李思睿，梁家涵，史穎剛，劉 利

（西北農林科技大學機械與電子工程學院，陜西咸陽 712100）

0 引言

農業(yè)用水一直占我國總用水量的60%以上，灌溉水利用系數(shù)僅為0.53，用水效率低，但節(jié)水灌溉可節(jié)水80%以上。因此機器人競賽開設節(jié)水灌溉機器人子項目，以學科競賽為背景，模擬農業(yè)地形和施水目標，使學生獨立完成作品設計，對比賽項目進行解決和拓展研究，提升學生專業(yè)素養(yǎng)[1]。

節(jié)水灌溉機器人通常由機器人進行單一作業(yè)。為了保證灌溉效率，要求機器人按實際干旱程度變量施水。本文設計的節(jié)水灌溉機器人采用無人機和機器人空地協(xié)同作業(yè)，使機械、電氣和控制相結合，通過獲取模擬干旱信息、灌溉對象位置和本體姿態(tài)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)顏色識別傳輸、自主導航、目標識別、變量施水和自主調平，在按照所需施水量進行灌溉的同時，減少復雜環(huán)境對作業(yè)效果的影響，提高水利用率。最后，針對所設計的機器人進行實地調試和參賽，驗證了其有效性。

1 節(jié)水灌溉機器人競賽

節(jié)水灌溉機器人競賽是中國機器人大賽農業(yè)機器人賽項的子項目，競賽場地如圖1 所示，比賽時，無人機從起點區(qū)自主起飛，在信息采集區(qū)域收集A 區(qū)、B 區(qū)、C 區(qū)、D區(qū)的干旱信息，經過信號處理后，分別將A 區(qū)的旱情信息和B 區(qū)、C 區(qū)、D 區(qū)的旱情信息，發(fā)送給A 區(qū)的滲灌控制系統(tǒng)和停在起始區(qū)的灌溉機器人，然后在降落點完成自主降落。A 區(qū)的滲灌控制系統(tǒng)接收到無人機發(fā)送的旱情信息后，根據(jù)不同旱情的需水量，控制滲灌系統(tǒng)完成灌溉。灌溉機器人從起始區(qū)出發(fā)，依次通過B 區(qū)、C 區(qū)、D 區(qū)，對不同地形和植物進行變量施水，完成作業(yè)任務后機器人返回終點區(qū)。

無人機信息采集區(qū)有用于無人機導航的白線，4個旱情模擬圖，分別模擬施水區(qū)A 區(qū)、B 區(qū)、C 區(qū)、D 區(qū)的干旱情況，旱情信息使用不同顏色的矩形區(qū)域模擬，每個矩形區(qū)域平均分為6個部分，每個部分從紅色（R：255,G：0,B：0）、綠色（R：0,G：255,B：0）、藍色 （R：0,G：0,B：255） 中隨機抽取，并由志愿者現(xiàn)場隨機擺放。其中，紅色表示嚴重干旱，施水量最多，數(shù)字代號3；綠色代表一般干旱，施水量中等，數(shù)字代號2；藍色代表輕微干旱，施水量最少，數(shù)字代號1。

A 區(qū)為自動滲灌區(qū)，采用LED 指示燈點亮的數(shù)量代表施水量；B區(qū)為矮株作物灌溉區(qū)，模擬灌木作物的施水；C區(qū)為大田連續(xù)灌溉區(qū)，此區(qū)域設有坡道，植株為高桿作物；D 區(qū)為隨機樹苗灌溉區(qū)，噴靶位置和方向隨機擺放。機器人需要能識別起跑線、停止線和賽道導引線，在沒有導引線的部分路段，能自主完成任務。

圖1 競賽場地

機器人比賽流程如圖2所示，無人機主控制器驅動4個空心杯無刷直流電機轉動，使無人機起飛后按規(guī)劃路徑飛行；調用OpenMV 視覺模塊識別信息采集區(qū)域的色塊，處理后獲得各區(qū)域旱情信息；ATK-LORA 以字符串形式將旱情信息，傳送至A 區(qū)滲灌系統(tǒng)控制器和灌溉機器人的主控制器，隨后無人機自主返航。

