一种智能仿生空中驱鸟器汪思源;刘子腾;仲崇山;刘晓丽;李锋;李卓阳【摘要】农业鸟害是近些年给农业生产带来巨大损失的主要原因之一.一方面,农业鸟害成灾已经到了不得不采取措施的地步,另一方面,现有驱鸟方式虽多,但多存在如驱鸟范围窄、耗费大量人力、不利于生态平衡或影响食品安全等问题.介绍一种用于农业的可自主飞行的空中驱鸟器,采用仿生学、计算机、电子及无人机技术,利用鸟对人类和天敌的恐惧,设计一种结合多种驱鸟手段的空中驱鸟器,旨在解决普通农业驱鸟设备无法移动驱鸟,易使鸟类产生适应性,维修烦琐的问题,突破农业驱鸟设备固定式的特征,使鸟类不容易产生适应性,从而解决农业鸟害问题.【期刊名称】《农业工程》【年(卷),期】2017(007)006【总页数】4页(P21-24)【关键词】智能装备;农业驱鸟;飞行器【作者】汪思源;刘子腾;仲崇山;刘晓丽;李锋;李卓阳【作者单位】中国农业大学信息与电气工程学院,北京100083;中国农业大学信息与电气工程学院,北京100083;中国农业大学信息与电气工程学院,北京100083;宁夏农林科学院植物保护研究所,银川750002;宁夏农林科学院植物保护研究所,银川750002;中国农业大学信息与电气工程学院,北京100083【正文语种】中文【中图分类】S441中国是世界上鸟类资源最丰富的国家之一。
以稻谷、豆类和果蔬为食的鸟类对农作物的危害日趋明显。
据统计，5 000只八哥鸟群在10 d之内就可以毁掉1 t水果，全世界的山鸟在1年内吞食了约1 500万t粮食，足可以养活世界近9 000万的人口[1-2]。
农业鸟害成为亟待解决的问题。
目前，我国常见的农业鸟害防治方法存在很大局限性，表现在大面积、广泛铺设静态驱鸟设备投资高昂，且维护困难；单一的功能使得鸟类很容易产生适应性，驱鸟效果较差。
针对现有驱鸟设备的不足，设计了一种以8位AVR处理器ATmega328为核心的驱鸟源装置。
集成了生物感应、强光、超声波和语音等多种技术手段，搭载于可自主巡航的飞行器上，并采用相应外观以增加驱鸟效果。
该装置具有使用方便、驱鸟范围广、机动灵活和性能可靠的特点[3-6]。
1.1 驱鸟器的总体设计智能仿生空中驱鸟器由驱鸟设备和飞行器平台两部分组成。
驱鸟设备以8位AVR处理器ATmega328为核心。
通过红外生物感应模块，探测驱鸟器周围环境是否存在鸟类；采用语音播放、超声波及高亮光照射来实现智能驱鸟。
主要由电源模块、处理器、生物感应模块、超声波模块、语音模块和高亮LED灯珠组成，结合多种技术进行智能驱鸟，能够精确快速地探测到鸟类活动，并通过将驱鸟设备搭载于可自主飞行的飞行器平台上，动态驱鸟以增加恐吓的效果，使鸟产生不适应性和恐惧感，提高驱鸟效果，从而减小因为鸟害带来的农业损失。
驱鸟器总体结构如图1所示。
1.2 驱鸟设备设计驱鸟器包括语音模块、超声波发生器、高亮LED灯珠和生物传感器等。
语音模块由LM386音频功率放大模块和MP3解码器模块组成。
LM386是一种音频集成功放，具有自身功耗低、更新内链增益可调整、外接元件少和总谐波失真小等优点，广泛应用于录音机和收音机之中；MP3解码器模块可以读取SD卡或者优盘当中的音频文件，并按顺序播放。
通过将驱鸟音频导入SD卡中，主芯片管脚输出信号经由LM386音频功率放大模块放大，可以播放驱鸟音频。
超声波驱鸟采用超强型超声波换能器，改变以往超声波发生器件低效、声压分贝低、作用范围小等缺点，在驱鸟效果上有了进一步的提升。
鸟类的听觉系统对超声波非常敏感，能在黑暗中判断声音来源。
