一种用于农田除草的智能机器人设计

李海芸，林纪辉，方智毅，陈年钦，叶大鹏

(1.闽江师范高等专科学校机电工程系,福建 福州 350108;2.福建农林大学机电工程学院,福建 福州 350002;3.福建农林大学现代农业装备福建省高校工程研究中心,福建 福州 350002)

0 引言

随着各种现代科学技术的不断进步，农业科学技术如今已成为我国农业持续发展的一大助力，各种人工生产已经逐渐不能满足农业生产的需求。当前，国内大部分个体农田主要的除草方式还是沿用涂抹除草剂的化学方法。如此大面积且覆盖性地喷洒除草剂，不仅造成浪费，还污染环境，不符合有机化、绿色化农业的思想[1]。在这种背景下，以日本和美国为代表的发达国家早就开始了对农业机器人的研究并且取得了一些阶段性成果,例如果蔬采摘机器人、嫁接机器人等已经开始进入应用阶段。然而中国的农业机器人当前还处在起步的阶段,在计算精度、工作效率、自动化和智能化等方面暂且落后于发达国家[2]。

为了能够科学有效地除草，结合国内外装备生产研发企业的生产经验以及有关专家的建议，笔者设计了一种用于农田除草的智能机器人。本设计的特点是能通过对外界环境的感知，并做出动态的、自动化的决策以及对软件程序等方面的控制，实现除草机器人无导航自走、自动定位杂草并且高精度除草的动作。该农田除草机器人是一种具有自动的视觉检测和相对高效地执行除草操作的农业机械装备[3]。虽然该农田除草机器人目前还处于试验阶段，通过试验结果分析，已能够对大部分的杂草进行定点清除，为该农田除草机器人投入实际农业生产过程打下了基础，为今后农田应用机器人进行除草等作业提供借鉴。

1 整体设计方案及系统工作原理

1.1 整体结构

图1 整体结构图Fig.1 Structural drawing of whole machine

该农田除草机器人是一个四轮移动的平台，其整体结构由底板、电源模块、驱动机构、除草装置、防撞导轮、机器视觉、控制系统等构成。以下对部分结构进行介绍：1)机器视觉是分辨杂草与农作物的关键，安装在可半周旋转的类云台机构上，可对两侧杂草进行识别。2)防撞导轮安装在底板的两边，这样可以避免超声波传感器在强磁地界时暂时失效，导致机器人失去微调而撞上田垄，进而导致机器人宕机。在导轮的帮助下，机器人可以贴着滑行，直到超声波传感器恢复工作。3)除草装置是由直流电机驱动的，采用线切割对杂草进行清除。整个除草装置由电机通过联轴器连接，通过电机的转动带动钼丝对杂草进行切割清除。目前仅仅针对模拟杂草基座作业，例如花泥块等，对于实际田间作业还有待改进。

1.2 工作原理

该智能机器人的行走控制由Arduino单片机控制实现，通过光电传感器判断机器人的行走状态是转弯还是直行，确保除草机器人能够顺利地遍历每一条垄沟；通过超声波传感器对除草机器人进行微调，避免机器人撞上垄背导致倾倒或撞击卡死在某一处垄沟中。对于杂草的识别与除草装置的控制，本设计采用Openmv视觉模块，安装在该移动平台的上层，与行走机构分开控制，实现高效除草。除草装置安装在由耐烧舵机和支架连接组成的旋转机构上，在杂草被识别之后，舵机工作并旋转机构，旋转到相应位置后，驱动除草装置进行除草。

2 主要的硬件系统配置

1)采用HY-SRF05超声波传感器。该超声波传感器模块与Arduino单片机接线如图2所示。该传感器的测距原理是利用HC-SR05的TRIG引脚口触发测距，给至少10 μs及以上的高电平信号。发送模块会自动发送8个40 kHz的方波，然后接收模块会自动检测是否有信号返回，测试距离=(高电平信号持续的时间×声速(340 m·s-1))/2[4]。

