基于智能四旋翼農業(yè)噴藥機器人的設計與實現

何志謙，胡明海，丁黎明，舒 薇，曾港臻，孫再彬，李鵬飛

(懷化學院電氣與信息工程學院，湖南 懷化 418008)

0 引言

由于無人機技術的應用場景廣泛，使得其不斷發(fā)展，并在各類科學研究及民用領域得到了廣泛的應用，如航拍、電力線巡查、精準農業(yè)、快遞物流等多個不同領域，都發(fā)揮了重要作用[1]。近年來，無人機技術在農業(yè)噴藥、監(jiān)控等方面也得到了推廣。在農業(yè)噴藥領域，使用無人機噴藥可以節(jié)約50%農藥的使用量，節(jié)約90%的用水量[2]。然而，由于環(huán)境因素會直接影響著無人機植保的噴施參數，噴施參數的變化會直接影響霧滴沉積分布的均勻性與覆蓋率[3]。傳統(tǒng)的方法是研究側風與霧滴漂移率對噴藥的影響來設計噴嘴以降低環(huán)境影響，但是此方法實現較復雜，應用較少。

本文針對上述問題，從提高噴藥的可控性出發(fā)，設計一種基于STM32的智能四旋翼農業(yè)噴藥機器人，以實現在不同作物的農藥定量及變量噴灑，從而有效地提高農藥利用率并滿足精細化作業(yè)要求。

1 系統(tǒng)總體設計

本設計分為兩部分：智能四旋翼飛行器控制系統(tǒng)和噴藥系統(tǒng)。智能四旋翼飛行器控制系統(tǒng)負責對智能四旋翼農業(yè)噴藥機器人的飛行控制，包含了飛行姿態(tài)的獲取、解算和更新；噴藥系統(tǒng)主要負責對噴藥機器人的整個噴藥過程進行控制，實現對不同對象的噴藥模式設計。系統(tǒng)總體設計框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設計框圖

智能四旋翼農業(yè)噴藥機器人具有不同功能之間耦合強度高的特點，系統(tǒng)的可維護性較低。因此，對控制系統(tǒng)進行模塊化設計，可降低不同功能之間的耦合，增強控制系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

噴藥系統(tǒng)負責對噴藥設備進行控制，當四旋翼飛行器定高懸停在農作物上方時，由主控系統(tǒng)發(fā)送命令至噴藥系統(tǒng)，噴藥系統(tǒng)接收到遙控器的噴藥指令后，將指令解算輸出PWM給電子調速器，進而控制噴頭的噴速。

2 控制系統(tǒng)設計

2.1 硬件設計

控制系統(tǒng)硬件結構如圖2所示。處理器通過SPI通信方式采集加速度計、陀螺儀、磁力計、氣壓計的數據信息，進行解算后得到四旋翼飛行器的姿態(tài)，通過電調控制電機轉速控制升力使得四旋翼飛行器達到目標姿態(tài)。在距離地面3 m以下時，通過光流定點和紅外激光模塊融合定高定點；在大于3m時，采用氣壓計定高。兩種定高定點方式結合使得四旋翼飛行器定點性能增強，提升噴藥精準度。

圖2 控制系統(tǒng)硬件結構

由于四旋翼飛行器在飛行時，電機會產生較大的電流，并且電流變化速率很快，將會產生電磁干擾。因此為了降低通信出錯率，光流模塊和紅外激光測距模塊與控制芯片的連接需要經過MAX3370芯片進行電平轉換，增強抗共模干擾能力。

由于直流電源無法直接驅動無刷電機，所以需要電子調速器采集四旋翼飛行器的控制器給定的PWM信號來驅動無刷電機，并進行電機調速。流過電機的最大電流可達20A，因此選擇30A電子調速器(以下簡稱電調)。電機的電壓會伴隨轉速的變化而變化，為了防止電機的反向電壓通過電調反饋至主控電路燒毀元器件，因此在主控芯片與電調之間串聯1k的排阻。

2.2 軟件設計

控制系統(tǒng)軟件的主要功能為姿態(tài)和位置的讀取以及控制，遙控數據的解析。軟件流程如圖3所示。

圖3 軟件流程

控制系統(tǒng)啟動時，首先對控制系統(tǒng)的所有設備進行初始化，然后依次讀取每個傳感器的數據進行位置和姿態(tài)解算，將解算后的四元數姿態(tài)和位置進行融合，根據誤差利用PID算法，求出控制量并輸出，從而調節(jié)四旋翼飛行器電機的轉速，以達到快速調節(jié)的目的。

3 噴藥系統(tǒng)硬件設計

噴藥系統(tǒng)由遙控器、接收機、STM32F103微處理器、電調、電機、轉盤式離心噴嘴等組成。接收地面控制信號實時調節(jié)電調，電調再改變電機轉速從而控制噴藥系統(tǒng)噴藥量，實現變量噴霧調節(jié)以提高農藥的利用效率。

3.1 硬件模塊的選型

1) 處理器：噴藥系統(tǒng)是通過傳感器采集數據，將數據傳送到處理器中解算。因此選用STM32F 103VET6,其72 MHz的主頻可有效提高噴藥控制精度。

2) 傳感器：采用恒運Y-131-A壓力傳感器，對于農藥復雜的化學性質，此款傳感器耐腐蝕，2 ms響應速率是后續(xù)控制的可靠保證。

3) 噴頭：與地面植保機器相比，無人機噴藥具有容量低、濃度高、給藥速度快等特點，考慮以上因素，主要是對噴嘴進行過深入的研究和比較，發(fā)現在航空噴藥噴霧角度可以不定，主要考慮的是藥滴的沉積效果，蒸發(fā)量和漂移量,而蒸發(fā)量和漂移量與噴頭的選擇無關，噴頭的選擇主要與藥滴的沉積效果有關，因而選用合適的噴嘴能夠提升空中噴藥的均勻性和提高農藥的利用效率。綜合比較，選用電動轉盤式霧化噴嘴，可以保證藥滴飛出噴嘴的過程中不會相互干擾，霧滴在作物的分布更加均勻。

3.2 噴藥系統(tǒng)的具體調節(jié)方式

由地面站和藥罐系統(tǒng)組成基于PWM的精準控制變量噴藥系統(tǒng)，通過無線實現兩個系統(tǒng)之間的通信。對電機采用PWM調速，在直流電源電壓不變的情況下，通過改變PWM來改變電機導通和關閉的時間，從而調節(jié)電機兩端的平均電壓[6]。噴藥系統(tǒng)調節(jié)流程如圖4所示。

圖4 噴藥系統(tǒng)調節(jié)流程

經過實驗得出此智能四旋翼農業(yè)噴藥機器人對水稻等種植類作物的施藥，藥液分布更加均勻，藥液消耗量少，可以實現噴藥的不重復，不遺漏，并且可以使施藥人免受農藥的傷害。

為了實現更加科學的治種，采用多噴嘴可調節(jié)控制，噴藥量采用PWM調節(jié)，在母本、一列父本、母本的種植條件下，中間一個噴頭對中間一排的父本進行噴藥，噴藥量比母本多，噴藥濃度比母本高，使父本高于母本而更容易傳粉。

4 結語

本文設計了一種基于STM32的智能四旋翼農業(yè)噴藥機器人。通過對噴藥機器人硬件設計，完成了噴藥機器人的主控電路、飛控系統(tǒng)、噴藥系統(tǒng)的實現，并通過軟件的設計使系統(tǒng)能夠基本實現精準飛行和對不同農作物進行藥物噴灑的功能，達到了提高農藥利用率，保護環(huán)境的目標。