基于机器视觉技术的大棚农作物喷药机器人设计与实现

方弄玉，莫梓柔，黄军辉，杨 娜，邹心遥

（广东农工商职业技术学院，广州 510507）

我国是世界温室农业大国，据相关统计数据显示，温室大棚面积居世界第一，占世界温室总面积50%以上[1]。传统的大棚和温室喷药作业大多采用人工背负沉重药箱喷药方式，而该方式因工作人员与药物近距离接触，缺乏保护装置，在施药过程中易对人体造成伤害[2]，每年因施药中毒案例频频发生[3-4]，而滥用农药也给生态环境造成很大危害。随着科技发展，农业生产取得空前进步，农业机器人应用也得到推广和认可。自动化生产机器人能实现对整个流程的操作执行，对大棚温室栽培来说，如育苗、嫁接、采摘等都可通过机器人进行调控，实现温湿度控制及除虫除草系列要求。且机器人的应用优势不止于此，其作用范围较广，能用于农田灌溉、喷洒农药等[5]。我国为农业大国，但农用机械技术应用相对落后，喷药类机械和技术应用尚未成熟，农业除草杀虫存在效率低、强度大、危害大、农药利用率低等问题。为有效解决这些问题，需加大对喷药机器人的研究。在喷药机器人的诸多性能中，精准喷药和自主导航是重要内容。普通喷药方式较粗放，对防治目标没有选择性，不利于节约成本，还会引起环境污染。因此，有研究人员根据应用需求研发精准喷药装置，能根据杂草的高矮、位置、密度等有效控制喷药剂量，从而减少农药的浪费，间接保护环境，符合现代化农业应用需求[6]。

1 喷药机器人总体结构设计

本项目设计一种大棚农作物智能喷药机器人，机器人由底盘、轮子-履带复合行走机构、喷药升降支架、喷药装置及控制器、传感器等组成，能实现机器人自由行走于复杂路况，并调整高度选择作物喷洒农药等功能；在喷药机器人自主行走和分辨杂草功能上，采用基于机器视觉技术的OTSU 图像分割算法检测农作物的中心线以识别路径并规划行走路线，通过视觉传感器检测形状和颜色进而辨别杂草和农作物；使用ARM9 处理器对采集图像进行算法处理，最后驱动喷药装置执行对靶精准喷药。系统的研发为实现喷药的精准、安全、智能、无人管理等提供依据[7-8]。

1.1 机械结构设计思路

图1 为机器人结构，其结构特点较为突出。机械结构的连接特点对机器人稳定运行有着重要作用，在设计过程中，尽可能使机器人结构简单、轻盈、紧凑。为了让机器人能更好地在不平整路面稳定行走，没有使用常见的轮式机构，而采用轮子-履带复合式特殊设计的行走机构。

图1 机器人结构

1.2 关键结构设计

1.2.1 行走机构

机器人行走底盘结构设计时需满足以下条件：①其行走机构需适应复杂的地面环境，能实现平稳直行、转弯，不碰撞农作物造成伤害。②能承受药液箱、支架、喷雾执行机构、各种监测传感器及控制板的重量，以及在工作中的压力问题。③能通过电池或电缆提供电力作为动力。目前机器人的行走方式主要有两种：仿生机构（仿人或动物）及轮式或履带式机构。其中轮式因速度快、运转灵活被普遍应用，但在路况复杂的土壤环境中，轮式机器人如负荷较重，会压实土壤不利于作物生长。而履带式机构虽速度慢、运转不灵活，但因接触面大，碾压力小，能更好地适应凹凸不平的地面。轮子-履带复合机构可结合两者优点，实现在土壤上平稳直行、转弯、跨越沟壑等动作。

图2 为全自动喷药机器人轮子-履带复合型结构，结构特点明显，内部结构以轴轮旋转的方式连接，4 个电机控制能保证4 个摆臂转动，前后轮分为从动轮和主动轮，电机带减速装置，实现更大力矩输出，通过控制两个轮子之间速度差，可实现直行与转弯等。

