植物保护智能喷洒系统设计

孙宏洁 刘婉如

（广州华夏职业学院，广州 510935）

我国农业发展历经数千年，生产结构多样，包括种植业、林业和畜牧业等。为促使传统农业增产并转型为现代农业，我国积极对传统农业进行技术改造，并取得了一些成果，但是农业机械化程度依旧较低。

在种植业生产中，喷洒农药能直接有效预防农作物受到病虫害的侵扰。现有农药喷洒方式多是人工喷洒，而人工喷洒农药会出现喷洒不均的情况，影响农作物生长，且农药接触到人体会危害人体健康。针对这些问题，本文提出了一种植物保护智能喷洒系统[1]。该系统能科学喷洒农药，提高农药喷洒效率[2]。植物保护智能喷洒系统包括机体外壳结构、喷洒系统、飞控系统、控制系统和检测系统，如图1所示。

图1 植物保护智能喷洒系统图

1 植物保护的机体外壳结构

四旋翼无人机具有操作简单、飞行平稳、监测范围广、时效强及精准度高的优势[3]。无人机旋冀产生向下的气流，增加了喷药雾流对作物的穿透，省时省力，解放了部分劳动力，提高了药物喷洒效率。在农业信息监测中，无人机主要应用于收集农作物生长信息、监测病虫、收集并分析农情信息及监测灌溉情况等[4]。四旋翼无人机的外形结构如图2所示。

图2 四旋翼无人机的外形实物图

2 植物保护的喷洒系统

植物保护的喷洒系统主要包括药箱、喷头、水泵、压力传感器、流量传感器、过滤器、搅拌装置及喷洒电磁阀等元件，如图3所示。药箱和喷头是储存和喷洒农药的装置。无人机上安装的喷头采用扇形压力喷头[5]，优点是药液下压力大，穿透性强，产生的药液飘逸量小，不易因温度高而蒸发散失，且成本低。压力传感器和流量传感器是喷洒系统的监测元件，也是系统的反馈元件，能将药箱中的液位液流、高度等信息实时反馈给单片机[6]。喷雾的压强控制在0.5 MPa，不间断工作时的流量大约为1 600 mL·min-1。

图3 喷洒装置结构图

植物保护喷洒系统工作时，需要在无人机起飞前将水和农药加入药箱，通过搅拌装置使药液混合均匀。当无人机进行农药喷洒时，操控人员启动遥控器上的喷洒控制开关[7]，将喷洒农药的信号发送到无人机的单片机。单片机接收到喷洒信号后，通过水泵将药箱中的药液抽出，经过液压伸缩杆、压力传感器和流量传感器到达喷药管和喷头进行药液喷洒。

3 植物保护的飞控系统

植物保护飞控系统主要由定位模块和地形模块组成。定位模块利用全球定位系统（Global Positioning System，GPS）辅助空中三角测量[8]，定位障碍物、植物等。地形模块主要监控地面，精准定位地面的坑洼、高低。系统导航精度高，导航设备可靠。在无人机的机身上安装红外传感器，利用三角测量法采集喷洒区域的植物信息。当红外传感器与植物的距离大约为2 m时，将此信息发送给控制系统，由控制系统进行下一步动作。飞控系统的实物结构如图4所示，流程如图5所示。其中，三角测量时被测物体的材质、外部环境温度以及测量时间的长短不会影响传感器的测量精度。植物保护无人机保持在4～6 m·s-1匀速飞行。采用无人机地面测控软件LabWindows/CVI来模拟无人机的智能飞控系统。

图4 四旋翼无人机的飞控系统实物结构图

图5 飞控系统方框流程图

4 植物保护的控制系统

植物保护控制系统采用（ARMCortex-M3系列的STM32F103VC）单片机，具有控制性能好、实时性强、体积小、质量轻及价格便宜等优点[9]。无人机飞行作业高度离作物叶尖2 m左右，喷洒的水平距离约为5 m。作业时无人机保持直线飞行，以确保不漏喷和不重喷。当检测系统检测到植物与四旋翼无人机的水平距离达到5 m时，单片机发出控制命令。此时，无人机打开水泵并启动喷洒农药系统，控制喷洒装置喷洒农药，即跟随无人机的飞行轨迹对植物进行农药喷洒，实现了定时和定位功能。若喷洒距离小于5 m，单片机发出关闭喷洒系统的命令，停止农药喷洒。控制系统的工作流程如图6所示。

图6 控制系统工作流程

5 植物保护的检测系统

在检测系统中，除压力传感器和流量传感器外，还有一个能检测人体和树木的传感器，即红外测距传感器[10]。该传感器用于判断无人机前方及两侧的物体是人还是树木。若检测出无人机前方或两侧是人体时，传感器返回到高电平信号状态，控制系统发出停止喷洒的命令，从而保护作业人员的人身安全，确保其不受农药危害。当红外测距传感器判断出无人机前方或两旁有物体时，判断传感器是否返回高电平状态。若是则令无人机停止启动命令，否则执行打开水泵电机的命令。检测系统的工作流程如图7所示。

图7 检测系统工作流程

6 结语

植物保护智能喷洒系统主要由5大部分组成，实现了定量、定时与定位功能。通过调研获得了无人机飞行作业时与地面的垂直距离、喷洒农药时的水平距离、飞行速度和流量等数值，使农药喷洒趋于科学化与智能化，减少了药液对作业人员的危害，大大提高了喷洒效率。