一种智能巡检无人植保机系统的研究.pdf

科技与创新Science and Technology&Innovation542023 年 第 17 期文章编号：2095-6835（2023）17-0054-03一种智能巡检无人植保机系统的研究徐 维1，白鹏飞2，张 禹3，王明泽1，张宇宙1（1.陕西内府中飞机场管理有限公司，陕西 西安 710000；2.首都经济贸易大学，北京 100070；3.中国民航干部管理学院，北京 100102）摘要：近年来，伴随着中国无人机技术的不断发展，各行各业逐步开展“无人机+”综合应用。在农业科技创新与应用方面，将以实现智慧农业为目标，以无人机平台为基础，以实际应用为服务途径，逐步建设一个平台型、创新型、自主型的无人植保机系统1。介绍了一种无人植保机系统，它具备组件式、可拆转、可配置、支持灵活部署的架构，建立移动化、流程化的巡检任务管理机制，提升巡检管理水平。重点分析了无人植保机功能亮点，介绍了无人植保机飞行模式，对无人植保机软硬件系统架构及功能进行了详细描述。关键词：智能巡检；无人植保机；软硬件系统架构；实际应用中图分类号：S252.3文献标志码：ADOI：10.15913/ki.kjycx.2023.17.015无人植保机是中国现代农业、智慧农业、未来农业的重要组成部分，2021 年中央一号文件中共中央国务院关于全面推进乡村振兴加快农业农村现代化的意见中，对无人植保机等新技术在共同富裕、乡村振兴领域提出了新的要求，要求在中国平原及广袤农业种植区域优先使用一批先进科技手段，助力中国农业领域发展。无人植保机作为节省劳动资源的重要手段，可为农业生产过程提供高效、可靠、全流程的服务机制。面对农业喷洒领域的实际需求，以无人机平台、地面终端、软件平台等系统设备为主体，创新突破无人机飞行模式、喷洒路线、地面控制等核心和前沿技术2，研发自主可控的无人植保设备系统，打造智能化地面控制终端，开发高效化飞行模式控制软件，引领智慧农业建设，全面助力乡村振兴战略的实现。1系统介绍1.1系统简介智能巡检无人植保机系统为农作物全生命周期监控提供集智慧巡检、任务上报、运行监控、故障诊断于一体的智慧化服务。建立移动化、流程化的农作物巡检管理机制，提升农作物巡检管理水平；通过无人机智能巡检，实现农作物巡检无人化；通过大数据分析，实现植保无人机设备故障监测诊断；实时监控生产数据，实现对多个农作物站址的集中管控3。该植保机采用创新性的机臂整体折叠方式，可以延长机臂结构件使用寿命。独特设计加长杆喷头，增强药物穿透性，一体式折弯脚架，机底配有防地雷达可根据地形实时改变高度，配备 FPV（First PersonView，第一人称主视角按时）广角摄像头，可选配 8 WLED 照明灯为夜晚作业提供安全保障。搭载专业定制植保飞控，可根据不同作业环境自由更换操作模式，满足不同植保作业需求，标配 GPS（Global PositioningSystem，全球定位系统）、GLONASS（Global NavigationSatellite System，全球卫星导航系统）、BDS（BeiDouNavigation Satellite System，中国北斗卫星导航系统）三合一制式导航模块，实现航向定位控制的更大冗余；配备 7 km 数传，防尘防水遥控器，采用 FHSS（Frequency-Hopping Spread Spectrum，扩频技术），双路冗余，双天线、双模块设计抗干扰能力增强；最大化利用 2.4 G 无线宽带，支持蓝牙、USB（UniversalSerial Bus，通用串行总线）双连接，内置电池续航长达 2 h，采用嵌入式金属折叠支架，节省空间，提供SDK（Software Development Kit，软件开发工具包）协议文档，搭配移动端 APP 调参软件。1.2系统功能亮点在已知某作业区域的地理位置信息条件下，能结合多机平台特性和多种任务载荷能力，实时响应系统任务指令（任务区域、目标类型、任务时间等），自动规划多机和载荷任务；能将系统任务自动分解为多机平台和任务载荷任务；能自动规划各平台路线，优化配置并避免冲突；遭遇突发情况时（任务变更、设备故障等），能重新进行任务自动分配和路径规划；具备任务监视能力；能实现实时检测无人机起降环境；综合考虑状态、时间、气象、地理等多因素约束条件下运维优化决策，构建智能巡检决策与评价软件。