適應(yīng)于復(fù)雜的農(nóng)田環(huán)境。

2.3 圖傳系統(tǒng)

圖傳系統(tǒng)是整套無(wú)人機(jī)勘測(cè)系統(tǒng)中最為核心的組成部分，當(dāng)無(wú)人機(jī)掠過(guò)作物上方時(shí)，通過(guò)圖傳系統(tǒng)對(duì)作物生長(zhǎng)狀況進(jìn)行拍照取樣，通過(guò)無(wú)線圖傳拓展板將圖片傳輸給地面控制中心進(jìn)行預(yù)處理。由此可見(jiàn)，圖傳系統(tǒng)性能的穩(wěn)定性很大程度上取決于信息傳輸過(guò)程中是否存在波動(dòng)以及圖傳算法的先進(jìn)性。

為此，該雙旋翼橫列式無(wú)人機(jī)搭載的是開(kāi)源硬件OpenMV以及配套無(wú)線圖傳拓展板作為圖傳系統(tǒng)的硬件基礎(chǔ)(圖3)，同時(shí)，在軟件上優(yōu)化了圖傳控制算法，硬件上加裝信號(hào)放大器，確保了信息傳輸?shù)耐暾耘c穩(wěn)定性。

圖3 圖傳系統(tǒng)硬件基礎(chǔ)

3 農(nóng)田作物生長(zhǎng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)方案

3.1 基于深度學(xué)習(xí)的作物成熟度檢測(cè)算法

為了實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物種植的智能化管理，以及對(duì)作物成熟度、產(chǎn)量等數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，本文在無(wú)人機(jī)圖傳的基礎(chǔ)上，將基于深度學(xué)習(xí)的圖像目標(biāo)檢測(cè)技術(shù)引入到作物成熟度檢測(cè)方面，提高了科學(xué)種植能力。

此方法首先依次對(duì)從圖傳系統(tǒng)捕獲的照片進(jìn)行RGB顏色空間直方圖均衡化、高斯濾波、局部均值分辨率調(diào)整的圖像預(yù)處理工作，如此能大大提升輸入網(wǎng)絡(luò)的照片質(zhì)量，并進(jìn)行圖像幾何變換的數(shù)據(jù)增強(qiáng)，擴(kuò)充樣本數(shù)據(jù)集，實(shí)現(xiàn)作物照片的批量化提?。黄浯尾捎眠w移學(xué)習(xí)引入深度學(xué)習(xí)模型INCEPTION V3，經(jīng)過(guò)訓(xùn)練，當(dāng)作物成熟度數(shù)據(jù)測(cè)試集上的準(zhǔn)確率大于95%時(shí)，可滿足勘測(cè)精度需求；最后，將該方法用于實(shí)際果園，發(fā)現(xiàn)該方法對(duì)作物成熟度檢測(cè)具有較好的識(shí)別效果，同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)智能化觀測(cè)，避免了人為主觀判斷帶來(lái)的影響。

3.2 實(shí)際應(yīng)用案例

為了驗(yàn)證檢測(cè)算法的實(shí)際效果，利用本文所研發(fā)的雙旋翼橫列式無(wú)人機(jī)對(duì)0.67hm2種植有柿子樹(shù)的果園進(jìn)行實(shí)地測(cè)試。利用該算法對(duì)采集的作物圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練、測(cè)試和驗(yàn)證，對(duì)測(cè)試圖像目標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，漏檢率約為7%，錯(cuò)檢率約為2%，精度較高。同時(shí)，也將該算法和其它深度學(xué)習(xí)目標(biāo)檢測(cè)算法進(jìn)行了對(duì)比和分析，測(cè)試結(jié)果反饋檢測(cè)速度較快、檢測(cè)精度良好，可以大范圍推廣使用。

4 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的一種新型雙旋翼橫列式無(wú)人機(jī)，采用了雙旋翼橫向?qū)ΨQ布置且兩旋翼轉(zhuǎn)速一致，旋向相反，抵消了傳統(tǒng)直升機(jī)自有的自旋力矩，同時(shí)采用大功率發(fā)動(dòng)機(jī)，提高了飛機(jī)單位功率，提高飛機(jī)載荷能力，空氣動(dòng)力學(xué)性能更好。對(duì)于在作物生長(zhǎng)過(guò)程中，未成熟與成熟時(shí)，果實(shí)顏色差異顯著且果實(shí)體積較強(qiáng)的作物品種，該無(wú)人機(jī)檢測(cè)的準(zhǔn)確率較高；對(duì)于果實(shí)體積較小的作物品種，且田間雜草較多時(shí)，檢測(cè)的準(zhǔn)確率不高。因?yàn)樘镩g或果園工作環(huán)境較為雜亂，使得收集的圖畫(huà)富含很多噪聲或攪擾，例如作物的果實(shí)常常被莖葉遮擋，田間光照也經(jīng)常改變，因而辨認(rèn)的準(zhǔn)確率不高?？傮w來(lái)說(shuō)，本文將雙旋翼橫列式的結(jié)構(gòu)應(yīng)用在植保無(wú)人機(jī)領(lǐng)域具有很強(qiáng)的實(shí)踐意義，提出了一種高機(jī)動(dòng)性、高性價(jià)比的作物生長(zhǎng)狀態(tài)勘探方式。