微型低空遙感平臺研究與實踐

李丹

摘要：本文依托吉林省數字農業重點學科，使用吉林省智慧農業工程研究中心農作物生產設施，開展微型低空遙感平臺研究設計與實踐。本文詳細闡述了數字農業領域低空遙感技術的現狀、應用場景與關鍵技術、實驗場景、實驗實施方案、核心系統設計等內容。此系統經過現場測試，運行效果良好。

Abstract： Based on Jilin Province digital agriculture key discipline， using the crop production facility of Jilin Province Intelligent Agricultural Engineering Research Center， the research design and practice of micro-low altitude remote sensing platform are carried out in this paper. The present situation， application scenarios， key technologies， experiment scenarios， experiment scheme and core system design of low-altitude remote sensing technology in digital agriculture are described in detail in this paper.

關鍵詞：低空遙感;飛行控制;數據采集

Key words： low altitude remote sensing;flight control;data acquisition

中圖分類號：P627? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2020）04-0236-02

1? 農用低空遙感技術發展現狀

將低空遙感技術運用到農業中是農業生產領域的再次技術革新。低空遙感平臺可以彌補傳統監測設備作業范圍小、實時監測難等問題，同時又彌補了衛星遙感的成本高、受天氣狀況影響大等問題。微型低空遙感平臺可以獲取土壤墑情、監測作物長勢、病蟲害等農業生產信息，幫助農田管理者檢測農田，改變從前廣施肥、多撒藥的粗獷作業方式，達到節約成本、達到精準作業的目的，真正完成從傳統農業向數字農業的轉型。農用低空遙感技術在美國、日本等發達國家使用較早，已經成為植保領域的主力軍。低空遙感目前在我國處于起步階段，主要在農業保險賠付、小面積農田農藥噴施等方面有了一些應用。研制農用低空遙感平臺成為了一個新興的農用設備產業領域。

2? 低空遙感平臺應用場景及其關鍵技術

本文針對目前溫室和農業大田環境信息分布式監測技術上存在的需求，設計一個程控自主飛行無人機低空遙感系統，系統小巧、靈活并且可以飛行姿態自主控制、自主定位與導航、自主避障、完成信息數據分析處理。

本文針對無人機低空遙感系統識別作物種類進行研究，在可見光區低空遙感影像對作物種類反應是較為敏感的，可以判讀出作物的種類。針對無人機低空遙感系統識別作物長勢進行研究，根據不同作物長勢的葉片對不同電磁波的反射特征不同，可以進行作物長勢分析。同時對植被覆蓋率監測、土壤溫濕度監測等領域進行研究。關鍵技術闡述如下：

①無人機低空遙感平臺的硬件系統設計。無人機低空遙感平臺應該以小巧、靈活、具有一定的載荷量作為基本的設計原則，夠在農作物生長空間內靈活飛行。②脫離RC遙控器，實現程序控制飛行，完成智能懸停設定高度、完成按照預先設定規劃路徑智能飛行。③脫離RC遙控器，實現程序控制飛行，完成對農田作物生產設施的智能躲避。④采集信息數據的無線傳輸。主要目的是將采集到的空間環境數據，通過無線技術傳輸到環境控制器，作為環境調控的依據。⑤飛行器姿態控制。在保證飛行器在作物生長空間穩定飛行的前提下實現對空間環境信息的測量。

3? 低空遙感平臺實驗場景

首先，智慧農業工程研究中心已經建設完成了智慧農業物聯網實驗室，實驗室含有物聯網智慧農業沙盤仿真系統，為無人機低空遙感系統調試提供農作物生長的空間環境仿真信息數據。其次，智慧農業工程研究中心已經建設完成了一棟現代化智能溫室，溫室包含有智能灌溉系統、智能噴霧系統、智能溫度控制系統、智能外遮陽控制系統，為無人機低空遙感系統調試提供物理實驗場景。然后，智慧農業工程研究中心已經購置四旋翼飛行器10余架，提供低空遙感系統調試的硬件平臺。最后，項目團隊研發成果“基于ARM的測控系統”獲得2015年吉林市科技進步獎一等獎，省級大學生電子設計競賽飛行器競賽項目獲得5項二等獎、2項三等獎，為項目實施提供豐富的低空遙感技術經驗積累。

4? 低空遙感平臺實施方案

設計低空遙感平臺的關鍵難點技術包含遙感平臺的穩定姿態控制、高度設定控制。核心技術包含農情信息采集與信息分析處理，實現數字農業農情檢測領域的智能化、現代化。

低空遙感平臺設計任務實施方案包括：首先，選擇中央控制層的嵌入式微處理器型號。中央控制層使用三個UART通信接口，分別與FMU飛行控制層通信、信息采集層通信和中央控制層調試模塊通信;系統要求實時數據處理，需要運行嵌入式操作系統，綜合上述因素選擇了低功耗32位微處理器STM32F103芯片。其次，FMU飛行控制層的模塊型號選擇。考慮飛行控制效果的穩定性和飛行控制代碼的健壯性，選擇了基于ARM的32位開源飛行控制模塊PixHawk。充分利用PixHawk開源硬件設計和開源飛行控制源代碼，實現低空遙感平臺的穩定姿態控制。然后，選擇信息采集層的攝像傳感器型號。采集層主要使用OV7725攝像頭完成農情信息采集與圖像信息處理，輸出二值化圖像。最后，整機飛行調試。

