遥操作农田信息采集机器人控制系统研究

程玉柱，陈勇，王红星，胡娜，沈旭

摘要：提出了一种基于遥操作机器人的农田信息采集方法，设计了新型农田信息采集机器人的控制系统并制造了移动机器人样机。主控计算机与车载网络摄像机构成无线局域网，实现视觉图像传输。在遥操作模式下，操作人员通过计算机导航软件控制机器人的动作，实现遥控导航和信号采集，可为精确农业提供原始数据。试验结果表明，机器人工作可靠性高、稳定性好。

关键词：农田信息采集；机器人；遥操作；控制系统设计

中图分类号：Ｓ１２７文献标识码：Ａ文章编号：0439－８114（２０12）14－3080-04

Ｒｅｓｅａｒｃｈｅｓ ｏｎ ｔｈｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ａ Ｔｅｌｅ－ｏｐｅｒａｔｅｄ Ｒｏｂｏｔ ｆｏｒ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｃｏｌｌｅｃｔｉｎｇ ｉｎ Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ Ｆｉｅｌｄｓ

ＣＨＥＮＧ Ｙｕ－ｚｈｕ，ＣＨＥＮ Ｙｏｎｇ，ＷＡＮＧ Ｈｏｎｇ－ｘｉｎｇ，ＨＵ Ｎａ，ＳＨＥＮ Ｘｕ

（Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｎａｎｊｉｎｇ Ｆｏｒｅｓｔｒｙ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ ２１００３７，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｆｉｅｌｄ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｃｏｌｌｅｃｔｉｎｇ ｉｓ ａｎ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｐａｒｔ ｉｎ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅ． A ｆｉｅｌｄ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｃｏｌｌｅｃｔｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ａ ｔｅｌｅ－ｏｐｅｒａｔｅｄ ｒｏｂｏｔ was presented； a ｎｅｗ ｔｙｐｅ ｏｆ ｆｉｅｌｄ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｃｏｌｌｅｃｔｉｎｇ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ｔｈｅ ｒｏｂｏｔ was designed； ａｎｄ ａ ｍｏｂｉｌｅ ｒｏｂｏｔ ｐｒｏｔｏｔｙｐｅ was developed． Ｈｏｓｔ ｃｏｍｐｕｔｅｒ ａｎｄ ａ ｎｅｔｗｏｒｋ ｃａｍｅｒａ ｃｏｎｓｔｉｔｕｔｅd ａ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ＬＡＮ ｔｏ ｒｅａｌｉｚｅ ｔｈｅ ｖｉｄｅｏ ｉｍａｇｅ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ． Ｉｎ ｔｅｌｅ－ｏｐｒａｔｅｄ ｍｏｄｅ， ｔｈｅ ｒｏｂｏｔ ｗａｓ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ｂｙ ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｍａｎｉｐｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｏｐｅｒａｔｏｒ ｔｏ realize ｔｈｅ ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ ａｎｄ ｒｅｍｏｔｅ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｃｏｌｌｅｃｔｉｎｇ which could ｐｒｏｖｉｄｅ ｒａｗ ｄａｔａ ｆｏｒ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅ． Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ｓｈｏｗed ｔｈａｔ ｔｈｅ ｒｏｂｏｔ ｃould ｗｏｒｋ with ｈｉｇｈ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ．

Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｃｏｌｌｅｃｔｉｎｇ ｉｎ ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ ｆｉｅｌｄｓ； ｒｏｂｏｔ； ｔｅｌｅ－ｏｐｅｒａｔｅｄ； ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｄｅｓｉｇｎ

“精确农业”技术是２１世纪实现农业数字化的重要内涵和目标，农田信息的采集是实现“精确农业”的前提［１，２］。因此，研究和设计一种全面、实时的农田信息采集方法和装备具有重要意义。

农田信息包括气象、土壤、水肥等环境信息和农作物生长信息，根据农田信息来控制农药、水肥等的投入水平，可以有效地提高农业生产效率［３］。国外农田信息采集主要研究有：Iida等［４］开发了六足昆虫机器人，利用风速仪和气体传感器，探测农田风速、定位ＣＯ２气体；Ｍｕｒａｋａｍｉa等［５］开发了遥控农业机器车，利用谷歌地图进行导航，实现多种农田操作；Garcia等［６］利用无线传感器网络构建分布式农田视频监控和数据采集系统，通过Ｉｎｔｅｒｎｅｔ实现远程数据传输。国内信息采集方法主要有手持传感器定点采集样本、结合３Ｓ技术信息采集、无线传感器网络采集。沈明霞等［７］开发了基于ＡＲＭ和ＤＳＰ的农田信息实时采集终端；蔡义华等［８］设计了无线传感器网络农田信息采集节点等。

