吳 健，閆 磊，錢 樺，劉 廣，尹振波

（北京林業(yè)大學(xué)工學(xué)院，北京 100083）

國內(nèi)外的大多數(shù)除草機(jī)器人都是采用噴灑除草劑的方式除草，對(duì)環(huán)境造成了一定污染，也增加了農(nóng)藥殘留。因此，很多國家已經(jīng)頒布法令明令禁止使用化學(xué)除草劑。而采用手扶式中耕機(jī)或牽引式除草設(shè)備除草，既耗時(shí)又費(fèi)力。近年來，國內(nèi)外的一些科研院所對(duì)除草機(jī)器人做了大量研究。如美國加州大學(xué)戴維思分校生物與農(nóng)業(yè)工程系Slaughter教授的團(tuán)隊(duì)介紹了除草機(jī)器人原型[1]；德國農(nóng)業(yè)專家采用計(jì)算機(jī)、GPS定位系統(tǒng)和多用途拖拉機(jī)綜合技術(shù)，研制出可準(zhǔn)確施用除草劑的機(jī)器人，其特點(diǎn)是當(dāng)機(jī)器人到達(dá)雜草多的地塊時(shí)，GPS接收器便會(huì)做出雜草位置的坐標(biāo)定位圖，機(jī)械桿式噴霧器相應(yīng)部分立即啟動(dòng)進(jìn)行除草劑的噴灑[2]；南京林業(yè)大學(xué)陳勇教授等研制了一種除草機(jī)器人，由本體、多關(guān)節(jié)機(jī)械臂、末端執(zhí)行器、雜草識(shí)別攝像頭和導(dǎo)航攝像頭組成[3-4]，主要用于控制玉米行間雜草。

除草機(jī)器人應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中已經(jīng)相當(dāng)普遍，而在林木苗圃生產(chǎn)中的應(yīng)用卻不多見。筆者研制的除草機(jī)器人主要應(yīng)用于林地苗圃，采用機(jī)械方式對(duì)苗圃行間的雜草進(jìn)行清除。這種方式更加環(huán)保。結(jié)合國內(nèi)外的相關(guān)研究，將機(jī)械式的執(zhí)行機(jī)構(gòu)安裝在機(jī)械臂端部，利用現(xiàn)有的機(jī)器視覺技術(shù)和多傳感器融合技術(shù)，提高識(shí)別的準(zhǔn)確性和精確度，實(shí)現(xiàn)除草作業(yè)的智能化。

1 除草機(jī)器人系統(tǒng)

除草機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)可以分為機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)分為行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)；控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括硬件電路設(shè)計(jì)和控制算法的編寫。整個(gè)系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 除草機(jī)器人系統(tǒng)框圖

2 除草機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)

除草機(jī)器人的外形如圖2所示，其構(gòu)成主要有三個(gè)部分：移動(dòng)機(jī)器人底盤、機(jī)械臂及除草執(zhí)行機(jī)構(gòu)、圖像處理系統(tǒng)和相關(guān)的定位傳感器。

2.1 移動(dòng)機(jī)器人底盤

移動(dòng)機(jī)器人的底盤一般分為：足式、輪式、履帶式和輪履式。除草機(jī)器人要在苗圃壟溝之間行走，由于壟溝間的距離較?。?0 cm左右），且壟溝筆直平整，所以采用履帶式的底盤較適宜（圖3）。履帶式底盤寬度為30 cm，能保證其在苗圃壟溝中較穩(wěn)定地通行。

圖2 除草機(jī)器人三維設(shè)計(jì)圖

圖3 履帶式底盤

驅(qū)動(dòng)輪在行走機(jī)構(gòu)中的位置對(duì)履帶驅(qū)動(dòng)區(qū)段的效率有著重大影響的。驅(qū)動(dòng)方式一般分為前輪驅(qū)動(dòng)和后輪驅(qū)動(dòng)。前輪驅(qū)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)區(qū)段較長(zhǎng)，產(chǎn)生的摩擦力矩較大，履帶效率就會(huì)降低，同時(shí)也增加了履帶中零件的磨損，所以通常選擇后輪驅(qū)動(dòng)[5]。驅(qū)動(dòng)輪與電機(jī)之間通過聯(lián)軸器相連，這樣可以保證良好的越障性能，前輪為從動(dòng)輪，中間的四個(gè)小輪則為支撐輪。

