基于智能四旋翼农业喷药机器人的设计与实现

何志谦，胡明海，丁黎明，舒 薇，曾港臻，孙再彬，李鹏飞

(怀化学院电气与信息工程学院，湖南 怀化 418008)

0 引言

由于无人机技术的应用场景广泛，使得其不断发展，并在各类科学研究及民用领域得到了广泛的应用，如航拍、电力线巡查、精准农业、快递物流等多个不同领域，都发挥了重要作用[1]。近年来，无人机技术在农业喷药、监控等方面也得到了推广。在农业喷药领域，使用无人机喷药可以节约50%农药的使用量，节约90%的用水量[2]。然而，由于环境因素会直接影响着无人机植保的喷施参数，喷施参数的变化会直接影响雾滴沉积分布的均匀性与覆盖率[3]。传统的方法是研究侧风与雾滴漂移率对喷药的影响来设计喷嘴以降低环境影响，但是此方法实现较复杂，应用较少。

本文针对上述问题，从提高喷药的可控性出发，设计一种基于STM32的智能四旋翼农业喷药机器人，以实现在不同作物的农药定量及变量喷洒，从而有效地提高农药利用率并满足精细化作业要求。

1 系统总体设计

本设计分为两部分：智能四旋翼飞行器控制系统和喷药系统。智能四旋翼飞行器控制系统负责对智能四旋翼农业喷药机器人的飞行控制，包含了飞行姿态的获取、解算和更新；喷药系统主要负责对喷药机器人的整个喷药过程进行控制，实现对不同对象的喷药模式设计。系统总体设计框图如图1所示。

图1 系统总体设计框图

智能四旋翼农业喷药机器人具有不同功能之间耦合强度高的特点，系统的可维护性较低。因此，对控制系统进行模块化设计，可降低不同功能之间的耦合，增强控制系统的可靠性和稳定性。

喷药系统负责对喷药设备进行控制，当四旋翼飞行器定高悬停在农作物上方时，由主控系统发送命令至喷药系统，喷药系统接收到遥控器的喷药指令后，将指令解算输出PWM给电子调速器，进而控制喷头的喷速。

2 控制系统设计

2.1 硬件设计

控制系统硬件结构如图2所示。处理器通过SPI通信方式采集加速度计、陀螺仪、磁力计、气压计的数据信息，进行解算后得到四旋翼飞行器的姿态，通过电调控制电机转速控制升力使得四旋翼飞行器达到目标姿态。在距离地面3 m以下时，通过光流定点和红外激光模块融合定高定点；在大于3m时，采用气压计定高。两种定高定点方式结合使得四旋翼飞行器定点性能增强，提升喷药精准度。

图2 控制系统硬件结构

由于四旋翼飞行器在飞行时，电机会产生较大的电流，并且电流变化速率很快，将会产生电磁干扰。因此为了降低通信出错率，光流模块和红外激光测距模块与控制芯片的连接需要经过MAX3370芯片进行电平转换，增强抗共模干扰能力。

由于直流电源无法直接驱动无刷电机，所以需要电子调速器采集四旋翼飞行器的控制器给定的PWM信号来驱动无刷电机，并进行电机调速。流过电机的最大电流可达20A，因此选择30A电子调速器(以下简称电调)。电机的电压会伴随转速的变化而变化，为了防止电机的反向电压通过电调反馈至主控电路烧毁元器件，因此在主控芯片与电调之间串联1k的排阻。

2.2 软件设计

控制系统软件的主要功能为姿态和位置的读取以及控制，遥控数据的解析。软件流程如图3所示。

图3 软件流程

控制系统启动时，首先对控制系统的所有设备进行初始化，然后依次读取每个传感器的数据进行位置和姿态解算，将解算后的四元数姿态和位置进行融合，根据误差利用PID算法，求出控制量并输出，从而调节四旋翼飞行器电机的转速，以达到快速调节的目的。

3 喷药系统硬件设计

喷药系统由遥控器、接收机、STM32F103微处理器、电调、电机、转盘式离心喷嘴等组成。接收地面控制信号实时调节电调，电调再改变电机转速从而控制喷药系统喷药量，实现变量喷雾调节以提高农药的利用效率。

3.1 硬件模块的选型

1) 处理器：喷药系统是通过传感器采集数据，将数据传送到处理器中解算。因此选用STM32F 103VET6,其72 MHz的主频可有效提高喷药控制精度。

2) 传感器：采用恒运Y-131-A压力传感器，对于农药复杂的化学性质，此款传感器耐腐蚀，2 ms响应速率是后续控制的可靠保证。

3) 喷头：与地面植保机器相比，无人机喷药具有容量低、浓度高、给药速度快等特点，考虑以上因素，主要是对喷嘴进行过深入的研究和比较，发现在航空喷药喷雾角度可以不定，主要考虑的是药滴的沉积效果，蒸发量和漂移量,而蒸发量和漂移量与喷头的选择无关，喷头的选择主要与药滴的沉积效果有关，因而选用合适的喷嘴能够提升空中喷药的均匀性和提高农药的利用效率。综合比较，选用电动转盘式雾化喷嘴，可以保证药滴飞出喷嘴的过程中不会相互干扰，雾滴在作物的分布更加均匀。

3.2 喷药系统的具体调节方式

由地面站和药罐系统组成基于PWM的精准控制变量喷药系统，通过无线实现两个系统之间的通信。对电机采用PWM调速，在直流电源电压不变的情况下，通过改变PWM来改变电机导通和关闭的时间，从而调节电机两端的平均电压[6]。喷药系统调节流程如图4所示。

图4 喷药系统调节流程

经过实验得出此智能四旋翼农业喷药机器人对水稻等种植类作物的施药，药液分布更加均匀，药液消耗量少，可以实现喷药的不重复，不遗漏，并且可以使施药人免受农药的伤害。

为了实现更加科学的治种，采用多喷嘴可调节控制，喷药量采用PWM调节，在母本、一列父本、母本的种植条件下，中间一个喷头对中间一排的父本进行喷药，喷药量比母本多，喷药浓度比母本高，使父本高于母本而更容易传粉。

4 结语

本文设计了一种基于STM32的智能四旋翼农业喷药机器人。通过对喷药机器人硬件设计，完成了喷药机器人的主控电路、飞控系统、喷药系统的实现，并通过软件的设计使系统能够基本实现精准飞行和对不同农作物进行药物喷洒的功能，达到了提高农药利用率，保护环境的目标。