一种智能除草机器人的设计与模型实现

宋欣 杨磊 张仲雄 梁广源

摘 要：随着人们生活水平的不断提高和环保意识逐渐的增强，绿化面积越来越大，其中绿化区修剪的工作量也越来越繁重，为此设计了一种具有自主除草、化学除草和手动除草多种模式，并可适应于多种地形作业的智能除草机器人。以Arduino Mega2560为主控芯片，实现了对除草机器人的功能设计和模型制作。经过对除草机器人样机模型的验证，获得了良好的除草效果和较高的工作效率，为后续的成果转化及推广奠定了基础。

关键词：智能除草机器人；自主除草；化学除草；复杂地形

引言

草坪在我国城市建设中的分布越来越广泛，绿地面积和绿地覆盖率已经成为衡量城市环境、社区建设、生态城市建设和城市园林化程度的一个重要指标[1]，近些年来逐步得到了人们的重视，并实现了快速的发展；随着绿化面积的不断增加，绿化带修剪工作量大、投资成本高、智能化程度低等矛盾日益尖锐，因此有必要研发一种能够自主除草、高效率、绿色节能的除草机来代替工人完成高强度的工作。美国伊利诺伊大学Tony Grift博士和他的学生Nhanael Gringrich开发出了一种太阳能除草机器人，可以精确判断出杂草，并用刀切断杂草，然后在杂草切口处喷上除草剂；荷兰Wageningen大学Tijmen Bakker等设计了一种自动除草机器人，采用DGPS和机器视觉导航，机器人采用机器视觉技术进行杂草识别，该除草机器人导航线与实际作物行线的平均偏差小于25mm[2]。

1 总体方案设计

智能除草机器人总体方案如图1所示，以四轮小车为移动载体，小车的转向方式为将控制同侧前后轮转动的电机串联在一起，转向时，同侧的前后两轮同步转动，而另一侧的两个轮子按相反方向转动，从而使得小车能够在原地转向，这种方式比差速转向更加快捷，而且还能减小转向所需的空间，使除草机器人可以适应更广泛的工作空间。三种除草模式设计：自主除草、化学除草和手动除草。自主模式主要针对草坪，无需人为操控，自主完成除草作业，并可以通过喷洒系统在除草的同时进行除虫剂和营养剂的补充。化学除草主要针对一些要彻底根除的杂草，自主进行化学药剂的喷洒。手动除草主要处理斜坡处杂草，通过遥控器控制两侧辅刀的位置，使其可在任意所需角度悬停进行除草。当左右两侧的辅助刀具与绿化带平行时还可以对绿化带进行修剪。小车前方搭载刀具保护装置，可以将草坪上会对刀具造成损坏的小石块等坚硬物体进行清理。小车尾部搭载草屑收集装置，可实现边除草边收集草屑，提高作业质量和效率。为实现对机器人作业的实时监控和确保机器人的自主作业，小车还搭载了视觉系统和避障系统。此外，该机器人采用锂电池和太阳能板双重供电方式，可有效提高电池的续航能力，不仅绿色节能，还降低了成本，符合未来农业机器人的发展方向。

2 智能除草机器人执行机构设计

该机器人执行机构主要包括主刀及其升降机构、辅刀及其悬停机构、药剂喷洒系统、草屑收集装置和刀具保护装置，其结构示意和实物如图2所示。

2.1 主刀及其升降机构

除草机器人的主刀安装在小车底盘的正下方，由高速电机带动三个圆形刀片组成，刀片按照等腰三角形位置安装，这样能够使电机工作起来比较省力，实现小功率电机高效除草的目的。在电机的上方是控制主刀具升降机构，通过左右两个推杆步进电机控制主刀在一定行程内的上下移动，从而适应不同高度的除草需求。

2.2 辅刀及其悬停机构

在小车的前后两轮中间位置安装辅刀，辅刀是将三把圆型刀固定在同一平面上，并通过一个MG996舵机与车底盘相连接。在斜坡环境中进行除草作業时，使用者可通过遥控器控制调整舵机角度，来实现辅刀任意位置的悬停。辅刀的悬停范围由舵机的可调整角度决定。当辅刀垂直状态放置时，还可以实现对绿化带竖直方向的修剪。

2.3 药剂喷洒系统

药剂喷洒系统安装在小车的第一层，由1个12V的直流压力泵、1个2L水箱、3个喷雾口和1个液体添加口组成。水箱里的水通过压力泵产生高压水，从喷雾口喷出，实现雾状喷洒。当用户在水箱中加入营养剂或除虫剂时，除草机器人可以边机械除草，边进行营养剂的补充和除虫，相比传统除草机，大大提高了工作效率；当针对要彻底根除的杂草时，单纯依靠机械除草无法解决问题，这时可以往水箱中添加化学药剂，采用化学除草模式，从而弥补了机械除草的不足。