圖2 機器人比賽流程

圖3 圖像識別結果

2 旱情信息識別

OpenMV3 攝像頭模組搭載于無人機上，在OpenMV IDE的編程環(huán)境中，采用Python 語言編寫基于OpenMV 視覺庫的圖像處理算法，其選用LAB 顏色模型，識別代表旱區(qū)信息的色塊顏色[2-3]，圖像識別結果如圖3 所示。經圖像處理后，區(qū)域顏色信息轉化為旱情信息，并由串口[4]將數(shù)據(jù)傳輸給A區(qū)滲灌系統(tǒng)控制器和灌溉機器人的主控制器。

攝像頭模組進行視覺識別的流程，如圖4 所示。無人機飛行過程中，OpenMV3 攝像頭模組動態(tài)捕捉代表旱情區(qū)域的色塊顏色，然后濾掉圖像信息的背景顏色，將色塊均分處理成12 個矩形小塊后，獲取圖像信息，判斷各個局部色塊的閾值，返回字符串代碼，建立色塊信息儲存數(shù)組，得到旱情圖樣。無人機主控制器驅動OpenMV3 攝像頭模組連續(xù)重復識別3 次旱情區(qū)域的色塊顏色，若3 次數(shù)據(jù)均相同，則將字符串打包，通過ATK-LORA 模塊分別將灌溉信息發(fā)送給A 區(qū)滲灌控制系統(tǒng)的LORA 模塊和灌溉機器人的LORA 模塊。滲灌系統(tǒng)和灌溉機器人根據(jù)不同的旱情信息，執(zhí)行相應的灌溉動作。無人機、滲灌控制系統(tǒng)和灌溉機器人的LORA 模塊采用一般模式透明傳輸，使用點對多通信，地址、信道、無線速率等參數(shù)的設置相同。

圖4 無人機視覺識別流程

3 滲灌區(qū)自動施水系統(tǒng)

A 區(qū)的滲灌區(qū)自動施水系統(tǒng)架構，如圖5 所示，包括ATK-LORA 模塊、STM32 處理器、6 組LED 燈組，每組LED燈組包括3 個供電電壓3.7～5 V 的LED 燈珠。采用共陰極接法，將每個燈珠的負極端接到STM32的GND端，正極依次連接到STM32處理器的IO口上，STM32處理器通過控制IO口輸出高電平，點亮相應LED燈。

圖5 滲灌區(qū)自動施水系統(tǒng)架構

無人機與A 區(qū)自動滲灌系統(tǒng)的通信字符以“A”為起始符，“B”為結束符，中間6 位數(shù)字采用16 進制，代表不同的干旱程度，AB均為字符型：1代表藍色，輕微干旱；2代表綠色，一般干旱；3 代表紅色，嚴重干旱。例如：“A”0x1 0x1 0x2 0x3 0x30x3“B”，代表識別A區(qū)干旱信息依次為：輕微干旱、輕微干旱、一般干旱、嚴重干旱、嚴重干旱、嚴重干旱。

STM32 處理器中，事先預制好一個數(shù)組，數(shù)組中的每個元素都是兩位數(shù)，其中，十位數(shù)上的數(shù)字表示第幾組花盆，個位數(shù)上的數(shù)字表示干旱程度，即需要點亮燈的個數(shù)，例如“12”表示第一組花盆，一般干旱。

ATK-LORA 模塊接收無人機發(fā)送的旱情信息數(shù)據(jù)包，STM32 處理器以逐位接收方式將數(shù)據(jù)包儲存到串口數(shù)據(jù)緩存區(qū)，選用Strcmp 函數(shù)，將數(shù)據(jù)緩存區(qū)的數(shù)據(jù)與預制數(shù)組中的元素逐個對比，即可獲得A 區(qū)旱情對應施水量的字符串，STM32 處理器發(fā)送字符串命令，控制6 組LED 的亮滅，模擬滲灌系統(tǒng)的有效灌溉。

