關(guān)于智能植保（果樹）無人機自動控制系統(tǒng)的研究

　　楊晶晶，宋丹雪（杭州電子科技大學(xué)，杭州?310000）

　　摘?要：無人機植保的自動化和智能化很大程度上解決操作門檻高的問題，也是推廣此項技術(shù)的關(guān)鍵。本文構(gòu)建出一個自動化的尋跡尋址系統(tǒng)，通過GPS定位技術(shù)得到果田坐標(biāo)信息，圖像處理技術(shù)自動尋找并懸停在每棵果樹上，再根據(jù)傳感器測距技術(shù)調(diào)整噴灑農(nóng)藥的合適距離，提高了農(nóng)藥噴灑的精準(zhǔn)度和安全性，實現(xiàn)了功能的自動化。因為該系統(tǒng)只需用一臺有GPS和藍牙功能的手機即可搜集需要的果田信息，再傳輸給無人機，無人機即可自動尋跡尋址，所以在很大程度上解放了雙手，降低了操作的門檻，有利于無人機植保的推廣。

　　關(guān)鍵詞：自動控制系統(tǒng)；GPS定位技術(shù)；圖像處理技術(shù)；算法優(yōu)化；傳感器測距

　　近年來，果樹無人機農(nóng)藥噴灑技術(shù)發(fā)展迅速。與傳統(tǒng)人工施藥方式相比，植保無人機噴灑速度效率高，能有效降低人工成本，提高工作效率。由植保機械代替人工噴灑農(nóng)藥將是未來農(nóng)業(yè)的發(fā)展趨勢。但是目前生產(chǎn)的植保機基本都需要人工手動控制，而操作植保無人機需要較高門檻，果農(nóng)只能通過將技術(shù)人員請上門進行噴灑農(nóng)藥，這樣的不便利性造成植保行業(yè)無人機推廣緩慢。制約我國果樹植保行業(yè)無人機推廣的主要瓶頸問題已由飛行平臺與控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題轉(zhuǎn)化為無人植保機智能化低、環(huán)境感知功能低、操作門檻高、自動化低的問題。完善的自動化尋跡尋址噴灑系統(tǒng)能很大程度上解決操作門檻高的問題。

　　本文主要利用GPS定位技術(shù)、圖像處理技術(shù)、算法優(yōu)化、傳感器測距技術(shù)，構(gòu)建出一個完善的自動化尋跡尋址噴灑系統(tǒng)。

　　1 系統(tǒng)構(gòu)架與工作原理

　　圖1示意了自動化系統(tǒng)總體工作流程，主要由手動記錄標(biāo)記位置、自動規(guī)劃路線、圖像處理、傳感器測距幾個重要部分組成。

　　1.1 手動記錄標(biāo)記位置

　　果樹種植多為成排種植，系統(tǒng)第一次使用或新增果樹樹則需手動記錄每排首尾兩棵樹的（新）坐標(biāo)。為了使操作更加簡便，只需用手機自帶的GPS功能，記錄所需每排首尾兩棵樹的坐標(biāo)，再用藍牙技術(shù)將所有標(biāo)記點坐標(biāo)傳輸?shù)綗o人機進行下一步的處理。

　　1.2 自動規(guī)劃路線

　　我們將種植果樹排的方向規(guī)定為y軸，在用標(biāo)記點坐標(biāo)確定了農(nóng)田邊界之后，將GPS坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成X-Y坐標(biāo)。我們得到了關(guān)于y軸上的兩條邊界點集。這兩條邊界上的點兩兩一組對應(yīng)，兩點之間即為第n排果樹。我們的系統(tǒng)可以容許無人機有任意的起飛地點，然后自動規(guī)劃最佳路線，并進行精確的、無遺漏的農(nóng)藥噴灑。另外，系統(tǒng)還可以根據(jù)邊界點的二次修改，自動修改坐標(biāo)點集，重新規(guī)劃最佳噴灑路線。

　　當(dāng)無人機需要補充農(nóng)藥或者電量不足時，會記住噴灑農(nóng)藥的進度，即某棵果樹的坐標(biāo)點，和此次噴灑任務(wù)的路線規(guī)劃，然后暫停任務(wù)，回到補給點降落，停止工作。待補給完成，人工開啟此任務(wù)，無人機便會回到記憶點繼續(xù)任務(wù)。當(dāng)然人工也可隨時暫停任務(wù)。

