郭映江 陳毅豪

(西北農(nóng)林科技大學(xué)，陜西 楊凌 712100)

0 引言

通過實驗設(shè)計了一種基于Openmv和機械臂的智能除草機器人系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要包含3個模塊，視覺識別模塊、姿態(tài)解算模塊、機械拔草結(jié)構(gòu)模塊。視覺模塊通過openmv識別雜草并將獲得的雜草反饋至姿態(tài)解算系統(tǒng)，姿態(tài)解算系統(tǒng)將解算出的電機轉(zhuǎn)角反饋至并聯(lián)機械結(jié)構(gòu)的控制系統(tǒng)，然后機器人將機械爪平穩(wěn)地移動至雜草的根部，機械爪將雜草拔離壟背，實現(xiàn)對雜草的清除。通過各個模塊的相互協(xié)作，可準(zhǔn)確、高效地清除，通過雙目視覺識別和機械爪機器人運動學(xué)分析，提高了拔草作業(yè)的成功率。

1 研制背景及意義

圖1

農(nóng)田中的雜草是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的天敵，它們會與莊稼搶奪養(yǎng)分、水分、陽光等等，從而使莊稼的生長受限，無法獲得更多、更好質(zhì)量的莊稼。而現(xiàn)有的人工除草、化學(xué)除草、機械除草等都或多或少地有它們的缺點，勞動強度大，效率低，滿足不了需求，對環(huán)境會造成污染，導(dǎo)致資源浪費嚴(yán)重。除草機器人應(yīng)運而生，可以代替人們進行苦力勞動，減輕勞作強度，提高了生產(chǎn)能力和生產(chǎn)效率。

目前世界上最先進的除草機器人是由來自澳大利亞的昆士蘭大學(xué)的學(xué)生研發(fā)的，機器人名字叫Agbot ll，它的除草效率是人工的5倍，一臺機器人就可以輕松完成上百畝地的除草工作。機器人內(nèi)部加入了世界先進的AI智能人工系統(tǒng)，可以通過先進的傳感器設(shè)備準(zhǔn)確分辨雜草和作物，做到不傷害作物。

德國農(nóng)業(yè)專家研制出的除草機器人BoniRob，可以在農(nóng)場的各種地塊間極速穿行，準(zhǔn)確找到雜草并清除，每分鐘可以除掉120根雜草，比人工和藥物除草都要快得多。

目前我國在除草機器人方面也有比較大的成就，但由于我國農(nóng)業(yè)機器人起步較晚，所以未來的發(fā)展還需要我們共同努力。

2 競賽規(guī)則簡介

2.1 場地介紹

如圖1所示。比賽場地為390×300cm的區(qū)域，共有5條田壟。場地四周用高12cm的圍欄圍住，只留有一個寬40cm的出入口，圍欄與田壟之間留有寬40cm的通道(壟溝)，壟長220cm、壟寬30cm、壟高12cm，相鄰田壟之間也留有寬40cm的通道(壟溝)。出入口外側(cè)緊鄰比賽場地的40×100cm的區(qū)域為比賽啟動區(qū)。

圖2

如圖2所示。圍欄和田壟都采用鋼質(zhì)材料制作，地面采用爬行墊鋪設(shè)。田壟、壟溝地面為灰色，圍欄為黑色。比賽時會從6條壟溝中隨機抽取2條壟溝，在其中放置寬40cm、長300cm(即與壟溝等長)的土棕色毛毯，以模擬松軟路面。毛毯的軟毛長度約為1.2～1.6cm。模擬蔬菜為生菜，高度約17cm，寬度約10cm。每條田壟的壟背上放置4～6棵模擬生菜，生菜距離壟端不少于10cm，起始位置隨機，生菜間距為40±8cm。生菜底部使用泡沫膠黏貼在田壟上，并可采取適當(dāng)固定措施進行加固。各條田壟上生菜的數(shù)量，在比賽前由不同的大賽評委抽簽確定，具體放置位置由不同的評委隨機放置確定。雜草使用5cm仿真足球草制成，裁剪為3×3cm小塊，居中粘貼于圖2所示基座上。

2.2 作業(yè)要求

比賽過程中，參賽機器人從比賽啟動區(qū)出發(fā)進入比賽場地，沿壟溝(壟間作業(yè)模式)或騎著田壟(跨壟作業(yè)模式)行進，去除田壟上的雜草，遍歷6條壟溝(或5個壟背)后，并停在比賽啟動區(qū)。對參賽機器人的作業(yè)路徑規(guī)劃、雜草識別方法和具體除草方式?jīng)]有限定，綜合考慮作業(yè)速度和作業(yè)效果進行成績評判。

3 除草機器人系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)簡介

本項目主要包含3個系統(tǒng)，即機械抓拔草結(jié)構(gòu)、視覺系統(tǒng)和姿態(tài)解算系統(tǒng)。工作過程中，視覺系統(tǒng)首先建立絕對坐標(biāo)系，然后識別在坐標(biāo)系中的雜草，將已識別出的雜草絕對坐標(biāo)傳送至姿態(tài)解算系統(tǒng)；姿態(tài)解算系統(tǒng)將坐標(biāo)值解算為相對應(yīng)的機械臂所轉(zhuǎn)動的角度；機械抓拔草結(jié)構(gòu)根據(jù)解算出的角度和規(guī)劃出的電機轉(zhuǎn)速最優(yōu)變化規(guī)律進行運動，將機械爪移動至雜草的根部；機械抓除草系統(tǒng)將雜草拔離壟背至合理位置，傳送至收集箱，完成整個除草過程。

除上述3個部分以外，本系統(tǒng)還包含另外2個重要的部分，分別為自動控制部分、電路和電器開關(guān)部分。前者整個系統(tǒng)可自動除草；后者為系統(tǒng)的總電路和分電路設(shè)置相應(yīng)開關(guān)，增加急停開關(guān)，大大增加本系統(tǒng)的安全性。

3.2 機械結(jié)構(gòu)及原理

圖3

機械結(jié)構(gòu)簡圖如圖3所示。主要由stm32主板、地盤、頂板、支柱、橡膠輪、萬向輪、直流電機、機械臂、舵機和光電傳感器等組成。

比賽時，從出發(fā)區(qū)開始，機器人依靠光電傳感器和主板溝通，使其不撞到田壟的前提下遍歷2條田壟(6個壟道)。上方2組4個傳感器，再加上Openmv用于識別作物與雜草，控制機器人暫時停車，再經(jīng)過姿態(tài)解算系統(tǒng)計算電機轉(zhuǎn)角反饋至機械臂，進行除草作業(yè)。

3.3 創(chuàng)新點

(1)多種傳感器結(jié)合，保證田間行走順暢，適應(yīng)不同地面情況，不漏壟錯壟。

(2)采用漸進式橫向旋轉(zhuǎn)刀片，避免觸及作物根系，還能將雜草斬斷。

(3)利用光電傳感器實現(xiàn)對作物和雜草的辨別，除草過程中避免傷及作物。

4 結(jié)束語

在農(nóng)業(yè)機器人領(lǐng)域，還沒有一個完善的田壟間除草機器人面世，本次智能農(nóng)機大賽也是為了加強公眾對該領(lǐng)域的關(guān)注，集思廣益，發(fā)揮廣大參賽者智慧。本文介紹的一種智能除草機器人，提供了一種新的解決方案，本身具有一定優(yōu)勢，同時也具有除草準(zhǔn)確度不高，實戰(zhàn)經(jīng)驗少等不足。