王馨梅，謝 冰，焦 欣，王成城，楊天陽，任 哲，牛仁杰，仝慧紫

(西安理工大學 自動化與信息工程學院，陜西 西安 710048)

隨著綠色宜居理念的倡導，灌木型綠化帶面積日益增大，其修剪方式也在不斷改進。傳統(tǒng)綠籬機使用電動機械刀具，在修剪過程中會帶來嚴重的噪音污染，特別不適用于學校、醫(yī)院、養(yǎng)老院等安靜場所。此外，綠化帶內植株品種單一，個別植株發(fā)生的病蟲害(例如褐斑病、銹病、紅蜘蛛、蚜蟲等)極易隨機械刀具大面積擴散蔓延，而在繁忙的馬路、學校和醫(yī)院等場所噴灑農藥不利于廣大人群的健康。

激光切割不但噪聲低，而且紅外波段強激光切割出的枝葉傷口會被瞬間高溫碳化，形成針對細菌、病毒、害蟲入侵的保護層。因此近年來，國內外開始嘗試用激光修剪農作物。Schou等[1]用功率激光切割掉植物的上半部分枝莖后測量植株生長量，并與機械切割后的生長量做對比實驗，證明了用10.6 μm波長激光束聚焦切割植物枝莖不會影響植物繼續(xù)生長。Shah等[2]提出了一種新的清除雜草的方法，用車載攝像機檢測雜草并用激光器精準摧毀。Daniel等[3]設計了一種卷軸結構的激光割草機并申請了美國專利，但只能用于草本植物，不適用于灌木型綠化帶。

近年來，激光技術飛速發(fā)展，2012年我國首臺1 kW工業(yè)光纖激光器研制成功，2016年我國功率達到120 kW的工業(yè)級光纖激光器研制成功[4]，2017年中國工程物理研究院激光聚變研究中心實現(xiàn)百太瓦級超短超強脈沖激光關鍵技術突破，建成了國內首臺輸出能力高達200TW的SILEX-I超短超強脈沖激光裝置[5]。總之，當前普通高功率激光源的制造成本、維護成本以及體積重量值均正在快速下降，將激光修剪技術應用于農林業(yè)等領域已經初步具備商業(yè)化開發(fā)條件。

激光束作為一種切割工具，不但工作噪聲低、不擾民，而且無法將染病植物漿液(含細菌、真菌、病毒、蟲卵等)沾染到其它植株上，因此不會成為病原體的傳播媒介。有報道稱用小功率二氧化碳激光器或紅寶石激光器照射，可殺死藏在植物中的卵和幼蟲以及螨、蚊等體型小的成蟲[6]。此外，激光切割使植物傷口表面碳化，形成一層天然的保護膜，能夠有效地阻擋病毒細菌從切割傷口入侵植物體。因此，本文提出一種基于功率激光束修剪綠化帶的新型綠籬機設計思想，首先基于實驗論證何種激光器更適合作為該綠籬機激光源，然后進行該綠籬機系統(tǒng)的修剪、自動避障和降溫除塵等方案設計。

1 激光切割實驗

CO2激光器，其主要工作物質是由對人體無毒的二氧化碳、氮氣和氦氣三種氣體組成。一般情況下，工作氣體密封存儲于硬質玻璃制成的激光管最外層中，冷卻水通過激光管的中間層降溫，最內一層為放電管。目前它是厚板切割商業(yè)化最好的一種激光器，其波長為10.6 μm，位于遠紅外波段?？紤]到CO2激光器成本低、發(fā)射功率大、維護簡單，植物對10.6 μm波長的激光吸收率高，且有報道稱10.6 μm雜散余光相比于1 064 nm對植物再生影響小[1]，因此初步選擇二氧化碳激光器作為激光綠籬機的光源。為了驗證CO2激光器切割灌木的效果，特別是觀察傷口碳化效果，選擇小葉黃楊、金葉女貞和衛(wèi)矛(其形貌如圖1所示)進行切割實驗。

圖1 三種植物實驗樣本的照片

小葉黃楊是黃楊科黃楊屬，分布于中國安徽、浙江、福建、江西、湖南、湖北、四川、廣東、廣西等省區(qū)；金葉女貞是木犀科女貞屬，分布于中國華北南部、華東、華南等地區(qū)；衛(wèi)矛是衛(wèi)矛科衛(wèi)矛屬，除東北、新疆、青海、西藏、廣東及海南以外均有分布。因此，這三種植物能夠稱作我國綠化帶的代表性灌木品種。假設綠化帶第一次用電動刀具修剪平整，其后快生長季節(jié)每兩至三周用激光綠籬機修剪一次，慢生長季節(jié)每四至六周用激光綠籬機修剪一次，則激光綠籬機不需要面對修剪較粗枝條的情境，因此本文取這三種綠化帶植物的新鮮小枝條進行切割測試。使用最大平均功率800 W的CO2激光器進行切割實驗，參數(shù)如表1所示。