本研究设计了一种基于无线局域网的遥操作农田信息采集移动机器人控制系统，可在机器人行进的过程中流动地采集农田数据信息，可靠性高，稳定性好。

１信息采集机器人工作方式

农田信息采集机器人在遥控操作模式下工作，操作人员在个人计算机前观察由无线网络摄像机传回的农田视频图像，通过导航软件远程控制机器人的动作，实现对机器人的遥控和农田信息采集；农田信息分析软件嵌入Ｓｕｒｆｅｒ等值线绘图软件，生成并显示农田多维信息图层，以便农业科技人员科学地指导农业生产。

２信息采集机器人控制系统设计

２．１控制系统总体结构

农田信息采集系统主要由移动机器人和个人计算机两大部分组成，如图１所示。移动机器人车体上搭载无线网络摄像机、导航控制器、射频通信单元、农田信息采集单元等；个人计算机通过软件实现多种功能，包括农田信息采集、遥操作导航、无线视频图像传输、农田信息分析等。

无线网络摄像机、无线路由器和个人计算机构成无线局域网，实现机器人和个人计算机之间的视频图像传输。操作人员根据农田视频图像，通过射频发射装置向移动机器人发送遥操作导航指令和农田信息采集等指令，实现机器人运动和信息采集。

２．２无线局域网（ＷＬＡＮ）

个人计算机与无线网络摄像机构成的局域网采用ＩＥＥＥ ８０２．１１协议标准，２．４ ＧＨｚ频段，ＯＦＤＭ调制技术，能够与Ｗｉ－Ｆｉ互联互通；本研究选用Lｉｎｋｓｙｓ公司的ＷＶＣ２００无线网络摄像机，具有ＭＰＥＧ－４高压缩率的视频解压缩技术，传输图像通过ＷＲＴ５４Ｇ路由器实现信号传输和转换，数据传输速率可达５４ Ｍｂｐｓ，１２８位ＷＥＰ加密，ＰＣ机通过无线网卡接收图像。

２．３机器人车体主控制器

机器人车体主控制器包括导航运动控制器与射频通信单元。

导航运动控制器包括：微控制器（图２－ａ）、直流电机驱动电路（图２－ｂ）、步进电机驱动电路（图２－ｃ）；射频通信单元包括射频信号接口电路（图２－ｄ）和射频收发器。

硬件原理图采用Pｒｏｔｅｌ ９９ＳＥ设计，软件由Ｋｅｉｌ Ｃ编写。微控制器选用速度快、实时性好、端口多的单片机Ｃ８０５１Ｆ３４０。单片机通过射频信号接口电路Ｊ７与射频收发器Ｃｙ３１９８ＴＲ相连收发无线信号；单片机根据指令并采用基于ＰＷＭ的ＰＩＤ［９］控制算法，通过Ｌ２９８驱动两路直流电机实现机器人的前进、后退、转弯、越障等闭环控制；地面崎岖造成机器人平台有较大倾斜时，Ｌ２９７、Ｌ２９８等驱动两路步进电机，由丝杠等机构控制车体平衡，保持摄像机稳定。

其中，ＴＬＰ５２１－４切断单片机与步进电机驱动电路之间强弱电的直接联系；Ｌ２９７可产生四相驱动信号，控制步进电机；Ｌ２９８是能够承受高电压、高电流、内部封装的双Ｈ桥的集成电路，驱动步进电机。

２．４ＰＣ机软件设计

个人计算机端的软件主要包括机器人控制软件和农田信息分析软件两大部分。

机器人控制软件用ＶＣ＋＋６．０开发，功能包括网络摄像机云台控制与图像显示、机器人运动控制、农田信息采集控制等。

农田信息分析软件用ＶＢ开发，功能包括农田信息的检索与更新、农田多维信息图层的生成与显示、Ａｃｃｅｓｓ本地存储小批量数据、ＭＳ ＳＱＬ Ｓｅｒｖｅｒ网络存储大批量数据等。

３结果

机器人外形尺寸为８００ ｍｍ×６００ ｍｍ×５５０ ｍｍ［１０，１１］，机器人由网络摄像机、主控制器、直流电机、步进电机等构成，如图３所示。

农田信息采集移动机器人控制界面［１２］如图４所示，界面包括摄像机控制（控制摄像机启动、停止、暂停等）和机器人运动控制部分（控制机器人停止、左转、右转等）。试验表明，机器人悬架结构能够适应地面起伏，减少机器人的抖动与倾斜。机器人能够实现遥控导航，图像传输流畅，稳定可靠，能够满足农田信息采集的需要。

