触须仿形检测的高杆作物智能对行自行走作业平台

孙春阳++郭清乾++孙海峰++王宇皓

摘 要：针对我国目前农业生产机械自动化程度过低、农村劳动力人口锐减的现状，设计了触须仿形检测的高杆作物智能对行自行走作业平台。该平台由触须传感装置、信号采集模块、中央IAP单片机等组成，能满足自行走、自对行、低功耗的技术要求，且体积小、重量轻、功能强大，将对现代农业产生重要影响。

关键词：触须仿形；自行走；作业平台

1 作品简介

针对我国目前农业生产机械自动化程度过低、农村劳动力人口锐减的现状，以及高杆作物田间作业小型化的需求，我们研制了基于触须仿形检测的新型智能田间自行走作业平台。通过触须感应作物方位，进而自动调节平台的转向及行进，使其能夠在高秆作物间作业而不致碰伤作物。这款新型的节省人力的高效智能田间作业平台满足了自行走、自对行、低功耗的技术要求，对现代农业具有重大意义。触须仿形检测的高杆作物智能对行自行走作业平台模型如图1所示。

图1触须仿形检测的高杆作物智能对行自行走作业平台模型

整个作品的实现分两大部分：

（1）触须仿形检测模块由两个相同的弯曲传感器交叉位于小车前段，传感器触碰小车前方及侧前方作物并将信号经24位高精度的模数转换芯片传递给IAP单片机控制中心，快速调整小车行进速度和转向。

（2）利用光栅对车速进行实时跟踪监测，通过反馈调节电机的PWM脉宽比来缓冲因地面不平整而影响车速的外界因素造成的影响，保证小车在各种环境下能够正常行进和作业。我国的农业耕作一般都是拖拉机下地工作、人力操控，并忍受残酷的环境（灰尘、毒辣的阳光、有害的农药和化学物质等），费时，费力，费资源，我们发明的这款自行走高杆作物作业平台能改善这种现状。智能田间作业平台实现了无人操控下的高精度、自对行、自行走目标，同时重量小，可避免压紧土壤，影响农作物根部生长。

2 设计方案

基于触须检测的智能对行自行走平台包括触须传感装置和信号采集部分、中央IAP单片机控制模块、舵机转向机构、电机控制模块、光栅反馈模块以及电源模块。触须传感装置由左右两个带有钢丝的弯曲传感器并联组成，可根据不同作物选用不同硬度的柔性钢丝用于排开非障碍物，触须传感器装置的信号传送到采集模块，进而输出到单片机。

操作中，弯曲传感器通过钢丝带动弯曲排开非障碍物，减小误差，进而对障碍物与作业平台的距离方位进行记录检测，转化为弯曲传感器的阻值信号，通电后转化为连续的模拟电信号，再利用24位模数转换芯片传递给单片机数字信号，进一步操控舵机转向机构和电机驱动模块，然后再次通过光栅的负反馈调节误差。平台设计方案如图2所示。

图2 平台设计方案

首先建立相关的数据库及关系模型，即通过对常见高杆农作物的叶子、枝条和几种常用钢丝的硬件分析数据库，利用触须传感装置对平台与作物的方位进行分析，通过定量分析的方法建立小车和作物在不同距离和方位下，小车的转角和速度对应关系模型。然后在实践应用中将实际检测到的方位信息进行分析，利用单片机与事先设定的关系模型进行比较，按照使用者需要的速度和走向进行调节和负反馈处理，极大地节省了人力和体力，实现高精度无损作物自行走控制。

3 工作原理

3.1 硬件工作原理

这款基于触须仿形弯曲的快速精确装置的特征在于：在作业车前端装有交叉朝向的带有适宜硬度金属丝的具有严格数据控制的弯曲传感器，构成了作品的触须仿形检测装置；信号采集模块由高精度的24位模数转换芯片组成；中央IAP单片机连接的1602芯片用来监测和观察作物方位以及小车速度。小车作业时，前端的钢丝触碰感应作物方位并带动弯曲传感器运动，触须仿形监测装置的信号输出端将此信息经4位高精度模数转换芯片转化为数字信号后交由单片机处理，然后快速精确地调整舵机转向和电机驱动。光栅实时监测车速，通过反馈调节电机动作的PWM脉宽比，以缓冲外界因素对小车速度的影响。

3.2 软件工作原理

应用于田间自走机械的自动对行装置的控制分为以下几步：

（1）对不同作物的叶子、枝条以及常见几种柔性材料进行硬度分析，建立硬度数据库。

（2）用合适硬度的柔性触须排开茎秆，通过柔性弯曲传感器阻值的变化对作物与车的距离和方位进行精准快速分析，并将弯曲传感器阻值的变化信息转换为高精度的数字信号，并将此信号送入单片机进行误差分析。

（3）对前轮所能实现的最大转角和转角问题进行分析，通过实际调试选择车与作物在不同距离和方位下合适的转角对应关系，得出阻值与转角关系表。

（4） 对几种最适宜田间耕作的作业速度进行分析，通过实际调试选择车与作物在不同距离和方位下合适的速度，得出阻值与速度关系图。

（5） 排除单片机的误差因素，如排除因长期不使用造成的传感器不灵敏问题；排除两个传感器感应相同时阻值不完全相同的问题；利用正态分布法设定合适的数值区间。

（6）根据单片机的误差排除结果，通过定量分析法建立不同距离和方位下弯曲传感器阻值信号与车转舵角度和速度调控的关系模型，按照距离越近，弯曲程度越大，转角越大，速度越慢的逻辑关系，设立不同情况下的标准速度。

（7）按照步骤（4）所述的关系模型，对舵机和电机进行实时控制。

（8）用光栅对小车行进的速度进行监控，将相应的结果反馈给单片机。

如果此时的速度与步骤（4）中设定的标准速度有偏差（因田间土地不平或泥泞，车轮上缠绕叶子、枝条、泥土等杂物等），可通过反馈对电机进行调节以尽量满足标准速度。

4 创新点

（1）触须仿形检测是我们的灵感之一，仿照田间虫子的触须，我们选择了柔性钢丝带动弯曲传感器工作，在不损坏作物的前提下能准确检测到作物的方位信息，进而通过一系列控制模块实现根据作物与小车的距离和方位调节小车转向和速度，利用光栅反馈来缓冲地面不平、坡度等因素对小车行进速度产生的影响，以保证小车的正常行进。

（2）利用单片机的多维外设，可以集施肥、撒药、除草、摘心、收割、播种等功能于一体。

（3）自动化作业，可以大幅度减少人力资源，避免农药等对人体的危害。

（4）体积小，适于对作物进行维护。

（5）重量轻，避免在作业时压紧土壤。

5 市场前景

本作品实现了自动化及智能化，只需要将机器人放在苗垄上，按下启动开关，机器人便会沿高杆作物之间的空地行走，自动规避作物，合理控制转向角度。运用数学建模方法对转向机构进行参数优化，提高了机构的工作性能与效率。

该机器人具有广阔的应用价值，适用于高杆作物，如高粱，甘蔗等。能在无人管理的条件下，对大面积苗田进行精细看管，机器人以平均0.5 m/s速度作业时每天能对约1公顷的作物进行管理，大大减少人力、物力消耗，极具商业开发以及生产价值。

与现有技术对比，我们的自行走平台更加具有节能减排的实质性效果。国外很早就有田间自走农业机器，但是其巨大的体积显然不适合对作物进行维护，只适用于种和收，适用面过于狭窄。

本文所设计作品成本低，功能强大，使用方法简单，若能批量生产投放相应市场，在未来几年乃至几十年内必能产生巨大的经济效益。endprint