農用無人機智能植保系統設計

張新星

（衢州職業技術學院機電工程學院，浙江衢州324000）

農用無人機智能植保系統設計

張新星

（衢州職業技術學院機電工程學院，浙江衢州324000）

介紹了一個以ARM為控制核心，遙控器或PC計算機為交互設備的無人機農業值保系統的主要設計思想。著重對系統的組成、硬件配置、軟件設計及主要功能進行了詳細的描述，并給出了ARM控制程序的流程圖，文章還對系統的通信程序設計做了簡要闡述。

無人機；植保系統；ARM

中國作為傳統的農業大國，在農業生產中農機使用率較低，傳統生產模式依舊占主導地位，勞動力成本高，導致其農業生產效率不高，缺乏市場競爭力，其農業生產現代化水平亟待提高。2015年2月，農業部印發《制定2020年農藥使用量零增長行動方案》，要求淘汰傳統噴灑工具，推進主要農作物生產全程機械化作業；2016年要在500個縣進行試點，重點推進高效植保設備。農業“十三五”規劃主攻農業現代化，農機整體滲透率將超過60%，而植保農機使用最低，彈性最大。同時，國務院制定的《中國制造2025》規劃也將“機器人”和“航空裝備”作為需要突破發展的制造業重點領域。

植保無人機分為固定翼、單旋翼和多旋翼，其中固定翼適合北方大農場大規模作業，單旋翼相對于多旋翼使用成本較高，且需要配套設施支持不利于其推廣應用。多旋翼植保無人機以其作業效率高，施藥效果好，作業適應性強，作業過程精準等優點非常適合南方中小田塊的病蟲害防治和大田內局部的精準施藥。目前多旋翼植保無人機在其實際推廣過程中還存在著定位導航精準度不夠、售價較高、智能程度低、作業參數有待優化和噴灑技術亟需改進等諸多問題亟待解決。

1 無人機關鍵技術

（1）設計農用無人機綜合定位系統。農業植保無人機憑借其高效率、低作業成本等特點，目前正逐步地取代人工植保，成為農業植保領域的一種重要裝備。定位系統作為農業植保無人機控制系統的核心，是實現無人機自主工作和飛行的關鍵，也是無人機進行各項植保飛行作業的基礎，研發和設計高精度的無人機定位系統是未來農業植保無人機技術進一步突破和應用的關鍵。為此，針對GPS定位系統在復雜環境下的穩定性差、定位精度有限、無法為農業植保無人機提供高精度穩定的定位服務問題，提出了一種基于GPS和GPRS的混合農業植保無人機高精度定位系統的設計，通過該系統可以有效地彌補GPS在復雜環境的定位不足，提高農業植保無人機的定位精度，對進一步促進農業植保無人機技術發展具有非常重要的意義。

（2）開展基于精準作業參數（速度、高度）的農用無人機下旋氣流場特性和施藥霧滴空間分布規律的研究。霧滴分布是考核植保器械性能的重要指標，是制定植保器械標準和操作規范的重要依據，探索不同作業高度和不同噴灑濃度的田間藥效試驗，探索無人機對不同霧化方式的噴頭、不同藥劑、不同助劑的低空噴灑試驗，并對霧滴沉積分布狀況及防治效果進行分析；研究無人直升機飛行高度與速度對噴霧沉積分布的影響，并對試驗結果進行分析和比較。

（3）開發一套以ARM控制器為核心，計算機作為交互設備的農用無人機植保系統以提高農用無人機的智能程度。著重對系統的組成、硬件配置、軟件設計及主要功能進行了詳細的描述，主要應用多旋翼智能無人進行液體物質的自動添加，加滿后自動停止加注。能夠自動巡航，在飛行狀態下，該控制系統具有利用慣性測量單元配合機載衛星定位系統測得當前飛行方向及飛行姿態數據并根據系統設計要求提供相關數據的提取與傳輸的功能。該系統采用計算機、ARM及遙控器對無人機進行控制，實現試驗數據的自動采集、分析及處理。

（4）優化農用無人機結構設計。農用無人機飛行系統主要由無人機機體及機載農藥噴灑機構組成，其中，六旋翼無人機主要由動力系統（包括：電池、電機、電調、槳）；飛行器主體（包含：機架、起落架）和控制系統（包括：遙控器、接收機、飛行控制器）組成。機載農藥噴灑系統包括：藥箱、軟管、液泵、噴桿、噴頭以及無線開關。

2 智能植保系統設計

（1）針對GPS定位服務系統的不足進行研究和分析，借助于GPRS網絡定位服務研發和設計了一種基于GPS和GPRS的混合定位系統，通過該系統為農用無人機在復雜環境下進行植保作業提供高精度的定位服務，確保植保無人機作業高效、精準。

GPS（全球定位系統）技術是目前應用最為廣泛的室外定位技術，其借助于定位衛星系統為用戶提供精確的導航和定位服務，其定位示意圖如圖1所示。整個系統由GPS導航衛星和地面基站及用戶終端設備組成。其中，用戶終端設備主要負責GPS信息接收，GPS衛星和基站負責提供位置信息服務。在目前無人機飛行控制中，借助于GPS提供位置服務可以實現對無人機進行自主導航和作業線路規劃，被廣泛地應用于各種無人機自主飛行控制系統中。