2)采用E18-D80EK光电传感器。该光电波传感器模块与Arduino单片机引脚接线如图2所示。该模块的工作原理为在正常上电之后，读取E18-D80EK的OUT引脚值即可。如果读到的返回值为0，即表示检测到了物体，反之则没有检测到。也可以直观地通过传感器模块上的灯是否点亮来判断。

图2 超声波传感器模块、光电传感器模块与单片机引脚接线图Fig.2 The connection diagram of ultrasonic sensor module, photoelectric sensor module and MCU pin

3)对于杂草的识别，采用的是Openmv。摄像头是可以对外界进行感知，相当于人的眼睛，运行时需要具有稳定性、还需要一定的分辨率和兼容性等要求[5]。Openmv是一种可编程的摄像头并且内置了一些图像处理算法，满足此除草机器人的设计要求。

图3 步进电机模块与单片机引脚接线图Fig.3 The connection diagram of step motor module and MCU pin

4)驱动除草机器人的电机采用的是步进电机。本设计采用的是TB6600驱动器对步进电机进行驱动。步进电机模块与Arduino单片机接线图，如图3所示。TB6600是一款两相混合式步进电机驱动器，采用闭环控制，通过对步进电机转子位置和速度的直接或者间接检测，以及主控芯片对其的计算反馈和处理实现对电机转速的精确控制。闭环控制系统因其具有更好的通用性故而应用环境也更为广泛[6]。

5)通过Arduino MEGA 2560 R3单片机对传感器与电机驱动器等模块直接进行控制。该单片机是基于Atmega 2560所研发的，其有54个数字I/O和16个模拟输入[7]。对Arduino的编程是通过Arduino IDE自带的编程语言来实现的。

3 软件系统控制

3.1 无导航行走的实现

本次研发除草机器人，其步进电机采用变频调速，这也是步进电机常用的调速方法之一。其速度公式表示为[8]:

(1)

式中，K为本次偏差通电系数，当相数等于拍数时，K=1，否则K=2；m为定子相数；z为转子齿数。

其调速实现方式为通过单片机改变输出脉冲的周期长度来改变频率进而完成调速，一般情况下一个脉冲中的高电平与低电平各占半个周期，当周期改变时依然保持50%的占空比。

在变频调速的基础上，采用PID的闭环控制进行精确调速，PID控制分为P比例控制、I积分控制、D微分控制3个方面[9]，如图4所示为PID控制的原理图。该机器人只采用比例控制与积分控制。

图4 PID控制原理图Fig.4 PID control principle diagram

PID调节器的方程如下[10]：

(2)

其传递函数可表示为：

(3)

本次采用的为增量式PID控制，其控制原理为求出当前时刻的控制量与上一个时刻的控制量的差值，将差值作为新的控制量进行控制[11]，其表达式如下：

Xo(s)=KP[e(k)-e(k-1)]+KIe(k)+KD[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]

(4)

式中，e(k)为本次偏差；e(k-1)为上次偏差；e(k-2)为上上次偏差；Xo(s)为增量输出。

在本设计中仅使用到PI控制进行闭环调节。

在没有导航的情况下，采用了传感器来识别垄沟和垄背，以确定机器人行走状态是直走还是拐弯。垄背即指农田中用于载种作物的那部分高起田地，垄沟即指剩下的那部分田地或两垄背之间的空地。当机器人行驶在垄沟位置，这时通过Arduino单片机读取光电传感器的返回值，如果为0即识别到垄背，同时通过单片机读取超声波模块ECHO引脚返回的值，将得到的返回值经由函数处理，通过串口监视器可以直观地看到每个状态下的距离参数，如果距离垄背过近则进行微调，否则机器人直走。反之，在机器人旁边没有垄背的位置时，Arduino单片机读取光电传感器的返回值则为1，即未识别到垄背，此时控制机器人拐弯，并在通过计数器判断左拐或是右拐。如图5所示为整个行走的控制流程图，图6为除草机器人在模拟的农田中行走的测试。