　　1.3 圖像處理

　　主要分為兩個方面：一是判斷果樹位置，來調(diào)整懸停位置；二是判斷果樹大小，以確定噴灑農(nóng)藥的多少。規(guī)定無人機飛行的大致路線基本與排的方向一致，無人機自載的攝像頭將俯拍的圖像不斷傳回微處理器進行處理，根據(jù)圖像信息調(diào)整無人機位置，使其懸停在果樹上。再根據(jù)圖像信息確定果樹的生長大小，將信息傳到下一步驟。

　　1.4 傳感器測距

　　根據(jù)圖像處理傳來的果樹大小信息，無人機會利用傳感器測距技術(shù)自動調(diào)整噴灑高度及噴灑農(nóng)藥大小進行噴灑，讓農(nóng)藥噴灑能更深入而不僅僅浮于表面，減少農(nóng)藥浪費。

　　2 系統(tǒng)硬件搭配

　　系統(tǒng)的硬件模塊基本由圖2所示。藍牙模塊將手機里收集的標(biāo)記坐標(biāo)傳輸?shù)綗o人機上，配合著GPS模塊得到的位置信息，圖像處理模塊得到的樹木信息，測距儀得到的高度信息，微處理器處理得到的信息，再給飛控系統(tǒng)發(fā)出指令，實現(xiàn)無人機的自動化智能化尋跡尋址噴灑功能。

　　2.1 飛控

　　飛行控制器件擬采用大疆N3 AG型號的飛控。作為NAZA飛控系列的最新一代產(chǎn)品，N3多旋翼飛控系統(tǒng)采用DJI最新的控制導(dǎo)航算法，新增的內(nèi)置雙IMU冗余設(shè)計，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時互為備份，結(jié)合全新內(nèi)減震結(jié)構(gòu)設(shè)計，賦予飛行器高可靠性；“黑匣子”數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)為飛行性能分析提供精準(zhǔn)數(shù)據(jù)支持，同時，對于包括Lightbridge 2和 DJI Assistant 2等在內(nèi)的一系列DJI配件、高性能軟件、SDK和A3 Upgrade Kit高性能導(dǎo)航模塊的支持，可幫助飛行器實現(xiàn)豐富的應(yīng)用擴展。

　　2.2 微處理器

　　主控器件STM32F103單片機使用的是ARM 公司為要求性能高、成本低、功耗低的嵌入式應(yīng)用專門設(shè)計的32位的ARM Cortex-M3內(nèi)核。擁有可達128 kB的嵌入式閃存、20 kB的SRAM 和十分豐富的外設(shè)：兩個1μs的12位ADC，1個全速USB（OTG）接口，1個CAN 接口，3個4 M/S的UART，2個18 M/S的SPI，2個I 2 C等。內(nèi)部還集成了復(fù)位電路、低電壓檢測、調(diào)壓器、精確的RC振蕩器等該系列單片機不僅功能強大而且功耗相當(dāng)?shù)?，?2 MHz時消耗36 mA（所有外設(shè)處于工作狀態(tài)），相當(dāng)于0.5 mA/MHz，待機時下降到2μA ，是32位市場上功耗最低的產(chǎn)品。STM32F103系列單片機豐富的I/O 接口可以與傳感器模塊進行高效通信，用其做主控制器可以減少使用器件從而簡化使整體電路，很好地達到降低EMS成本的目標(biāo)。

　　2.3 數(shù)字信號處理器

　　TMS320x24x系列數(shù)字信號處理器是TI公司推出地一種面向數(shù)字馬達控制、嵌入式控制系統(tǒng)和數(shù)字控制系統(tǒng)開發(fā)的新型可編程DSP芯片。LF2407是x240x系列DSP控制器性能最強、片上設(shè)施最完備的一個型號，被廣泛用于代碼開發(fā)、系統(tǒng)仿真及實際系統(tǒng)中，其主要特點：

　　1） 采用高性能靜態(tài)CMOS技術(shù)，使得供電電壓降為3.3 V，減小了控制器的功耗;30 MIPS的執(zhí)行速度使得指令周期縮短到33 ns（30 MHz），從而提高了控制器的實時控制能力。

　　2） 兩個事件管理器模塊EVA和EVB，每個包括：兩個16位通用定時器;8個16位的脈寬調(diào)制（PWM）通道。適用于控制交流感應(yīng)電機、無刷直流電機、步進電機和逆變器等。

　　3） 10位A/D轉(zhuǎn)換器最小轉(zhuǎn)換時間為500 ns，可選擇由兩個事件管理器來觸發(fā)兩個8通道輸入A/D轉(zhuǎn)換器或一個16位通道輸入的A/D轉(zhuǎn)換器。

