植保無人機控制系統優化設計

鄭州信息科技職業學院機電工程學院 宋艷

隨著我國農業現代化的快速發展，農業生產對植保機械的安全性、高效性、精準性有了更高的要求，近幾年興起的植保無人機，受到農村市場的廣泛關注。植保無人機為農業病蟲害防治工作的順利實施和國家糧食安全提供了保障，是我國農業現代化建設的重要組成部分。作為農業大國，我國有18 億畝基本農田，丘陵山區占到全國總土地面積的60%以上，丘陵山區所種植的農作物一般是水稻、玉米、馬鈴薯、油菜。丘陵山區的農業病蟲害防治比其他地形的農業病蟲害防治的難度要更大，我國丘陵地區的水稻草害與病蟲防治所占面積高達35%，每年需要大量的農業植保作業，應用無人機噴灑農藥具有很大的經濟和社會價值。

1 農業植保無人機的發展現狀

1.1 植保無人機的智能化水平有待提高

我國對三農問題非常重視，從政策層面不斷加大對農業的扶持力度，農業無人機植保在探索實踐自動化的種植模式。但是我國農業植保機在人力成本、施藥成本以及服務效果方面依舊達不到理想的效果，目前研發方面成熟度不夠，智能化水平不高。我國的植保無人機生產數量少，技術方面需要提升的地方很多

植保無人機分為固定翼、單旋翼和多旋翼，其中固定翼適合北方大農場大規模作業，單旋翼相對于多旋翼使用成本較高，且需要配套設施支持，不利于推廣應用。多旋翼植保無人機以其作業效率高、施藥效果好、作業適應性強、作業過程精準等優點非常適合南方中小田塊的病蟲害防治和大田內局部的精準施藥。多旋翼植保無人機在其實際推廣過程中還存在著定位導航精準度不夠、售價較高、智能程度低、作業參數方面有待優化以及噴灑技術改進等諸多問題。

1.2 植保無人機系統可靠性有待提高

植保無人機系統的可靠性，體現在需要在規定的條件下和規定的時間內完成規定功能的能力，植保無人機的可靠性能主要是指其飛行作業任務的成功率。 在植保無人機的眾多性能指標中，可靠性能是首要的指標。當飛機的可靠性能不能保證時，其他的任何性能指標都會成為空談。無人機系統作為一個整體，主要由機身結構系統和飛行控制軟件系統組成。

2 植保無人機控制系統優化設計

基于ArmCortex—A9 硬件平臺和Linux 操作系統研究設計飛行控制平衡系統、避障系統、視覺采集處理系統、GPS 定位系統、電源管理系統、無線控制系統和無線數據傳輸系統，并在此基礎上研究設計植保無人機控制系統，對植保無人機的硬件平臺進行搭建。植保無人機硬件系統包括飛行主控模塊、傳感器模塊、視頻傳輸模塊、電源模塊、GPS+GPRS 模塊、通信模塊等。飛控模塊主要承擔了設置飛行模式以及控制算法等工作，其主要功能為：利用慣性測量單元(IM U)獲得的自身系統的實時加速度等原始數據，算出當前系統姿態；通過無線模塊接收的控制信號得到希望達到的目標姿態，再根據目標姿態和當前姿態的差值調整飛行器飛行的一系列復雜操作。

傳感器作為無人機控制的傳感機構，通過實時采集速度、姿態、位置、加速度、高度和空速等獲取飛行器的信息，其中姿態由慣性測量控制單元IMU 獲得，傳感器系統中陀螺儀、氣壓計等作為無人機的感知系統，地面設備與無人機進行無線通信，地面控制平臺實時查看和采集無人機的飛行參數，地面控制平臺(地面站)與無人機的無線通信機制可以通過數傳模塊完成，最終完成對整個平臺的搭建，如圖1 所示。

圖1 植保無人機系統結構圖

2.1 高精度定位系統優化設計

針對GPS 定位系統在復雜環境下的穩定性差、定位精度有限、無法為農業植保無人機提供高精度穩定的定位服務問題，借助于GPRS 網絡定位服務優化設計基于GPS 和GPRS 的混合定位系統，通過該系統為農用無人機在復雜環境下進行植保作業提供高精度的定位服務，確保植保無人機作業高效、精準[1]。

GPS（Global Positioning System）全球定位系統技術利用定位衛星系統為GPS 用戶提供精確的導航和定位服務。GPS 提供的位置信息服務可以對無人機進行自主導航和作業線路規劃。