5? 低空遙感平臺核心系統設計

5.1 系統功能整體設計

低空遙感平臺采用分層設計的方法。系統總體按照功能層次分為中央控制層、FMU飛行控制層、伺服驅動層、信息采集層。中央控制層主要負責接收來自信息采集層的低空環境參數，并且進行處理分析得到飛行控制的控制增量，將控制增量發送給FMU飛行控制層。FMU飛行控制層主要負責接收來自中央控制層的控制信息和接收來自RC遙控手柄的控制信息，并且將控制信息轉換為控制脈沖發送給伺服驅動層。伺服驅動層主要負責接收FMU飛行控制層的控制脈沖，并且通過電子調速器控制無刷電機旋轉，從而調整遙感平臺的姿態、高度、角度。信息采集層主要負責通過攝像頭等傳感器采集低空環境參數，并將信息發送給中央控制層。

5.2 功能模塊詳細設計

5.2.1 中央控制層設計

中央控制層負責計算下一時刻低空遙感平臺所需控制量，將封裝數據結構體發送給FMU飛行控制層，這個功能類似于RC遙控手柄的控制增量;同時，將FMU飛行控制層測定的姿態角度值、高度值發送給采集層，用于采集層的參數自補償。

中央控制層電路板根據功能劃分設計的模塊包括：嵌入式微處理器模塊STM32F103、按鍵模塊、蜂鳴器模塊、LED指示燈模塊、撥碼開關模塊、UART接口模塊。中央控制層電路板包括與FMU飛行控制層通信的UART接口、與采集層通信的UART接口和DEBUG調試的UART接口。中央控制層電路板使用按鍵模塊切換遙感平臺遙控器模式或者程控自主飛行模式，使用撥碼開關模塊鎖定自主懸停、GPRS定位等飛行方式。

中央控制層的程序流程設計為循環結構，依次掃描執行：更新按鍵、編碼器信息獲取工作模式工作方式;接收并解析FMU飛行控制層和采集層發來的數據信息;處理調試信息;分析解鎖方式;更新PID值;更新控制量;設置找回方式;發送數據幀。

5.2.2 飛行控制層設計

飛行控制層采用開源PixHawk飛行控制模塊，接收RC遙控手柄控制量或是中央控制層UART發送的控制量，發送給電子調速器控制脈沖，調節低空遙控平臺的姿態角度、高度值。同時，FMU飛行控制層將當前的控制量和傳感器采集到的姿態角度傳送給中央控制板，用于計算下一時刻的控制量。

5.2.3 數據采集層設計

數據采集層搭載OV7725攝像頭，發送采集到的農田作物信息。根據中央控制層發來的當前姿態角度等信息對實際采集到的信息進行運算補償。最終將運算后的位置信息發送給控制層。發送采集的圖像分為灰色圖像或二值化圖像。灰色圖像以4：3的寬高比輸出圖像，當小于最大分辨率是，總是輸出采集到的中心部位。二值化圖像將圖像上的點的灰度值為0或255，也就是將整個圖像呈現出明顯的黑白效果。將256個亮度等級的灰度圖像通過適當的閾值選取而獲得仍然可以反映圖像整體和局部特征的二值化圖像。

5.2.4 伺服驅動層設計

伺服驅動層采用好贏樂天20A無刷馬達電子調速器、大功率2212無刷電機、9450自鎖漿組成。好贏樂天20A無刷馬達電子調速器輸入是直流，由3節鋰電池來供電，輸出是三相交流，直接驅動大功率2212無刷電機。

6? 應用前景

對農情信息進行監測，使用農業微型無人機作為低空遙感平臺，獲得高分辨率的低空遙感圖像，具有快速、機動靈活、成本低、經濟實用的特點，是對傳統農田信息獲取方式的一種有效方案。從提高農藥有效利用率、減少勞動力、提高作業效率、降低作物傷害、減輕對土壤的重復碾壓等方面考慮，其優越性已遠超過地面機械作業效果。因此，變革傳統農耕方式，采用低空遙感平臺進行農情信息檢測在國內有巨大的發展潛力和應用前景。

參考文獻：

[1]唐亮，何明珠，許華，賈譜超.基于無人機低空遙感的荒漠植被覆蓋度與歸一化植被指數驗證及其對水熱梯度的響應[J/OL].應用生態學報：1-12[2019-12-11].

[2]張飛，景志賢，紀寶玉，裴莉昕，陳隨清，王炫瓔，張小波，史婷婷，黃璐琦.基于無人機低空遙感與衛星遙感的洛寧縣中藥資源種植面積估算研究[J].中國中藥雜志，2019，44（19）：4095-4100.

[3]景志賢，王帥，張小波，史婷婷，朱壽東，王慧，李夢.無人機低空遙感技術在中藥資源領域的應用探討[J/OL].中國現代中藥：1-8[2019-12-11].

[4]張帥.基于無人機低空遙感的農田信息采集與處理研究[J].安徽農學通報，2019，25（13）：149-151.

[5]范道全，張美娜，呂曉蘭.無人機低空遙感技術在大田作物監測與產量預測中的應用[J].新疆農機化，2019（03）：17-20.

[6]趙曉陽，張建，張東彥，周新根，劉小輝，謝靜.低空遙感平臺下可見光與多光譜傳感器在水稻紋枯病病害評估中的效果對比研究[J].光譜學與光譜分析，2019，39（04）：1192-1198.