圖1 GPS定位原理示意圖

GPRS定位技術又稱為LBS移動基站定位技術，其主要是利用GPRS網絡基站信號實現定位，其定位精度高、對環境的要求低，可以抵抗各種復雜環境給定位信號帶來的干擾，實現室內和室外的全方位定位，是未來移動定位系統發展的主流。其可以有效地彌補GPS定位系統對環境要求高、在復雜環境下定位精度不足等特點，與GPS定位服務系統配合使用可以使整個定位服務更加準確和可靠。典型的GPRS定位原理示意圖如圖2所示。

圖2 LBS定位系統原理示意圖

無人機導航定位系統一般包括空中飛行器、地面監控兩個部分，如圖3所示。其中，飛行控制器部分主要包括無人機、GPS接收器、慣性測量單元及電源模塊等，主要將GPS接收機、慣性測量單元和電源模塊的信息實時傳輸到機載控制器中，機載控制器根據這些信息通過相關的導航定位算法計算出飛行器的飛行姿態和導航定位控制信息，對無人機進行精準的控制。地面監控站通常是以平板或者手機作為監控終端，通過無線傳感器接收無人飛行器的飛行信息進行顯示，同時監控站還包括無人機飛行遙控器，通過遙控器可以操控飛機飛行，對飛機進行控制。在農業植保無人機中，通常是采用集成式遙控器，在遙控器上集成簡單的飛行參數顯示屏，對飛行參數進行顯示，同時采用操控桿對飛機飛行進行操作。以上是常用的無人機飛行定位導航系統的結構介紹。文章在設計過程中將借助于GPRS定位服務，通過GPRS終端模塊實現對移動基站信息的接收和通信，為控制器提供GPRS定位信息。

圖3 無人機導航定位系統結構示意圖

（2）農業航空噴霧技術是指如何利用無人機及其機載設備將噴施物應用于靶標區的作業技術，無人機的航高航速、氣象條件、作業設備霧化性能以及藥液的理化性質均對噴施效果有著不同程度的影響。針對影響無人機噴施效果開展可控霧滴技術的應用與霧滴飄移控制的研究。通過按作業要求選擇適宜的噴頭和噴霧參數，控制霧滴粒徑、飄移率等以取得最佳噴霧效果；通過建立飛機噴霧的霧滴分布仿真數學模型，運用模型分析霧滴沉降規律，研究航高、航速、風速、霧滴粒徑、不同機型對霧滴飄移的影響。

飛機噴霧有自身的特殊性，由于飛行速度快，藥液釋放位點距作物冠層較高，受風力影響大等因素，其飄移損失較大，造成用藥浪費和對環境的污染，如體積中徑為48～80μm的細小霧滴在地面僅可回收4%～10%。常規的航空噴灑作業多數采用傳統的液壓噴頭，其在飛行噴霧作業時，霧滴向地面的降落形式主要為自由落體運動，由于受飛機飛行時的氣流影響和霧滴觸及植物表面后的自由滑落，使得霧滴在靶標植物表面的沉積很難達到理想的效果，實際上所有現有的機械噴霧無論是飛機噴霧或是地面機械噴霧過程中，僅有很少部分藥物能到達病蟲危害的植物部位，特別是植物的隱蔽部位如植物冠體內部葉片和葉片的背面是很難接觸到藥物的，這些部位恰恰是病原菌和害蟲最集中的地方。將靜電噴霧技術與航空噴霧技術結合，能較好地解決前述問題，是因為航空靜電噴霧具有獨特的優點：一方面飛機噴灑作業時產生的霧滴借助于靜電場的作用，增強了噴霧粒子對預定目標的吸附；另一方面，飛噴作業時的霧滴是由上向下運動，在重力和靜電場力的雙重作用下加速了霧滴向下運動，減少了霧滴飄移損失。此外，飛機飛行時產生較大的氣流，提高了霧滴在植株中的穿透性，提高了藥液的利用率。

3 結語

文章介紹了無人機農業智能植保作業的具體功能及其實現。從系統的組成、硬件的配置、軟件設計及功能設計均做出了具體研究，提供了可實現設計的具體方案。

［1］何勇，張艷超.農用無人機推廣應用中需要關注的幾個問題［J］.現代農機，2015，（1）：6-9.

［2］王奕.農用無人機多久才能“飛”起來?［J］.營銷界（農資與市場），2015，（2）：79-80.

［3］阮曉東.農用無人機，現代農業的助航者［J］.新經濟導刊，2015，（4）：66-70.

［4］彭孝東，張鐵民，李繼宇，等.基于傳感器校正與融合的農用小型無人機姿態估計算法［J］.自動化學報，2015，（4）：854-860.

Design of Intelligent Plant Protection System for Agricultural Unmanned Aerial Vehicle

ZHANG Xin-xing
（College of Mechanical and Electrical Engineering，Quzhou Vocational and Technical College，Quzhou，Zhejiang 324000，China）

This paper introduces the main design idea of a UAV agricultural security system with ARM as the control core，, remote control or PC computer as the interactive device.This paper focuses on the composition of the system，the hardware configuration，the software design and the main functions，and gives the flow chart of the ARM control program.The paper also gives a brief exposition of the communication program design of the system.

unmanned aerial vehicle；plant protection system；ARM

S49

A

2095-980X（2017）03-0085-02

2017-02-19

衢州市科技局項目（2016045）資助。

張新星（1982-），浙江衢州人，碩士，講師，主要從事電力電子技術、計算機控制技術研究工作。