2.2 機(jī)械臂及除草執(zhí)行機(jī)構(gòu)

機(jī)械臂有2個(gè)自由度，由2個(gè)步進(jìn)電機(jī)和若干連接件組成，可以實(shí)現(xiàn)空間內(nèi)任意位置抓取，在機(jī)械臂手部安裝有除草的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。在除草的執(zhí)行結(jié)構(gòu)方面，國內(nèi)外有著很多研究，江蘇大學(xué)設(shè)計(jì)了一種可以進(jìn)行株間與行間一體化除草的八爪式除草執(zhí)行機(jī)構(gòu)[6]，機(jī)械式除草用得更多的是回轉(zhuǎn)的旋刀或是圓盤。但這種刀具相對(duì)來說結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，在苗圃中并不實(shí)用。筆者設(shè)計(jì)所采用的執(zhí)行機(jī)構(gòu)為鏟狀刀頭，除草時(shí)刀頭深入土中10～15 cm，將雜草連根鏟除，從而達(dá)到較好的除草效果。圖4為除草執(zhí)行機(jī)構(gòu)的三維設(shè)計(jì)圖。

圖4 除草執(zhí)行機(jī)構(gòu)

3 除草機(jī)器人控制系統(tǒng)

為了滿足露天苗圃的除草作業(yè)工作，機(jī)器人的控制系統(tǒng)必須擁有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，進(jìn)而完成自主行走、圖像處理等復(fù)雜工作。除草機(jī)器人的底盤和機(jī)械臂的控制是利用AVR ATMega128單片機(jī)進(jìn)行控制的，圖像處理部分采用的核心芯片是DM6446，兩者之間通過串口通信。

3.1 底盤及機(jī)械臂控制系統(tǒng)

底盤和機(jī)械臂都是應(yīng)用AVR ATMega128單片機(jī)進(jìn)行控制。底盤由電機(jī)帶動(dòng)，即用AVR ATMega128來控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。采用MAXON電機(jī)，額定功率為70 W，經(jīng)過變速器減速后的額定轉(zhuǎn)速為600 r/min，額定電壓為24 V。電機(jī)和AVR控制板之間裝有電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。電機(jī)驅(qū)動(dòng)采用PWM技術(shù)，通過改變PWM波的占空比來改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速。電機(jī)采用雙BTS7960大電流（43 A/68 A）H橋驅(qū)動(dòng)，與單片機(jī)5 V隔離，能有效地保護(hù)單片機(jī)，其PWM最大頻率為25 kHz。由于苗圃路面條件較平整，所以選用開環(huán)控制器同樣可以符合要求，這樣的設(shè)計(jì)在一定程度上降低了成本。

在機(jī)械臂的兩個(gè)關(guān)節(jié)處都裝有步進(jìn)電機(jī)，對(duì)機(jī)械臂的控制本質(zhì)上就是對(duì)機(jī)械臂上的步進(jìn)電機(jī)的控制，實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂在空間范圍內(nèi)各個(gè)方位的動(dòng)作。對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制同樣需要采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器——ZD-6560-V3，其特點(diǎn)是高集成度和高可靠性。接口采用超高速光耦隔離，抗高頻干擾能力強(qiáng)，最高輸入電壓為DC 40 V，最高驅(qū)動(dòng)電流為3.5 A。

