蘇 燕,梁 武

(北海職業(yè)學(xué)院 電子信息工程系,廣西 北海 536000)

0 引言

信息化和數(shù)字化應(yīng)用在農(nóng)業(yè)的多個(gè)方面(如農(nóng)藝、生產(chǎn)監(jiān)控和信息采集等),且信息采集是新型技術(shù)在農(nóng)業(yè)中應(yīng)用效果最明顯的領(lǐng)域。信息采集收集農(nóng)作物的生長(zhǎng)狀況和環(huán)境特征,為農(nóng)藝操作提供依據(jù)。我國(guó)的單個(gè)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)域面積小,分布零散,增加了信息采集的成本和難度[1]。傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)信息采集主要依靠人工觀察和記載,或者利用便攜式儀器測(cè)量記錄。李金雷等設(shè)計(jì)了一種手持的信息采集設(shè)備,可以測(cè)量溫室內(nèi)的溫濕度,但缺乏數(shù)據(jù)處理的能力,存儲(chǔ)空間也有限[2]。由于受到各種因素的制約,傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)信息采集只能獲得單一或少數(shù)的特征數(shù)據(jù),且缺乏連續(xù)性,參考價(jià)值很小。因此,農(nóng)業(yè)信息采集技術(shù)的革新是農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的重要內(nèi)容,對(duì)實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)的信息化和數(shù)字化具有重要意義。

新時(shí)期農(nóng)業(yè)信息采集使用最多的是無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)和物聯(lián)網(wǎng)。無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)是一種將布置在環(huán)境中的各種傳感器通過(guò)無(wú)線通信連接起來(lái)形成整體網(wǎng)絡(luò)的技術(shù),具有成本低、能耗少和可靠性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)[3]。陳桂鵬等利用智能手機(jī)在我國(guó)大量普及的優(yōu)勢(shì),設(shè)計(jì)了一種基于Android操作平臺(tái)的農(nóng)業(yè)環(huán)境信息采集系統(tǒng),具有多種功能和很強(qiáng)的擴(kuò)展性[4]。數(shù)據(jù)的采集只是手段,真正的目的在于通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的分析獲得有用的作物和環(huán)境信息,因此對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行深入分析和模擬仿真是發(fā)揮數(shù)據(jù)價(jià)值的關(guān)鍵[5]。王嘉鵬設(shè)計(jì)了一套農(nóng)業(yè)信息采集系統(tǒng),利用云計(jì)算方法處理農(nóng)作物生長(zhǎng)過(guò)程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù),分析得到了作物生長(zhǎng)的最佳環(huán)境條件[6]。與無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)相比,物聯(lián)網(wǎng)的算法魯棒性較低、數(shù)據(jù)冗余嚴(yán)重,但可以通過(guò)算法優(yōu)化加以解決[7]。

基于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)和物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)業(yè)信息采集系統(tǒng)是固定安裝的,只能采集特定區(qū)域內(nèi)的信息。若要對(duì)廣闊的生產(chǎn)環(huán)境進(jìn)行監(jiān)控,則需增加信息采集設(shè)備的數(shù)量,從而必然帶來(lái)成本的上升。移動(dòng)式信息采集機(jī)器人具有良好的機(jī)動(dòng)性,可以覆蓋更大的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)域,有利于解決上述問(wèn)題。推進(jìn)電機(jī)作為移動(dòng)機(jī)器人的動(dòng)力核心,其性能對(duì)機(jī)器人移動(dòng)的機(jī)動(dòng)性和穩(wěn)定性有著直接的影響。因此,早期的研究集中在對(duì)機(jī)器人的行走控制上,使機(jī)器人獲得了較高的可靠性[8-9]。隨后,人們又對(duì)機(jī)器人的信息采集設(shè)備和數(shù)據(jù)傳輸硬件進(jìn)行完善,構(gòu)建了完整的農(nóng)業(yè)信息采集系統(tǒng)[10-11]。褚凌慧采用蟻群算法來(lái)規(guī)劃行走路徑,使機(jī)器人的軟件得到了升級(jí),從而擁有更強(qiáng)的路徑選擇能力[12]。

近年來(lái),無(wú)人機(jī)技術(shù)迅猛發(fā)展并被引入到機(jī)器人上,賦予了機(jī)器人在田間越障的能力,可以從空中采集農(nóng)業(yè)信息。王玉山等設(shè)計(jì)了一種地空兩用機(jī)器人,包括飛行控制系統(tǒng)、地面行走系統(tǒng)和信息采集系統(tǒng),擴(kuò)展了農(nóng)業(yè)信息采集的范圍[13]。王偉等和李超藝也開展了相關(guān)的研究,對(duì)地空兩用機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)和控制模塊進(jìn)行優(yōu)化,增強(qiáng)了其對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力[14-16]。

