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來(lái)源：Digi-Key 到 2050 年，全球人口可能接近 100 億。聯(lián)合國糧食及農業(yè)組織 (UN FAO) 2017 糧食及農業(yè)未來(lái)報告指出，農業(yè)產(chǎn)量需增產(chǎn) 50% 才可提供充足的糧食。 聯(lián)合國糧食及農業(yè)組織指出了若干亟待解決的糧食增產(chǎn)挑戰。包括促進(jìn)農村繁榮發(fā)展、完善糧食體系以及提高農業(yè)生產(chǎn)力。而先進(jìn)技術(shù)對于應對這些挑戰起到重要作用。智能農業(yè)的出現有利于作物產(chǎn)量和家畜管理的改善。例如使用物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 技術(shù)可以提高作物產(chǎn)能和家畜健康水平。 收集作物高度、植物密度、葉片狀況或牲畜體溫等數據幫助農場(chǎng)主、農業(yè)生產(chǎn)者優(yōu)化植物或動(dòng)物管理，以及預測和最大化產(chǎn)量。經(jīng)過(guò)數據分析后，農場(chǎng)主需要一些有效措施，從而能夠根據所收集信息快速做出決策。但主要問(wèn)題是農場(chǎng)規�？赡軜O其龐大，蔓延數千英畝。這時(shí)，作物或牲畜的檢查工作會(huì )十分耗時(shí)。此外，還難以全面了解作物或動(dòng)物的健康狀況，不容易發(fā)現特定區域的局部種植密度不足、干旱或蟲(chóng)害問(wèn)題。 而無(wú)人機能夠勝任這些工作。技術(shù)公司正在尋找方法，讓農場(chǎng)主能夠使用無(wú)人機快速調查大面積區域，收集可見(jiàn)和非可見(jiàn)波長(cháng)下的深度信息（圖 1）。無(wú)人飛行器 (UAV) 正推動(dòng)著(zhù)精準農業(yè)的形成，同時(shí)也為專(zhuān)家們帶了開(kāi)發(fā)云分析工具的機遇，該工具旨在分析 UAV 飛行期間收集的數據，以供做出適當的響應。無(wú)人機通過(guò)優(yōu)化灌溉、施肥或蟲(chóng)害控制幫助農場(chǎng)主提高產(chǎn)量，并通過(guò)更高效利用化肥降低成本。 
圖 1： 航拍影像的云分析可以檢測作物和土壤狀況。（圖片來(lái)源： PrecisionHawk）。 農用 UAV 并不局限于收集數據。具有 10 kg、20 kg 或更高有效載荷的多轉子 UAV 比使用拖拉機或輕型飛機的傳統農藥噴灑方式具有更多優(yōu)勢。培訓 UAV 駕駛員比培訓飛行員的時(shí)間要短且費用低，而且就購買(mǎi)和操作飛行器本身而言費用也相對較低。與使用拖拉機相比，噴灑農藥的 UAV 速度更快且不會(huì )損害作物。此外，即使連日下雨造成地面積水的情況下，無(wú)人機仍可完成作業(yè)。 用于精準農業(yè)的 UAV 技術(shù) UAV 進(jìn)入精準農業(yè)市場(chǎng)的時(shí)間很短且正處于發(fā)展期，相關(guān)法規還未最終敲定。盡管美國聯(lián)邦航空管理局 (FAA) 批準個(gè)人使用 UAV，但目前禁止用于商用。 就 UAV 技術(shù)而言，一架合格的飛行器需要基本的電機和飛行控制、傳感器、遙測技術(shù)以及用于噴灑農藥的閥致動(dòng)器和液位檢測等系統。還建議安裝基于雷達的防撞裝置。 輕型低功耗高光譜傳感器收集的數據相比于傳統可見(jiàn)光譜攝像機可為農場(chǎng)主提供更多作物狀況信息。高光譜傳感器起源于首先在衛星應用中得以驗證的高光譜技術(shù)。使用一系列檢測器在超出可見(jiàn)光譜的波長(cháng)下采集數據，各檢測器經(jīng)過(guò)調節后在超近紅外（VNIR，380 至 1000 nm）、近紅外（NIR，900 至 1700 nm）或短波長(cháng)紅外（SWIR，950 至 2500 nm）等窄波段內工作。在這種波長(cháng)下比單獨的可見(jiàn)光譜更能清晰地觀(guān)察到作物病害的化學(xué)特征或其他蟲(chóng)害�，F已面市的高光譜傳感器價(jià)格實(shí)惠，具有低失真、寬視場(chǎng)和板載處理功能，可以消除噪音并確保采集圖片的準確性。 實(shí)現飛行 用于精準農業(yè)的 UAV 種類(lèi)多樣，從小型固定翼飛機到多轉子四軸無(wú)人機型平臺。用于噴灑農藥的 UAV 可能包含六個(gè)或更多轉子以提供充足升力，具體取決于預期的有效載荷。 無(wú)人機型 UAV 通常采用有刷或無(wú)刷直流 (BLDC) 電機驅動(dòng)抬升旋翼。小型飛行器采用有刷電機以實(shí)現輕質(zhì)簡(jiǎn)易的特性，而要求高可靠性和低電磁噪聲的 UAV 更傾向于使用 BLDC，特別是大型 UAV。 飛行器的核心部件是飛行控制器，用于處理導航、控制電機完成起飛以及在飛行中保持高度和航向。