自主無人機在農(nóng)業(yè)施肥與除蟲害的應(yīng)用

田野 黑龍江農(nóng)墾科技職業(yè)學(xué)院

為適應(yīng)社會的發(fā)展需求，農(nóng)業(yè)在耕地，播種以及收割的效率上都開始提高，但是關(guān)于農(nóng)藥噴灑仍有不足。當(dāng)前農(nóng)藥噴灑采用的方式還是以往人工噴灑，還有就是存在農(nóng)藥噴灑工具，農(nóng)藥噴灑技術(shù)滯后問題，這樣的狀態(tài)無法跟上農(nóng)業(yè)技術(shù)的發(fā)展水平，對于大規(guī)模病蟲害的防治不利。傳統(tǒng)意義上的噴灑方式，實際工作效率不高，致使會出現(xiàn)噴灑不均勻的問題，而且負(fù)責(zé)農(nóng)藥噴灑的工作人員直接在處于藥霧的環(huán)境中，威脅著他們的身體健康。

自主無人機在科學(xué)技術(shù)的發(fā)展下誕生，得到了大力推廣。對于旋翼無人機而言，操作上非常簡單，具有飛行穩(wěn)定的特點，在多個領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，尤其是在偵查，監(jiān)控等領(lǐng)域應(yīng)用最多。但是，當(dāng)前情況是無人機控制算法，產(chǎn)品應(yīng)用仍處于不成熟狀態(tài)，在農(nóng)業(yè)應(yīng)用發(fā)展上還無法做到平衡。為此，要研究無人機噴灑控制系統(tǒng)，實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，讓農(nóng)藥能自動化進(jìn)行噴灑，有效解決以往人工噴灑給人們健康帶來危害和實際利用率低的問題，從而促使工作效率得到提高。

一、系統(tǒng)設(shè)計

（一）無人機設(shè)計

重量較輕，硬度較強，比較容易成形，這是復(fù)合性材料的優(yōu)勢，所以在無人機的機身骨架位置適合應(yīng)用復(fù)合材料。四旋翼無人機中，1號和3號無刷電機的旋轉(zhuǎn)方向與2號和4號無刷電機的旋轉(zhuǎn)正好方向相反。換言之，一個是逆時針的旋轉(zhuǎn)，還有一個是順時針的旋轉(zhuǎn)，其設(shè)計的主要目的是將無人機飛行時對角線旋翼反轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的陀螺效率加以抵消，從而在飛行中預(yù)防自旋現(xiàn)象的發(fā)生。

（二）農(nóng)藥噴灑系統(tǒng)設(shè)計

在自主農(nóng)藥噴灑系統(tǒng)中，其中的硬件結(jié)構(gòu)是由STM32單片機實現(xiàn)，主要是利用WiFi 接收控制的信號，并依據(jù)信號加以處理。另外，單片機利用對繼電器閉合的控制實施農(nóng)藥的噴灑工作，并在實際采集中整合傳感器中傳來的數(shù)據(jù)信息，進(jìn)一步獲取飛行姿態(tài)，充分調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速，確保無人機噴灑能夠保持平衡性。

二、硬件設(shè)計

（一）STM32最小系統(tǒng)板

STM32最水系統(tǒng)板主要的組成是多個部分，包括電源模塊，復(fù)位模塊、通訊接口電路等。STM32將電路和復(fù)位電路、電源模塊整合起來，有電壓轉(zhuǎn)換的功能，而且在最小系統(tǒng)板的正極輸入端接二極管可預(yù)防電源芯片被燒壞的情況。除此之外，復(fù)位電路能夠讓系統(tǒng)恢復(fù)到最初狀態(tài)，在無人機控制系統(tǒng)發(fā)生故障的過程中，可利用復(fù)位來恢復(fù)運作。

（二）AK8975磁力計

AK8975磁力計磁力計模塊與電子陀螺儀 MPU6050 可以進(jìn)行有效的組合，保證在三維空間的飛行下，無人機飛行器姿態(tài)測量數(shù)據(jù)的測量準(zhǔn)確性可以基本上符合實際的需要。