表1 三種常見綠化帶灌木的CO2激光切割實驗數(shù)據(jù)

因為實驗中所用CO2激光器的高斯激光束腰瑞利長度很短，所以在切割直徑4 mm的小葉黃楊桿時，為了實現(xiàn)快速切割而使用了較高的輸出功率(640 W)。今后可用衍射光學元件或菲涅耳透鏡相位采樣組合增大焦深[7-9]，從而提高切割效能。該CO2激光器的實驗結果表明，枝條和葉片切割面略有碳化(見圖2和圖3(a))，且切割過程中煙塵現(xiàn)象不明顯。

圖2 用10.6 μm波長激光切割小葉黃楊木質莖的碳化效果

為了對比效果，還分別用普通鋼質刀片、波長1 064 nm的摻釹釔鋁石榴石(neodymium-doped yttrium-aluminum garnet，Nd:YAG)紅外激光器、波長355 nm的光纖紫外激光器對小葉黃楊葉片進行切割，結果分別如圖3(b)、(c)和(d)所示，普通鋼質刀片和紫外激光對應的切口完全無碳化，而用1 064 nm紅外激光可獲得與用10.6 μm遠紅外激光相似的切口碳化效果。但是考慮到1 064 nm紅外激光比10.6 μm遠紅外激光波長短一個數(shù)量級，因此在枝條中吸收深度淺，會導致切割速度相對較慢，并且考慮到1 064 nm激光輻射有礙植物再生長速度[1]，所以在本綠籬機方案中優(yōu)選10.6 μm遠紅外激光。

圖3 四種切割方式的葉片切口效果對比

2 系統(tǒng)設計

本綠籬機為一個車載系統(tǒng)，主要由激光源、振鏡光路系統(tǒng)、智能避障控制系統(tǒng)、降溫降塵水路系統(tǒng)等部分組成?；竟δ苋鐖D4所示。

圖4 激光綠籬機系統(tǒng)功能說明圖

整體視覺效果如圖5所示，車頂是一個網格型太陽能電池板，既能遮擋陽光延緩內部系統(tǒng)老化，也能將太陽能轉變?yōu)殡娔?，驅動風扇為內部系統(tǒng)降溫。系統(tǒng)的工作流程是：首先將承載綠籬機系統(tǒng)的環(huán)衛(wèi)工程車開到緊鄰待修剪綠化帶的左側，展開伸縮桿，使余光吸收板位于綠化帶右側外邊緣，將激光頭高度通過升降電機調整到合適的修剪高度；然后在車沿著綠化帶緩慢行駛的過程中，激光通過振鏡光路系統(tǒng)修剪綠化帶；同時，車外攝像頭傳輸修剪視頻給系統(tǒng)用戶界面，便于司機在駕駛室內了解當前修剪實況。下位機采用ARM微處理器，上位機用戶界面基于LabVIEW平臺開發(fā)，圖像識別基于現(xiàn)場可編程門陣列(field-programmable gate array，F(xiàn)PGA)實現(xiàn)。

圖5 激光綠籬機系統(tǒng)的車載示意圖

2.1 振鏡光路系統(tǒng)

從激光器出射的高斯光，經一個六倍率的硒化鋅(ZnSe)擴束鏡擴束后，近似為一束平行光，經過一個固定全反鏡和一個可旋轉全反鏡(本文稱之為一維振鏡，其工作原理參見激光雕刻機中的二維振鏡系統(tǒng)[4])轉光路方向后經14 cm直徑凸透鏡(也稱場鏡)聚焦，如圖6所示。每種灌木因含水率、反光率、韌皮部厚度、木質部厚度等參數(shù)的不同而有不同的切割能量密度最小閾值。設距激光焦點L處的光能密度，恰好等于切割所需的光能密度閾值，則該激光可視作一把長為2L的“光刀”，在工程車前進運動以及圖6所示電動平移臺和振鏡電機運動的共同作用下，該光刀切割軌跡可遍歷整個綠化帶。

圖6 激光焦點掃描控制示意圖

2.2 智能避障控制系統(tǒng)

由于激光系統(tǒng)工作噪聲低，所以需要安裝定向超聲波驅鳥器驅逐綠化帶中休憩的鳥類和松鼠等小動物。此外，綠化帶中通常聳立電線桿、路牌或樹木等障礙物，為此通過攝像頭動態(tài)采集圖像數(shù)據(jù)并進行模式識別[10-11]。發(fā)現(xiàn)障礙物后，啟動避障操作，即振鏡、場鏡所在的電動平移臺向車內收回一段距離，余光吸收板先上抬10 cm再向車內收回一段距離，待繞開障礙物之后再伸出。具體控制方案已經樣機驗證，電路各模塊關系如圖7所示。