无人机机身采用模块化设计，机身可快速折叠，便于运输，电池支持快速插拔，提高作业补给效率，可选配 RTK（Real-Time Kinematic，实时动态）天线，Science and Technology&Innovation科技与创新2023 年 第 17 期55支持双天线抗磁干扰技术，保障飞行安全，植保机专用飞控，提供有 AB 点作业、手动、全自主 3 种飞行模式。AB 点作业模式下，分别记录 A、B 点后，飞行器可延特定路线喷洒农药，用户可设置作业行距、飞行器速度等；手动模式下，用户手动开始与停止喷洒，随时调节飞行速度；全自主模式下，利用打点器打点或飞行器打点，在作业区范围做好标记，APP 内自动生成作业区域，设置好行间距与飞行速度，可一键起飞作业。具备作业恢复功能，全自主与 AB 点作业时，若中途退出，飞行器可记录中断坐标点，并在规定时间内再次进入该点继续作业。配备防地雷达，不受环境光与尘土的影响，在任何模式下随时启用，实现地形跟随。在进行无人机任务规划时，对自然气象的观测、预报、预警和防御方面是十分有必要的。利用气象环境检测设备实现对气象要素信息的实时获取，能够检测温度、湿度、含水量、经度、纬度、高度、水平风速、垂直风速等气象要素。该系统通过 LoRA（LongRange Radio，远距离无线电）技术进行连接，并可内置北斗/GPS 模块，使设备具有定位与数据传输功能，实现气象数据的获取、处理、标记、储存、传输这一系列过程。地面气象设备搭载各种传感器可以实时采集温度、湿度、高度、水平风速、垂直风速数据，采集的各种数据可通过无线传输技术传输回地面控制端，地面控制端可及时地存储并分析数据。在信号薄弱的情况下，可以通过北斗短报文系统向北斗卫星反馈信息，并由北斗卫星向地面控制端发送气象数据。2航线规划作业及飞行模式介绍2.1航线规划作业该无人植保机系统可根据作业实际需求，进行本地航线和在线航线的选择，本地航线是保存在地面控制端的本地航线，在线航线是保存在云系统的航线。同时，该植保机系统还具备地图选点、飞行器选点、打点器选点等功能，可针对作业需求进行灵活配置。在作业规划界面，可进行间距调整、角度调整、作业边距调整、障碍边距调整、航线保存、航线上传等操作。该无人植保机系统还具备全自主飞行避障系统，可实时感知空中交通态势，根据避障算法，灵活规划航路4。2.2飞行模式该植保机系统根据操作人员的能力及意愿配置了多套飞行模式，可选的飞行模式包括姿态-增稳模式、手动作业、AB 点作业模式、航线作业模式、自动返航模式等。2.2.1姿态-增稳模式姿态-增稳模式适用于回中遥控器用户，飞行过程中有 IMU（Inertial Measurement Unit，惯性测量单元）、GPS、磁罗盘与气压计参与工作。姿态模式可以根据GPS 信号自动切换控制方式，没有 GPS 或信号不好时，使用定高飞行；GPS 信号良好时，则可以定点定高飞行。2.2.2AB点作业模式AB 点作业模式即 AB 点执行模式，可高效快捷地适用于植保作业，通过用户设置的 A、B 点进行 U 形作业，作业示意图如图 1 所示。图 1AB点作业模式示意图2.2.3航线作业模式用户可通过移动端 APP 作业系统进行农田测量、航点设置等，移动端 APP 可根据感知数据计算并生成最佳航线，实现对作业的智能规划；规划完成后，飞行器将进入航线作业模式按照航线自动执行作业。飞行器具备作业恢复的功能，可以使用雷达模块进行定高、避障及自动绕障。用户可在移动端 APP 界面实时调节喷洒用量、飞行速度等。该模式适合用于大面积区域作业中。2.2.4自动返航模式自动返航模式为长距离飞行与失控保护提供了安全保证，在每次飞行前且定位精度达到要求后，用户解锁无人机，飞行器会自动记录当前起始点位置作为返航点，当植保机失控或通信失效时进入自动返航模式。