（三）MPU6050電子陀螺儀

電子陀螺儀可在無人機飛行的時候，全面監(jiān)測飛行器的姿態(tài)，從而保證飛行器能夠依據(jù)遙感控制器的指令準(zhǔn)確的飛行。電子蛇螺儀和磁力計，由于都是準(zhǔn)確度較高的電子元器伯，因此在進(jìn)行安裝的時候，一定要確保是水平放置的情況。除此之外，可應(yīng)用3D打印技術(shù)，制定水平旋轉(zhuǎn)臺，并把傳感器安裝在水平放置臺上，再利用無人機進(jìn)行準(zhǔn)確調(diào)試，從而有效縮小因為傾斜帶來的飛行上的誤差。

三、軟件算法設(shè)計

（一）整體框架

在自主無人機實施農(nóng)藥噴灑中，整體的框架設(shè)計是由人機飛行器系統(tǒng)軟件，以及部分主程序組成。傳感器的初始化，飛行器飛姿態(tài)的有效調(diào)整以及優(yōu)先順序調(diào)控等，這些都是主程序所承載的實際功能。進(jìn)行農(nóng)藥噴灑的時候，飛行器移動和藥箱重量都比較輕，要調(diào)整飛行器的轉(zhuǎn)速，還有飛行器的轉(zhuǎn)向，這就給無人機姿態(tài)控制提出了比較高的要求。所以要在各個傳感器模塊的數(shù)據(jù)上采用 5 ms 讀取，利用算法將數(shù)據(jù)整合起來，從而傳送到控制器當(dāng)中做相應(yīng)的調(diào)整。

（二）農(nóng)藥噴灑的遠(yuǎn)程控制

在STM32單片機和遙控器之間，通訊的形式可以利用 WiFi 實現(xiàn)。而遙控器發(fā)送的信號可以直接給無人機遠(yuǎn)程來控制農(nóng)藥的噴灑。實施操作的時候，工作人員利用遙控器對無人機的飛行工和加以控制，由STM32單片機來接收遙控的信號，從而獲得良好的無人機姿態(tài)，并對姿態(tài)采樣獲得初步數(shù)值，再應(yīng)用PID控制對電機加以調(diào)整，以此讓無人機的飛行能夠保持在正確的道路中。第一，依據(jù)發(fā)送噴灑指令給單片機，然后收到指令后對繼電器閉合加以控制，促使農(nóng)藥噴灑裝置能夠?qū)嵤┯行У墓ぷ鳌５诙盘柦前l(fā)端有低電平觸發(fā)的時候，要把公共端和常開端接通好，從而讓水泵能夠接收到高電平，水泵斷電后農(nóng)藥的噴灑工作停止。

（三）農(nóng)藥噴灑無人機測試

當(dāng)自主無人機硬件和軟件設(shè)計工作完成以后，在農(nóng)藥噴灑中可做相應(yīng)的調(diào)試，并在初步調(diào)試測試的時候，利用尼龍繩在無人機對角處將重物固定上。與此同時，選擇功能強的開源上位機，把串口和無線WiFi模塊進(jìn)行連接，再由上位機給無人機飛發(fā)送指令，從而能夠傳輸飛信狀態(tài)信息到上位機中。

（四）無人機噴灑測試

完成無人機調(diào)試以后，需要采用3D打印技術(shù)，制定模擬裝載農(nóng)藥的水箱，并在箱里內(nèi)置水泵，然后在無人機飛行姿態(tài)和農(nóng)藥噴灑時使用遙控器來加以控制，以此把實際農(nóng)藥噴灑控制在合理的范圍，以直徑φ2 m為宜。

四、結(jié)語

在自主無人機噴灑控制系統(tǒng)中，利用遙控器控制無人機，可以實施農(nóng)藥的有效性噴灑。實踐表明，無人機農(nóng)藥噴灑有很多的優(yōu)勢，包括噴灑穩(wěn)定，實用性強，當(dāng)然最為主要的還是在農(nóng)業(yè)施肥與除蟲害方面優(yōu)勢明顯，一方面可在很大程度上降低工作人員的勞動量，另一方面還有利于勞動成本的節(jié)約，給農(nóng)藥噴灑效率的提高帶來益處。