自主无人机在农业施肥与除虫害的应用

2020-01-19田野黑龙江农垦科技职业学院

环球市场 2020年35期

田野黑龙江农垦科技职业学院

为适应社会的发展需求，农业在耕地，播种以及收割的效率上都开始提高，但是关于农药喷洒仍有不足。当前农药喷洒采用的方式还是以往人工喷洒，还有就是存在农药喷洒工具，农药喷洒技术滞后问题，这样的状态无法跟上农业技术的发展水平，对于大规模病虫害的防治不利。传统意义上的喷洒方式，实际工作效率不高，致使会出现喷洒不均匀的问题，而且负责农药喷洒的工作人员直接在处于药雾的环境中，威胁着他们的身体健康。

自主无人机在科学技术的发展下诞生，得到了大力推广。对于旋翼无人机而言，操作上非常简单，具有飞行稳定的特点，在多个领域被广泛应用，尤其是在侦查，监控等领域应用最多。但是，当前情况是无人机控制算法，产品应用仍处于不成熟状态，在农业应用发展上还无法做到平衡。为此，要研究无人机喷洒控制系统，实现远程控制，让农药能自动化进行喷洒，有效解决以往人工喷洒给人们健康带来危害和实际利用率低的问题，从而促使工作效率得到提高。

一、系统设计

（一）无人机设计

重量较轻，硬度较强，比较容易成形，这是复合性材料的优势，所以在无人机的机身骨架位置适合应用复合材料。四旋翼无人机中，1号和3号无刷电机的旋转方向与2号和4号无刷电机的旋转正好方向相反。换言之，一个是逆时针的旋转，还有一个是顺时针的旋转，其设计的主要目的是将无人机飞行时对角线旋翼反转矩产生的陀螺效率加以抵消，从而在飞行中预防自旋现象的发生。

（二）农药喷洒系统设计

在自主农药喷洒系统中，其中的硬件结构是由STM32单片机实现，主要是利用WiFi 接收控制的信号，并依据信号加以处理。另外，单片机利用对继电器闭合的控制实施农药的喷洒工作，并在实际采集中整合传感器中传来的数据信息，进一步获取飞行姿态，充分调节电机的转速，确保无人机喷洒能够保持平衡性。

二、硬件设计

（一）STM32最小系统板

STM32最水系统板主要的组成是多个部分，包括电源模块，复位模块、通讯接口电路等。STM32将电路和复位电路、电源模块整合起来，有电压转换的功能，而且在最小系统板的正极输入端接二极管可预防电源芯片被烧坏的情况。除此之外，复位电路能够让系统恢复到最初状态，在无人机控制系统发生故障的过程中，可利用复位来恢复运作。

（二）AK8975磁力计

AK8975磁力计磁力计模块与电子陀螺仪 MPU6050 可以进行有效的组合，保证在三维空间的飞行下，无人机飞行器姿态测量数据的测量准确性可以基本上符合实际的需要。

（三）MPU6050电子陀螺仪

电子陀螺仪可在无人机飞行的时候，全面监测飞行器的姿态，从而保证飞行器能够依据遥感控制器的指令准确的飞行。电子蛇螺仪和磁力计，由于都是准确度较高的电子元器伯，因此在进行安装的时候，一定要确保是水平放置的情况。除此之外，可应用3D打印技术，制定水平旋转台，并把传感器安装在水平放置台上，再利用无人机进行准确调试，从而有效缩小因为倾斜带来的飞行上的误差。

三、软件算法设计

（一）整体框架

在自主无人机实施农药喷洒中，整体的框架设计是由人机飞行器系统软件，以及部分主程序组成。传感器的初始化，飞行器飞姿态的有效调整以及优先顺序调控等，这些都是主程序所承载的实际功能。进行农药喷洒的时候，飞行器移动和药箱重量都比较轻，要调整飞行器的转速，还有飞行器的转向，这就给无人机姿态控制提出了比较高的要求。所以要在各个传感器模块的数据上采用 5 ms 读取，利用算法将数据整合起来，从而传送到控制器当中做相应的调整。

（二）农药喷洒的远程控制

在STM32单片机和遥控器之间，通讯的形式可以利用 WiFi 实现。而遥控器发送的信号可以直接给无人机远程来控制农药的喷洒。实施操作的时候，工作人员利用遥控器对无人机的飞行工和加以控制，由STM32单片机来接收遥控的信号，从而获得良好的无人机姿态，并对姿态采样获得初步数值，再应用PID控制对电机加以调整，以此让无人机的飞行能够保持在正确的道路中。第一，依据发送喷洒指令给单片机，然后收到指令后对继电器闭合加以控制，促使农药喷洒装置能够实施有效的工作。第二，信号角发端有低电平触发的时候，要把公共端和常开端接通好，从而让水泵能够接收到高电平，水泵断电后农药的喷洒工作停止。