2.4草屑收集装置

草屑收集装置是根据吸尘器的工作原理而设计，由收集箱、高速电机、叶片组成。利用高速电机旋转带动叶片转动，产生极强的吸力和压力，使收集箱中产生真空，和外界大气压形成负压差，在大气压的作用下，将草屑吸入收集箱。

2.5 刀具保护装置

刀具保护装置的主体结构为具有一定行进角度的推渣板，为金属铝合金板材质，其行进角为30度至45度，确保能将草坪上的小石块等障碍物进行及时清理，避免坚硬物体损伤刀具。

3 控制系统总体架构

控制系统主要由主控芯片、避障系统、视觉系统、语音系统、供电系统、车轮电机和步进电机驱动模块、舵机控制系统以及无线遥控模块组成，如图3所示。

3.1 主控芯片

该智能除草机器人采用Arduino Mega2560单片机作为中央处理器。Arduino2560微控制器，具有54路数字输入输出端（其中16路可做PWM输出），16路模拟输入端，4路UART（hardware serial ports），6路外部中断，可以满足智能除草机器人数据处理的需求，主控芯片原理图如图4所示。

图4 主控芯片原理图

3.2 避障系统

除草机器人的避障性能是其智能化水平的一种体现[3]。利用超声波测距方式，原理如图5所示，在小车车身的三个侧方装有HC-SR04超声波传感器，通过三个传感器不断对比数据，帮助小车找到可顺利通过的方向，从而实现无死角，能达到任意角落。通过不断试验，确定出超声波传感器的安装位置，得到较为理想的避障系统，是机器人实现自主导航功能的基础和保障。

3.3 视觉系统

视觉系统由高清摄像头和无线Wi-Fi视频传输模块构成。其中，高清摄像头采用CMOS图像传感器，像素为30万，帧率为30fps，摄像头云台通过13kgN/cm扭力的舵机进行控制，旋转角度为0-360°，俯仰角度为0-150°，可进行周围环境的视频图像采集。

无线Wi-Fi视频传输模块用于上位机、手机和机器人之间的数据交流，采用高通AR9331芯片，可实现视频传输及指令双向传输功能，能自适应路由器等设备的无线热点，最大连接速率可达150Mbps。Wi-Fi模块通过串口与主控芯片相连，把通过Wi-Fi接收到的命令发送给下位机进而执行相应的指令。此外，Wi-Fi模块可通过USB接口与高清摄像头相连接，将摄像头所采集的数据不经过单片机处理，直接传给上位机或手机，从而實现对作业过程及环境的实时监控。

3.4 语音合成模块

采用具有高集成度的科大讯飞XFS5152语音合成芯片，机器人通过芯片的UART接口接收上位机发送来的命令和数据，实现开机后除草模式选择、主刀位置、药剂添加等环节的语音提示。

3.5 供电系统

采用12V聚合物电芯组合而成的锂电池，直接为电机和压力水泵供电；通过降压模块，输出5V电压，为主控芯片和其他模块提供电源。当在户外工作时，太阳能控制器可随时检测电源电压，当电池电压低于10.8V时可对其进行充电，当充电电压高于14.6V停止充电。

4 控制系统软件设计

该智能除草机器人控制系统软件是在C语言环境下编写的，采用模块化编程方式[4]，主要包括电机PWM调速基本行走、超声波避障、远距离无线Wi-Fi控制、语音提示、主刀位置调整、舵机控制和水泵控制七个模块，程序控制流程如图6所示。

5 除草机器人样机模型验证

分别在设置有障碍物的草坪和斜坡草坪上，对除草机器人的除草模式进行测试，测试路径如图7所示。经过对软硬件的调试，达到了预期的设计目标和使用效果；但是在机器人避障过程中存在着单位时间内覆盖率低的缺点，若想实现全工作区域的覆盖还需要以高能源消耗和高重叠覆盖率为代价[5]，今后对路径规划算法方面还需要进行进一步地改进和完善。

图7 测试路径示意图

6 结束语

该智能除草机器人具有自主除草、化学除草和手动除草三种工作模式，可满足复杂地形的草坪修剪需求。经实际使用验证，可以大幅度提高草坪修剪的质量和作业效率，并减少人工数量，符合我国农业装备智能化、高效化和绿色化的方向发展。同时，该智能除草机器人样机模型的制作和验证工作为后续的成果转化及推广奠定了基础。

参考文献

[1]马国胜，顾国海，陈国元.草坪杂草研究及展望[J].杂草科学，2005.

[2]张文莉，陈树人，褚德宏.除草机器人研究现状与趋势[J]农业装备技术，2015.

[3]邱白晶，钱国宏，周宁，等.割草机器人避障控制[J].江苏大学学报，2005，26（4）：285-288.

[4]刘南君，毛培宏.基于Arduino Mega2560单片机的简易智能割草机器人的设计与实现[J].安徽农业科学，2012，40（36）：17899-17901+17903.

[5]丛明，金立刚，房波.智能割草机器人的研究综述[J].机器人，2007，29（4）：407-415.

作者简介：宋欣（1979-），女，天津市人，副教授，博士，从事智能农业装备研究。