植保無(wú)人機(jī)的研究與設(shè)計(jì)

王猛 陶曾杰 唐培 瞿雨秋

摘要：隨著無(wú)人機(jī)的大力發(fā)展，植保無(wú)人機(jī)作為無(wú)人機(jī)的一員，已大范圍投入到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中。植保無(wú)人機(jī)在執(zhí)行噴灑操作時(shí)，會(huì)遇到藥量不夠而繼續(xù)執(zhí)行噴灑作業(yè);另外當(dāng)電量不足時(shí)而繼續(xù)飛行噴灑作業(yè)帶來(lái)墜機(jī)的危險(xiǎn)。本文在原有植保無(wú)人機(jī)基礎(chǔ)上，對(duì)這兩個(gè)問(wèn)題做了改善，使得植保無(wú)人機(jī)能更好更安全地為農(nóng)業(yè)服務(wù)。

關(guān)鍵詞：植保無(wú)人機(jī);微控制器;液位控制;噴灑

0? 引言

無(wú)人機(jī)是指無(wú)人駕駛飛行器，與載人飛機(jī)相比，它具有體積小、造價(jià)低、使用方便等優(yōu)點(diǎn)[1]。植保無(wú)人機(jī)，是用于農(nóng)林植物保護(hù)作業(yè)的無(wú)人駕駛飛機(jī)，該型無(wú)人飛機(jī)由飛行平臺(tái)（固定翼、直升機(jī)、多軸飛行器）、導(dǎo)航飛控、噴灑機(jī)構(gòu)三部分組成，通過(guò)地面遙控或?qū)Ш斤w控，來(lái)實(shí)現(xiàn)噴灑作業(yè)，可以噴灑藥劑、種子、粉劑等[2]。

植保無(wú)人機(jī)在作業(yè)時(shí)經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)兩種異常情況：①藥量不夠時(shí)無(wú)藥噴灑繼續(xù)飛行作業(yè)，植保無(wú)人機(jī)由于無(wú)法獲取上次未噴灑藥物的具體位置造成重噴、漏噴現(xiàn)象，同時(shí)造成藥劑、種子、粉劑等噴灑物浪費(fèi);②電量不足，在中途突然停機(jī)，不僅給用戶使用造成不便，若在植物上空突然墜機(jī)還會(huì)造成植物破壞。為了在一定程度上克服植保無(wú)人機(jī)在作業(yè)時(shí)出現(xiàn)的上述兩種異常情況，設(shè)計(jì)研究了如下的植保無(wú)人機(jī)。

1? 植保無(wú)人機(jī)的組成

設(shè)計(jì)的植保無(wú)人機(jī)主要由衛(wèi)星導(dǎo)航模塊，液位檢測(cè)模塊，電源監(jiān)測(cè)模塊和微控制器等組成。結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

微控制器分別與衛(wèi)星導(dǎo)航模塊、液位監(jiān)控模塊、電源管理模塊連接;通過(guò)液位監(jiān)控模塊獲取藥液存量，在藥液存量低于第一預(yù)設(shè)閾值時(shí)通過(guò)衛(wèi)星導(dǎo)航模塊獲取植保無(wú)人機(jī)第一位置并存儲(chǔ)第一位置信息，以使植保無(wú)人機(jī)加藥液后重返第一位置繼續(xù)作業(yè);微處理器與電源監(jiān)控模塊獲取電源電量，在電源電量低于第二預(yù)設(shè)閾值時(shí)通過(guò)衛(wèi)星導(dǎo)航模塊獲取植保無(wú)人機(jī)第二位置并存儲(chǔ)第二位置信息，以使植保無(wú)人機(jī)充電后重返第二位置繼續(xù)作業(yè)。

2? 硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)圖1的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖對(duì)重要的組成部分展開了如下設(shè)計(jì)。

2.1 微控制器

本系統(tǒng)選用STM32F103C8T6作為微控制器，它是ARM公司的一款基于Cortex-M內(nèi)核的32位的微控制器。內(nèi)有64KB的程序存儲(chǔ)器，工作電壓2V～3.6V，工作溫度為-40°C～85°C。屬中等容量增強(qiáng)型，含有USB接口、CAN總線、7個(gè)定時(shí)器、2個(gè)ADC、9個(gè)通信接口，完全能夠滿足本系統(tǒng)的控制任務(wù)[3]。

2.2 液位檢測(cè)模塊

液位檢測(cè)模塊主要檢測(cè)植保無(wú)人機(jī)儲(chǔ)存藥液容量的液位高度，采用紅外測(cè)距模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)，通過(guò)接時(shí)收和發(fā)射紅外光的間隔時(shí)間，非線性的將距離數(shù)據(jù)傳輸給STM32數(shù)據(jù)經(jīng)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(shè)定的閾值時(shí)，將在無(wú)人機(jī)上有聲光報(bào)警，遙控器上也將接收?qǐng)?bào)警信號(hào)，同時(shí)植保無(wú)人機(jī)停止噴灑作業(yè)。

