植保無人機(jī)控制系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計

鄭州信息科技職業(yè)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院 宋艷

隨著我國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的快速發(fā)展，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對植保機(jī)械的安全性、高效性、精準(zhǔn)性有了更高的要求，近幾年興起的植保無人機(jī)，受到農(nóng)村市場的廣泛關(guān)注。植保無人機(jī)為農(nóng)業(yè)病蟲害防治工作的順利實施和國家糧食安全提供了保障，是我國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化建設(shè)的重要組成部分。作為農(nóng)業(yè)大國，我國有18 億畝基本農(nóng)田，丘陵山區(qū)占到全國總土地面積的60%以上，丘陵山區(qū)所種植的農(nóng)作物一般是水稻、玉米、馬鈴薯、油菜。丘陵山區(qū)的農(nóng)業(yè)病蟲害防治比其他地形的農(nóng)業(yè)病蟲害防治的難度要更大，我國丘陵地區(qū)的水稻草害與病蟲防治所占面積高達(dá)35%，每年需要大量的農(nóng)業(yè)植保作業(yè)，應(yīng)用無人機(jī)噴灑農(nóng)藥具有很大的經(jīng)濟(jì)和社會價值。

1 農(nóng)業(yè)植保無人機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 植保無人機(jī)的智能化水平有待提高

我國對三農(nóng)問題非常重視，從政策層面不斷加大對農(nóng)業(yè)的扶持力度，農(nóng)業(yè)無人機(jī)植保在探索實踐自動化的種植模式。但是我國農(nóng)業(yè)植保機(jī)在人力成本、施藥成本以及服務(wù)效果方面依舊達(dá)不到理想的效果，目前研發(fā)方面成熟度不夠，智能化水平不高。我國的植保無人機(jī)生產(chǎn)數(shù)量少，技術(shù)方面需要提升的地方很多

植保無人機(jī)分為固定翼、單旋翼和多旋翼，其中固定翼適合北方大農(nóng)場大規(guī)模作業(yè)，單旋翼相對于多旋翼使用成本較高，且需要配套設(shè)施支持，不利于推廣應(yīng)用。多旋翼植保無人機(jī)以其作業(yè)效率高、施藥效果好、作業(yè)適應(yīng)性強(qiáng)、作業(yè)過程精準(zhǔn)等優(yōu)點(diǎn)非常適合南方中小田塊的病蟲害防治和大田內(nèi)局部的精準(zhǔn)施藥。多旋翼植保無人機(jī)在其實際推廣過程中還存在著定位導(dǎo)航精準(zhǔn)度不夠、售價較高、智能程度低、作業(yè)參數(shù)方面有待優(yōu)化以及噴灑技術(shù)改進(jìn)等諸多問題。

1.2 植保無人機(jī)系統(tǒng)可靠性有待提高

植保無人機(jī)系統(tǒng)的可靠性，體現(xiàn)在需要在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間內(nèi)完成規(guī)定功能的能力，植保無人機(jī)的可靠性能主要是指其飛行作業(yè)任務(wù)的成功率。 在植保無人機(jī)的眾多性能指標(biāo)中，可靠性能是首要的指標(biāo)。當(dāng)飛機(jī)的可靠性能不能保證時，其他的任何性能指標(biāo)都會成為空談。無人機(jī)系統(tǒng)作為一個整體，主要由機(jī)身結(jié)構(gòu)系統(tǒng)和飛行控制軟件系統(tǒng)組成。

2 植保無人機(jī)控制系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計

基于ArmCortex—A9 硬件平臺和Linux 操作系統(tǒng)研究設(shè)計飛行控制平衡系統(tǒng)、避障系統(tǒng)、視覺采集處理系統(tǒng)、GPS 定位系統(tǒng)、電源管理系統(tǒng)、無線控制系統(tǒng)和無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，并在此基礎(chǔ)上研究設(shè)計植保無人機(jī)控制系統(tǒng)，對植保無人機(jī)的硬件平臺進(jìn)行搭建。植保無人機(jī)硬件系統(tǒng)包括飛行主控模塊、傳感器模塊、視頻傳輸模塊、電源模塊、GPS+GPRS 模塊、通信模塊等。飛控模塊主要承擔(dān)了設(shè)置飛行模式以及控制算法等工作，其主要功能為：利用慣性測量單元(IM U)獲得的自身系統(tǒng)的實時加速度等原始數(shù)據(jù)，算出當(dāng)前系統(tǒng)姿態(tài)；通過無線模塊接收的控制信號得到希望達(dá)到的目標(biāo)姿態(tài)，再根據(jù)目標(biāo)姿態(tài)和當(dāng)前姿態(tài)的差值調(diào)整飛行器飛行的一系列復(fù)雜操作。