圖7 激光綠籬機的數(shù)據(jù)傳輸與智能控制模塊圖

FPGA持續(xù)對采集的圖像進行處理并將路況信息傳遞給ARM，ARM會持續(xù)更新各個模塊的工作狀態(tài)并將信息輸入到上位機用戶圖形界面上供司機查看。當FPGA檢測到有障礙物出現(xiàn)且伸縮桿與障礙物接近到預定距離時，就傳送一個信號給ARM，ARM接收到信號后，立即控制伸縮桿縮回，避開障礙物。此過程中，F(xiàn)PGA對障礙物持續(xù)監(jiān)測，當修剪系統(tǒng)離開障礙物后，將信息反饋給ARM，使ARM控制伸縮桿伸出，繼續(xù)工作。在行進過程中，各模塊仍將持續(xù)自檢，當出現(xiàn)問題時(比如水箱水位過低、攝像頭采集不到圖像、伸縮桿無法正常伸縮等)，ARM立即反饋給上位機，綠籬機急停且用戶界面出現(xiàn)錯誤提示。

圖像高速采集是基于同步動態(tài)隨機存取內存(synchronous dynamic random-access memory，SDRAM)和兩個先進先出芯片(first input first output，F(xiàn)IFO)硬件實現(xiàn)的，其中SDRAM為FPGA的片外板載資源，F(xiàn)IFO為FPGA內部的IP核調用所生成的資源[12]。圖像采集采用雙FIFO的乒乓算法[12]，目的是為了降低圖像顯示延遲，提高圖像切換速度。SDRAM控制器按照圖像的幀數(shù)對指定FIFO進行刷新和重裝載，采集到的數(shù)據(jù)一路經過薄膜晶體管控制器直接傳送到顯示屏界面，另一路送往圖像處理單元。

圖像處理單元首先對采集到的數(shù)據(jù)進行平滑濾波，目的是濾除由于背景所帶來的一些不必要的噪聲，然后根據(jù)像素的R、G、B分量的差異變化提取出綠化帶對象(綠色為主的部分)，并將綠化帶整體以外的部分進行剔除，再通過Sobel算子對剔除后的圖像進行邊界的提取，得到當前綠化帶的大致輪廓，最終依據(jù)邊界曲線的線性、平滑與否進行障礙物判定。若所提取的邊界曲線為連續(xù)線性則說明無障礙物；若存在邊界的跳躍則說明存在障礙物，再根據(jù)取景的寬度和跳變點的關系換算出障礙物的位置，同時產生觸發(fā)信號，通過總線傳遞到ARM進行后續(xù)的控制。其中，模式識別的訓練采用的是聚類思想，先將無障礙物的綠化帶和有障礙物的綠化帶的圖像進行特征提取與抽象，從而得到每類情況下的特征，將此特征進行記錄并作為后續(xù)識別的判斷依據(jù)。

2.3 水路系統(tǒng)

儲水箱作為本車載系統(tǒng)最大的負載，綜合用水可有效減輕系統(tǒng)載荷。因此，將CO2激光器散熱系統(tǒng)設計為由內外兩層組成：內層是一個小型低功耗的去離子水密閉循環(huán)系統(tǒng)，接CO2激光管中間層；外層是一個開放式的水箱，用于給內層水冷系統(tǒng)降溫。儲水箱里的水被水泵驅動經濾網過濾后，首先進入激光器外水冷箱，帶走激光器工作熱量，然后噴淋在剛被激光修剪過的綠化帶處，沉降激光燒灼產生的煙塵，并且給植物補充生長用水，從而實現(xiàn)“一水三用”的效果。

3 結 語

本文提出一種基于功率激光器實現(xiàn)激光修剪灌木型綠化帶的車載系統(tǒng)，并實驗論證了該系統(tǒng)采用二氧化碳功率激光器的合理性。這種激光修剪方法可以實現(xiàn)低工作噪聲，同時能使植物傷口碳化，失去生物活性，有效防止病蟲害借修剪操作而蔓延。在樣機上設計并實現(xiàn)了能提高激光焦點掃描線速度的光路方案、基于FPGA圖像模式識別的自動避障方案以及冷卻降塵澆灌綜合利用的水路方案。隨著居民對安靜無污染的綠色生活環(huán)境的需求增長，這種基于激光修剪綠化帶的方法會具有越來越高的商業(yè)化開發(fā)價值。