關(guān)于智能植保（果樹(shù)）無(wú)人機(jī)自動(dòng)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(wú)人機(jī)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(xiàng)技術(shù)的關(guān)鍵。本文構(gòu)建出一個(gè)自動(dòng)化的尋跡尋址系統(tǒng)，通過(guò)GPS定位技術(shù)得到果田坐標(biāo)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(jù)傳感器測(cè)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(shí)現(xiàn)了功能的自動(dòng)化。因?yàn)樵撓到y(tǒng)只需用一臺(tái)有GPS和藍(lán)牙功能的手機(jī)即可搜集需要的果田信息，再傳輸給無(wú)人機(jī)，無(wú)人機(jī)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(jī)植保的推廣。

　　關(guān)鍵詞：自動(dòng)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(cè)距

　　近年來(lái)，果樹(shù)無(wú)人機(jī)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(wú)人機(jī)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(jī)械代替人工噴灑農(nóng)藥將是未來(lái)農(nóng)業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)。但是目前生產(chǎn)的植保機(jī)基本都需要人工手動(dòng)控制，而操作植保無(wú)人機(jī)需要較高門(mén)檻，果農(nóng)只能通過(guò)將技術(shù)人員請(qǐng)上門(mén)進(jìn)行噴灑農(nóng)藥，這樣的不便利性造成植保行業(yè)無(wú)人機(jī)推廣緩慢。制約我國(guó)果樹(shù)植保行業(yè)無(wú)人機(jī)推廣的主要瓶頸問(wèn)題已由飛行平臺(tái)與控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性問(wèn)題轉(zhuǎn)化為無(wú)人植保機(jī)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(tǒng)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(cè)距技術(shù)，構(gòu)建出一個(gè)完善的自動(dòng)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(dòng)化系統(tǒng)總體工作流程，主要由手動(dòng)記錄標(biāo)記位置、自動(dòng)規(guī)劃路線、圖像處理、傳感器測(cè)距幾個(gè)重要部分組成。

　　1.1 手動(dòng)記錄標(biāo)記位置

　　果樹(shù)種植多為成排種植，系統(tǒng)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(biāo)。為了使操作更加簡(jiǎn)便，只需用手機(jī)自帶的GPS功能，記錄所需每排首尾兩棵樹(shù)的坐標(biāo)，再用藍(lán)牙技術(shù)將所有標(biāo)記點(diǎn)坐標(biāo)傳輸?shù)綗o(wú)人機(jī)進(jìn)行下一步的處理。

　　1.2 自動(dòng)規(guī)劃路線

　　我們將種植果樹(shù)排的方向規(guī)定為y軸，在用標(biāo)記點(diǎn)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(diǎn)集。這兩條邊界上的點(diǎn)兩兩一組對(duì)應(yīng)，兩點(diǎn)之間即為第n排果樹(shù)。我們的系統(tǒng)可以容許無(wú)人機(jī)有任意的起飛地點(diǎn)，然后自動(dòng)規(guī)劃最佳路線，并進(jìn)行精確的、無(wú)遺漏的農(nóng)藥噴灑。另外，系統(tǒng)還可以根據(jù)邊界點(diǎn)的二次修改，自動(dòng)修改坐標(biāo)點(diǎn)集，重新規(guī)劃最佳噴灑路線。

　　當(dāng)無(wú)人機(jī)需要補(bǔ)充農(nóng)藥或者電量不足時(shí)，會(huì)記住噴灑農(nóng)藥的進(jìn)度，即某棵果樹(shù)的坐標(biāo)點(diǎn)，和此次噴灑任務(wù)的路線規(guī)劃，然后暫停任務(wù)，回到補(bǔ)給點(diǎn)降落，停止工作。待補(bǔ)給完成，人工開(kāi)啟此任務(wù)，無(wú)人機(jī)便會(huì)回到記憶點(diǎn)繼續(xù)任務(wù)。當(dāng)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(diào)整懸停位置；二是判斷果樹(shù)大小，以確定噴灑農(nóng)藥的多少。規(guī)定無(wú)人機(jī)飛行的大致路線基本與排的方向一致，無(wú)人機(jī)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(jù)圖像信息調(diào)整無(wú)人機(jī)位置，使其懸停在果樹(shù)上。再根據(jù)圖像信息確定果樹(shù)的生長(zhǎng)大小，將信息傳到下一步驟。

　　1.4 傳感器測(cè)距

　　根據(jù)圖像處理傳來(lái)的果樹(shù)大小信息，無(wú)人機(jī)會(huì)利用傳感器測(cè)距技術(shù)自動(dòng)調(diào)整噴灑高度及噴灑農(nóng)藥大小進(jìn)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(fèi)。

　　2 系統(tǒng)硬件搭配

　　系統(tǒng)的硬件模塊基本由圖2所示。藍(lán)牙模塊將手機(jī)里收集的標(biāo)記坐標(biāo)傳輸?shù)綗o(wú)人機(jī)上，配合著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(cè)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(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)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(hào)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(jì)，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)互為備份，結(jié)合全新內(nèi)減震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，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(shí)，對(duì)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(shí)現(xiàn)豐富的應(yīng)用擴(kuò)展。