鸟类的听觉范围在200～90 000 Hz，人类的听觉范围在16～20 kHz，因此超声波驱鸟频率一般选择在22～55 kHz。
超声波驱鸟利用一种频率可变的超声波脉冲干扰刺激和破坏鸟类神经系统、生理系统，使其产生不适。
灯光驱鸟使用3W/12 V高亮LED灯珠，该灯珠采用纯白色色温，光通量高达100 LM/W，处理器通过控制灯珠闪烁，配合超声波和语音驱鸟使用，最终达到驱鸟效果。
生物传感器采用的是基于红外线技术的HC-SR501自动控制模块，采用LHI778探头设计，灵敏度高，可靠性强，超低电压工作模式，广泛应用于各类自动感应电器设备，可以感应探头前方120°锥形区域，最大感应距离9 m，用于感应驱鸟器前方的生物体。
采用3D打印外壳对各电子器件封装后，如图2所示。
1.3 飞行器平台设计飞行器平台采用以APM2.8开源飞控作为核心的自组4轴或6轴无人机，配合使用地面站Mission Planner软件进行无人机的调试、参数设置和飞行任务规划。
APM2.8飞控是一款基于AVR2560的自动导航仪，使用分离式结构，飞控内含加速度计、高精度3轴陀螺仪、电子罗盘和气压计等传感器，实现多种控制模式：自稳、悬停、定高、航点、盘旋、跟随和地理围栏等。
飞控是驱鸟飞行器电气部分的核心，负责计算姿态、处理通信命令和输出控制信号到电子调速器并反馈给地面站。
电子调速器简称电调，用于控制无刷直流电机。
电气构成如图3所示。
地面站软件使用基于Ardupilot开源服务的自动驾驶仪Mission Planner软件。
该软件是针对飞行器的功能，在C环境下编写的一个桌面程序，可以通过串口与飞行器相连，具备传感器校正、显示姿态、测试电机、查看电量和设置参数等功能，并能规划航点航线，使飞行器自主飞行。
软件界面如图4所示。
现场作业人员，通过该软件设置自动驱鸟飞行路线，实现飞行器自动起飞、巡航驱鸟和自动返回降落等功能。
为方便操作人员观察飞行器周围环境，确定驱鸟方案，本驱鸟器配备了无线图传系统。
无线图传系统发射端采用TS832发射机，发射频率5.8 GHz，发射功率600 MW，接收端采用RC832接收机。
传输视频制式采用NTSC/PAL制，可传输40帧/s、分辨率800×480的实时视频。
操作人员可以根据回传图像，操作驱鸟飞行器实现对鸟的主动驱赶作业。
智能仿生空中驱鸟器集农业领域内常用的多种驱鸟方式于一体，并设置了手动、感应、日间、夜间和自动5种驱鸟模式可选，分别通过用户远程遥控、生物传感器感应触发和读取光强值判断所处环境等多种手段执行相应的驱鸟动作，有效增强了驱鸟效果。
智能仿生空中驱鸟器是对地面驱鸟稻草人的一次全面改进，将传统的地面驱鸟转移至空中，化静态驱鸟为动态驱鸟，有效降低了鸟类对于驱鸟器的适应性，利用飞行器搭载驱鸟源可大幅度扩大驱鸟范围，有效节约成本，降低人工需求，优化驱鸟效果。
智能仿生空中驱鸟综合了自动巡航驱鸟和基于视频传输的人工主动驱鸟，可以大大增强鸟的不适应性和恐惧感，驱鸟效果独特。
智能仿生空中驱鸟器采取了录音芯片，可以自由录制使鸟类产生恐惧的声音，如鸟类受到攻击和伤害时发出的求救和惨叫声、枪炮声以及天敌的鸣叫声等。
在飞行过程中，配合特定的驱鸟声音，可以达到地面固定驱鸟设备没有的效果。
本课题源于宁夏回族自治区枸杞种植中的实际需求。
该驱鸟器已在宁夏农林科学院枸杞种植基地进行试验，实际验证驱鸟效果，并采集数据。
试验现场如图5所示。
本次试验范围为纵横100 m(约1 hm2)的枸杞地，为了符合实际应用条件，选择试验时间为上午8∶00，此时间为适宜鸟类进食的主要时间。