2.3 電源監(jiān)測(cè)模塊

電源檢測(cè)模塊主要檢測(cè)無(wú)人機(jī)的電量，當(dāng)電量不足時(shí)，有可能造成植保無(wú)人機(jī)墜毀的危險(xiǎn)。電壓檢測(cè)電路由TV1013-1H型電壓互感器、運(yùn)放AD8552、采樣電阻組成，電路如圖3所示。

2.4 微波雷達(dá)傳感器

微波雷達(dá)傳感器用于測(cè)量噴灑位置與植物表面的相對(duì)高度。

微波是波長(zhǎng)很短的無(wú)線電波，微波的方向性很好，速度等于光速。微波雷達(dá)傳感器由發(fā)射天線發(fā)出的微波，遇到被測(cè)物體時(shí)將被吸收或反射，使功率發(fā)生變化。若利用接收天線接收通過(guò)被測(cè)物體或由被測(cè)物反射回來(lái)的微波，并將它轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，實(shí)現(xiàn)微波雷達(dá)檢測(cè)。

2.5 衛(wèi)星導(dǎo)航模塊

衛(wèi)星導(dǎo)航模塊采用北斗系統(tǒng)的三頻衛(wèi)星導(dǎo)航模塊。

三頻衛(wèi)星導(dǎo)航是指三顆衛(wèi)星同時(shí)作為空間位置基準(zhǔn)，同時(shí)測(cè)得三顆衛(wèi)星至植保無(wú)人機(jī)的距離，以這三段距離為半徑，以三顆衛(wèi)星瞬時(shí)位置為圓心，所作的三個(gè)球面的幾個(gè)交點(diǎn)為植保無(wú)人機(jī)所處的位置。通過(guò)使用北斗系統(tǒng)的三頻衛(wèi)星導(dǎo)航模塊有利于定位準(zhǔn)確，從而使植保無(wú)人機(jī)在排除異常后從定位位置直接開始作業(yè)，避免重噴、漏噴現(xiàn)象。

2.6 噴灑閥門

植保無(wú)人機(jī)噴灑藥液通過(guò)噴灑閥門來(lái)作業(yè)，主要包括噴頭，噴頭用于霧化和噴灑藥液。當(dāng)微控制器在判斷藥液存量低于預(yù)設(shè)閾值時(shí)，關(guān)閉噴灑閥門時(shí)，噴頭停止噴灑藥液。本設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)

植保無(wú)人機(jī)控制主流程如圖4所示。系統(tǒng)初始化，首先液位傳感器檢測(cè)藥液存量，判斷是否低于第一閾值，若是，系統(tǒng)關(guān)閉噴灑閥門;電壓檢測(cè)監(jiān)視電壓值，若低于第二閾值則停止作業(yè)返回。

4? 結(jié)論

微控制器通過(guò)液位檢測(cè)模塊獲取藥液存量，在藥液存量低于第一預(yù)設(shè)閾值時(shí)通過(guò)衛(wèi)星導(dǎo)航模塊獲取植保無(wú)人機(jī)第一位置并存儲(chǔ)第一位置信息，以使植保無(wú)人機(jī)加藥液后重返第一位置繼續(xù)作業(yè)，避免造成重噴、漏噴現(xiàn)象，并且節(jié)約噴灑物;通過(guò)微控制器與電源監(jiān)測(cè)模塊獲取電源電量，在電源電量低于第二預(yù)設(shè)閾值時(shí)通過(guò)衛(wèi)星導(dǎo)航模塊獲取植保無(wú)人機(jī)第二位置并存儲(chǔ)第二位置信息，以使植保無(wú)人機(jī)充電后重返第二位置繼續(xù)作業(yè)，避免因作業(yè)中途突然停機(jī)，給用戶造成不便。通過(guò)上述的設(shè)計(jì)，本文設(shè)計(jì)的內(nèi)容解決了植保無(wú)人機(jī)執(zhí)行作業(yè)時(shí)遇到藥液低而做無(wú)用功，另外當(dāng)植保無(wú)人機(jī)電壓低時(shí)造成墜機(jī)的危險(xiǎn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]王守忠.航拍無(wú)人機(jī)的發(fā)展歷史與應(yīng)用[J].中國(guó)攝行，2017（8）：26-33.

[2]王耿城，蘇澤宇，楊鑫泉，陳卓慶.植保無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[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(tǒng)[J].西華大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2019，38（05）：84-88.