图5 农田除草机器人的整体流程图Fig.5 Overall flow chart of field weeding robot

图6 农田除草机器人的驱动流程图Fig.6 Driving flow chart of field weeding robot

3.2 对于杂草的识别与清除

图7 除草机器人的除草流程Fig.7 Weeding process of weeding robot

该除草机器人的除草流程图，如图7所示。采用在除草机器人上安装计算机视觉设备即Openmv，拍摄图像后根据其颜色和形状特征识别出杂草[12]。在对颜色的识别时要注意阈值(L、A、B)的设定，还要注意自然光源的强弱。此次设计的机器人两边都有一个Openmv，每个Openmv控制一边的旋转结构和除草装置。在识别到杂草之后，舵机先驱动旋转结构，使其旋转到除草位置，再驱动除草装置，进行定点清除。由于Openmv是开源的软件，在它的IDE中有自带的颜色与形状识别示例，本文就不做过多赘述。

4 测试的结果与分析

该农田除草机器人采用的是垄间作业模式，在工作时会遍历每条垄沟进行作业。对于在农田除草的机器人，最重要的功能是能够实现在垄沟正常行走。目前将其应用于模拟农田，并进行相关试验(图8)。

测试场地为390 cm×300 cm的区域，共设置有5条田垄。场地四周用高为12 cm的围栏围住，仅留有一个宽为40 cm的出入口，围栏与田垄之间留有宽为40 cm的通道(垄沟)，垄长为220 cm、垄宽为30 cm、垄高为12 cm，相邻田垄之间也留有宽为40 cm的通道(垄沟)。

图9为智能除草机器人试验用模拟农田。其围栏和田垄均采用钢质材料制作，地面采用爬行垫铺设。田垄、垄沟地面为灰色，围栏为黑色。试验中会在垄沟中随机抽取两条垄沟，在其中放置宽为40 cm、长为300 cm(即与垄沟等长)的土棕色毛毯，以模拟松软路面。毛毯的软毛长度约1.2～1.6 cm。试验过程中，选取不同难度的5条垄沟与垄背进行试验，各条垄背上的模拟农作物高约35 cm，叶片呈绿色，数量为4～6棵不等，位置随机。为防止水稻松动，使用玻璃胶等措施在根部加以固定。模拟杂草使用仿真足球场草坪的同类材料制成，高度为5 cm。模拟杂草平面尺寸为3 cm×3 cm，在每个垄背上设置2株杂草作为识别样本，同时随机放置PVC管材质模拟的田间电线杆，作为一项干扰，以检测机器人识别杂草的精度，统计该除草机器人的杂草识别率与杂草清除率。杂草识别率为被识别的杂草占所有样本的比例，杂草清除率为被清除杂草占所有杂草的比例。每组试验进行100次，得到相应平均值，其结果如表1所示。

图8 模拟农田整体布局图Fig.8 Overall layout of simulated farmland

图9 智能除草机器人在模拟农田的跑垄测试Fig.9 Ridge-running test of intelligent weeding robot in simulated farmland

表1 除草机器人的模拟应用效果

5 结论

本文所介绍的智能农业除草机器人的优势在于符合我国的农业生产国情，依靠其小巧的身形，能够适应大部分的农田地形而且杂草的识别率在80%到90%，杂草的清除率在70%到81%之间，其材料成本在2000元左右，经济实惠，未来也会有一定的市场。不过目前该农田除草机器人还仅仅能够在模拟的农田作业，而且除草装置目前仅适用于模拟农田，如果要进行实地除草，除草装置有待改进。农田除草机器人融合了机器视觉、自动化控制与多个传感器联动的技术进行自动化机械除草，是高端智能化农业装备[13]。它的广泛应用，能够有效地改变传统的农业劳动方式，降低农民的劳动强度，对于推动我国农业机械的发展是十分有意义的。