杨晶晶，宋丹雪（杭州电子科技大学，杭州 310000）
摘 要：无人机植保的主动化和智能化很大程度上处理操作门槛高的问题，也是推行此项技能的要害。本文构建出一个主动化的寻迹寻址体系，经过GPS定位技能得到果田坐标信息，图画处理技能主动寻觅并悬停在每棵果树上，再依据传感器测距技能调整喷洒农药的适宜间隔，进步了农药喷洒的精准度和安全性，完结了功用的主动化。因为该体系只需用一台有GPS和蓝牙功用的手机即可搜集需求的果田信息，再传输给无人机，无人机即可主动寻迹寻址，所以在很大程度上解放了双手，下降了操作的门槛，有利于无人机植保的推行。
要害词：主动操控体系；GPS定位技能；图画处理技能；算法优化；传感器测距
近年来，果树无人机农药喷洒技能发展迅速。与传统人工施药办法比较，植保无人机喷洒速度效率高，能有用下降人工本钱，进步作业效率。由植保机械替代人工喷洒农药将是未来农业的发展趋势。可是现在出产的植保机根本都需求人工手动操控，而操作植保无人机需求较高门槛，果农只能经过将技能人员请上门进行喷洒农药，这样的不便利性构成植保职业无人机推行缓慢。限制我国果树植保职业无人机推行的首要瓶颈问题已由飞翔渠道与操控体系的安稳性问题转化为无人植保机智能化低、环境感知功用低、操作门槛高、主动化低的问题。完善的主动化寻迹寻址喷洒体系能很大程度上处理操作门槛高的问题。
本文首要运用GPS定位技能、图画处理技能、算法优化、传感器测距技能，构建出一个完善的主动化寻迹寻址喷洒体系。
1 体系构架与作业原理
图1暗示了主动化体系全体作业流程，首要由手动记载符号方位、主动规划道路、图画处理、传感器测距几个重要部分组成。
1.1 手动记载符号方位
果树栽培多为成排栽培，体系第一次运用或新增果树树则需手动记载每排首尾两棵树的（新）坐标。为了使操作愈加简洁，只需用手机自带的GPS功用，记载所需每排首尾两棵树的坐标，再用蓝牙技能将一切符号点坐标传输到无人机进行下一步的处理。
1.2 主动规划道路
咱们将栽培果树排的方向规则为y轴，在用符号点坐标确认了农田鸿沟之后，将GPS坐标转化成X-Y坐标。咱们得到了关于y轴上的两条鸿沟点集。这两条鸿沟上的点两两一组对应，两点之间即为第n排果树。咱们的体系能够容许无人机有恣意的起飞地址，然后主动规划最佳道路，并进行准确的、无遗失的农药喷洒。别的，体系还能够依据鸿沟点的二次修正，主动修正坐标点集，从头规划最佳喷洒道路。
当无人机需求弥补农药或许电量缺乏时，会记住喷洒农药的进展，即某棵果树的坐标点，和此次喷洒使命的道路规划，然后暂停使命，回到补给点下降，停止作业。待补给完结，人工敞开此使命，无人机便会回到回忆点持续使命。当然人工也可随时暂停使命。
1.3 图画处理
首要分为两个方面：一是判别果树方位，来调整悬停方位；二是判别果树巨细，以确认喷洒农药的多少。规则无人机飞翔的大致道路根本与排的方向共同，无人机自载的摄像头将俯拍的图画不断传回微处理器进行处理，依据图画信息调整无人机方位，使其悬停在果树上。再依据图画信息确认果树的成长巨细，将信息传到下一进程。
1.4 传感器测距
依据图画处理传来的果树巨细信息，无人时机运用传感器测距技能主动调整喷洒高度及喷洒农药巨细进行喷洒，让农药喷洒能更深化而不只仅浮于外表，削减农药糟蹋。
2 体系硬件调配
体系的硬件模块根本由图2所示。蓝牙模块将手机里搜集的符号坐标传输到无人机上，配合着GPS模块得到的方位信息，图画处理模块得到的树木信息，测距仪得到的高度信息，微处理器处理得到的信息，再给飞控体系宣布指令，完结无人机的主动化智能化寻迹寻址喷洒功用。
2.1 飞控
飞翔操控器材拟选用大疆N3 AG类型的飞控。作为NAZA飞控系列的最新一代产品，N3多旋翼飞控体系选用DJI最新的操控导航算法，新增的内置双IMU冗余规划，可完结数据实时互为备份，结合全新内减震结构规划，赋予飞翔器高可靠性；“黑匣子”数据记载体系为飞翔功能剖析供给精准数据支撑，一起，关于包含Lightbridge 2和 DJI Assistant 2等在内的一系列DJI配件、高功能软件、SDK和A3 Upgrade Kit高功能导航模块的支撑，可协助飞翔器完结丰厚的运用扩展。
2.2 微处理器
主控器材STM32F103单片机运用的是ARM 公司为要求功能高、本钱低、功耗低的嵌入式运用专门规划的32位的ARM Cortex-M3内核。具有可达128 kB的嵌入式闪存、20 kB的SRAM 和非常丰厚的外设：两个1μs的12位ADC，1个全速USB（OTG）接口，1个CAN 接口，3个4 M/S的UART，2个18 M/S的SPI，2个I 2 C等。内部还集成了复位电路、低电压检测、调压器、准确的RC振荡器等该系列单片机不只功用强大并且功耗适当低，在72 MHz时耗费36 mA（一切外设处于作业状况），适当于0.5 mA/MHz，待机时下降到2μA ，是32位市场上功耗最低的产品。STM32F103系列单片机丰厚的I/O 接口能够与传感器模块进行高效通讯，用其做主操控器能够削减运用器材然后简化使全体电路，很好地到达下降EMS本钱的方针。
