微型低空遥感平台研究与实践

李丹

摘要：本文依托吉林省数字农业重点学科，使用吉林省智慧农业工程研究中心农作物生产设施，开展微型低空遥感平台研究设计与实践。本文详细阐述了数字农业领域低空遥感技术的现状、应用场景与关键技术、实验场景、实验实施方案、核心系统设计等内容。此系统经过现场测试，运行效果良好。

Abstract： Based on Jilin Province digital agriculture key discipline， using the crop production facility of Jilin Province Intelligent Agricultural Engineering Research Center， the research design and practice of micro-low altitude remote sensing platform are carried out in this paper. The present situation， application scenarios， key technologies， experiment scenarios， experiment scheme and core system design of low-altitude remote sensing technology in digital agriculture are described in detail in this paper.

关键词：低空遥感;飞行控制;数据采集

Key words： low altitude remote sensing;flight control;data acquisition

中图分类号：P627                                       文獻标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2020）04-0236-02

1  农用低空遥感技术发展现状

将低空遥感技术运用到农业中是农业生产领域的再次技术革新。低空遥感平台可以弥补传统监测设备作业范围小、实时监测难等问题，同时又弥补了卫星遥感的成本高、受天气状况影响大等问题。微型低空遥感平台可以获取土壤墒情、监测作物长势、病虫害等农业生产信息，帮助农田管理者检测农田，改变从前广施肥、多撒药的粗犷作业方式，达到节约成本、达到精准作业的目的，真正完成从传统农业向数字农业的转型。农用低空遥感技术在美国、日本等发达国家使用较早，已经成为植保领域的主力军。低空遥感目前在我国处于起步阶段，主要在农业保险赔付、小面积农田农药喷施等方面有了一些应用。研制农用低空遥感平台成为了一个新兴的农用设备产业领域。

2  低空遥感平台应用场景及其关键技术

本文针对目前温室和农业大田环境信息分布式监测技术上存在的需求，设计一个程控自主飞行无人机低空遥感系统，系统小巧、灵活并且可以飞行姿态自主控制、自主定位与导航、自主避障、完成信息数据分析处理。

本文针对无人机低空遥感系统识别作物种类进行研究，在可见光区低空遥感影像对作物种类反应是较为敏感的，可以判读出作物的种类。针对无人机低空遥感系统识别作物长势进行研究，根据不同作物长势的叶片对不同电磁波的反射特征不同，可以进行作物长势分析。同时对植被覆盖率监测、土壤温湿度监测等领域进行研究。关键技术阐述如下：

①无人机低空遥感平台的硬件系统设计。无人机低空遥感平台应该以小巧、灵活、具有一定的载荷量作为基本的设计原则，够在农作物生长空间内灵活飞行。②脱离RC遥控器，实现程序控制飞行，完成智能悬停设定高度、完成按照预先设定规划路径智能飞行。③脱离RC遥控器，实现程序控制飞行，完成对农田作物生产设施的智能躲避。④采集信息数据的无线传输。主要目的是将采集到的空间环境数据，通过无线技术传输到环境控制器，作为环境调控的依据。⑤飞行器姿态控制。在保证飞行器在作物生长空间稳定飞行的前提下实现对空间环境信息的测量。

3  低空遥感平台实验场景

首先，智慧农业工程研究中心已经建设完成了智慧农业物联网实验室，实验室含有物联网智慧农业沙盘仿真系统，为无人机低空遥感系统调试提供农作物生长的空间环境仿真信息数据。其次，智慧农业工程研究中心已经建设完成了一栋现代化智能温室，温室包含有智能灌溉系统、智能喷雾系统、智能温度控制系统、智能外遮阳控制系统，为无人机低空遥感系统调试提供物理实验场景。然后，智慧农业工程研究中心已经购置四旋翼飞行器10余架，提供低空遥感系统调试的硬件平台。最后，项目团队研发成果“基于ARM的测控系统”获得2015年吉林市科技进步奖一等奖，省级大学生电子设计竞赛飞行器竞赛项目获得5项二等奖、2项三等奖，为项目实施提供丰富的低空遥感技术经验积累。

