基于地空協作的玉米病蟲害精準檢測與施藥系統設計

田壯 黃俊華 西北農林科技大學

引言

玉米是一種經濟作物，也是一種世界范圍內比較重要的谷物，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%。隨著玉米產業的迅速發展，與玉米相關的領域也得到了發展，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害。而隨著我國老齡化趨勢嚴重，勞動力資源日益緊缺，人工噴藥成本不斷提高。發展地空協作噴藥技術，對提高生產效率節省人工成本具有重要意義，對提高玉米產量也有重要影響。

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

1 各系統設計

1.1 基于地空協作的玉米幼苗紫葉精準檢測與施藥系統設計總體結構設計

該系統主要由兩部分組成，無人機以及地面噴藥小車。無人機負責檢測玉米病蟲害病情，并將反饋到的信息數據傳遞給地面噴藥小車，噴藥小車主控板計算病變位置坐標后進行路徑規劃，對玉米病蟲害部位進行噴藥。

1.2 基于地空協作的玉米幼苗紫葉病精準檢測與施藥系統設計機器視覺識別系統

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，坐標位置反饋準確等優點。而機器視覺識別系統的搭建主要包括：利用Python 進行系統的搭建，用深度學習算法忽略光線、色彩等環境因素的影響，更快、更準確地識別玉米紫葉病病苗，用openmv 視覺模塊進行坐標的反饋。

1.3 基于地空協作的玉米幼苗紫葉病精準檢測與施藥系統設計控制系統

包括遠紅外傳感器、距離傳感器和姿態傳感器的電路設計和數據采集以及主控芯片的編程開發，以滿足該系統噴藥車的穩定控制；包括利用飛行控制器的編程開發，以滿足該系統無人機的穩定；包括利用機器人運動學和動力學計算得到的數據進行模擬，建立模型，為地空協作系統穩定控制提供依據；包括利用stm32 控制板、無線傳輸模塊的編程開發，以實現地面與空中信息的的反饋與調節。

2 系統工作流程

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系，將坐標系信息數據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后進行路徑規劃，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現病蟲害現象，則繼續巡航，直到檢測到病蟲害位置時重復工作。

圖1

3 技術路線

如圖2 所示，本地空協作系統分為利用Python 進行視覺系統的搭建、利用OpenMv 進行坐標搭建、stm32 編程以滿足噴藥車的穩定控制、飛行控制器的編程開發、利用stm32 控制實現地空信息反饋與調節、基于機器人運動學和動力學建立模型、深度學習控制算法、地空協作噴藥系統視覺系統的搭建、地空協作噴藥系統的控制、動力學模型以及基于Open Mv 的深度學習算法程序等。

圖2

4 結論

本文設計了一種基于地空協作的玉米病蟲害精準檢測與施藥系統，該系統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，為農業生產中檢測農作物病蟲害位置并對其進行精準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習等算法優化的問題還有待解決。相信在不遠的未來，無人機結合噴藥小車協同工作并進行精準檢測噴藥將成為現實。