图2 全自动喷药机器人轮子-履带复合型结构

图3 为机器人在不同面上的运行图，可知，在平地上，机器人轮子与地面接触，履带处于抬起模式 (见图3（a）) ；在斜坡路面时，通过调整摆臂，可让轮子、摆臂处在适当位置，实现机器人平衡和稳定 (见图3（b）) ；当在跨越洼地或沟壑时，可通过调整摇臂，实现洼地位置轮子悬空模式顺利通行 (见图3（c）)。

图3 机器人在不同路况工作时的运动示意

1.2.2.喷雾执行机构

机器人的喷雾系统主要由药液箱、支架、喷雾杆、喷雾执行机构组成。喷雾执行机构选用重量较轻、便于拆装的铝合金材料搭建；驱动电机选择舵机，其稳定性好，电机输出扭矩大，无需再配备驱动器。由图4 可知，采用两个舵机，舵机1 用于控制喷药装置使其可在水平面自由360度旋转喷洒农药；舵机2 可在竖直面上向上或向下喷洒，从而覆盖不同高度的农作物。在安装过程中，考虑喷头承重较大，因此采用两齿轮1：1传动来传递动力控制舵机；图中喷头可通过调节出水量实现直线或喷雾式喷洒农药。

图4 喷雾执行结构

1.2.3 药液箱

选用材质轻盈且耐腐蚀性好的塑料箱，其重量轻，可降低喷药机器人的负荷。考虑到喷药机器人行走的路面凹凸不平，药液箱在行走过程中会出现来回晃动或倾倒，设计时在药液箱内部采用隔板进行空间分隔来解决该问题。

2 硬件电路结构设计

电路硬件设计思路见图5。ARM9 为电路核心部件，通过RS232 串口发送指令驱动机器人底盘的6 个电机，实现喷药机器人轮子转动和摇臂的摆动；同时发送指令给水泵电机控制器和伺服驱动器，控制水泵抽水和升降架的升降，实现喷雾执行机构对高低不同作物喷药动作。同时使用多种传感器检测外界信号，霍尔传感器用于检测农药喷雾装置是否旋转到位，如是，ARM9 输出PWM 波，通过控制PWM 的占空比从而控制两个舵机，实现喷雾装置旋转喷药和竖直方向上下喷药。在机器人前后均安装超声波传感器，并在机身安装视觉传感器，通过传感器能够准确定位喷雾位置，借助于计算机分析精准指标，并将数据传输给控制芯片ARM9，通过ARM9 调用避障程序或驱动升降台到目标位置，调用自动喷药程序实现避障和喷药操作；用于测量水压的压力传感器和测量喷药流速的流量传感器藏匿于管道内，通过闭环PID 恒压和恒流量控制，精准喷洒农药，有效避免浪费[9-10]。

图5 硬件电路结构

2.1 主控制板ARM9

喷药机器人含多路传感器信号和多控制对象，同时需要机器视觉技术、PID 算法完成复杂计算，接口需求多，数据处理能力要高，使用ARM9 主控器能满足本设计任务需求。

2.2 压力、流量传感器及霍尔传感器

喷洒农药时，根据作物高低、大小、密度控制好喷药剂量以及管道中药液的压力和流量。本项目通过压力、流量传感器使整个喷药装置形成闭环系统，采用自适应模糊PID 控制算法，共同检测压力和流量值，相对传统PID 算法参数动态调整难的问题，能较好地调整喷药系统使之稳定喷药作业。由于喷药执行装置由两个舵机控制，一个可360 度自由旋转，为准确确定喷头到达位置，安装了3 个霍尔传感器来检测，在喷药器检测距离标准范围内，使喷头能在大约180 度的范围内旋转，以便检测左右农作物时，喷头能快速做出响应。