3多源协同任务规划平台无人机编组集成模块主要负责无人机平台与任务载荷的集成工作，能通过控制器控制无人机飞行和载荷执行任务，能在控制器或地面显控台显示无人机平台、载荷状态和视频，每套系统分别包含无人机平台（数传图传、导航定位等）、任务载荷、控制器、地记录B点记录 A 点科技与创新Science and Technology&Innovation562023 年 第 17 期面显控台，并可按照多无人机承载车辆的要求进行无人机的运输和放飞任务，模块架构如图 2 所示。图 2无人机平台与任务载荷集成示意图该模块由地面站和软件组成地面站系统支持一站控多机，具有完善的多机管理机制，多架无人机状态信息及控制无缝切换，支持 MCS（Modulation andCoding Scheme，调制与编码策略）权限管理，用户可基于 MCS 协议进行上层应用开发。可进入细致的多机用户交互界面，飞行操作界面一目了然，支持一键自主起降，全自主作业，可自由选择关键信息显示，抛去烦琐复杂的界面，更加专注于飞行。多机测绘航线一键生成，多架飞机同时作业，效率倍增。支持差分基站数据广播，多架无人机仅需通过 1 台差分基站数据即可实现高精度作业。优化多机应急切换控制策略，辅助摇杆可快速切换至任意无人机控制，保障飞行安全。地面控制端在无人植保机系统构成中发挥着重要的角色，能够在数据传输、无人机精准定位、飞行控制等方面发挥重要的作用。本系统的地面控制端系统具有以下功能与特点：双天线双模块冗余设计，配合通讯算法，极大增强了信号的通讯能力；FHSS 扩频技术，全角度增益天线，通信距离内完成飞行器的各种操作和配置。集成数字视频传输功能，可实现 SD 分辨率下最远 20 km 传输。内部集成数传电台，可实现最远 30 km 传输。支持 USB 连接方式，同时支持 S.BUS（Serial Bus，串行总线）、PPM（Pulse Position Modulation，脉冲位置 调 制，又 称 脉 位 调 制）、PWM（Pulse WidthModulation，脉宽调制）、串口等多种接口，并支持设备扩展。通过 OTG（On-The-Go，电子设备数据交换技术）连接 APP，切换 MODE（模式），调整正反向、舵量、通道绑定、失控保护值、S.BUS、PPM 输出和数传波特率等数据，提供各参数的保存和载入功能。高集成度数、图、控三合一链路，超小体积，采用铝合金嵌入式折叠支架，结实稳固，夹口 360任意旋转，2 节支杆 180任意调节。基于 1 9201 080分辨率显示屏开发显控界面，具备上下屏显示功能，上屏显示任务状态和载荷视频等信息，下屏基于三维地图对各无人机和载荷进行任务分配和规划。无人机任务规划和控制功能，可基于三维数字地图开发多无人机控制界面，能同时控制 6 架无人机，控制参数包括飞行路线、飞行姿态（包括悬停）等。载荷控制功能，可根据任务规划结果，向各任务载荷包括三光载荷、光谱载荷、透窗载荷、穿墙探测载荷、电子探测载荷发送指令。状态和数据显示功能，能显示无人机平台状态和飞行数据，并显示各类载荷图像和回传的目标数据，且能根据无人机飞行参数和任务载荷的性能（覆盖范围）等估算出完成指定区域的任务时间。具备控制权转移功能，可将控制权由集中控制方式（通过多频谱无人机编组任务规划控制软件同时控制多架无人机）切换为单无人机控制模式，由各无人机的控制器对单个无人机进行操控。4结束语本文详细介绍了关于一种智能巡检无人植保机系统的研究，重点对系统组成、飞行模式、多源协同任务规划平台等进行详细介绍。在未来的发展中，无人植保机将进一步与互联网、物联网、大数据、云计算、人工智能等现代信息技术与农业进行深度融合。无人植保机将进一步向智慧农业中的信息感知、定量决策、智能控制、精准投入、个性化服务等方面发展，进一步推动中国农业产业的数字化、智能化、生态化进程，推进中国智慧农业战略的快速实现5。参考文献：1雷根平.基于云计算的植保无人机控制系统优化研究J.农机化研究，2023，45（9）：106-109，115.2张海军，闫琼，张国辉，等.面向用户需求的植保无人机选型评估研究J.郑州航空工业管理学院学报，2022，40（6）：58-65.3李雪颖，王波，张博源，等.国内植保无人机农业喷洒技术研究J.智慧农业导刊，2022，2（11）：7-9.4刘闯，高国红.物联网与机器学习在精准农业中的应用J.智慧农业导刊，2022，2（10）：7-9.5尤利，赵龙.“互联网+”智慧林业的发展策略研究J.