GPRS（General packet radio service）無線分組交換定位技術又稱LBS（Location Based Services）移動基站定位技術，主要借助于GPRS 網絡基站信號實現定位，可以有效地彌補GPS 定位系統對環境要求高、在復雜環境下定位精度不足等問題，與GPS 定位服務系統配合使用可以使得整個定位服務更加準確和可靠[2]。

2.2 避障功能系統優化設計

在無人機避障系統中，目前通常可采用紅外線避障、超聲波避障、雙目視覺傳感器、激光雷達等實現，其中，紅外探測器不適宜用在雨雪環境下，且受溫度影響過大，影響測量目標距離，導致偏差較大或者不準確，不能滿足避障要求。

超聲波測量距離的原理是超聲波信號發射后遇到障礙物反射回來送入超聲波傳感器。但超聲波能有效測量的距離較短，且對障礙物反射面有一定要求，常用于測量無人機距地面的距離，不適用于障礙物的測量與避障。

雙目視覺技術是運用人眼計算距離的原理，得到障礙物的準確方位，同時測其距無人機的距離，增加了測量范圍，同時在避障方面具有較高的準確性[5]。

激光雷達精度高、靈敏度好，可以得到目標障礙物到無人機之間的間隔，同時它的體積和重量都很輕，因此適合搭載在無人機上。在優化設計過程中，嘗試將激光雷達檢測與雙目視覺避障相結合，能夠實現對障礙物等并不會產生實際阻礙效果的障礙物的檢測，可減少避障次數，在實現準確避障的同時減少能耗，實現無人機飛行時間的延長[2]。

圖2 避障功能系統

2.3 精準噴灑系統優化設計

植保無人機在進行噴灑過程中，會在躲避障礙物、減速換壟等環節出現噴灑量過大對農作物的生長有一定影響。經過優化設計可實現根據田間作物病害程度，設置不同噴藥量等級，做到變量噴藥，實現低量、精準施藥，節約用藥量，設計的精準噴藥系統在飛行制系統基礎上，由圖像獲取設備、圖像處理設備、導航控制系統和噴藥系統等組成[3]。

其中，無人機導航定位系統一般包括空中飛行器、地面監控兩個部分。飛行控制器部分主要包括無人機、GPS/GPRS 接收器、電源模塊等，其主要將GPS/GPRS 接收機的信息實時傳輸到機載控制器中，根據導航定位算法計算出飛行器的飛行姿態和導航定位控制信息。安裝在無人機平臺上的數碼相機拍攝獲得圖像信號轉換為數字信號后，通過無線傳輸方式發送給地面的控制中心，控制中心的核心計算機對圖像進行視覺分析，從而對無人機進行精準的控制。同時把采集到的信息反饋給CPU，根據監測到的實時飛行數據、噴灑數據，同時采集外部環境的相應數據，再進行智能算法分析，以便對飛機噴灑系統進行實時的反饋處理和實時修正，通過這種方式實現植保無人機的精準噴灑[4]。

2.4 地面監控系統優化設計

植保無人機地面監控系統硬件部分完成視頻傳輸和飛行數據傳輸，視頻傳輸讀取視頻數據，服務器端接收到視頻數據以后，再把圖像數據轉發給地面監控系統。飛行數據傳輸是多旋翼無人機通過通信模塊發送給地面監控系統的，無人機在植保過程中進行航跡規劃以及航點繪制，同時能夠實時監測和控制飛行狀態，并對實時采集到的飛行數據進行存儲，再加以智能分析，所以地面監控系統需要實時進行飛行數據的顯示、導航地圖、航跡規劃、數據存儲、報警和自救設備。

圖3 地面監控系統

3 結語

本文以ArmCortex—A9 控制器為核心，對植保無人機結構進行優化設計。優化設計了系統的組成、硬件配置等各方面的主要功能，提出了一種基于GPS 和GPRS 的混合農業植保無人機高精度定位系統的設計。通過該系統可以有效地彌補GPS 在復雜環境的定位不足，提高農業植保無人機的定位精度，采用激光雷達檢測與雙目視覺避障相結合，實現準確避障，延長飛行時間。優化設計精準噴灑系統以提高農用無人機的智能程度，應用于多旋翼智能無人機在飛行狀態下實現試驗數據的自動采集、分析及處理。整體設計對進一步促進農業植保無人機技術的發展具有非常重要的意義。