傳感器作為無人機(jī)控制的傳感機(jī)構(gòu)，通過實時采集速度、姿態(tài)、位置、加速度、高度和空速等獲取飛行器的信息，其中姿態(tài)由慣性測量控制單元IMU 獲得，傳感器系統(tǒng)中陀螺儀、氣壓計等作為無人機(jī)的感知系統(tǒng)，地面設(shè)備與無人機(jī)進(jìn)行無線通信，地面控制平臺實時查看和采集無人機(jī)的飛行參數(shù)，地面控制平臺(地面站)與無人機(jī)的無線通信機(jī)制可以通過數(shù)傳模塊完成，最終完成對整個平臺的搭建，如圖1 所示。

圖1 植保無人機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.1 高精度定位系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計

針對GPS 定位系統(tǒng)在復(fù)雜環(huán)境下的穩(wěn)定性差、定位精度有限、無法為農(nóng)業(yè)植保無人機(jī)提供高精度穩(wěn)定的定位服務(wù)問題，借助于GPRS 網(wǎng)絡(luò)定位服務(wù)優(yōu)化設(shè)計基于GPS 和GPRS 的混合定位系統(tǒng)，通過該系統(tǒng)為農(nóng)用無人機(jī)在復(fù)雜環(huán)境下進(jìn)行植保作業(yè)提供高精度的定位服務(wù)，確保植保無人機(jī)作業(yè)高效、精準(zhǔn)[1]。

GPS（Global Positioning System）全球定位系統(tǒng)技術(shù)利用定位衛(wèi)星系統(tǒng)為GPS 用戶提供精確的導(dǎo)航和定位服務(wù)。GPS 提供的位置信息服務(wù)可以對無人機(jī)進(jìn)行自主導(dǎo)航和作業(yè)線路規(guī)劃。

GPRS（General packet radio service）無線分組交換定位技術(shù)又稱LBS（Location Based Services）移動基站定位技術(shù)，主要借助于GPRS 網(wǎng)絡(luò)基站信號實現(xiàn)定位，可以有效地彌補(bǔ)GPS 定位系統(tǒng)對環(huán)境要求高、在復(fù)雜環(huán)境下定位精度不足等問題，與GPS 定位服務(wù)系統(tǒng)配合使用可以使得整個定位服務(wù)更加準(zhǔn)確和可靠[2]。

2.2 避障功能系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計

在無人機(jī)避障系統(tǒng)中，目前通?？刹捎眉t外線避障、超聲波避障、雙目視覺傳感器、激光雷達(dá)等實現(xiàn)，其中，紅外探測器不適宜用在雨雪環(huán)境下，且受溫度影響過大，影響測量目標(biāo)距離，導(dǎo)致偏差較大或者不準(zhǔn)確，不能滿足避障要求。

超聲波測量距離的原理是超聲波信號發(fā)射后遇到障礙物反射回來送入超聲波傳感器。但超聲波能有效測量的距離較短，且對障礙物反射面有一定要求，常用于測量無人機(jī)距地面的距離，不適用于障礙物的測量與避障。

雙目視覺技術(shù)是運(yùn)用人眼計算距離的原理，得到障礙物的準(zhǔn)確方位，同時測其距無人機(jī)的距離，增加了測量范圍，同時在避障方面具有較高的準(zhǔn)確性[5]。

激光雷達(dá)精度高、靈敏度好，可以得到目標(biāo)障礙物到無人機(jī)之間的間隔，同時它的體積和重量都很輕，因此適合搭載在無人機(jī)上。在優(yōu)化設(shè)計過程中，嘗試將激光雷達(dá)檢測與雙目視覺避障相結(jié)合，能夠?qū)崿F(xiàn)對障礙物等并不會產(chǎn)生實際阻礙效果的障礙物的檢測，可減少避障次數(shù)，在實現(xiàn)準(zhǔn)確避障的同時減少能耗，實現(xiàn)無人機(jī)飛行時間的延長[2]。

圖2 避障功能系統(tǒng)