3.2 機(jī)器視覺

機(jī)器視覺技術(shù)在國內(nèi)外農(nóng)林生產(chǎn)中有著廣泛的應(yīng)用。在日本，農(nóng)林機(jī)器人很多都應(yīng)用圖像處理技術(shù)來識(shí)別農(nóng)作物，并采用多傳感器融合的方式來提高執(zhí)行的精度和效率。除草機(jī)器人的圖像處理模塊主要用于識(shí)別雜草，將處理后得到的雜草信息發(fā)送給執(zhí)行機(jī)構(gòu)，使得機(jī)械臂上的執(zhí)行結(jié)構(gòu)將雜草切除。圖像處理的核心芯片是DM6446（TI公司），采用達(dá)芬奇技術(shù)，即集成了可編程數(shù)字信號(hào)處理器DSP（Digital Signal Processor）內(nèi)核以及ARM（Advanced RISC Machines）處理器內(nèi)核的片上系統(tǒng)。

圖像通過CCD傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)的圖像采集，對(duì)采集來的圖像信息通過DSP進(jìn)行實(shí)時(shí)性處理，并將處理的結(jié)果再反饋給單片機(jī)，從而命令單片機(jī)控制機(jī)械臂進(jìn)行指定的抓取作業(yè)。圖5為除草機(jī)器人的圖像識(shí)別和處理模塊，他是由一個(gè)攝像頭、DM 6446的開發(fā)板和一個(gè)40 G的移動(dòng)硬盤組成的。CCD傳感器捕捉所拍到雜草圖像信息，并應(yīng)用圖像分割算法將雜草從背景中提取出來，再通過圖像處理模塊實(shí)現(xiàn)除草機(jī)器人的智能作業(yè)，以提高工作效率。

圖5 圖像處理模塊

3.3 傳感器模塊

定位即機(jī)器人必須確定它在環(huán)境中的位置。機(jī)器人上安裝了超聲波傳感器和紅外傳感器，能準(zhǔn)確的避障，使機(jī)器人能沿著苗圃的壟溝直線行走。北京林業(yè)大學(xué)錢樺教授團(tuán)隊(duì)制作的噴霧機(jī)器人采用的是電子盤和紅外避障傳感器，在環(huán)境條件完全已知的情況下進(jìn)行全局路徑規(guī)劃，在環(huán)境條件部分已知或全部未知的情況下進(jìn)行局部路徑規(guī)劃[7-9]。該除草機(jī)器人底盤上裝有電子羅盤以確定機(jī)器人運(yùn)動(dòng)方向相對(duì)于地磁場(chǎng)方向的偏轉(zhuǎn)，獲取偏轉(zhuǎn)速度和偏轉(zhuǎn)角[10-11]。在底盤前后各有2個(gè)超聲波傳感器，在兩側(cè)各裝有4個(gè)紅外傳感器。傳感器能夠監(jiān)測(cè)機(jī)器人周圍的信息，將信息傳遞給主控制板，從而自動(dòng)調(diào)節(jié)PWM波占空比來改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，利用底盤的差速轉(zhuǎn)彎，實(shí)現(xiàn)避障功能。

4 結(jié)論

雜草是影響林木作物生長(zhǎng)和導(dǎo)致苗圃產(chǎn)量與質(zhì)量下降的重要原因?；瘜W(xué)除草劑雖然可以控制雜草的生長(zhǎng)，但除草劑本身對(duì)人體及其它生物產(chǎn)生了嚴(yán)重危害。而人工除草作業(yè)量很大，旨在設(shè)計(jì)一款小型基于機(jī)器視覺的自動(dòng)除草機(jī)器人代替人工作業(yè)。該除草機(jī)器人用CCD傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)圖像采集，通過S-video接口將圖像傳輸?shù)綀D像處理板，應(yīng)用模式識(shí)別算法判別出苗圃中的雜草信息，并傳達(dá)指令給執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成除草動(dòng)作。該設(shè)計(jì)可初步實(shí)現(xiàn)智能化作業(yè)，提高苗木除草作業(yè)的效率。在以后的研究中，圖像處理算法將不斷改進(jìn)，以提高作業(yè)的準(zhǔn)確性，完全實(shí)現(xiàn)林業(yè)苗圃的智能化除草作業(yè)。

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