　　2.4 測距傳感器

　　夏普的GP2Y0A02YK0F距離測量傳感器模塊。它由PSD(position sensitive detector) 和IRED (infraredemitting diode) 以及信號處理電路三部分組成。由于采用了三角測量方法，被測物體的材質(zhì)、環(huán)境溫度以及測量時間都不會影響傳感器的測量精度。傳感器輸出電壓值對應(yīng)探測的距離。通過測量電壓值就可以得出所探測物體的距離，所以這款傳感器可以用于距離測量、避障等場合。

　　2.5 藍牙

　　無人機藍牙采用HC06型號藍牙。此模塊遵循藍牙2.0協(xié)議，支持SPP藍牙串口協(xié)議，支持UART接口。成本低兼容性好，功耗低?？墒篃o人機與電腦、藍牙主機、手機等智能終端配對。寬波特率范圍4 800~1 382 400，兼容5 V/3.3 V單片機系統(tǒng)，寬電壓供電3.3 V~5.5 V。連接飛控，需要修改波特率為115 200，命令為AT+BAUD8。

　　3 系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計

　　3.1 形成二維坐標(biāo)模型

　　將果田視為一個矩形，將種植果樹排的方向規(guī)定為y軸，矩形的兩條長或?qū)掃吷系拿款w果樹坐標(biāo)信息已知，并分別存入兩個集里面，一一對應(yīng)。為了給無人機更簡明的工作指示和給果農(nóng)更好的信息反饋，我們的系統(tǒng)將自動形成一個更規(guī)整的二維坐標(biāo)模型。

　　3.2 自動尋跡設(shè)計思路

　　無人機起飛，GPS自我定位，確定離無人機最近的一個邊角點，作為此次任務(wù)的起點，并自動飛行至該點。例如圖中，最近距離紅線標(biāo)注，起點為（m-1，1）。

　　此次任務(wù)噴灑路線規(guī)劃按如圖所示，蛇形飛行，最后回到原點。其中每一排由橫坐標(biāo)最小和最大兩個邊界點坐標(biāo)定位，即若一排上新增果樹，自動判定新邊界點并刪除舊邊界點。其間的果樹通過連續(xù)拍攝圖片，提取圖片信息，精確獲取果樹位置，實時微調(diào)無人機噴灑位置。

　　中途沒電或農(nóng)藥不足，記下當(dāng)前坐標(biāo)（m-2，3），回到原點補給，之后返回（m-2，3）點，繼續(xù)此次任務(wù)。

　　3.3 圖像識別

　　采用ARM微處理器的STM32F103芯片進行圖像處理，圖像處理的程序在Keil uVision4環(huán)境下通過C語言實現(xiàn)。

　　先將采集到的圖像進行灰度轉(zhuǎn)換。在程序編寫中先通過公式計算像素亮點值，再將得到的結(jié)果賦值給R、G、B三基色，即可將彩色圖像轉(zhuǎn)化為灰度圖像。再將圖像閾值化分割。將圖像二值化，即把圖片中的樹與空地分別出來。理想的二值化圖像是目標(biāo)物（果樹）為純黑色，背景（空地）為純白色。數(shù)學(xué)上可描述為：

　　這里的T是閾值，將T值用于整幅圖像，進行全局閾值化。在一個坐標(biāo)為 (x,y)的點對 T 值的選取依賴于圍繞 (x,y)的領(lǐng)域中所有像素值的統(tǒng)計特性，這個過程稱為局部或區(qū)域閾值化。

　　圖像處理好后，識別圖像中果樹的位置，以調(diào)整無人機的懸停位置；識別圖像中果樹的大小，將信息傳向下一個模塊。

　　3.4 傳感器測距

　　在無人機確定了需要噴灑的果樹位置，并從上空移動到該位置之后，紅外線測距模塊將會啟動。我們的無人機運用了夏普GP2Y0A02YK0F型紅外測距傳感器，當(dāng)無人機下降去靠近果樹時，在離果樹20 cm~150 cm之內(nèi)，此模塊輸出電壓將會隨著距離的減小而增大。因此無人機可以自動下降到噴灑農(nóng)藥的最佳位置，進行對果樹的農(nóng)藥噴灑。

　　4 結(jié)論

　　本文運用GPS定位技術(shù)、圖像處理技術(shù)、算法優(yōu)化、傳感器測距技術(shù)，提出一種自動化系統(tǒng)取代人工遙控植保無人機進行噴灑農(nóng)藥。降低了植保無人機使用的門檻，同時也大大減少了人工成本和農(nóng)藥浪費量。

　　參考文獻

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　　本文來源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2019年第12期第37頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。