2.3 数字信号处理器
TMS320x24x系列数字信号处理器是TI公司推出地一种面向数字马达操控、嵌入式操控体系和数字操控体系开发的新式可编程DSP芯片。LF2407是x240x系列DSP操控器功能最强、片上设备最齐备的一个类型，被广泛用于代码开发、体系仿真及实践体系中，其首要特色：
1） 选用高功能静态CMOS技能，使得供电电压降为3.3 V，减小了操控器的功耗;30 MIPS的履行速度使得指令周期缩短到33 ns（30 MHz），然后进步了操控器的实时操控能力。
2） 两个事情管理器模块EVA和EVB，每个包含：两个16位通用定时器;8个16位的脉宽调制（PWM）通道。适用于操控沟通感应电机、无刷直流电机、步进电机和逆变器等。
3） 10位A/D转化器最小转化时刻为500 ns，可选择由两个事情管理器来触发两个8通道输入A/D转化器或一个16位通道输入的A/D转化器。
2.4 测距传感器
夏普的GP2Y0A02YK0F间隔丈量传感器模块。它由PSD(position sensitive detector) 和IRED (infraredemitting diode) 以及信号处理电路三部分组成。因为选用了三角丈量办法，被测物体的原料、环境温度以及丈量时刻都不会影响传感器的丈量精度。传感器输出电压值对应勘探的间隔。经过丈量电压值就能够得出所勘探物体的间隔，所以这款传感器能够用于间隔丈量、避障等场合。
2.5 蓝牙
无人机蓝牙选用HC06类型蓝牙。此模块遵从蓝牙2.0协议，支撑SPP蓝牙串口协议，支撑UART接口。本钱低兼容性好，功耗低。可使无人机与电脑、蓝牙主机、手机等智能终端配对。宽波特率规模4 800~1 382 400，兼容5 V/3.3 V单片机体系，宽电压供电3.3 V~5.5 V。衔接飞控，需求修正波特率为115 200，指令为AT+BAUD8。
3 体系具体规划
3.1 构成二维坐标模型
将果田视为一个矩形，将栽培果树排的方向规则为y轴，矩形的两条长或宽边上的每颗果树坐标信息已知，并别离存入两个集里边，一一对应。为了给无人机更简明的作业指示和给果农更好的信息反馈，咱们的体系将主动构成一个更规整的二维坐标模型。
3.2 主动寻迹规划思路
无人机起飞，GPS自我定位，确认离无人机最近的一个边角点，作为此次使命的起点，并主动飞翔至该点。例如图中，最近间隔红线标示，起点为（m-1，1）。
此次使命喷洒道路规划按如图所示，蛇形飞翔，最终回到原点。其间每一排由横坐标最小和最大两个鸿沟点坐标定位，即若一排上新增果树，主动断定新鸿沟点并删去旧鸿沟点。其间的果树经过接连拍照图片，提取图片信息，准确获取果树方位，实时微调无人机喷洒方位。
半途没电或农药缺乏，记下当时坐标（m-2，3），回到原点补给，之后回来（m-2，3）点，持续此次使命。
3.3 图画辨认
选用ARM微处理器的STM32F103芯片进行图画处理，图画处理的程序在Keil uVision4环境下经过C言语完结。
先将收集到的图画进行灰度转化。在程序编写中先经过公式核算像素亮点值，再将得到的成果赋值给R、G、B三基色，即可将五颜六色图画转化为灰度图画。再将图画阈值化切割。将图画二值化，即把图片中的树与空位别离出来。抱负的二值化图画是方针物（果树）为纯黑色，布景（空位）为纯白色。数学上可描绘为：
这儿的T是阈值，将T值用于整幅图画，进行大局阈值化。在一个坐标为 (x,y)的点对 T 值的选取依赖于环绕 (x,y)的范畴中一切像素值的计算特性，这个进程称为部分或区域阈值化。
图画处理好后，辨认图画中果树的方位，以调整无人机的悬停方位；辨认图画中果树的巨细，将信息传向下一个模块。
3.4 传感器测距
在无人机确认了需求喷洒的果树方位，并从上空移动到该方位之后，红外线测距模块将会发动。咱们的无人机运用了夏普GP2Y0A02YK0F型红外测距传感器，当无人机下降去接近果树时，在离果树20 cm~150 cm之内，此模块输出电压将会跟着间隔的减小而增大。因而无人机能够主动下降到喷洒农药的最佳方位，进行对果树的农药喷洒。
4 定论
本文运用GPS定位技能、图画处理技能、算法优化、传感器测距技能，提出一种主动化体系替代人工遥控植保无人机进行喷洒农药。下降了植保无人机运用的门槛，一起也大大削减了人工本钱和农药糟蹋量。
参考文献
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[2] 张得明，高龙琴，陈金豹，等.一种根据ARM的割草机器人鸿沟图画处理办法规划研讨[J].电气与主动化.2017：166-169.
[3] Data Sheet of TI TMS320x24x.[Data Sheet].
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[5] 用于小面积农地果树的智能植保无人机体系的研讨与推行[R].杭州：杭州电子科技大学，2018.
本文来源于科技期刊《电子产品世界》2019年第12期第37页，欢迎您写论文时引证，并注明出处。
