用于智能生物能源农业的机器人小坦克

近年来，随着气候变化的影响和世界人口的增长，机器人在农业中的使用越来越多。这主要是由于对生产力、精确度和效率的高要求。与传统农业不同，甘蔗农场通常位于植被茂密、面积巨大，并且遭受极端高温、潮湿和降雨等天气条件的地区。来自挪威生命科学大学科学技术学院和巴西里约热内卢天主教大学电气工程系的学者，研究出用于智能生物能源农业的小坦克TIBA。本文概述了该机器人的机械设计、嵌入式电子和软件架构，以及第一个样机的构建。他们在现场测试中获得的初步结果验证了所提出的概念设计，为机器人自主导航带来了一些挑战和潜在的应用方向，并且构建出一个具有附加功能的新样机。

TIBA——用于智能生物能源农业的小坦克，是本研发项目的第一个成果，该项目致力于开发一个自主移动机器人系统，用于在甘蔗田执行多项农业任务。其提出的概念包括一种半自主、低成本的防尘、防水小坦克式车辆，能够潜入种植园隧道中的茂密植被并携带多个传感系统，以便对难以进入的区域进行测绘并采集样本。

背景

近年来，由于对气候变化及其对环境的影响所带来的对生产率和精确度的高要求，机器人在农业中的使用显著增长（Billingsley等人，于2008年提出）。此外，世界人口的增长促使农民追求粮食生产效率的提高，例如，以尽可能低的成本减少投入的浪费以及提高小耕地的生产力（Edan等人，于2009年提出）。目前，世界上有50多种不同类型的移动机器人被用于农业用途。一般而言，这些机器人拥有专门的配件、工具和手臂，可以执行各种农业任务（Bechar和Vigneault，于2017年提出;Grimstad和From，于2017年提出）。这个数字让我们了解到机器人技术的潜力是如何嵌入到农业系统中的。随着这一趋势的发展，人们可以在美国找到从树上真空吸下苹果的装置，在西班牙找到用于采集草莓的章鱼型的机器人，以及在英国找到喂养奶牛和挤奶的机器。这些只是机器人在世界各地接管田地的几个例子。这些对粮食生产的关切并不仅限于欧洲，在中美洲和南美洲的许多国家，特别是在巴西，也可以考虑。虽然巴西农业在对谷物和甘蔗进行大面积的种植和收获方面具有较高的自动化程度，但是农民仍然没有使用自动机器人系统在小区域（例如蔬菜园和果园）内执行基础、复杂的农业任务。一些基础的农业任务包括播种、施肥和灌溉，而一些复杂的农业任务包括收获果实、杀死杂草和植物表型（Bac等人，于2014年提出; Midtiby等人，于2016年提出;Li等人，于2014年提出）。

甘蔗已经成为化石燃料的重要替代品。除了生产糖之外，它还可以被用作清洁、可再生的能源，减少石油的使用，从而减少温室气体排放并产生如生物电和生物塑料等其他有用的产品（Davis等人，于2009年提出）。甘蔗农场通常需要巨大的面积进行种植，这就需要大量的员工和机器，维护和物流的成本也很高。此外，大多数甘蔗种植任务都是艰苦且乏味的，容易受到人为错误的影响，并且在恶劣的环境（面对恶劣的天气条件、茂密的植被和野生动物）中进行。一些相关的任务包括：植物编目、杂草/害虫识别和错误种植（空斑）、土壤类型分类以及植物健康评估。

基于这一动机，在本方案中，我们的目标是将这个概念设计进一步开发，并构建一个移动机器人的样机，以在甘蔗农场难以进入的区域中进行测绘和土壤样本收集的自主任务。TIBA——用于智能生物能源农业的小坦克，是一种替代解决方案，可以以基于群体的方式部署多个机器人单元，覆盖广泛的区域，从而减少或消除在不健康环境下的人力使用，并且增强农场物流。据我们所知，TIBA是第一个开发出的用于在甘蔗种植园中执行精确农业任务的四轮移动机器人样机。在美国的葡萄园、果园和玉米生产中已经测试了类似的系统（例如Rowbot）。

甘蔗田的机器人

我们将从机械结构、运动系统、嵌入式电子和软件架构等角度描述所提出的TIBA机器人概念设计的主要方面。该设计是基于甘蔗田所面临的主要挑战，例如植株行列紧密且密集，土壤主要由砂土（66.7%）和粘土/泥浆（33.3%）组成，以及植物叶片可能被机器人部件卡住。

