自主無人機在農業施肥與除蟲害的應用

田野 黑龍江農墾科技職業學院

為適應社會的發展需求，農業在耕地，播種以及收割的效率上都開始提高，但是關于農藥噴灑仍有不足。當前農藥噴灑采用的方式還是以往人工噴灑，還有就是存在農藥噴灑工具，農藥噴灑技術滯后問題，這樣的狀態無法跟上農業技術的發展水平，對于大規模病蟲害的防治不利。傳統意義上的噴灑方式，實際工作效率不高，致使會出現噴灑不均勻的問題，而且負責農藥噴灑的工作人員直接在處于藥霧的環境中，威脅著他們的身體健康。

自主無人機在科學技術的發展下誕生，得到了大力推廣。對于旋翼無人機而言，操作上非常簡單，具有飛行穩定的特點，在多個領域被廣泛應用，尤其是在偵查，監控等領域應用最多。但是，當前情況是無人機控制算法，產品應用仍處于不成熟狀態，在農業應用發展上還無法做到平衡。為此，要研究無人機噴灑控制系統，實現遠程控制，讓農藥能自動化進行噴灑，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、系統設計

（一）無人機設計

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

（二）農藥噴灑系統設計

在自主農藥噴灑系統中，其中的硬件結構是由STM32單片機實現，主要是利用WiFi 接收控制的信號，并依據信號加以處理。另外，單片機利用對繼電器閉合的控制實施農藥的噴灑工作，并在實際采集中整合傳感器中傳來的數據信息，進一步獲取飛行姿態，充分調節電機的轉速，確保無人機噴灑能夠保持平衡性。

二、硬件設計

（一）STM32最小系統板

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

（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，無人機飛行器姿態測量數據的測量準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，全面監測飛行器的姿態，從而保證飛行器能夠依據遙感控制器的指令準確的飛行。電子蛇螺儀和磁力計，由于都是準確度較高的電子元器伯，因此在進行安裝的時候，一定要確保是水平放置的情況。除此之外，可應用3D打印技術，制定水平旋轉臺，并把傳感器安裝在水平放置臺上，再利用無人機進行準確調試，從而有效縮小因為傾斜帶來的飛行上的誤差。

三、軟件算法設計

（一）整體框架

在自主無人機實施農藥噴灑中，整體的框架設計是由人機飛行器系統軟件，以及部分主程序組成。傳感器的初始化，飛行器飛姿態的有效調整以及優先順序調控等，這些都是主程序所承載的實際功能。進行農藥噴灑的時候，飛行器移動和藥箱重量都比較輕，要調整飛行器的轉速，還有飛行器的轉向，這就給無人機姿態控制提出了比較高的要求。所以要在各個傳感器模塊的數據上采用 5 ms 讀取，利用算法將數據整合起來，從而傳送到控制器當中做相應的調整。

（二）農藥噴灑的遠程控制

在STM32單片機和遙控器之間，通訊的形式可以利用 WiFi 實現。而遙控器發送的信號可以直接給無人機遠程來控制農藥的噴灑。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，并對姿態采樣獲得初步數值，再應用PID控制對電機加以調整，以此讓無人機的飛行能夠保持在正確的道路中。第一，依據發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，促使農藥噴灑裝置能夠實施有效的工作。第二，信號角發端有低電平觸發的時候，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，水泵斷電后農藥的噴灑工作停止。

（三）農藥噴灑無人機測試

當自主無人機硬件和軟件設計工作完成以后，在農藥噴灑中可做相應的調試，并在初步調試測試的時候，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模塊進行連接，再由上位機給無人機飛發送指令，從而能夠傳輸飛信狀態信息到上位機中。

（四）無人機噴灑測試

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

四、結語

在自主無人機噴灑控制系統中，利用遙控器控制無人機，可以實施農藥的有效性噴灑。實踐表明，無人機農藥噴灑有很多的優勢，包括噴灑穩定，實用性強，當然最為主要的還是在農業施肥與除蟲害方面優勢明顯，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約，給農藥噴灑效率的提高帶來益處。