2.3 电机驱动模块

本项目所选用的微型泵电路具有1 个使能信号、2 个方向信号和3 个控制信号。微型泵的驱动电路为H 桥驱动电路，通过PWM 波为传输信号，对控制信号进行多角度调整，从两个方向进行传输，实现反向制动要求。通过调节PWM 的占空比来实现对电路的导通与关断，使直流电机能够稳定运行，转动速度满足运行标准。

3 程序设计

本项目采用C 语言对ARM9 控制芯片进行程序编写，编程效率高。喷药机器人任务主要包括：自主导航、主动避开障碍、辨别杂草和农作物、精准选择农作物对靶喷药等。在喷药机器人底盘四周安装超声波传感器实现主动避障功能和沿农作物种植范围自主行走，而视觉传感器能很好地区分农作物和杂草。机器人主程序流程见图6[11-12]。机器人喷药程序及避障程序见图7 和图8。

图6 主程序流程图设计

图7 机器人喷药程序

图8 机器人避障程序

本项目中电机的行走控制通过4 个直流减速电机实现，直流减速电机的转换器通过控制齿轮的速度实现，将电动机的回转数减到所要的回转数，从而得到较大转矩；其主要优点是调速范围宽、便捷，过载、启动、制动转矩都很大，可靠性高，耗能较低。在控制电机过程中融合了PID控制算法，通过PID 的偏差，从而控制PWM 的占空比大小，进而控制电机输出电压的高低，使直流电机在带负载下也能稳定运行。PID 控制原理见图9[13-14]。

图9 PID 控制原理

PID 算法公式如下：

式中：e——偏差 ，KP——比例因子，KI——积分因子，KD——微分因子，U0——为电压初值。

公式中的KP、KI、KD三个参数可调，通过试验机器人启动、制动、减速过程，发现在转弯减速行驶中KP=4 、KI=1 、KD=2 可快速响应且系统较为稳定；在直线快速运动中，KP=3、KI=2、KD=0，机器人能达到最稳定运行效果。

4 调试结果与分析

大棚农药喷药机器人经调试能独立自主行走和喷药。调试结束后，分析机器人的ARM9 采集的视觉图像数据，其识别杂草及喷药成功率见表1。

表1 机器人不同时段识别杂草成功率及喷药成功率

调试结果表明，白天杂草识别率和喷药成功率明显高于夜晚，平均值达83.3%和80.7%。主要是夜间光照强度不足，而采用单一光源补光不利于视觉系统识别。后期需进一步优化视觉系统夜间识别技术，优化和改进喷药技术，提高成功率。

5 结论

采用上述方法设计的大棚农作物喷药机器人，基于机器视觉技术的OTSU 图像分割算法检测农作物中心线以识别路径并规划行走路线，并利用视觉传感器区别杂草和农作物的颜色和形状，效果较好。

①大棚农作物图像信息复杂，处理难度较大，为提高图像信息处理效率，通过灰度处理方式使图像采集更加有序。在图像RGB 空间中，土壤中R 值和B 值较为突出，通过多种方法对比，发现采用 OTSU 图像分割算法可高精度识别杂物。大棚农作物喷药机器人在不同光照强度下识别杂草成功率约为83.3%（白天）和78.9%(夜晚)，农药喷药成功率约为80.7%（白天）和75.7%（夜晚）。

②轮子-履带复合机构可结合轮式和履带的优点，在路况复杂的土地上平稳直行、转弯、跨越沟壑等。经电机反复测试，该结构较好地适应大棚路面，在转弯减速行驶中KP= 4 、KI=1、KD=2 可快速响应，且系统较稳定；在直线快速运动中，KP=3、KI=2、KD=0 运行效果最稳定。

③喷洒农药时，由于所需剂量不同，控制好管道中药液的压力和流量是重点任务。本项目通过压力、流量传感器使整个喷药装置形成闭环系统，采用自适应模糊PID 控制算法，共同检测压力和流量值，能较好地调整喷药系统使之稳定作业。