2.3 精準(zhǔn)噴灑系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計

植保無人機(jī)在進(jìn)行噴灑過程中，會在躲避障礙物、減速換壟等環(huán)節(jié)出現(xiàn)噴灑量過大對農(nóng)作物的生長有一定影響。經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計可實現(xiàn)根據(jù)田間作物病害程度，設(shè)置不同噴藥量等級，做到變量噴藥，實現(xiàn)低量、精準(zhǔn)施藥，節(jié)約用藥量，設(shè)計的精準(zhǔn)噴藥系統(tǒng)在飛行制系統(tǒng)基礎(chǔ)上，由圖像獲取設(shè)備、圖像處理設(shè)備、導(dǎo)航控制系統(tǒng)和噴藥系統(tǒng)等組成[3]。

其中，無人機(jī)導(dǎo)航定位系統(tǒng)一般包括空中飛行器、地面監(jiān)控兩個部分。飛行控制器部分主要包括無人機(jī)、GPS/GPRS 接收器、電源模塊等，其主要將GPS/GPRS 接收機(jī)的信息實時傳輸?shù)綑C(jī)載控制器中，根據(jù)導(dǎo)航定位算法計算出飛行器的飛行姿態(tài)和導(dǎo)航定位控制信息。安裝在無人機(jī)平臺上的數(shù)碼相機(jī)拍攝獲得圖像信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后，通過無線傳輸方式發(fā)送給地面的控制中心，控制中心的核心計算機(jī)對圖像進(jìn)行視覺分析，從而對無人機(jī)進(jìn)行精準(zhǔn)的控制。同時把采集到的信息反饋給CPU，根據(jù)監(jiān)測到的實時飛行數(shù)據(jù)、噴灑數(shù)據(jù)，同時采集外部環(huán)境的相應(yīng)數(shù)據(jù)，再進(jìn)行智能算法分析，以便對飛機(jī)噴灑系統(tǒng)進(jìn)行實時的反饋處理和實時修正，通過這種方式實現(xiàn)植保無人機(jī)的精準(zhǔn)噴灑[4]。

2.4 地面監(jiān)控系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計

植保無人機(jī)地面監(jiān)控系統(tǒng)硬件部分完成視頻傳輸和飛行數(shù)據(jù)傳輸，視頻傳輸讀取視頻數(shù)據(jù)，服務(wù)器端接收到視頻數(shù)據(jù)以后，再把圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給地面監(jiān)控系統(tǒng)。飛行數(shù)據(jù)傳輸是多旋翼無人機(jī)通過通信模塊發(fā)送給地面監(jiān)控系統(tǒng)的，無人機(jī)在植保過程中進(jìn)行航跡規(guī)劃以及航點(diǎn)繪制，同時能夠?qū)崟r監(jiān)測和控制飛行狀態(tài)，并對實時采集到的飛行數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲，再加以智能分析，所以地面監(jiān)控系統(tǒng)需要實時進(jìn)行飛行數(shù)據(jù)的顯示、導(dǎo)航地圖、航跡規(guī)劃、數(shù)據(jù)存儲、報警和自救設(shè)備。

圖3 地面監(jiān)控系統(tǒng)

3 結(jié)語

本文以ArmCortex—A9 控制器為核心，對植保無人機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。優(yōu)化設(shè)計了系統(tǒng)的組成、硬件配置等各方面的主要功能，提出了一種基于GPS 和GPRS 的混合農(nóng)業(yè)植保無人機(jī)高精度定位系統(tǒng)的設(shè)計。通過該系統(tǒng)可以有效地彌補(bǔ)GPS 在復(fù)雜環(huán)境的定位不足，提高農(nóng)業(yè)植保無人機(jī)的定位精度，采用激光雷達(dá)檢測與雙目視覺避障相結(jié)合，實現(xiàn)準(zhǔn)確避障，延長飛行時間。優(yōu)化設(shè)計精準(zhǔn)噴灑系統(tǒng)以提高農(nóng)用無人機(jī)的智能程度，應(yīng)用于多旋翼智能無人機(jī)在飛行狀態(tài)下實現(xiàn)試驗數(shù)據(jù)的自動采集、分析及處理。整體設(shè)計對進(jìn)一步促進(jìn)農(nóng)業(yè)植保無人機(jī)技術(shù)的發(fā)展具有非常重要的意義。