植保无人机控制系统优化设计

郑州信息科技职业学院机电工程学院 宋艳

随着我国农业现代化的快速发展，农业生产对植保机械的安全性、高效性、精准性有了更高的要求，近几年兴起的植保无人机，受到农村市场的广泛关注。植保无人机为农业病虫害防治工作的顺利实施和国家粮食安全提供了保障，是我国农业现代化建设的重要组成部分。作为农业大国，我国有18 亿亩基本农田，丘陵山区占到全国总土地面积的60%以上，丘陵山区所种植的农作物一般是水稻、玉米、马铃薯、油菜。丘陵山区的农业病虫害防治比其他地形的农业病虫害防治的难度要更大，我国丘陵地区的水稻草害与病虫防治所占面积高达35%，每年需要大量的农业植保作业，应用无人机喷洒农药具有很大的经济和社会价值。

1 农业植保无人机的发展现状

1.1 植保无人机的智能化水平有待提高

我国对三农问题非常重视，从政策层面不断加大对农业的扶持力度，农业无人机植保在探索实践自动化的种植模式。但是我国农业植保机在人力成本、施药成本以及服务效果方面依旧达不到理想的效果，目前研发方面成熟度不够，智能化水平不高。我国的植保无人机生产数量少，技术方面需要提升的地方很多

植保无人机分为固定翼、单旋翼和多旋翼，其中固定翼适合北方大农场大规模作业，单旋翼相对于多旋翼使用成本较高，且需要配套设施支持，不利于推广应用。多旋翼植保无人机以其作业效率高、施药效果好、作业适应性强、作业过程精准等优点非常适合南方中小田块的病虫害防治和大田内局部的精准施药。多旋翼植保无人机在其实际推广过程中还存在着定位导航精准度不够、售价较高、智能程度低、作业参数方面有待优化以及喷洒技术改进等诸多问题。

1.2 植保无人机系统可靠性有待提高

植保无人机系统的可靠性，体现在需要在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的能力，植保无人机的可靠性能主要是指其飞行作业任务的成功率。 在植保无人机的众多性能指标中，可靠性能是首要的指标。当飞机的可靠性能不能保证时，其他的任何性能指标都会成为空谈。无人机系统作为一个整体，主要由机身结构系统和飞行控制软件系统组成。

2 植保无人机控制系统优化设计

基于ArmCortex—A9 硬件平台和Linux 操作系统研究设计飞行控制平衡系统、避障系统、视觉采集处理系统、GPS 定位系统、电源管理系统、无线控制系统和无线数据传输系统，并在此基础上研究设计植保无人机控制系统，对植保无人机的硬件平台进行搭建。植保无人机硬件系统包括飞行主控模块、传感器模块、视频传输模块、电源模块、GPS+GPRS 模块、通信模块等。飞控模块主要承担了设置飞行模式以及控制算法等工作，其主要功能为：利用惯性测量单元(IM U)获得的自身系统的实时加速度等原始数据，算出当前系统姿态；通过无线模块接收的控制信号得到希望达到的目标姿态，再根据目标姿态和当前姿态的差值调整飞行器飞行的一系列复杂操作。

传感器作为无人机控制的传感机构，通过实时采集速度、姿态、位置、加速度、高度和空速等获取飞行器的信息，其中姿态由惯性测量控制单元IMU 获得，传感器系统中陀螺仪、气压计等作为无人机的感知系统，地面设备与无人机进行无线通信，地面控制平台实时查看和采集无人机的飞行参数，地面控制平台(地面站)与无人机的无线通信机制可以通过数传模块完成，最终完成对整个平台的搭建，如图1 所示。

图1 植保无人机系统结构图

2.1 高精度定位系统优化设计

针对GPS 定位系统在复杂环境下的稳定性差、定位精度有限、无法为农业植保无人机提供高精度稳定的定位服务问题，借助于GPRS 网络定位服务优化设计基于GPS 和GPRS 的混合定位系统，通过该系统为农用无人机在复杂环境下进行植保作业提供高精度的定位服务，确保植保无人机作业高效、精准[1]。

GPS（Global Positioning System）全球定位系统技术利用定位卫星系统为GPS 用户提供精确的导航和定位服务。GPS 提供的位置信息服务可以对无人机进行自主导航和作业线路规划。