GPS 導航與輕型小型 MEMS 傳感器（例如 3 軸加速度計、3 軸陀螺儀和氣壓傳感器）相結合，可實(shí)現準確定位、運動(dòng)控制和高度感知。就保證飛行穩定性而言，模型直升機控制器通過(guò)控制反扭矩尾槳來(lái)防止機身沿著(zhù)自身軸線(xiàn)旋轉，與現今的多轉子 UAV 飛行控制器具有相似的原理。在 UAV 控制器中，基于 MEMS 傳感器融合的慣性測量功能可以調整每個(gè)電機的速度，確保飛行器按規定方向飛行。 作為精準農業(yè)輔助工具，飛行控制器的真正作用體現在用戶(hù)接口和特性方面，可以幫助確定 UAV 飛行路線(xiàn)。農場(chǎng)主需預先準確地確定 UAV 飛行路徑，以便獲取特定區域的完整圖片，或確保以最省時(shí)省力的方式全面藥物噴灑，且盡可能避免過(guò)噴情況。 加速電機控制開(kāi)發(fā) 為簡(jiǎn)化電機驅動(dòng)的開(kāi)發(fā)，眾多制造商提供了多種評估套件�？刂扑惴ㄍǔＣ赓M提供，例如使用霍爾傳感器或反電動(dòng)勢測量來(lái)檢測轉子位置的磁場(chǎng)定向控制 (FOC) 等。這些套件可通過(guò)提供示例軟件，幫助工程師們在應用開(kāi)發(fā)方面取得有利的開(kāi)端，讓其能夠快速順利地開(kāi)發(fā)各類(lèi)電機。 然而，即使可以借助這些套件，工程師們仍需掌握使用電機進(jìn)行設計的專(zhuān)業(yè)知識，才能精準地控制速度與扭矩。挑戰在于為特定電機設置軟件，然后還需要微調參數以?xún)?yōu)化對速度和扭矩指令的響應。工程師需要算出電機的恒壓 (Ke)、摩擦系數和慣性矩。如果控制器依賴(lài)于反電動(dòng)勢測量，需設置無(wú)傳感器狀態(tài)觀(guān)察和速度調節。最近，TI 和 STMicroelectronics 等供應商已成功簡(jiǎn)化電機的特征化和調諧，因此開(kāi)發(fā)人員無(wú)需事先了解電機特性便可驅動(dòng)電機。兩家制造商的方案略有不同。 ST 在 MC 工作臺電機控制開(kāi)發(fā)環(huán)境中創(chuàng )建識別和調諧功能（圖 2）。電機分析器通過(guò)靜態(tài)開(kāi)環(huán)和閉環(huán)測試自動(dòng)檢測電機參數，每次只需幾秒鐘即可完成。其他功率級、驅動(dòng)和控制級參數通過(guò) MC 工作臺 GUI 輸入。然后生成并編譯項目，讓電機開(kāi)始轉動(dòng)且受控。屆時(shí) MC 工作臺一觸式調諧功能可以簡(jiǎn)單直接地調整設置，保證速度和扭矩控制平穩。
圖 2： ST MC 工作臺輔助設置。電機分析器工具可以采集未知電機參數。 通過(guò)實(shí)施 MC 工作臺中的此功能，開(kāi)發(fā)人員具有多種微控制器選擇，如種類(lèi)繁多的 STM32 MCU，還可以利用 STM32 生態(tài)系統創(chuàng )建低成本的開(kāi)發(fā)平臺。最近，ST 推出了采用不同方案的 STSPIN32F0。它將整個(gè) STM32F0 微控制器和三相半橋柵極驅動(dòng)器集成在同一封裝之中，具有過(guò)流/過(guò)壓/超溫保護以及一組用于霍爾傳感器解碼的運算放大器。STEVAL-SPIN3201 評估板將 STSPIN32F0 IC 與電源管理功能相結合，將與 STSW-STM32100 電機控制資源庫配合使用。下載 STSW-SPIN3201 固件示例并結合 MC 工作臺，快速實(shí)現電機驅動(dòng)以及啟動(dòng)開(kāi)發(fā)工作。 TI 的方案基于將其 InstaSPIN™-MOTION 軟件解決方案嵌入到微控制器（如 TMS320F28069M 等 C2000 Piccolo™ 系列器件）的 ROM 中。InstaSPIN-MOTION 包括 TI 的 FAST™（磁通量、角度、速度、扭矩）基于軟件的轉子磁通傳感器。還包括用于電機分析、單個(gè)參數調諧和干擾源抑制的元器件，可以確定電機類(lèi)型（圖 3）。
圖 3： TI InstaSPIN-MOTION 采用嵌入在微控制器中的固件實(shí)現電機功能。 開(kāi)發(fā)人員可以在 TI MotorWare™ 軟件環(huán)境中使用 InstaSPIN-MOTION 功能。DRV8312-69M-KIT 將包含 TMS320F28069M 的控制板與包含 DRV8312 IC 的電源模塊基板相結合，DRV8312 IC 是一款包含驅動(dòng)無(wú)刷直流電機所需電路的三相整合逆變器。還提供 55 W 電機。 總結 精準農業(yè)還為無(wú)人機技術(shù)帶來(lái)了另一激動(dòng)人心的機會(huì )。采用高效經(jīng)濟的方式優(yōu)化產(chǎn)量勢在必行，這將促進(jìn)行業(yè)蓬勃發(fā)展。使用軟件來(lái)簡(jiǎn)化飛行編程并分析采集數據以及利用現有電機控制專(zhuān)業(yè)技術(shù)快速創(chuàng )建穩定可控機身，必將是成功的關(guān)鍵。 |