4  低空遥感平台实施方案

设计低空遥感平台的关键难点技术包含遥感平台的稳定姿态控制、高度设定控制。核心技术包含农情信息采集与信息分析处理，实现数字农业农情检测领域的智能化、现代化。

低空遥感平台设计任务实施方案包括：首先，选择中央控制层的嵌入式微处理器型号。中央控制层使用三个UART通信接口，分别与FMU飞行控制层通信、信息采集层通信和中央控制层调试模块通信;系统要求实时数据处理，需要运行嵌入式操作系统，综合上述因素选择了低功耗32位微处理器STM32F103芯片。其次，FMU飞行控制层的模块型号选择。考虑飞行控制效果的稳定性和飞行控制代码的健壮性，选择了基于ARM的32位开源飞行控制模块PixHawk。充分利用PixHawk开源硬件设计和开源飞行控制源代码，实现低空遥感平台的稳定姿态控制。然后，选择信息采集层的摄像传感器型号。采集层主要使用OV7725摄像头完成农情信息采集与图像信息处理，输出二值化图像。最后，整机飞行调试。

5  低空遥感平台核心系统设计

5.1 系统功能整体设计

低空遥感平台采用分层设计的方法。系统总体按照功能层次分为中央控制层、FMU飞行控制层、伺服驱动层、信息采集层。中央控制层主要负责接收来自信息采集层的低空环境参数，并且进行处理分析得到飞行控制的控制增量，将控制增量发送给FMU飞行控制层。FMU飞行控制层主要负责接收来自中央控制层的控制信息和接收来自RC遥控手柄的控制信息，并且将控制信息转换为控制脉冲发送给伺服驱动层。伺服驱动层主要负责接收FMU飞行控制层的控制脉冲，并且通过电子调速器控制无刷电机旋转，从而调整遥感平台的姿态、高度、角度。信息采集层主要负责通过摄像头等传感器采集低空环境参数，并将信息发送给中央控制层。

5.2 功能模块详细设计

5.2.1 中央控制层设计

中央控制层负责计算下一时刻低空遥感平台所需控制量，将封装数据结构体发送给FMU飞行控制层，这个功能类似于RC遥控手柄的控制增量;同时，将FMU飞行控制层测定的姿态角度值、高度值发送给采集层，用于采集层的参数自补偿。

中央控制层电路板根据功能划分设计的模块包括：嵌入式微处理器模块STM32F103、按键模块、蜂鸣器模块、LED指示灯模块、拨码开关模块、UART接口模块。中央控制层电路板包括与FMU飞行控制层通信的UART接口、与采集层通信的UART接口和DEBUG调试的UART接口。中央控制层电路板使用按键模块切换遥感平台遥控器模式或者程控自主飞行模式，使用拨码开关模块锁定自主悬停、GPRS定位等飞行方式。

中央控制层的程序流程设计为循环结构，依次扫描执行：更新按键、编码器信息获取工作模式工作方式;接收并解析FMU飞行控制层和采集层发来的数据信息;处理调试信息;分析解锁方式;更新PID值;更新控制量;设置找回方式;发送数据帧。

5.2.2 飞行控制层设计

飞行控制层采用开源PixHawk飞行控制模块，接收RC遥控手柄控制量或是中央控制层UART发送的控制量，发送给电子调速器控制脉冲，调节低空遥控平台的姿态角度、高度值。同时，FMU飞行控制层将当前的控制量和传感器采集到的姿态角度传送给中央控制板，用于计算下一时刻的控制量。

5.2.3 数据采集层设计

数据采集层搭载OV7725摄像头，发送采集到的农田作物信息。根据中央控制层发来的当前姿态角度等信息对实际采集到的信息进行运算补偿。最终将运算后的位置信息发送给控制层。发送采集的图像分为灰色图像或二值化图像。灰色图像以4：3的寬高比输出图像，当小于最大分辨率是，总是输出采集到的中心部位。二值化图像将图像上的点的灰度值为0或255，也就是将整个图像呈现出明显的黑白效果。将256个亮度等级的灰度图像通过适当的阈值选取而获得仍然可以反映图像整体和局部特征的二值化图像。

5.2.4 伺服驱动层设计

伺服驱动层采用好赢乐天20A无刷马达电子调速器、大功率2212无刷电机、9450自锁浆组成。好赢乐天20A无刷马达电子调速器输入是直流，由3节锂电池来供电，输出是三相交流，直接驱动大功率2212无刷电机。

6  应用前景

对农情信息进行监测，使用农业微型无人机作为低空遥感平台，获得高分辨率的低空遥感图像，具有快速、机动灵活、成本低、经济实用的特点，是对传统农田信息获取方式的一种有效方案。从提高农药有效利用率、减少劳动力、提高作业效率、降低作物伤害、减轻对土壤的重复碾压等方面考虑，其优越性已远超过地面机械作业效果。因此，变革传统农耕方式，采用低空遥感平台进行农情信息检测在国内有巨大的发展潜力和应用前景。

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