關(guān)于智能植保（果樹(shù)）無(wú)人機自動(dòng)控制系統的研究

　　楊晶晶，宋丹雪（杭州電子科技大學(xué)，杭州?310000）

　　摘?要：無(wú)人機植保的自動(dòng)化和智能化很大程度上解決操作門(mén)檻高的問(wèn)題，也是推廣此項技術(shù)的關(guān)鍵。本文構建出一個(gè)自動(dòng)化的尋跡尋址系統，通過(guò)GPS定位技術(shù)得到果田坐標信息，圖像處理技術(shù)自動(dòng)尋找并懸停在每棵果樹(shù)上，再根據傳感器測距技術(shù)調整噴灑農藥的合適距離，提高了農藥噴灑的精準度和安全性，實(shí)現了功能的自動(dòng)化。因為該系統只需用一臺有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(wú)人機，無(wú)人機即可自動(dòng)尋跡尋址，所以在很大程度上解放了雙手，降低了操作的門(mén)檻，有利于無(wú)人機植保的推廣。

　　關(guān)鍵詞：自動(dòng)控制系統；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(lái)，果樹(shù)無(wú)人機農藥噴灑技術(shù)發(fā)展迅速。與傳統人工施藥方式相比，植保無(wú)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藥將是未來(lái)農業(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(dòng)控制，而操作植保無(wú)人機需要較高門(mén)檻，果農只能通過(guò)將技術(shù)人員請上門(mén)進(jìn)行噴灑農藥，這樣的不便利性造成植保行業(yè)無(wú)人機推廣緩慢。制約我國果樹(shù)植保行業(yè)無(wú)人機推廣的主要瓶頸問(wèn)題已由飛行平臺與控制系統的穩定性問(wèn)題轉化為無(wú)人植保機智能化低、環(huán)境感知功能低、操作門(mén)檻高、自動(dòng)化低的問(wèn)題。完善的自動(dòng)化尋跡尋址噴灑系統能很大程度上解決操作門(mén)檻高的問(wèn)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)，構建出一個(gè)完善的自動(dòng)化尋跡尋址噴灑系統。

　　1 系統構架與工作原理

　　圖1示意了自動(dòng)化系統總體工作流程，主要由手動(dòng)記錄標記位置、自動(dòng)規劃路線(xiàn)、圖像處理、傳感器測距幾個(gè)重要部分組成。

　　1.1 手動(dòng)記錄標記位置

　　果樹(shù)種植多為成排種植，系統第一次使用或新增果樹(shù)樹(shù)則需手動(dòng)記錄每排首尾兩棵樹(shù)的（新）坐標。為了使操作更加簡(jiǎn)便，只需用手機自帶的GPS功能，記錄所需每排首尾兩棵樹(shù)的坐標，再用藍牙技術(shù)將所有標記點(diǎn)坐標傳輸到無(wú)人機進(jìn)行下一步的處理。

　　1.2 自動(dòng)規劃路線(xiàn)

　　我們將種植果樹(shù)排的方向規定為y軸，在用標記點(diǎn)坐標確定了農田邊界之后，將GPS坐標轉換成X-Y坐標。我們得到了關(guān)于y軸上的兩條邊界點(diǎn)集。這兩條邊界上的點(diǎn)兩兩一組對應，兩點(diǎn)之間即為第n排果樹(shù)。我們的系統可以容許無(wú)人機有任意的起飛地點(diǎn)，然后自動(dòng)規劃最佳路線(xiàn)，并進(jìn)行精確的、無(wú)遺漏的農藥噴灑。另外，系統還可以根據邊界點(diǎn)的二次修改，自動(dòng)修改坐標點(diǎn)集，重新規劃最佳噴灑路線(xiàn)。

　　當無(wú)人機需要補充農藥或者電量不足時(shí)，會(huì )記住噴灑農藥的進(jìn)度，即某棵果樹(shù)的坐標點(diǎn)，和此次噴灑任務(wù)的路線(xiàn)規劃，然后暫停任務(wù)，回到補給點(diǎn)降落，停止工作。待補給完成，人工開(kāi)啟此任務(wù)，無(wú)人機便會(huì )回到記憶點(diǎn)繼續任務(wù)。當然人工也可隨時(shí)暫停任務(wù)。

　　1.3 圖像處理

　　主要分為兩個(gè)方面：一是判斷果樹(shù)位置，來(lái)調整懸停位置；二是判斷果樹(shù)大小，以確定噴灑農藥的多少。規定無(wú)人機飛行的大致路線(xiàn)基本與排的方向一致，無(wú)人機自載的攝像頭將俯拍的圖像不斷傳回微處理器進(jìn)行處理，根據圖像信息調整無(wú)人機位置，使其懸停在果樹(shù)上。再根據圖像信息確定果樹(shù)的生長(cháng)大小，將信息傳到下一步驟。

　　1.4 傳感器測距

　　根據圖像處理傳來(lái)的果樹(shù)大小信息，無(wú)人機會(huì )利用傳感器測距技術(shù)自動(dòng)調整噴灑高度及噴灑農藥大小進(jìn)行噴灑，讓農藥噴灑能更深入而不僅僅浮于表面，減少農藥浪費。

