田壯 黃俊華 西北農(nóng)林科技大學(xué)

引言

玉米是一種經(jīng)濟作物，也是一種世界范圍內(nèi)比較重要的谷物，不僅可以用于食用，在飼料、制糖等方面也有廣泛運用。2018 年玉米種植面積共計42129 千公頃，約占糧食種植總面積的36.0%。隨著玉米產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，與玉米相關(guān)的領(lǐng)域也得到了發(fā)展，玉米的需量也在提高。目前，玉米的種植和收獲逐漸機械化或半機械化，但是在玉米生長過程中，還是需要大量的勞動力去防止病蟲災(zāi)害。而隨著我國老齡化趨勢嚴(yán)重，勞動力資源日益緊缺，人工噴藥成本不斷提高。發(fā)展地空協(xié)作噴藥技術(shù)，對提高生產(chǎn)效率節(jié)省人工成本具有重要意義，對提高玉米產(chǎn)量也有重要影響。

本文設(shè)計了一種基于地空協(xié)作的玉米病蟲害精準(zhǔn)檢測與施藥系統(tǒng)，利用無人機檢測到病蟲害，然后將指令傳達(dá)至小車，小車將對患病處進行定點的噴藥，保證了噴藥的質(zhì)量和效率。

1 各系統(tǒng)設(shè)計

1.1 基于地空協(xié)作的玉米幼苗紫葉精準(zhǔn)檢測與施藥系統(tǒng)設(shè)計總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

該系統(tǒng)主要由兩部分組成，無人機以及地面噴藥小車。無人機負(fù)責(zé)檢測玉米病蟲害病情，并將反饋到的信息數(shù)據(jù)傳遞給地面噴藥小車，噴藥小車主控板計算病變位置坐標(biāo)后進行路徑規(guī)劃，對玉米病蟲害部位進行噴藥。

1.2 基于地空協(xié)作的玉米幼苗紫葉病精準(zhǔn)檢測與施藥系統(tǒng)設(shè)計機器視覺識別系統(tǒng)

視覺識別猶如無人機檢測過程中的“眼睛”。機器視覺識別具有不疲勞，坐標(biāo)位置反饋準(zhǔn)確等優(yōu)點。而機器視覺識別系統(tǒng)的搭建主要包括：利用Python 進行系統(tǒng)的搭建，用深度學(xué)習(xí)算法忽略光線、色彩等環(huán)境因素的影響，更快、更準(zhǔn)確地識別玉米紫葉病病苗，用openmv 視覺模塊進行坐標(biāo)的反饋。

1.3 基于地空協(xié)作的玉米幼苗紫葉病精準(zhǔn)檢測與施藥系統(tǒng)設(shè)計控制系統(tǒng)

包括遠(yuǎn)紅外傳感器、距離傳感器和姿態(tài)傳感器的電路設(shè)計和數(shù)據(jù)采集以及主控芯片的編程開發(fā)，以滿足該系統(tǒng)噴藥車的穩(wěn)定控制；包括利用飛行控制器的編程開發(fā)，以滿足該系統(tǒng)無人機的穩(wěn)定；包括利用機器人運動學(xué)和動力學(xué)計算得到的數(shù)據(jù)進行模擬，建立模型，為地空協(xié)作系統(tǒng)穩(wěn)定控制提供依據(jù)；包括利用stm32 控制板、無線傳輸模塊的編程開發(fā)，以實現(xiàn)地面與空中信息的的反饋與調(diào)節(jié)。

2 系統(tǒng)工作流程

如圖1 所示，首先釋放無人機使其升空，無人機上裝有Open Mv視覺模塊，對玉米病蟲害部位進行識別，檢測玉米幼苗病蟲害情況。若無人機檢測到有病苗，則建立并捕捉病蟲害部位的坐標(biāo)系，將坐標(biāo)系信息數(shù)據(jù)通過無線模塊反饋給地面噴藥小車，噴藥小車主控板計算病變位置坐標(biāo)后進行路徑規(guī)劃，行進至需要噴藥的部位完成噴藥工作。若無人機檢測時并沒有發(fā)現(xiàn)病蟲害現(xiàn)象，則繼續(xù)巡航，直到檢測到病蟲害位置時重復(fù)工作。

圖1

3 技術(shù)路線

如圖2 所示，本地空協(xié)作系統(tǒng)分為利用Python 進行視覺系統(tǒng)的搭建、利用OpenMv 進行坐標(biāo)搭建、stm32 編程以滿足噴藥車的穩(wěn)定控制、飛行控制器的編程開發(fā)、利用stm32 控制實現(xiàn)地空信息反饋與調(diào)節(jié)、基于機器人運動學(xué)和動力學(xué)建立模型、深度學(xué)習(xí)控制算法、地空協(xié)作噴藥系統(tǒng)視覺系統(tǒng)的搭建、地空協(xié)作噴藥系統(tǒng)的控制、動力學(xué)模型以及基于Open Mv 的深度學(xué)習(xí)算法程序等。

圖2

4 結(jié)論

本文設(shè)計了一種基于地空協(xié)作的玉米病蟲害精準(zhǔn)檢測與施藥系統(tǒng)，該系統(tǒng)解決了人工噴藥時效率低下的問題，并解決了無人機噴藥系統(tǒng)在運行時不能檢測病蟲害位置的問題。本文提出了一種新的檢測玉米病蟲害部位并對病變位置進行噴藥的方法，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中檢測農(nóng)作物病蟲害位置并對其進行精準(zhǔn)噴藥提供了新的思路和方法，但是無人機視覺模塊的精度問題以及機器深度學(xué)習(xí)等算法優(yōu)化的問題還有待解決。相信在不遠(yuǎn)的未來，無人機結(jié)合噴藥小車協(xié)同工作并進行精準(zhǔn)檢測噴藥將成為現(xiàn)實。