吕 霞

（辽宁省农业机械化研究所，沈阳 110161）

水稻分蘖期需要大量的氮、钾、磷元素。传统水稻施肥大多是人工施撒，效率低，耗费大量人力资源，而现有的机械施肥装置体积大，行走受限。为此，设计一种无人机投放化肥装备。其投放系统通过电控系统操控，完成不受地形限制的高效率精准施肥功能。 阐述撒肥机数据控制信号的来源，分析电控系统内部控制模块选用及所选STC89C51RC 芯片的软件算法，以期为水稻分蘖颗粒肥无人机投放提供参考。

1 水稻分蘖期数据控制信号的来源

划分2 个区域作为试验田，分别作为采集组和对照组。 采集测定对照组内的稻田土壤、水体和水稻的氮、钾、磷含量，并对采集数据进行处理，作为验证采集组准确性的参考。采集组用六旋翼无人机进行高光谱检测拍照，于早7 点到9 点进行采集，防止阳光光照过强导致光谱污染。无人机采集区域设立几个交点定点，保证无人机在指定轨道飞行。

高光谱成像方法是先经过影像预处理提取一些波值，采集定点数据后进行几何精校正，通过定点值、矢量方向描绘出大致影像，再进行影像处理。然后，通过直方图匹配、色彩合成、影像拼接合成直观图影像。高光谱成像过程如图1 所示。

图1 高光谱成像过程Figure 1 Hyperspectral imaging process

光谱图像中含有土壤、水体、水稻3 种物质。为得到水稻内的元素含量，需要进行图像解混，用最小噪声法将噪声分离开，提取水稻内的元素含量。 通过算法绘出曲线图，提取水稻元素含量数据。 数据信号为肥料施撒量的标准。

2 撒肥机内部控制模块的选用

2.1 控制芯片

选用性价比高的STC89C51RC 单片机（如图2），装有4K 可编程FLASH 存储器，具有高速、低功耗的优点。 具有稳定的脉冲信号， 能够实现对电机的控制，从而控制电机施撒肥料数量。 STC89C51RC 单片机有丰富的引脚与外部设备连接，并设有独立的ISP编程器。

图2 STC89C51RC 芯片Figure 2 STC89C51RC chip

2.2 测距模块

测距模块选用超声波传感器TELESKY US-100（如图3）， 用以计算无人机距离地面的高度，传达脉冲信号。 当距离地面大于5 m 时，触发一个高电平信号，再由系统检测发出信号检测回波信号，将距离值转化成时间值，计算出与地面的高度。

图3 超声波传感器Figure 3 Ultrasonic sensor

2.3 步进电机

选用 42HS40ECL06 步进电机（如图 4）。 用以将收到的电信号转化成角位移或者线位移。步进电机无法直连在交流、直流电路中，需用专用的驱动器（10～40 V 直流电、24～36 V 驱动电）。 步进电机配合齿轮齿条控制移动面板， 通过移动面板移动带出肥料，控制另一条链条启动搅拌棒。

图4 步进电机Figure 4 Stepping motor

3 基于STC89C51RC 芯片的软件算法设计

电控系统有2 个部分运用算法。一是高光谱成像后对图像进行解混，去除不必要的噪声，利用最小噪声法分离图像噪声，再用纯净像元指数法提取高光谱曲线，通过建模、反演模型等得到可靠数据，进而得到水稻元素含量缺少量并作为数据控制信号。二是以水稻含量缺少量为信号值，启动撒肥机电源，计算投放元素缺少量 （即第一部分算法得到的水稻元素缺少值）的所需时间、投放速度和倾斜角度。当无人机高度大于5 m 时发出启动信号，再由系统检测回波信号。PWM 脉冲输出信号控制2 个电机投放， 投放结束后循环扫描新区域，如此进行若干循环，直至当前试验地内的水稻肥料投放量达标。整个算法的设计流程如图5 所示。

图5 算法设计流程Figure 5 Algorithm design flow

先将程序初始化，通过扫描拍摄得到数据的控制信号，无人机接收到数据控制信号后上升。 当离地面高于5 m 时， 超声传感器发波信号至STC89C51RC芯片。 STC89C51RC 单片机通过PWM 信号控制电机正转反转，利用延时函数控制时间间隔，再进行扫描。如此不断循环，直至数据信号传达结束。