４结语

综合考虑了可靠性、可操作性、成本等因素，探索为农业技术人员提供一种基于无线局域网的新型农田信息采集机器人，该机器人体积小，移动敏捷。本研究重点介绍了机器人控制系统设计与制作。在此基础上，后期将完善机器人功能，在机器人车体上配备ＧＰＳ，根据需要安装多种农田信息传感器等，将农田中各点具备的多重属性（位置信息、土壤含水率、土壤肥力、田间气象信息等）可视化，由农田信息管理分析软件实现数据的分析和整合，为田间管理和数字农业提供信息来源。

参考文献：

［１］ 袁燕利，邢娟，李汝莘，等． 农业机械智能化与实施精确农业［Ｊ］．农业机械学报，２００１，３２（４）：１２７－１２８．

［２］ ＢＬＡＣＫＭＯＲＥ Ｂ Ｓ． Ｔｈｅ ｉｎｔｅｒｐｒｅｔａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｒｅｎｄｓ ｆｒｏｍ ｍｕｌｔｉｐｌｅ ｙｉｅｌｄ ｍａｐｓ［Ｊ］． Ｃｏｍｐｕｔｅｒｓ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ ｉｎ Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅ，２０００，２６（１）：３７－５１．

［３］ ＺＡＮＧ Ｙ，ＬＵＯ Ｘ Ｗ，ＺＨＯＵ Ｚ Ｙ． Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｆｏｒ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｆａｒｍｉｎｇ ｉｎ Ｃｈｉｎａ［A］． ASABE：２００７ ＡＳＡＢＥ Ａｎｎｕａｌ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｍｅｅｔｉｎｇ［C］． Minneqpolis：ASHEB.2007.

［４］ ＩＩＤＡ M， ＫＡＮＧ D， ＴＡＮＩＷＡＫＩ M，ｅｔ ａｌ． Ｌｏｃａｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ＣＯ２ ｓｏｕｒｃｅ ｂｙ ａ ｈｅｘａｐｏｄ ｒｏｂｏｔ ｅｑｕｉｐｐｅｄ ｗｉｔｈ ａｎ ａｎｅｍｏｓｃｏｐｅ ａｎｄ ａ ｇａｓ ｓｅｎｓｏｒ ［Ｊ］． Ｃｏｍｐｕｔｅｒｓ ａｎｄ Eｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ ｉｎ Aｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅ， ２００８， ６３（1）：７３－８０．

［５］ ＭＵＲＡＫＡＭＩＡ Ｎ， ＩＴＯ Ａ． Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ａ ｔｅｌｅｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ ｖｅｈｉｃｌｅｓ［Ｊ］． Ｃｏｍｐｕｔｅｒｓ ａｎｄ Eｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ ｉｎ Aｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅ，２００８，６３（1）：８１－８８．

［６］ GARCIA-SANCHES A J，ＧＡＲＣＩＡ－ＳＡＮＣＨＥＺ F， GARCIC-HARO J． Ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｓｅｎｓｏｒ ｎｅｔｗｏｒｋ ｄｅｐｌｏｙｍｅｎｔ ｆｏｒ ｉｎｔｅｇｒａｔｉｎｇ ｖｉｄｅｏ－ｓｕｒｖｅｉｌｌａｎｃｅ ａｎｄ ｄａｔａ－ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｉｎ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅ ｏｖｅｒ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ｃｒｏｐｓ［Ｊ］． Ｃｏｍｐｕｔｅｒｓ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ ｉｎ Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅ，２０１１，７５（２）：２８８－３０３．

［７］ 沈明霞，丛静华，张祥甫，等．基于ＡＲＭ和ＤＳＰ的农田信息实时采集终端设计［Ｊ］．农业机械学报，２０１０，４１（６）：１４７－１５１．

［８］ 蔡义华，刘刚，李莉，等． 基于无线传感器网络的农田信息采集节点设计与试验［Ｊ］．农业工程学报，２００９，２５（４）：１７６－１７８．

［９］ ＣＨＥＯＮＧ J， ＬＥＥ S． Ｌｉｎｅａｒ ＰＩＤ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ａｎｄ ｉｔｓ ｔｕｎｉｎｇ ｆｏｒ ｆｌｅｘｉｂｌｅ ｌｉｎｋ ｒｏｂｏｔｓ［Ｊ］． Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ，２００８，３（１４）：２９１－３１８．

［１０］ 胡娜，陈勇，王红星．农田信息采集机器人机构设计与奇异性分析［Ｊ］． 机器人，２０１０，３２（３）：３６３－３６８．

［１１］ 胡娜．农田信息采集机器人本体研制［Ｄ］．南京：南京林业大学，２００９．

［１２］ 王红星．农田信息采集机器人控制系统研究［Ｄ］．南京：南京林业大学，２００８．