水稻分蘗顆粒肥無人機投放電控系統設計

呂 霞

（遼寧省農業機械化研究所，沈陽 110161）

水稻分蘗期需要大量的氮、鉀、磷元素。傳統水稻施肥大多是人工施撒，效率低，耗費大量人力資源，而現有的機械施肥裝置體積大，行走受限。為此，設計一種無人機投放化肥裝備。其投放系統通過電控系統操控，完成不受地形限制的高效率精準施肥功能。 闡述撒肥機數據控制信號的來源，分析電控系統內部控制模塊選用及所選STC89C51RC 芯片的軟件算法，以期為水稻分蘗顆粒肥無人機投放提供參考。

1 水稻分蘗期數據控制信號的來源

劃分2 個區域作為試驗田，分別作為采集組和對照組。 采集測定對照組內的稻田土壤、水體和水稻的氮、鉀、磷含量，并對采集數據進行處理，作為驗證采集組準確性的參考。采集組用六旋翼無人機進行高光譜檢測拍照，于早7 點到9 點進行采集，防止陽光光照過強導致光譜污染。無人機采集區域設立幾個交點定點，保證無人機在指定軌道飛行。

高光譜成像方法是先經過影像預處理提取一些波值，采集定點數據后進行幾何精校正，通過定點值、矢量方向描繪出大致影像，再進行影像處理。然后，通過直方圖匹配、色彩合成、影像拼接合成直觀圖影像。高光譜成像過程如圖1 所示。

圖1 高光譜成像過程Figure 1 Hyperspectral imaging process

光譜圖像中含有土壤、水體、水稻3 種物質。為得到水稻內的元素含量，需要進行圖像解混，用最小噪聲法將噪聲分離開，提取水稻內的元素含量。 通過算法繪出曲線圖，提取水稻元素含量數據。 數據信號為肥料施撒量的標準。

2 撒肥機內部控制模塊的選用

2.1 控制芯片

選用性價比高的STC89C51RC 單片機（如圖2），裝有4K 可編程FLASH 存儲器，具有高速、低功耗的優點。 具有穩定的脈沖信號， 能夠實現對電機的控制，從而控制電機施撒肥料數量。 STC89C51RC 單片機有豐富的引腳與外部設備連接，并設有獨立的ISP編程器。

圖2 STC89C51RC 芯片Figure 2 STC89C51RC chip

2.2 測距模塊

測距模塊選用超聲波傳感器TELESKY US-100（如圖3）， 用以計算無人機距離地面的高度，傳達脈沖信號。 當距離地面大于5 m 時，觸發一個高電平信號，再由系統檢測發出信號檢測回波信號，將距離值轉化成時間值，計算出與地面的高度。

圖3 超聲波傳感器Figure 3 Ultrasonic sensor

2.3 步進電機

選用 42HS40ECL06 步進電機（如圖 4）。 用以將收到的電信號轉化成角位移或者線位移。步進電機無法直連在交流、直流電路中，需用專用的驅動器（10～40 V 直流電、24～36 V 驅動電）。 步進電機配合齒輪齒條控制移動面板， 通過移動面板移動帶出肥料，控制另一條鏈條啟動攪拌棒。

圖4 步進電機Figure 4 Stepping motor

3 基于STC89C51RC 芯片的軟件算法設計

電控系統有2 個部分運用算法。一是高光譜成像后對圖像進行解混，去除不必要的噪聲，利用最小噪聲法分離圖像噪聲，再用純凈像元指數法提取高光譜曲線，通過建模、反演模型等得到可靠數據，進而得到水稻元素含量缺少量并作為數據控制信號。二是以水稻含量缺少量為信號值，啟動撒肥機電源，計算投放元素缺少量 （即第一部分算法得到的水稻元素缺少值）的所需時間、投放速度和傾斜角度。當無人機高度大于5 m 時發出啟動信號，再由系統檢測回波信號。PWM 脈沖輸出信號控制2 個電機投放， 投放結束后循環掃描新區域，如此進行若干循環，直至當前試驗地內的水稻肥料投放量達標。整個算法的設計流程如圖5 所示。

圖5 算法設計流程Figure 5 Algorithm design flow

先將程序初始化，通過掃描拍攝得到數據的控制信號，無人機接收到數據控制信號后上升。 當離地面高于5 m 時， 超聲傳感器發波信號至STC89C51RC芯片。 STC89C51RC 單片機通過PWM 信號控制電機正轉反轉，利用延時函數控制時間間隔，再進行掃描。如此不斷循環，直至數據信號傳達結束。