植物保護(hù)智能噴灑系統(tǒng)設(shè)計(jì)

孫宏潔 劉婉如

（廣州華夏職業(yè)學(xué)院，廣州 510935）

我國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展歷經(jīng)數(shù)千年，生產(chǎn)結(jié)構(gòu)多樣，包括種植業(yè)、林業(yè)和畜牧業(yè)等。為促使傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)增產(chǎn)并轉(zhuǎn)型為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)，我國(guó)積極對(duì)傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)進(jìn)行技術(shù)改造，并取得了一些成果，但是農(nóng)業(yè)機(jī)械化程度依舊較低。

在種植業(yè)生產(chǎn)中，噴灑農(nóng)藥能直接有效預(yù)防農(nóng)作物受到病蟲害的侵?jǐn)_?，F(xiàn)有農(nóng)藥噴灑方式多是人工噴灑，而人工噴灑農(nóng)藥會(huì)出現(xiàn)噴灑不均的情況，影響農(nóng)作物生長(zhǎng)，且農(nóng)藥接觸到人體會(huì)危害人體健康。針對(duì)這些問題，本文提出了一種植物保護(hù)智能噴灑系統(tǒng)[1]。該系統(tǒng)能科學(xué)噴灑農(nóng)藥，提高農(nóng)藥噴灑效率[2]。植物保護(hù)智能噴灑系統(tǒng)包括機(jī)體外殼結(jié)構(gòu)、噴灑系統(tǒng)、飛控系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和檢測(cè)系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 植物保護(hù)智能噴灑系統(tǒng)圖

1 植物保護(hù)的機(jī)體外殼結(jié)構(gòu)

四旋翼無人機(jī)具有操作簡(jiǎn)單、飛行平穩(wěn)、監(jiān)測(cè)范圍廣、時(shí)效強(qiáng)及精準(zhǔn)度高的優(yōu)勢(shì)[3]。無人機(jī)旋冀產(chǎn)生向下的氣流，增加了噴藥?kù)F流對(duì)作物的穿透，省時(shí)省力，解放了部分勞動(dòng)力，提高了藥物噴灑效率。在農(nóng)業(yè)信息監(jiān)測(cè)中，無人機(jī)主要應(yīng)用于收集農(nóng)作物生長(zhǎng)信息、監(jiān)測(cè)病蟲、收集并分析農(nóng)情信息及監(jiān)測(cè)灌溉情況等[4]。四旋翼無人機(jī)的外形結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 四旋翼無人機(jī)的外形實(shí)物圖

2 植物保護(hù)的噴灑系統(tǒng)

植物保護(hù)的噴灑系統(tǒng)主要包括藥箱、噴頭、水泵、壓力傳感器、流量傳感器、過濾器、攪拌裝置及噴灑電磁閥等元件，如圖3所示。藥箱和噴頭是儲(chǔ)存和噴灑農(nóng)藥的裝置。無人機(jī)上安裝的噴頭采用扇形壓力噴頭[5]，優(yōu)點(diǎn)是藥液下壓力大，穿透性強(qiáng)，產(chǎn)生的藥液飄逸量小，不易因溫度高而蒸發(fā)散失，且成本低。壓力傳感器和流量傳感器是噴灑系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)元件，也是系統(tǒng)的反饋元件，能將藥箱中的液位液流、高度等信息實(shí)時(shí)反饋給單片機(jī)[6]。噴霧的壓強(qiáng)控制在0.5 MPa，不間斷工作時(shí)的流量大約為1 600 mL·min-1。

圖3 噴灑裝置結(jié)構(gòu)圖

植物保護(hù)噴灑系統(tǒng)工作時(shí)，需要在無人機(jī)起飛前將水和農(nóng)藥加入藥箱，通過攪拌裝置使藥液混合均勻。當(dāng)無人機(jī)進(jìn)行農(nóng)藥噴灑時(shí)，操控人員啟動(dòng)遙控器上的噴灑控制開關(guān)[7]，將噴灑農(nóng)藥的信號(hào)發(fā)送到無人機(jī)的單片機(jī)。單片機(jī)接收到噴灑信號(hào)后，通過水泵將藥箱中的藥液抽出，經(jīng)過液壓伸縮桿、壓力傳感器和流量傳感器到達(dá)噴藥管和噴頭進(jìn)行藥液噴灑。

3 植物保護(hù)的飛控系統(tǒng)

