基于STM32微控制器的无人机农药喷洒系统设计

农 业 与 生 态 环 境

92

科技资讯 SCIENCE & TECHNOLOGY INFORMATION

DOI：10.16661/ki.1672-3791.2017.35.092

基于STM32微控制器的无人机农药喷洒系统设计

龙吉

（吉林化工学院 吉林吉林 132012）

摘 要:无人机喷洒农业已经成为农业植保技术的主力作业方式，这种作业方式能有效降低劳动力、减少对环境的污染、提高生

产效率。目前无人机对于农药喷洒系统的检测和控制一般都集成在飞行控制器内部，使植保无人机整体成本升高。本文主要设计一种能够适应多种无人机型的农药喷洒系统，可以安装在多种无人机上使用，提高作业效率的同时有效降低成本。关键词:无人机 农药喷洒 飞控 解决方案

中图分类号:V279 文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2017)12(b)-0092-02

随着无人机技术的发展，农业植保已经开始利用无人机对农作物进行施肥、喷洒农药、病虫害监测等，无人机这种新型载机，特别是最近几年发展起来的多旋翼无人机，具有机动性较高的特点，在飞行控制器（以下简称飞控）和GPS定位的辅助控制下，可以实现悬停、快速移动、90°转弯等机动性动作；由于这种无人机可以垂直起降，所以对场地要求较低，无需固定翼机型需要跑道起降；在多种保护装置和地面站协同控制下，能够比直升机型更安全可靠。目前在国内外作业的多旋翼农业植保机大多挂载10k g农药，一个起降作业面积大概8～15亩，折算成时间大概每小时作业面积为30～60亩，这种作业效率极高，大概是人工作业效率的35～60倍，通过农业植保机定流量喷洒，可以比人工喷洒更加均匀，多旋翼农业植保机飞行过程中产生强劲的向下气流，可以让农作物大幅翻动，药剂可以达到叶面的背面甚至根部区域，穿透效果非常好。目前国内市场应用前景非常好。

但是多旋翼农业植保机的价格都非常昂贵，一台专业的10kg农业植保机价格一般在3万～6万元，让农民、合作社都无法承受，一台农业植保机的核心集中在飞控上，也是农业植保机最为昂贵的地方。原因在于这种农业植保专用飞控是将各类控制系统都集成在飞控内部，不仅具有普通商业飞控、开源飞控的航线规划功能，飞行区域定位规划功能，环绕功能，还具备流量控制功能，能够根据农业植保机的飞行速度来控制喷洒流量，使得这种农业植保专用飞控非常昂贵，一般价格在0.5万～2万元，而普通的开源飞控价格仅仅在500元左右。这样，农业植保机的成本大大提升。

为了节约成本，有些公司使用开源或者商业级飞控作为农业植保机飞控，但是喷洒装置无法构成闭环控制系统，只是开关控制，无法控制流速，更无法根据农业植保机的飞行速度来控制流速，所以本文主要针对非农业植保飞控或者其他机型的无人机设计一种独立的农药喷洒系统，让开源飞控和商业级飞控组装的农业植保机具备流量自动控制功能，甚至可以搭载到各种机型或者农用机械上使用。

1 无人机农药喷洒系统的结构

用于农业植保的无人机大多是多旋翼无人机，多旋翼无人机机型从四轴、六轴、八轴都有应用，从效率上看四轴效率最高，从安全性角度来看，八轴安全性和动力最高，各有利弊。而农药喷洒系统是一个独立的系统，它由机载药箱、水泵、喷头、控制器等构成，专业的农业植保飞控通过

连接控制器，根据作业模式对喷洒药液的流量和速度进行控制。这个控制信号一般为PW M信号，当PW M占空比较高，喷洒速度加快；当PWM占空比较低，喷洒速度减慢。本设计主要是设计一种独立的控制器进行运算和控制，感知当前飞行器的飞行姿态、飞行速度，结合操作人员的控制模式，独立控制喷洒系统进行精确喷洒。这种喷洒系统可以移植到多种机型，如直升机、多旋翼甚至陆地农业机械上。

2 喷洒系统的控制器硬件设计

独立的喷洒系统控制器和飞控内部传感器类型较为相近，有加速度传感器、陀螺仪、地磁传感器、压力传感器、气压计、空速计（可关闭）等，原理是感知当前无人机飞行姿态、飞行方向、飞行高度、飞行速度，通过操控者设置的模式可以速度随动喷洒智能化喷洒。

控制器内部核心采用S T M 32F407RG T 6芯片，驱动MPU6050运动处理组件，MPU6050这个芯片包含了3轴加速度传感器和3轴陀螺仪传感器，在运算过程中减少了陀螺仪和加速度之间的漂移误差，该芯片通过I2C协议通信，由于STM32F407自带I2C，所以无需重新编写I2C驱动程序，可以根据库函数I2C函数直接控制；控制器的地磁传感器采用HMC5883L芯片，气压计采用传统的BMP085即可。控制器通过以上传感器可以精确感知飞行器的各种动作姿态和位置，通过模式综合控制水泵的速度进行喷洒。由于喷洒系统是一个闭环控制系统，需要对水泵的流速进行检测，所以在水泵的出水端加入了压力传感器和流量计，经过转换后得出药液流速，利用有效的PID参数对水泵进行控制。流量计采用霍尔元件，输出占空比为50%，输出脉冲频率为f=7.5×Q （L/min），即输出频率为7.5×单位流量（L/min）×时间（s），这样，将频率这种数字信号输入到微控制器内部可以计算出当前流量并送入PID进行计算，使流量输出较为精确。

控制器接收操控者的模式控制信号是通过无线通信技术的接收机与控制器相连接，所以要求该无人机的遥控设备至少有8个以上的通道，预留两个通道控制水泵开关和喷洒模式，喷洒模式分为手动喷洒、自动速度随动喷洒；水泵开关的PWM值超过1000之后表示水泵开，PWM值1100～2000（PWM值1000～1100区间设置一个死区，防止误动作）控制

(下转94页)