植保無人機的研究與設計

王猛 陶曾杰 唐培 瞿雨秋

摘要：隨著無人機的大力發展，植保無人機作為無人機的一員，已大范圍投入到農業生產中。植保無人機在執行噴灑操作時，會遇到藥量不夠而繼續執行噴灑作業;另外當電量不足時而繼續飛行噴灑作業帶來墜機的危險。本文在原有植保無人機基礎上，對這兩個問題做了改善，使得植保無人機能更好更安全地為農業服務。

關鍵詞：植保無人機;微控制器;液位控制;噴灑

0? 引言

無人機是指無人駕駛飛行器，與載人飛機相比，它具有體積小、造價低、使用方便等優點[1]。植保無人機，是用于農林植物保護作業的無人駕駛飛機，該型無人飛機由飛行平臺（固定翼、直升機、多軸飛行器）、導航飛控、噴灑機構三部分組成，通過地面遙控或導航飛控，來實現噴灑作業，可以噴灑藥劑、種子、粉劑等[2]。

植保無人機在作業時經常會出現兩種異常情況：①藥量不夠時無藥噴灑繼續飛行作業，植保無人機由于無法獲取上次未噴灑藥物的具體位置造成重噴、漏噴現象，同時造成藥劑、種子、粉劑等噴灑物浪費;②電量不足，在中途突然停機，不僅給用戶使用造成不便，若在植物上空突然墜機還會造成植物破壞。為了在一定程度上克服植保無人機在作業時出現的上述兩種異常情況，設計研究了如下的植保無人機。

1? 植保無人機的組成

設計的植保無人機主要由衛星導航模塊，液位檢測模塊，電源監測模塊和微控制器等組成。結構框圖如圖1所示。

微控制器分別與衛星導航模塊、液位監控模塊、電源管理模塊連接;通過液位監控模塊獲取藥液存量，在藥液存量低于第一預設閾值時通過衛星導航模塊獲取植保無人機第一位置并存儲第一位置信息，以使植保無人機加藥液后重返第一位置繼續作業;微處理器與電源監控模塊獲取電源電量，在電源電量低于第二預設閾值時通過衛星導航模塊獲取植保無人機第二位置并存儲第二位置信息，以使植保無人機充電后重返第二位置繼續作業。

2? 硬件設計

根據圖1的系統結構框圖對重要的組成部分展開了如下設計。

2.1 微控制器

本系統選用STM32F103C8T6作為微控制器，它是ARM公司的一款基于Cortex-M內核的32位的微控制器。內有64KB的程序存儲器，工作電壓2V～3.6V，工作溫度為-40°C～85°C。屬中等容量增強型，含有USB接口、CAN總線、7個定時器、2個ADC、9個通信接口，完全能夠滿足本系統的控制任務[3]。

2.2 液位檢測模塊

液位檢測模塊主要檢測植保無人機儲存藥液容量的液位高度，采用紅外測距模塊來實現，通過接時收和發射紅外光的間隔時間，非線性的將距離數據傳輸給STM32數據經處理后得到距離。電路圖如圖2所示。STM32獲得藥液存量的位置值并與閾值比較，若低于設定的閾值時，將在無人機上有聲光報警，遙控器上也將接收報警信號，同時植保無人機停止噴灑作業。

2.3 電源監測模塊

電源檢測模塊主要檢測無人機的電量，當電量不足時，有可能造成植保無人機墜毀的危險。電壓檢測電路由TV1013-1H型電壓互感器、運放AD8552、采樣電阻組成，電路如圖3所示。

2.4 微波雷達傳感器

微波雷達傳感器用于測量噴灑位置與植物表面的相對高度。

微波是波長很短的無線電波，微波的方向性很好，速度等于光速。微波雷達傳感器由發射天線發出的微波，遇到被測物體時將被吸收或反射，使功率發生變化。若利用接收天線接收通過被測物體或由被測物反射回來的微波，并將它轉換成電信號，實現微波雷達檢測。

2.5 衛星導航模塊

衛星導航模塊采用北斗系統的三頻衛星導航模塊。

三頻衛星導航是指三顆衛星同時作為空間位置基準，同時測得三顆衛星至植保無人機的距離，以這三段距離為半徑，以三顆衛星瞬時位置為圓心，所作的三個球面的幾個交點為植保無人機所處的位置。通過使用北斗系統的三頻衛星導航模塊有利于定位準確，從而使植保無人機在排除異常后從定位位置直接開始作業，避免重噴、漏噴現象。

2.6 噴灑閥門

植保無人機噴灑藥液通過噴灑閥門來作業，主要包括噴頭，噴頭用于霧化和噴灑藥液。當微控制器在判斷藥液存量低于預設閾值時，關閉噴灑閥門時，噴頭停止噴灑藥液。本設計中噴頭選用霧化性能好的噴頭，有利于均勻噴灑藥液。

3? 軟件設計

植保無人機控制主流程如圖4所示。系統初始化，首先液位傳感器檢測藥液存量，判斷是否低于第一閾值，若是，系統關閉噴灑閥門;電壓檢測監視電壓值，若低于第二閾值則停止作業返回。

4? 結論

微控制器通過液位檢測模塊獲取藥液存量，在藥液存量低于第一預設閾值時通過衛星導航模塊獲取植保無人機第一位置并存儲第一位置信息，以使植保無人機加藥液后重返第一位置繼續作業，避免造成重噴、漏噴現象，并且節約噴灑物;通過微控制器與電源監測模塊獲取電源電量，在電源電量低于第二預設閾值時通過衛星導航模塊獲取植保無人機第二位置并存儲第二位置信息，以使植保無人機充電后重返第二位置繼續作業，避免因作業中途突然停機，給用戶造成不便。通過上述的設計，本文設計的內容解決了植保無人機執行作業時遇到藥液低而做無用功，另外當植保無人機電壓低時造成墜機的危險。

參考文獻：

[1]王守忠.航拍無人機的發展歷史與應用[J].中國攝行，2017（8）：26-33.

[2]王耿城，蘇澤宇，楊鑫泉，陳卓慶.植保無人機系統的設計與實現[J].福建電腦，2020，36（01）：54-57.

[3]陶曾杰，宋春雨，黃攀，曹斌芳.基于STM32的智能澆水系統[J].西華大學學報（自然科學版），2019，38（05）：84-88.