植物保護(hù)飛控系統(tǒng)主要由定位模塊和地形模塊組成。定位模塊利用全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）輔助空中三角測(cè)量[8]，定位障礙物、植物等。地形模塊主要監(jiān)控地面，精準(zhǔn)定位地面的坑洼、高低。系統(tǒng)導(dǎo)航精度高，導(dǎo)航設(shè)備可靠。在無人機(jī)的機(jī)身上安裝紅外傳感器，利用三角測(cè)量法采集噴灑區(qū)域的植物信息。當(dāng)紅外傳感器與植物的距離大約為2 m時(shí)，將此信息發(fā)送給控制系統(tǒng)，由控制系統(tǒng)進(jìn)行下一步動(dòng)作。飛控系統(tǒng)的實(shí)物結(jié)構(gòu)如圖4所示，流程如圖5所示。其中，三角測(cè)量時(shí)被測(cè)物體的材質(zhì)、外部環(huán)境溫度以及測(cè)量時(shí)間的長(zhǎng)短不會(huì)影響傳感器的測(cè)量精度。植物保護(hù)無人機(jī)保持在4～6 m·s-1勻速飛行。采用無人機(jī)地面測(cè)控軟件LabWindows/CVI來模擬無人機(jī)的智能飛控系統(tǒng)。

圖4 四旋翼無人機(jī)的飛控系統(tǒng)實(shí)物結(jié)構(gòu)圖

圖5 飛控系統(tǒng)方框流程圖

4 植物保護(hù)的控制系統(tǒng)

植物保護(hù)控制系統(tǒng)采用（ARMCortex-M3系列的STM32F103VC）單片機(jī)，具有控制性能好、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、體積小、質(zhì)量輕及價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)[9]。無人機(jī)飛行作業(yè)高度離作物葉尖2 m左右，噴灑的水平距離約為5 m。作業(yè)時(shí)無人機(jī)保持直線飛行，以確保不漏噴和不重噴。當(dāng)檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)到植物與四旋翼無人機(jī)的水平距離達(dá)到5 m時(shí)，單片機(jī)發(fā)出控制命令。此時(shí)，無人機(jī)打開水泵并啟動(dòng)噴灑農(nóng)藥系統(tǒng)，控制噴灑裝置噴灑農(nóng)藥，即跟隨無人機(jī)的飛行軌跡對(duì)植物進(jìn)行農(nóng)藥噴灑，實(shí)現(xiàn)了定時(shí)和定位功能。若噴灑距離小于5 m，單片機(jī)發(fā)出關(guān)閉噴灑系統(tǒng)的命令，停止農(nóng)藥噴灑?？刂葡到y(tǒng)的工作流程如圖6所示。

圖6 控制系統(tǒng)工作流程

5 植物保護(hù)的檢測(cè)系統(tǒng)

在檢測(cè)系統(tǒng)中，除壓力傳感器和流量傳感器外，還有一個(gè)能檢測(cè)人體和樹木的傳感器，即紅外測(cè)距傳感器[10]。該傳感器用于判斷無人機(jī)前方及兩側(cè)的物體是人還是樹木。若檢測(cè)出無人機(jī)前方或兩側(cè)是人體時(shí)，傳感器返回到高電平信號(hào)狀態(tài)，控制系統(tǒng)發(fā)出停止噴灑的命令，從而保護(hù)作業(yè)人員的人身安全，確保其不受農(nóng)藥危害。當(dāng)紅外測(cè)距傳感器判斷出無人機(jī)前方或兩旁有物體時(shí)，判斷傳感器是否返回高電平狀態(tài)。若是則令無人機(jī)停止啟動(dòng)命令，否則執(zhí)行打開水泵電機(jī)的命令。檢測(cè)系統(tǒng)的工作流程如圖7所示。

圖7 檢測(cè)系統(tǒng)工作流程

6 結(jié)語(yǔ)

植物保護(hù)智能噴灑系統(tǒng)主要由5大部分組成，實(shí)現(xiàn)了定量、定時(shí)與定位功能。通過調(diào)研獲得了無人機(jī)飛行作業(yè)時(shí)與地面的垂直距離、噴灑農(nóng)藥時(shí)的水平距離、飛行速度和流量等數(shù)值，使農(nóng)藥噴灑趨于科學(xué)化與智能化，減少了藥液對(duì)作業(yè)人員的危害，大大提高了噴灑效率。