目前的農(nóng)業(yè)信息采集機(jī)器人在設(shè)施農(nóng)業(yè)中表現(xiàn)良好,但在農(nóng)田環(huán)境中的適用性還沒(méi)有得到驗(yàn)證。農(nóng)田環(huán)境中因素復(fù)雜,條件惡劣,對(duì)機(jī)器人的適應(yīng)性提出了更高的要求。為此,設(shè)計(jì)了一種適應(yīng)農(nóng)田環(huán)境的信息采集機(jī)器人,對(duì)行走控制、路徑識(shí)別和信息采集功能進(jìn)行了針對(duì)性的設(shè)計(jì),并在自然條件下進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證,旨在為實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)信息智能化采集提供技術(shù)支撐。

1 總體設(shè)計(jì)

農(nóng)田環(huán)境信息采集機(jī)器人以鋁合金框架的車體為平臺(tái),整體質(zhì)量25kg,尺寸為0.8m×0.3m×0.5m。車身具有多層結(jié)構(gòu),上層安裝電源、攝像頭和射頻接收/發(fā)射裝置,下層安裝各型傳感器、動(dòng)力裝置和行走裝置。車體的穩(wěn)定行好,布局合理,維護(hù)也很方便。

機(jī)器人在遙控模式下工作,具有自主行走和采集信息的能力?？刂迫藛T在遠(yuǎn)程通過(guò)射頻裝置發(fā)送任務(wù)信息,并設(shè)定相關(guān)的參數(shù),啟動(dòng)機(jī)器人開始作業(yè)。機(jī)器人自主行走和采集農(nóng)田環(huán)境信息,并實(shí)時(shí)發(fā)送回控制終端,接受控制人員的監(jiān)控。在自主作業(yè)模式下,機(jī)器人具有行走控制、路徑識(shí)別和信息采集的功能,可以完成對(duì)農(nóng)田環(huán)境信息的采集。

2 行走控制

農(nóng)業(yè)機(jī)器人的行走裝置有履帶式、腿式和輪式3種,其中的輪式裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,應(yīng)用最廣。本設(shè)計(jì)根據(jù)農(nóng)田的特殊環(huán)境,結(jié)合輪式機(jī)器人穩(wěn)定性好、移動(dòng)迅速和容易控制方向的優(yōu)點(diǎn),采用4輪的行走裝置。機(jī)器人以蓄電池為電源,采用直流電機(jī)提供動(dòng)力。直流電機(jī)的啟動(dòng)性能良好,可以通過(guò)電子技術(shù)準(zhǔn)確控制轉(zhuǎn)速,適合驅(qū)動(dòng)機(jī)器人的輪式行走裝置。驅(qū)動(dòng)裝置按照集中控制—分布驅(qū)動(dòng)的方式布置,在4個(gè)車輪上各安裝一部電機(jī),電機(jī)的轉(zhuǎn)速由車載單片機(jī)控制,使各個(gè)車輪都能單獨(dú)轉(zhuǎn)動(dòng)和轉(zhuǎn)向。

3 路徑識(shí)別

機(jī)器人的路徑識(shí)別功能依賴于安裝在上方的攝像機(jī)和機(jī)器視覺分析模塊。攝像機(jī)為HD720型高清CCD攝像頭,安裝高度1.2m,采用防抖動(dòng)設(shè)計(jì)。攝像頭光軸與豎直方向的夾角為60°,俯視拍攝形成800萬(wàn)像素的JPEG圖像,由圖像采集卡轉(zhuǎn)換后供主控模塊進(jìn)行機(jī)器視覺分析。

主控模塊為惠普286型計(jì)算機(jī),配置包括Intel i3處理器和4G內(nèi)存,速度和性能可以滿足視覺分析的要求。計(jì)算機(jī)安裝Windows10操作系統(tǒng)和MatLab7.0工具箱,用于對(duì)圖像的分析。機(jī)器人在行走過(guò)程中拍攝的圖像含有各種噪音,采用5×5中值濾波的預(yù)處理去除。以水稻田為例,預(yù)處理后的圖像由水稻植株和水面組成,水稻植株為灰色,水面為白色,如圖1(a)所示。根據(jù)水稻田光照強(qiáng)度的特點(diǎn),采用HIS色彩空間的I分量對(duì)圖像做灰度化處理,以此增強(qiáng)黑白效果和不同物體的顏色差異,如圖1(b)所示。機(jī)器人以水稻田中的空白水面作為行走路徑,其與水稻植株的顏色有明顯的差別,因此選用顏色特征進(jìn)行路徑識(shí)別。對(duì)I分量做最大類間方差分析,經(jīng)過(guò)二值化后得到不同目標(biāo)的顏色特征閾值,采用閾值分割方法來(lái)識(shí)別背景和路徑。閾值分割所得的圖像中黑色部分為背景,白色部分為識(shí)別目標(biāo),如圖1(c)所示。最后,以Canny算子檢測(cè)路徑邊緣,提取同一水平線上的兩個(gè)邊緣點(diǎn)的中心位置,連接成的一條曲線即機(jī)器人的行駛路線,如圖1(d)所示。