　　2.2 微處理器

　　主控器件STM32F103單片機(jī)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(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的32位的ARM Cortex-M3內(nèi)核。擁有可達(dá)128 kB的嵌入式閃存、20 kB的SRAM 和十分豐富的外設(shè)：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(nèi)部還集成了復(fù)位電路、低電壓檢測(cè)、調(diào)壓器、精確的RC振蕩器等該系列單片機(jī)不僅功能強(qiáng)大而且功耗相當(dāng)?shù)?，?2 MHz時(shí)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(jī)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(jī)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(dá)到降低EMS成本的目標(biāo)。

　　2.3 數(shù)字信號(hào)處理器

　　TMS320x24x系列數(shù)字信號(hào)處理器是TI公司推出地一種面向數(shù)字馬達(dá)控制、嵌入式控制系統(tǒng)和數(shù)字控制系統(tǒng)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(qiáng)、片上設(shè)施最完備的一個(gè)型號(hào)，被廣泛用于代碼開(kāi)發(fā)、系統(tǒng)仿真及實(shí)際系統(tǒng)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(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(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(diào)制（PWM）通道。適用于控制交流感應(yīng)電機(jī)、無(wú)刷直流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)和逆變器等。

　　3） 10位A/D轉(zhuǎn)換器最小轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器或一個(gè)16位通道輸入的A/D轉(zhuǎn)換器。

　　2.4 測(cè)距傳感器

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

　　2.5 藍(lán)牙

　　無(wú)人機(jī)藍(lán)牙采用HC06型號(hào)藍(lán)牙。此模塊遵循藍(lán)牙2.0協(xié)議，支持SPP藍(lán)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(jī)與電腦、藍(lán)牙主機(jī)、手機(jī)等智能終端配對(duì)。寬波特率范圍4 800~1 382 400，兼容5 V/3.3 V單片機(jī)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(jì)

　　3.1 形成二維坐標(biāo)模型

　　將果田視為一個(gè)矩形，將種植果樹(shù)排的方向規(guī)定為y軸，矩形的兩條長(zhǎng)或?qū)掃吷系拿款w果樹(shù)坐標(biāo)信息已知，并分別存入兩個(gè)集里面，一一對(duì)應(yīng)。為了給無(wú)人機(jī)更簡(jiǎn)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(dòng)形成一個(gè)更規(guī)整的二維坐標(biāo)模型。

　　3.2 自動(dòng)尋跡設(shè)計(jì)思路

　　無(wú)人機(jī)起飛，GPS自我定位，確定離無(wú)人機(jī)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，最近距離紅線標(biāo)注，起點(diǎn)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(diǎn)。其中每一排由橫坐標(biāo)最小和最大兩個(gè)邊界點(diǎn)坐標(biāo)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(xù)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(diào)無(wú)人機(jī)噴灑位置。

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

　　3.3 圖像識(shí)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(xiàn)。

　　先將采集到的圖像進(jìn)行灰度轉(zhuǎn)換。在程序編寫(xiě)中先通過(guò)公式計(jì)算像素亮點(diǎn)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(shù)與空地分別出來(lái)。理想的二值化圖像是目標(biāo)物（果樹(shù)）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(jìn)行全局閾值化。在一個(gè)坐標(biāo)為 (x,y)的點(diǎn)對(duì) 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(tǒng)計(jì)特性，這個(gè)過(guò)程稱(chēng)為局部或區(qū)域閾值化。

　　圖像處理好后，識(shí)別圖像中果樹(shù)的位置，以調(diào)整無(wú)人機(jī)的懸停位置；識(shí)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(cè)距

　　在無(wú)人機(jī)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，紅外線測(cè)距模塊將會(huì)啟動(dòng)。我們的無(wú)人機(jī)運(yùn)用了夏普GP2Y0A02YK0F型紅外測(cè)距傳感器，當(dāng)無(wú)人機(jī)下降去靠近果樹(shù)時(shí)，在離果樹(shù)20 cm~150 cm之內(nèi)，此模塊輸出電壓將會(huì)隨著距離的減小而增大。因此無(wú)人機(jī)可以自動(dòng)下降到噴灑農(nóng)藥的最佳位置，進(jìn)行對(duì)果樹(shù)的農(nóng)藥噴灑。

　　4 結(jié)論

　　本文運(yùn)用GPS定位技術(shù)、圖像處理技術(shù)、算法優(yōu)化、傳感器測(cè)距技術(shù)，提出一種自動(dòng)化系統(tǒng)取代人工遙控植保無(wú)人機(jī)進(jìn)行噴灑農(nóng)藥。降低了植保無(wú)人機(jī)使用的門(mén)檻，同時(shí)也大大減少了人工成本和農(nóng)藥浪費(fèi)量。

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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。