　　2 系統硬件搭配

　　系統的硬件模塊基本由圖2所示。藍牙模塊將手機里收集的標記坐標傳輸到無(wú)人機上，配合著(zhù)GPS模塊得到的位置信息，圖像處理模塊得到的樹(shù)木信息，測距儀得到的高度信息，微處理器處理得到的信息，再給飛控系統發(fā)出指令，實(shí)現無(wú)人機的自動(dòng)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多旋翼飛控系統采用DJI最新的控制導航算法，新增的內置雙IMU冗余設計，可實(shí)現數據實(shí)時(shí)互為備份，結合全新內減震結構設計，賦予飛行器高可靠性；“黑匣子”數據記錄系統為飛行性能分析提供精準數據支持，同時(shí)，對于包括Lightbridge 2和 DJI Assistant 2等在內的一系列DJI配件、高性能軟件、SDK和A3 Upgrade Kit高性能導航模塊的支持，可幫助飛行器實(shí)現豐富的應用擴展。

　　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、功耗低的嵌入式應用專(zhuān)門(mén)設計的32位的ARM Cortex-M3內核。擁有可達128 kB的嵌入式閃存、20 kB的SRAM 和十分豐富的外設：兩個(gè)1μs的12位ADC，1個(gè)全速USB（OTG）接口，1個(gè)CAN 接口，3個(gè)4 M/S的UART，2個(gè)18 M/S的SPI，2個(gè)I 2 C等。內部還集成了復位電路、低電壓檢測、調壓器、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低，在72 MHz時(shí)消耗36 mA（所有外設處于工作狀態(tài)），相當于0.5 mA/MHz，待機時(shí)下降到2μA ，是32位市場(chǎng)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(jìn)行高效通信，用其做主控制器可以減少使用器件從而簡(jiǎn)化使整體電路，很好地達到降低EMS成本的目標。

　　2.3 數字信號處理器

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

　　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(shí)時(shí)控制能力。

　　2） 兩個(gè)事件管理器模塊EVA和EVB，每個(gè)包括：兩個(gè)16位通用定時(shí)器;8個(gè)16位的脈寬調制（PWM）通道。適用于控制交流感應電機、無(wú)刷直流電機、步進(jìn)電機和逆變器等。

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

　　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(shí)間都不會(huì )影響傳感器的測量精度。傳感器輸出電壓值對應探測的距離。通過(guò)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(chǎng)合。

　　2.5 藍牙

　　無(wú)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(wú)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，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 系統詳細設計

　　3.1 形成二維坐標模型

　　將果田視為一個(gè)矩形，將種植果樹(shù)排的方向規定為y軸，矩形的兩條長(cháng)或寬邊上的每顆果樹(shù)坐標信息已知，并分別存入兩個(gè)集里面，一一對應。為了給無(wú)人機更簡(jiǎn)明的工作指示和給果農更好的信息反饋，我們的系統將自動(dòng)形成一個(gè)更規整的二維坐標模型。

　　3.2 自動(dòng)尋跡設計思路

　　無(wú)人機起飛，GPS自我定位，確定離無(wú)人機最近的一個(gè)邊角點(diǎn)，作為此次任務(wù)的起點(diǎn)，并自動(dòng)飛行至該點(diǎn)。例如圖中，最近距離紅線(xiàn)標注，起點(diǎn)為（m-1，1）。

　　此次任務(wù)噴灑路線(xiàn)規劃按如圖所示，蛇形飛行，最后回到原點(diǎn)。其中每一排由橫坐標最小和最大兩個(gè)邊界點(diǎn)坐標定位，即若一排上新增果樹(shù)，自動(dòng)判定新邊界點(diǎn)并刪除舊邊界點(diǎn)。其間的果樹(shù)通過(guò)連續拍攝圖片，提取圖片信息，精確獲取果樹(shù)位置，實(shí)時(shí)微調無(wú)人機噴灑位置。

　　中途沒(méi)電或農藥不足，記下當前坐標（m-2，3），回到原點(diǎn)補給，之后返回（m-2，3）點(diǎn)，繼續此次任務(wù)。

　　3.3 圖像識別

　　采用ARM微處理器的STM32F103芯片進(jìn)行圖像處理，圖像處理的程序在Keil uVision4環(huán)境下通過(guò)C語(yǔ)言實(shí)現。

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

　　這里的T是閾值，將T值用于整幅圖像，進(jìn)行全局閾值化。在一個(gè)坐標為 (x,y)的點(diǎn)對 T 值的選取依賴(lài)于圍繞 (x,y)的領(lǐng)域中所有像素值的統計特性，這個(gè)過(guò)程稱(chēng)為局部或區域閾值化。

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

　　3.4 傳感器測距

　　在無(wú)人機確定了需要噴灑的果樹(shù)位置，并從上空移動(dòng)到該位置之后，紅外線(xiàn)測距模塊將會(huì )啟動(dòng)。我們的無(wú)人機運用了夏普GP2Y0A02YK0F型紅外測距傳感器，當無(wú)人機下降去靠近果樹(shù)時(shí)，在離果樹(shù)20 cm~150 cm之內，此模塊輸出電壓將會(huì )隨著(zhù)距離的減小而增大。因此無(wú)人機可以自動(dòng)下降到噴灑農藥的最佳位置，進(jìn)行對果樹(shù)的農藥噴灑。

　　4 結論

　　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(dòng)化系統取代人工遙控植保無(wú)人機進(jìn)行噴灑農藥。降低了植保無(wú)人機使用的門(mén)檻，同時(shí)也大大減少了人工成本和農藥浪費量。

　　參考文獻

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