选择相隔大约200m远的相同条件下相同面积的枸杞地作为对照组，对目标区域进行每次5 min，共6次的驱鸟，每两次驱鸟间隔30 min。
统计固定时间段内鸟群入侵并降落区域的次数。
统计数据如表1所示。
表1中各种情况下数据均为6次驱鸟试验的平均值。
由表1可以看出，在不进行驱鸟动作时，枸杞地中鸟类活动频繁；当使用驱鸟器进行驱鸟时，驱鸟器产生的声、光以及超声波对鸟类起到了很大的威慑作用，鸟类由于受到惊吓不敢飞入目标区域，入侵次数相较于对照组大大减少；驱鸟过后，随着时间推移，目标区域鸟类入侵次数有小幅回升，根据数据推算，驱鸟结束1h后鸟类将认为目标区域已经安全而返回，因此在实际应用中应采用多次驱鸟的方法，不断巩固驱鸟效果，最终才能解决鸟害问题。
特别注意，本驱鸟器的驱鸟效果还与自身语音的选择、超声波的频率以及LED闪烁等因素有关，另外本次试验选取上午8∶00～11∶00，共3 h。
而根据观察，鸟类进食的时间为上午较早的时间，随着气温升高，鸟类入侵的次数明显减少。
因此，为了提高实际驱鸟效果，还需要进一步分析不同语音的选择、超声波的频率以及LED闪烁对驱鸟效果的影响，并且进一步学习鸟类的生理习性。
采用8位AVR处理器ATmega328为核心，设计了结合生物感应模块、高亮灯光、超声波和语音技术的多功能驱鸟源装置，搭载于可自主巡航的飞行器上，融合多种驱鸟方法，动态驱鸟，与地面站实现交互，增加驱鸟效果。
同时，外形如猛禽，符合仿生学的语音功能，使鸟类很难产生适应性，可以在一定程度上解决鸟害问题。
该装置使用方便，驱鸟范围广，使用性能可靠。
今后将开展大量的实际驱鸟试验，通过不断改进，进一步提升装置的实际驱鸟效果。
【相关文献】[1] 刘培培，赵欣如，张红娟，等.中国常见农业害鸟及其防治研究进展[J].江苏农业科学，2010(2)：139-141.Liu Peipei，Zhao Xinru，Zhang Hongjuan，et al.Research progress on agro-harmful bird and its control in China[J].Jiangsu Agricultural Sciences，2010(2)：139-141.[2] 李够霞，吴瑞俊，白岗栓.谷子成熟期的鸟害调查及防治方法[J].农学学报，2013，3(5)：18-21. Li Gouxia，Wu Ruijun，Bai Gangshuan.Investigating and control methods of damaging bird in millet maturity stage[J].Journal of Agriculture，2013，3(5)：18-21.[3] 李晓健，李秀昂.谷子鸟害的生物学防治技术[J].农业技术与装备，2011(10)：57.[4] 熊文江，吴显斌，庞国利，等.现代农田驱鸟技术[J].现代化农业，2009(6)：51.[5] 明莉，胡伟.几种驱鸟方式的对比[J].农业工程，2014，4(S1)：60-61.Ming Li，Hu Wei.Contrast of several bird scaring modes[J].Agricultural Engineering，2014，4(S1)：60-61.[6] 明莉，胡伟.物理驱鸟技术概况[J].农业工程，2013，3(S1)：26-28.Ming Li，Hu Wei.Overview of physical bird driving technology[J].Agricultural Engineering，2013，3(S1)：26-28.。