机械设计

该机械结构设计提供了一个非常紧凑的解决方案，还能够产生3个自由度，平移x、y和旋转θ。 该机器人是一个四轮小坦克，由3毫米厚的钢制底盘和1.5毫米的铝制壁组成（见图1）。它的顶部还有一个铝制盖子，用于覆盖机器人内部，保护它免受水和灰尘。沿着盖子周边的橡胶胶带也有这个作用。而且在顶盖表面上装有传感器或激光扫描仪、太阳能电池板等其他设备。机器人的胎体也有定制的孔，以提供机械调节、传感器和摄像头的外部视图。 机器人内部安装了机械装置（由两个电机、两个变速箱、皮带/链条、滑轮/链轮、车轮轴承和适配器组成）以及电子系统的支撑（该电子系统是由铝型材以不干扰机械部件的方式排列而成）。

该项目的主要动机是降低成本。因此，必须选择一种以最少的电机和其他机械部件提供最佳移动性的驱动配置。如图2（a）所示的滑动转向配置被选为合适且低成本的解决方案，它仅需要使用两个电动机，即可通过在每一侧施加不同的速度来实现弯曲运动。此外，滑动转向机器人的轨迹控制已经在文献中建立起来，而且其实施可以基于最近的一些研究来完成，例如Tcho'n等人于2015年所做的研究。在TIBA中，指定一個电机来驱动同一侧的两个车轮，如图2（b）所示。这些轮子通过皮带连接，皮带为它们提供相同的旋转速度。最后，一个连接到每个电机的变速箱提供扭矩的增加和速度的降低。采用直角变速箱模型作为有限空间的解决方案。

嵌入式电子设计

机器人的嵌入式电子架构设计也符合成本和环境的要求，因此使用了机器人Thorvald II的一些电子部件，例如电机、电力驱动器、机械继电器、计算机、坚固的电缆/ 连接器和DIN导轨（见图3）。

电源由一个48VDC镍氢电池组供电，并分配到48VDC和12VDC的两个电源总线上。前者为电力控制器驱动器供电，后者为计算机、外围传感器和车辆支持系统（VSS，Vehicle Support System）供电——在第一版中由Arduino板表示。控制信号通过控制器区域网络（CAN，Controller Area Network）从PC传送到驱动器。CAN是一个具有鲁棒性的用于传感器和执行器通信的网络，具有严格的误差检测功能。

该VSS具有激活继电器、读取电压和电流测量值的作用，并通过CAN与PC进行通信。该VSS还集成了用于电子系统自我监控的传感器，例如对内部温度和湿度的监控。该系统还包括安装在机器人背面的触摸屏面板，以及用于手动模式控制的XBox无线操纵杆。面板和操纵杆天线都通过USB直接连接到PC，成为通过防水连接器布线到机器人外部的电缆。所有电子设备都安装在具有鲁棒性的坚固铝结构上。DIN导轨是一种具有鲁棒性的布线解决方案，可在振动和冲击条件下保持连接牢固。

软件架构

机器人软件是在模块化多线程控制框架ROS（Quigley等人，于2009年提出）上进行开发的，它提供了一个大型社区，不断扩展软件模块（见图4）。样机使用Xbox One无线操纵杆进行远程操作。Teleop_box节点负责将操纵杆轴和按钮映射到所需的速度和增益。速度可以用xy轴上的速度增量建模。然后，在主题上发布一条扭曲信息（twist message）。该扭曲转换器（twist converter）节点订阅了“扭曲”（Twist）主题并计算实际速度值。然后，它将这些发布在saga基本驱动链（saga_base_drive_chain）节点被订阅的主题上。最后，后者负责通过CANopen协议与驱动程序进行通信。

第一个机器人样机

第一个样机，如图5和图6所示，是为了验证所有提出的机械概念、实施的滑动操纵配置的可行性、在预期地形中的机器人行为，以及嵌入式电子系统对振动和环境条件的鲁棒性而构建的。机器人底盘和胎体基本上是由切割和弯曲金属板的焊接装配而成。仅对于这第一版本而言，由于成本降低，实施了一些修改和简化，延迟了设备和装配件的交付以及进度的完成。

在最重要的简化中，除了顶盖之外，机器人机械结构完全由钢制成，因此可以更快地完成部件的焊接。由于无法及时找到所需的车轮轴承模型，所以使用了沃尔沃（Volvo）的一种车轮轴承模型作为替代，然而它很重，并且需要几个机械适配器来固定。皮带和滑轮被链条和链轮取代，因为皮带对给定的扭矩/电力要求非常大的宽度，也因此需要重新设计电子支撑结构。最后，由于缺乏可用的编码器，电机控制和测距法仅能通过使用电机霍尔效应传感器来实现。这种情况限制并阻碍了电机位置的控制和测距模型的高精度，但是对于第一次测试而言，它算是令人满意的。

