植保无人机的研究与设计

王猛 陶曾杰 唐培 瞿雨秋

摘要：随着无人机的大力发展，植保无人机作为无人机的一员，已大范围投入到农业生产中。植保无人机在执行喷洒操作时，会遇到药量不够而继续执行喷洒作业;另外当电量不足时而继续飞行喷洒作业带来坠机的危险。本文在原有植保无人机基础上，对这两个问题做了改善，使得植保无人机能更好更安全地为农业服务。

关键词：植保无人机;微控制器;液位控制;喷洒

0  引言

无人机是指无人驾驶飞行器，与载人飞机相比，它具有体积小、造价低、使用方便等优点[1]。植保无人机，是用于农林植物保护作业的无人驾驶飞机，该型无人飞机由飞行平台（固定翼、直升机、多轴飞行器）、导航飞控、喷洒机构三部分组成，通过地面遥控或导航飞控，来实现喷洒作业，可以喷洒药剂、种子、粉剂等[2]。

植保无人机在作业时经常会出现两种异常情况：①药量不够时无药喷洒继续飞行作业，植保无人机由于无法获取上次未喷洒药物的具体位置造成重喷、漏喷现象，同时造成药剂、种子、粉剂等喷洒物浪费;②电量不足，在中途突然停机，不仅给用户使用造成不便，若在植物上空突然坠机还会造成植物破坏。为了在一定程度上克服植保无人机在作业时出现的上述两种异常情况，设计研究了如下的植保无人机。

1  植保无人机的组成

设计的植保无人机主要由卫星导航模块，液位检测模块，电源监测模块和微控制器等组成。结构框图如图1所示。

微控制器分别与卫星导航模块、液位監控模块、电源管理模块连接;通过液位监控模块获取药液存量，在药液存量低于第一预设阈值时通过卫星导航模块获取植保无人机第一位置并存储第一位置信息，以使植保无人机加药液后重返第一位置继续作业;微处理器与电源监控模块获取电源电量，在电源电量低于第二预设阈值时通过卫星导航模块获取植保无人机第二位置并存储第二位置信息，以使植保无人机充电后重返第二位置继续作业。

2  硬件设计

根据图1的系统结构框图对重要的组成部分展开了如下设计。

2.1 微控制器

本系统选用STM32F103C8T6作为微控制器，它是ARM公司的一款基于Cortex-M内核的32位的微控制器。内有64KB的程序存储器，工作电压2V～3.6V，工作温度为-40°C～85°C。属中等容量增强型，含有USB接口、CAN总线、7个定时器、2个ADC、9个通信接口，完全能够满足本系统的控制任务[3]。

2.2 液位检测模块

液位检测模块主要检测植保无人机储存药液容量的液位高度，采用红外测距模块来实现，通过接时收和发射红外光的间隔时间，非线性的将距离数据传输给STM32数据经处理后得到距离。电路图如图2所示。STM32获得药液存量的位置值并与阈值比较，若低于设定的阈值时，将在无人机上有声光报警，遥控器上也将接收报警信号，同时植保无人机停止喷洒作业。

2.3 电源监测模块

电源检测模块主要检测无人机的电量，当电量不足时，有可能造成植保无人机坠毁的危险。电压检测电路由TV1013-1H型电压互感器、运放AD8552、采样电阻组成，电路如图3所示。

2.4 微波雷达传感器

微波雷达传感器用于测量喷洒位置与植物表面的相对高度。

微波是波长很短的无线电波，微波的方向性很好，速度等于光速。微波雷达传感器由发射天线发出的微波，遇到被测物体时将被吸收或反射，使功率发生变化。若利用接收天线接收通过被测物体或由被测物反射回来的微波，并将它转换成电信号，实现微波雷达检测。

2.5 卫星导航模块

卫星导航模块采用北斗系统的三频卫星导航模块。

三频卫星导航是指三颗卫星同时作为空间位置基准，同时测得三颗卫星至植保无人机的距离，以这三段距离为半径，以三颗卫星瞬时位置为圆心，所作的三个球面的几个交点为植保无人机所处的位置。通过使用北斗系统的三频卫星导航模块有利于定位准确，从而使植保无人机在排除异常后从定位位置直接开始作业，避免重喷、漏喷现象。

2.6 喷洒阀门

植保无人机喷洒药液通过喷洒阀门来作业，主要包括喷头，喷头用于雾化和喷洒药液。当微控制器在判断药液存量低于预设阈值时，关闭喷洒阀门时，喷头停止喷洒药液。本设计中喷头选用雾化性能好的喷头，有利于均匀喷洒药液。

3  软件设计

植保无人机控制主流程如图4所示。系统初始化，首先液位传感器检测药液存量，判断是否低于第一阈值，若是，系统关闭喷洒阀门;电压检测监视电压值，若低于第二阈值则停止作业返回。

4  结论

微控制器通过液位检测模块获取药液存量，在药液存量低于第一预设阈值时通过卫星导航模块获取植保无人机第一位置并存储第一位置信息，以使植保无人机加药液后重返第一位置继续作业，避免造成重喷、漏喷现象，并且节约喷洒物;通过微控制器与电源监测模块获取电源电量，在电源电量低于第二预设阈值时通过卫星导航模块获取植保无人机第二位置并存储第二位置信息，以使植保无人机充电后重返第二位置继续作业，避免因作业中途突然停机，给用户造成不便。通过上述的设计，本文设计的内容解决了植保无人机执行作业时遇到药液低而做无用功，另外当植保无人机电压低时造成坠机的危险。

参考文献：

[1]王守忠.航拍无人机的发展历史与应用[J].中国摄行，2017（8）：26-33.

[2]王耿城，苏泽宇，杨鑫泉，陈卓庆.植保无人机系统的设计与实现[J].福建电脑，2020，36（01）：54-57.

[3]陶曾杰，宋春雨，黄攀，曹斌芳.基于STM32的智能浇水系统[J].西华大学学报（自然科学版），2019，38（05）：84-88.