一種基于視覺的農用多功能智能化無人機設計方案

楊乾智 呂 償 林恩博 林士專 潘 偉 連煒業

（廣東白云學院，廣東 廣州 510450）

1 總體設計思路和方案

1.1 遙控手柄總體設計

遙控手柄主要通過無線通信芯片NRF24L01與無人機建立通信，遙控手柄的主要由STM32主控電流、搖桿電路、2.4G通訊電流和按鍵電路等組成。其功能：第一，可以通過按鍵操作開始無人機路線規劃；第二，通過搖桿控制無人機進行路線規劃；第三，可以通過按鍵讓無人機返回原位置。

1.2 無人機總體設計

1.2.1 澆灌系統總體設計。無人機上的澆灌系統主要通過電機控制管道內液體的流動，安裝在電機輸出軸的旋葉通過壓緊管道進而控制液體的停止流動，當電機旋轉時液體會往下流動。設計必須保證管道的柔韌性比較好，不然易造成管道的爆裂或者電機的旋轉停止。澆灌系統主要有四種不同的液體，分別是水、氮肥水、磷肥水、鉀肥水［1］。

1.2.2 傳感器總體設計。無人機上搭載的傳感器主要是溫濕度傳感器［2］和紅外避障傳感器［3］。溫濕度傳感器可以記錄環境的溫度和無人機機體的整體溫度，當環境溫度超過設定溫度時會自行開啟無人機上搭載的控制水電機。同時，濕度傳感器也可以記錄空氣中的濕度，當空氣中的濕度過大時無人機會返回航道，當空氣濕度正常時再進行巡邏。同時，還可以控制水電機的啟停，當空氣濕度比較干時會開啟水電機，在空氣濕度比較良好的情況下電機會自行關閉。紅外避障傳感器可以讓無人機安全地躲避規劃區域內的障礙，保證不會撞機。

1.2.3 攝像頭采集圖像。無人機上搭載的攝像頭主要是由CCD面陣相機［3］，攝像頭可以隔時段自動采集現場圖片信息，采集的圖片超過5張時會自行刪除原有圖片，保證STM32F103C8T6的資源不造成浪費。

1.3 圖像處理

對采集的圖像信息進行處理，采用專門的視覺識別軟件halcon［4］，軟件內部搭載各種處理算法，該軟件對本項目的完成有很大幫助。其圖片處理過程是先將圖片轉化為RGB三原色的信息，然后通過調整閾值獲得相應顏色的閾值范圍，再對比圖片信息獲得結果。

2 系統硬件設計

2.1 主控單元電路設計

控制電路的主控芯片采用的是ST公司的STM32F103 CBT6［5］，該開發芯片是一款低功效、高性價比的MCU芯片。其芯片I/O口分配如圖1所示［6］。其控制引腳主要分配給4個無人機電機、4個水管電機、3個傳感器等。

圖1 主控芯片引腳分配

2.2 電機驅動電路

4個無人機電機的控制主要原理是PWM調速，即脈沖寬度調頻，可以控制無人機電機轉速，從而控制高度。

2.3 無線通信模塊電路設計

無人機的遠程控制采用手柄方式，手柄與無人機的通信采用無線控制芯片NRF24L01［7］。NRF24L01具有小體積、低功效、多通信通道等特點，可以滿足本項目的工作要求。見圖3。

圖3 NRF24L01電路圖

2.4 攝像頭

攝像頭采用OV5640模塊［8］，OV5640模塊是一款高清攝像頭，可以采集圖片的RGB信息。同時，該款攝像頭模塊在黑暗和噪音的環境下仍能正常工作。見圖4。

圖4 OV5640攝像頭實物圖

2.5 電源電路

見圖5。

圖5 電源電路圖

圖2 四軸無人機電機電路

3 系統程序設計

3.1 無人機避障

無人機上4個驅動電機上分別搭載了4個紅外距離傳感器，根據傳感器傳回的信息可進行無人機姿態調整。見圖6。

圖6 無人機避障主要原理

3.2 澆灌系統控制電機

當無人機上的溫度傳感器和濕度傳感器低于設定值時會控制水電機的啟停；當分析拍攝圖片的農作物有黃色時會啟動氮肥水的管道，當分析拍攝圖片的農作物有暗綠色時會啟動磷肥水的管道，當分析拍攝圖片的農作物有褐色時會啟動鉀肥水的管道。澆灌系統主要是由4個電機控制。

3.3 halcon圖片分析程序

在halcon軟件上可以直接讀取電腦上的圖片，同時，可以把halcon的程序轉化為C語言分配到STM32芯片上［9］。采集圖片的分析主要是RGB，褐色RGB（150，75，0），黃色RGB（255，255，0），暗綠色RGB（0，64，0），當采集圖片顏色是黃色時，指示農作物缺氮，暗綠色時是缺磷，褐色時是缺鉀。

3.4 PID電機控制

由于無人機機體上的各部件重量不一，無法達到無人機受力中心在機體中心，故無法用各旋翼相同轉速達到上升的目的。采用PID［10］算法，即比例-積分-微分算法，收集無人機旋翼轉速n（t）和反饋回來的不平衡端，再通過比較給定轉速n0（t）來輸出一個新的轉速，從而達到無人機平衡飛行的目的。

3.5 成品圖片

見圖7。

圖7 無人機軸測圖

4 結語

開發本項目主要是為了實現云農業生產。筆者在該項目的一些地方超越了前人，可在生產中得到充分應用，當然，該項目也有一些不足之處，例如不能通過顯示屏實時觀看規劃區域的情況，自行充電問題沒有得到解決，不能自行補給4種灌溉液體等，在之后的開發中筆者將盡力完善。