圖1 圖像的機(jī)器視覺分析Fig.1 Computer vision analysis of image

4 信息采集

機(jī)器人的信息采集模塊以美國(guó)微芯科技公司的PIC18F87型單片機(jī)為核心,穩(wěn)定性好,功率消耗低。單片機(jī)的最高速度達(dá)到64MHz,具有24個(gè)串口的12位A/D轉(zhuǎn)換器及2個(gè)尋址USART模塊,能夠滿足信息采集的要求。單片機(jī)通過(guò)串口與傳感器連接,對(duì)采集的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行轉(zhuǎn)換和發(fā)送。農(nóng)田環(huán)境主要由空氣、土壤和作物組成,因此信息的采集也針對(duì)這3個(gè)部分。采集的空氣信息為空氣溫濕度、二氧化碳濃度和光照強(qiáng)度;土壤信息為土壤濕度及作物信息為作物長(zhǎng)勢(shì)。信息采集模塊的組成如圖2所示。

圖2 信息采集模塊的組成部分Fig.2 Components of information acquisition module

空氣溫濕度傳感器采用建大仁科的RS-YS-GPRS型記錄儀,結(jié)構(gòu)緊湊,體積較小,可以方便快捷地通過(guò)串口與單片機(jī)連接和數(shù)據(jù)傳輸。二氧化碳濃度由煒盛科技的MH-Z14型傳感器測(cè)量,采用模擬電壓輸出,靈敏度和分辨率高,抗干擾性強(qiáng)。光照度傳感器為精訊暢通的JXBS-3001-GZ型,體積較小、測(cè)量精度高,通過(guò)RS485的模擬電壓輸出。土壤濕度傳感器采用建大仁科的RS-WS-N01型,具有16位高精度處理器,測(cè)量精度比傳統(tǒng)方法提高了3～5倍。傳感器的感應(yīng)部件為不銹鋼針,由機(jī)械臂將鋼針插入土壤中檢測(cè)濕度,然后通過(guò)RS485的模擬電壓輸出。作物長(zhǎng)勢(shì)信息的采集設(shè)備與路徑識(shí)別所用的機(jī)器視覺設(shè)備相同,CCD攝像頭的安裝高度為1.5m,全方位轉(zhuǎn)動(dòng)拍攝。以油菜為例,經(jīng)過(guò)預(yù)處理和灰度化后,仍然通過(guò)顏色特征參數(shù)識(shí)別油菜植株,如圖3(a)、(b)所示。閾值分割所得的圖像中黑色部分為識(shí)別目標(biāo),白色部分為背景,依據(jù)圖像中的植被覆蓋率來(lái)反映油菜的長(zhǎng)勢(shì),如圖3(c)所示。

5 試驗(yàn)結(jié)果與分析

在本單位的油菜田中驗(yàn)證信息采集機(jī)器人的各種功能,設(shè)定任務(wù)參數(shù)后機(jī)器人自主行走并進(jìn)行信息采集作業(yè)。在機(jī)器人的行走路線上選取5個(gè)采樣點(diǎn),讀取機(jī)器人采集的空氣溫度、CO2濃度和土壤濕度的數(shù)據(jù);然后,利用便攜式儀器進(jìn)行人工測(cè)量,比較兩種方法所得數(shù)據(jù)之間的差異。

試驗(yàn)結(jié)果表明:作業(yè)過(guò)程中,機(jī)器人行走平穩(wěn),狀態(tài)穩(wěn)定,沒(méi)有受到地勢(shì)起伏的影響;機(jī)器人能夠識(shí)別田間的空行和油菜植株,通過(guò)規(guī)劃行走路徑成功避開障礙物,從而完成了信息采集作業(yè)。機(jī)器人采集的信息數(shù)據(jù)與人工測(cè)量數(shù)據(jù)之間的差異很小,符合農(nóng)田環(huán)境的實(shí)際情況,如表1所示。

6 結(jié)論

為了在農(nóng)田惡劣的環(huán)境中采集信息數(shù)據(jù),設(shè)計(jì)了一種以鋁合金框架車體為平臺(tái)、采用4輪行走裝置的機(jī)器人,具有行走控制、路徑識(shí)別和信息采集的功能。在自然條件下進(jìn)行農(nóng)田環(huán)境信息采集試驗(yàn),結(jié)果表明:機(jī)器人行走平穩(wěn),能夠識(shí)別田間的空行和作物,通過(guò)規(guī)劃行走路徑避開障礙物。機(jī)器人采集的信息數(shù)據(jù)與人工測(cè)量數(shù)據(jù)之間差異很小,符合農(nóng)田環(huán)境的實(shí)際情況。