GPRS（General packet radio service）无线分组交换定位技术又称LBS（Location Based Services）移动基站定位技术，主要借助于GPRS 网络基站信号实现定位，可以有效地弥补GPS 定位系统对环境要求高、在复杂环境下定位精度不足等问题，与GPS 定位服务系统配合使用可以使得整个定位服务更加准确和可靠[2]。

2.2 避障功能系统优化设计

在无人机避障系统中，目前通常可采用红外线避障、超声波避障、双目视觉传感器、激光雷达等实现，其中，红外探测器不适宜用在雨雪环境下，且受温度影响过大，影响测量目标距离，导致偏差较大或者不准确，不能满足避障要求。

超声波测量距离的原理是超声波信号发射后遇到障碍物反射回来送入超声波传感器。但超声波能有效测量的距离较短，且对障碍物反射面有一定要求，常用于测量无人机距地面的距离，不适用于障碍物的测量与避障。

双目视觉技术是运用人眼计算距离的原理，得到障碍物的准确方位，同时测其距无人机的距离，增加了测量范围，同时在避障方面具有较高的准确性[5]。

激光雷达精度高、灵敏度好，可以得到目标障碍物到无人机之间的间隔，同时它的体积和重量都很轻，因此适合搭载在无人机上。在优化设计过程中，尝试将激光雷达检测与双目视觉避障相结合，能够实现对障碍物等并不会产生实际阻碍效果的障碍物的检测，可减少避障次数，在实现准确避障的同时减少能耗，实现无人机飞行时间的延长[2]。

图2 避障功能系统

2.3 精准喷洒系统优化设计

植保无人机在进行喷洒过程中，会在躲避障碍物、减速换垄等环节出现喷洒量过大对农作物的生长有一定影响。经过优化设计可实现根据田间作物病害程度，设置不同喷药量等级，做到变量喷药，实现低量、精准施药，节约用药量，设计的精准喷药系统在飞行制系统基础上，由图像获取设备、图像处理设备、导航控制系统和喷药系统等组成[3]。

其中，无人机导航定位系统一般包括空中飞行器、地面监控两个部分。飞行控制器部分主要包括无人机、GPS/GPRS 接收器、电源模块等，其主要将GPS/GPRS 接收机的信息实时传输到机载控制器中，根据导航定位算法计算出飞行器的飞行姿态和导航定位控制信息。安装在无人机平台上的数码相机拍摄获得图像信号转换为数字信号后，通过无线传输方式发送给地面的控制中心，控制中心的核心计算机对图像进行视觉分析，从而对无人机进行精准的控制。同时把采集到的信息反馈给CPU，根据监测到的实时飞行数据、喷洒数据，同时采集外部环境的相应数据，再进行智能算法分析，以便对飞机喷洒系统进行实时的反馈处理和实时修正，通过这种方式实现植保无人机的精准喷洒[4]。

2.4 地面监控系统优化设计

植保无人机地面监控系统硬件部分完成视频传输和飞行数据传输，视频传输读取视频数据，服务器端接收到视频数据以后，再把图像数据转发给地面监控系统。飞行数据传输是多旋翼无人机通过通信模块发送给地面监控系统的，无人机在植保过程中进行航迹规划以及航点绘制，同时能够实时监测和控制飞行状态，并对实时采集到的飞行数据进行存储，再加以智能分析，所以地面监控系统需要实时进行飞行数据的显示、导航地图、航迹规划、数据存储、报警和自救设备。

图3 地面监控系统

3 结语

本文以ArmCortex—A9 控制器为核心，对植保无人机结构进行优化设计。优化设计了系统的组成、硬件配置等各方面的主要功能，提出了一种基于GPS 和GPRS 的混合农业植保无人机高精度定位系统的设计。通过该系统可以有效地弥补GPS 在复杂环境的定位不足，提高农业植保无人机的定位精度，采用激光雷达检测与双目视觉避障相结合，实现准确避障，延长飞行时间。优化设计精准喷洒系统以提高农用无人机的智能程度，应用于多旋翼智能无人机在飞行状态下实现试验数据的自动采集、分析及处理。整体设计对进一步促进农业植保无人机技术的发展具有非常重要的意义。