4 灌溉機器人

根據(jù)競賽要求，設計灌溉機器人如圖6 所示。底盤由鋁合金板材制成，實心橡膠輪進行前輪驅動，后接萬向輪作為從動輪[5]。執(zhí)行機構固定安裝在底盤上，為提高機器人在比賽施水過程中的靈活性，執(zhí)行機構采用平面連桿機構。

圖6 灌溉機器人實物

控制系統(tǒng)架構如圖7 所示，主控制器STM32 處理器接收到無人機發(fā)送的旱情信息后，先處理旱情信息，獲得B區(qū)、C區(qū)、D 區(qū)的施水量，然后控制步進電機驅動器，根據(jù)預先規(guī)劃算法，實現(xiàn)機器人底盤前進、后退、轉向的組合運動。

圖7 總體控制系統(tǒng)架構

機器人采用2 個光電開關檢測前方障礙物，當前方有障礙物時，光電開關返回低電平信號，主控制判斷到達灌溉點。在循跡線區(qū)域，8 路循跡傳感器返回高低電平給主控制器，引導機器人巡線前進和轉向運動。機器人行駛至C 區(qū)的坡道時，陀螺儀反饋車體的傾斜角度信息，主控制器驅動絲杠電機轉動，調整執(zhí)行機構始終保持在水平位置。到達灌溉點后，主控制器依據(jù)預定的作業(yè)位置，驅動直流電機轉動，使灌溉平臺移動。噴頭處的光電開關掃描到噴靶位置后，返回低電平信號，主控制器即可定位噴靶位置，并按旱情數(shù)據(jù)控制電磁繼電器，調節(jié)增壓泵的壓力和流量，精確灌溉噴靶。

4.1 底盤基本運動控制

灌溉機器人底盤結構分布如圖8 所示，左、右2 個車輪各由一個57步進電機驅動。采用TB6600 電機驅動器控制步進電機的正轉、反轉，步進電機的旋轉受使能控制位En 控制電機的開關，方向控制位Cw 控制電機的正轉和反轉。主控制器定時中斷產生的脈沖控制步進電機轉速，表1所示為是步進電動機正反轉控制真值表。步進電機驅動器與主控制器STM32的IO口相連，使PB5、PE7，PE7、PE8，PB0、PB1分別控制電機的轉向、使能和電平反轉，實現(xiàn)機器人底盤的前進、后退、左轉、右轉、速度調節(jié)和停止等動作。

圖8 灌溉機器人底盤結構分布

表1 步進電動機正反轉控制真值表

也可以更改TIM7的預分頻值和重裝載值，確定定時器產生中斷的頻率，利用TIM_SetCompare 函數(shù)調節(jié)PWM 波占空比，實現(xiàn)步進電機的調速控制。

4.2 循跡路徑規(guī)劃

灌溉機器人底盤前端裝有八路灰度循跡傳感器S308[6]，從左至右依次為L4、L3、L2、L1，R1、R2、R3、R4?；谘E的路徑規(guī)劃流程如圖9所示。

STM32 處理器把連接灰度循跡傳感器的8 個IO 口設置成浮空輸入，通過讀取IO口的高低電平信號，判斷循跡傳感器的工作狀態(tài)。模擬大地的黃色地毯上采用白色膠帶作為灌溉機器人的循跡引導線，當循跡傳感器發(fā)出的光遇到黃色地毯時，光被吸收，循跡傳感器沒有接受到反射光，循跡傳感器的IO口保持高電平；當循跡傳感器發(fā)出的光遇到白色膠帶時，光被反射到接收管，經施密特觸發(fā)器整形后，循跡傳感器的IO口輸出低電平。

若車體向右偏轉，L2或L1路檢測到循跡線，主控制器調節(jié)左、右車輪的轉速差值，使車體向左校正；若到達左轉位置，L4 或L3 路檢測到循跡線，主控制器控制左側車輪反轉，右側車輪正轉，車體左轉；機器人循跡過程中的向右校正算法和右轉控制算法原理，類似于向左校正算法和左轉控制算法，方向相反，不再贅述[7]。