下一个版本机器人的发展方向

所设计的这种机器人是一种有效的、低成本的解决方案，可用于在大面积的甘蔗田中进行部署，具有以基于群体的方式运作的良好动机。机器人设计的概念测试阶段已经结束，并且已经对所收集的数据进行了分析，因此应该提出一些未来的发展方向。

机械的修改

虽然机械概念表现出了良好的性能，但是机器人底盘的车轮固定很僵硬，而底盘本身则很灵活，这很令人担忧。对于下一个机器人版本的修改建议是：利用沿着车轮轴线的转向轴阻尼器和穿过底盘内部的钢筋腹板来增强结构的刚度。第一个样机选定的车轮轴承模型需要使用几个专用的机械适配器，这增加了机器人的重量、成本和复杂性。

下一个版本将使用新的车轮轴承模型。直角变速箱是一个很好的机械装置选择，或者可以使用嵌入在车轮中的平角变速箱——这是一种更紧凑的解决方案。下一个版本应该选择更合适、更经济的电源/电机，因为电力需求情况仍然是未知的，这个对于第一个样机来说太大了。机器人的宽度应该减小，使机器人能够在更高的植物场景中适应甘蔗隧道，例如3米高的隧道。最后，应该恢复一些原始的设计特征，例如为了减轻重量和电力需求所使用的铝制胎体壁，以及为了减少噪音而用皮带/滑轮代替链条和链轮。

嵌入式电子的改进

嵌入式电子系统表现出对振动和冲击的鲁棒性。然而，它的主要部件在电力和处理能力方面对于第一个样机而言过于庞大。为了降低下一个机器人版本的成本，应该用更便宜的解决方案替代计算机，例如Raspberry Pi 3。该VSS系统将由基于ATMEL AVR微控制器的定制印刷电路板（PCB，printed circuit board）组成，它将取代Arduino这一当前设备的电源连接和许多布线。这将更好地组织配电并扩大通信、新传感器集成和编程的可能性。最初，研究者对将太阳能光伏（PV，photovoltaic）板作为电源来使用的想法进行了研究。然而，就当前的设计而言，如果考虑到技术效率的限制和机器人尺寸设计的约束，这些都是不现实的。

在接近可商用版本的未来发展中，机器人可以有明显的重量减轻和更有效的电力驱动。随着太阳能光伏技术的进步，这可以带来在机器人设计中重新包括这一点并为其提供预期的电力自治（power autonomy）的可能性。

软件、控制和导航

软件架构应该经过多次实践来为下一个机器人版本提供预期的功能，例如：轨迹控制、导航、具有VSS /自我监控的计算机通信以及自治。轨迹控制是实现机器人自治的第一步，因为机器人应该能够沿着甘蔗隧道的预定路径行进。对于通过隧道的导航，正在研究基于可用传感器的不同技术，例如：跟随通过激光扫描仪映射生成点的廊道，跟随热映射定义的路径，以及使用GPS / IMU跟随由UMOE生物能源给出的具有预定义GPS地理坐标的已知点的路径。这些方法与机器人测绘技术的结合可能会发展机器人导航有效、低成本的解决方案的定义。

新功能

在农场参观期间，研究者对一些新功能的需求进行了调查，其中甘蔗样品的采集和害虫的防治最为显着。该抽样是UMOE生物能源田地中的一个常见程序，旨在检测甘蔗中的有害生物。这是一个会遭受极端天气的繁瑣程序，因为公司工作人员可能需要长途跋涉到农场区域内的所需采样点，潜入甘蔗隧道并且纵向或横向切下一块甘蔗切片（见图7a）。

对于下一个机器人版本，这个问题一个可能的解决方案是在机器人底盘上附加一个低成本的轻型机械臂。这是一个简单且低负载的任务，因此不需要具有多个自由度的复杂结构。可研究的一个有趣的解决方案是由多个可存储管状可伸展构件（STEM?，Storable Tubular Extendible Members，美国专利3，144，215和3，434，674）组成的串行机械手。这些可存储管状可伸展构件是一种测量带，在紧凑的解决方案中以棱柱状关节伸展和收缩回其腔室内，如图7b所示。在文献中很少有例如（Seriani和Gallina，于2015年提出）这种关于该结构的研究。最后，害虫的防治是克服害虫频发问题的必要功能。目前正在研究一些害虫检测的方法，例如应用于捕获归一化植被指数（NDVI，Normalized Difference Vegetation Index）航拍图像的无人机。在UMOE生物能源农场采集的相同甘蔗田的图像有望检测害虫的位置，并直接将机器人送到这些点以精确施用害虫控制物质。