智慧农业导刊，2022，2（11）：4-6.（下转第 59 页）Wi-FiWi-FiScience and Technology&Innovation科技与创新2023 年 第 17 期59变化时，系统正在执行某个耗时较长的中断函数，那么主程序中的检测就只能等待此中断函数执行完后才能继续，于是就可能造成程序检测到回响信号变化的时刻比实际发生的时刻要晚一些，从而会使定时器测得的脉冲宽度值发生较大偏差，进而使计算出的距离发生较大的偏差5。针对此问题，可以通过灵活运用定时器 T0 或 T1的门控功能来解决。这里利用 T0 的门控功能实现高精度的超声波测距。具体实现方法：启用 T0 门控功能（TMOD 中相应的 GATE 位置 1），这时外部中断引脚 INT0（P3.2）将起到实际控制 T0 启停的作用，即INT0 为 1 时 T0 启动计数，INT0 为 0 时 T0 停止计数，这样就不需要编写代码来检测超声波回声信号，而是可以将回声信号连接到 INT0 即 P3.2 引脚上，让它自动控制 T0 启停，从而避免了软件检测时可能产生的偏差，测量精度将大大提高。5运行测试结果将超声波模块通过排线与单片机主控板连接，将液晶模块焊接到与主控板的液晶接口，确认无误后上电，此时液晶模块会显示 Test 字样。将超声波模块对准一个不小于 0.5 m2的障碍物，按开始测距按钮，超声波发射模块被启动。当发射的超声波被反射回来由接收器接收到时，单片机将测得的距离数据进行计算处理并显示在液晶模块上。例如第一次测量后显示距离为 0.205 m，经实际用尺子测量得到的数据为0.200 m，误差为 0.5 cm；第二次测量后显示距离为0.396 m，实际用测量距离为 0.400 m，误差为 0.4 cm；第三次测量后显示距离为 0.603 m，实际测量距离为0.600 m，误差为 0.3 cm，误差范围在 0.30.5 cm，测试较为准确，特别是被测试物体表面平整，并且模块入射角度越垂直于被测物体表面时效果更好。6结束语本设计基于单片机和超声波集成传感模块实现对距离的非接触式自动测量，利用量产的成品化的高精度超声波传感器，使系统设计简单高效，大大方便与单片机接口。利用单片机灵活强大的实时控制和数据运算功能，实现测量点与障碍物之间距离的实时测量和修正功能，并在液晶模块上直观显示出来测距结果，还可以根据测量的不同距离范围进行不同频率的声音报警。同时探讨了如何利用温度测量模块进行测距结果的实时温度修正，以及利用单片机定时器的门控定时功能提高测量精度的方法，最大限度地提高测量的准确度。本系统设计简易，虽然不能测量过远的距离（5 m之外），但规模小，外围电路简单，调试方便，成本低，器件更换维护容易，灵活性高，与被测量物体不需要直接接触，可以广泛应用于多种场合，如汽车倒车防撞提醒、智慧物流运动控制、建筑工地作业安全提示、公共安防中的接近检测、停车场安全检测、工农业现场中的液位测量、工件运动位置测量等，它的推广应用将大大便利人们的生活和提高工农业生产自动化效率，产生良好的经济社会效益。参考文献：1李云龙，卜雄洙，赵文，等.新型嵌入式超声波测距系统J.仪表技术与传感器，2012（1）：97-99.2王小华，周松青，殷严刚.基于温度补偿的超声波测距系统设计J.广西物理，2012，33（2）：10-14.3蔡贵祥.基于MEMS压电超声换能器的超声测距系统设计D.重庆：重庆大学，20214罗冬旭.基于 FPGA 的超声波测距系统设计D.长春：吉林大学，2021.5高琬佳.基于超声阻抗法的新型液位测量传感器关键技术研究D.太原：中北大学，2022.作者简介：王永彬（1969），男，大学本科学历，副教授，主要从事机电一体化、单片机传感测控系统、智能仪表等方面的教学科研工作。（编辑：王霞）（上接第 56 页）作者简介：徐维（1990），女，本科，工程师，研究方向为机场安全管理。白鹏飞，男，博士，副教授，研究方向为应急管理与公共安全。张禹（1981），女，硕士，高级工程师，研究方向为安全管理和法定自查。王明泽（1988），男，本科，工程师，研究方向为机场运行管理。张宇宙（1997），男，本科，助理工程师，研究方向为通用机场航务管理。（编辑：丁琳）