圖9 基于循跡的路徑規(guī)劃流程

4.3 灌溉執(zhí)行機構

機器人的灌溉動作執(zhí)行機構原理，如圖10 所示，4 組平行四桿機構構成了2個左右對稱的平面連桿機構，機構末端設有噴頭架用來放置施水裝置。為減輕車體自重，齒輪齒條機構選用尼龍制品。主控制器通過驅動直流電機轉動，實現(xiàn)齒輪齒條的嚙合傳動，從而變換平面連桿機構的伸縮長度。平面連桿機構的最大伸長量為1 m，可根據(jù)B 區(qū)、C 區(qū)、D 區(qū)的噴靶擺放位置，實時調整工作長度。

圖10 灌溉動作執(zhí)行機構

每個齒輪齒條機構由一個直流電機控制。主控制器利用定時器8的通道1和2分別輸出2組模式1的PWM波，PWM輸出端口連接直流電機的EN1 引腳，用于改變PWM 波的占空比，調整電機轉速[8]，控制臂長伸縮時間；主控制器的2個IO口分別連接電機的方向控制信號IN1、IN2引腳，當兩位數(shù)字信號置為0、1時，電機反轉，平面連桿機構收縮；反之，電機正轉，平面連桿機構伸長，實現(xiàn)噴灌距離調整。

當機器人噴灌作業(yè)時，平面連桿機構伸縮，噴頭架上的光電開關返回主控制器低電平信號，系統(tǒng)定位噴靶位置。光電識別到噴靶時，主控制器檢測光電開關信號的IO 口為下降沿，觸發(fā)外部中斷操作，同時主控制器控制對應電磁繼電器開啟，實現(xiàn)增壓泵工作，并限制開啟時長，完成噴灌施水任務。

4.4 自平衡機構

圖11所示為灌溉機器人的自平衡機構，底盤為元器件安裝層，托板為平面連桿機構和水箱的放置層。絲杠螺母與托板固定連接，通過控制絲杠電機轉動可調節(jié)平面連桿機構及水箱的平衡，確保車體在有障礙設置的部分地區(qū)穩(wěn)定通過。

圖11 灌溉機器人自平衡機構

STM32 處理器采用MPU9250 陀螺儀獲取自平衡機構的托板姿態(tài)[9]。選擇定時器3 更新中斷，利用IIC 總線通信，每0.05 s獲取一次自平衡機構的姿態(tài)數(shù)據(jù)，處理角度反饋值，判斷絲桿電機正反轉，使得托板始終處于水平狀態(tài)。

圖12 調平流程

托板調平流程如圖12所示，首先在平地校正陀螺儀，設置初始水平參考角，機器人上斜坡時，底盤角度不斷變化，陀螺儀反饋托板的偏移角度給STM32 處理器，計算后獲得托板矯正系數(shù)，驅動絲杠電機調整角度，自主調平灌溉執(zhí)行機構。

5 結束語

根據(jù)節(jié)水灌溉競賽機器人的競賽要求，以無人機、滲灌系統(tǒng)和灌溉機器人為主，構建了機器人競賽系統(tǒng)，機械、電氣和控制相結合，實現(xiàn)了視覺識別、信息收發(fā)、灌溉控制、循跡導航、自動調平等功能。搭建競賽場地進行了216次的實地測試，結果表明無人機視覺系統(tǒng)檢測結果與色塊吻合成功率達94.91%，旱情信息傳輸正確率97.69%，自動滲灌區(qū)作業(yè)成功率98.61%，灌溉機器人精準噴灌成功率90.74%，系統(tǒng)走完全程并全部實現(xiàn)預期灌溉的成功率是83.33%。本文設計的節(jié)水灌溉競賽機器人，于2019年8月參加了2019中國機器人大賽，并獲得冠軍，驗證了本設計的有效性，同時，對相關競賽機器人的設計也有一定的參考意義。