田生睿，譚 峰，孫政波，于 洋，郭慶陽(yáng)

（黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)，黑龍江 大慶 163000）

0 引 言

農(nóng)田雜草是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的大敵，對(duì)農(nóng)作物危害極大，它們與作物直接競(jìng)爭(zhēng)陽(yáng)光、養(yǎng)分和水分，從而降低農(nóng)作物的產(chǎn)量，降低經(jīng)濟(jì)作物的效益。全世界有3000多種雜草，其中大部分會(huì)影響農(nóng)作物收成。而現(xiàn)有的3種除草方式：人工拔、化學(xué)除、機(jī)械除，一方面勞動(dòng)強(qiáng)度大、速度慢、滿足不了需求；另一方面，大規(guī)模噴灑農(nóng)藥對(duì)環(huán)境污染嚴(yán)重，非常浪費(fèi)資源。農(nóng)田除草機(jī)器人應(yīng)運(yùn)而生，除草機(jī)器人可以代替人類進(jìn)行除草工作，減輕農(nóng)民勞動(dòng)強(qiáng)度，也可以減少農(nóng)業(yè)從業(yè)人口數(shù)量，提高農(nóng)業(yè)設(shè)備的自動(dòng)化和智能化。國(guó)外很多國(guó)家在除草機(jī)器人方面做了大量的研究，主要集中在精確定位、機(jī)器視覺(jué)識(shí)別、路徑規(guī)劃、動(dòng)作控制等方面，都取得了較好的成績(jī)，但總體上還處于初級(jí)階段。早在1998年美國(guó)加利福尼亞大學(xué)戴維斯分院的W.S.LEE 以耕作機(jī)機(jī)器人為平臺(tái)，研制出基于機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的噴藥除草機(jī)器人[1]，荷蘭瓦格寧根大學(xué)的Tijmen Bakker 等人設(shè)計(jì)的自動(dòng)除草機(jī)器人是采用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力，有獨(dú)立轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)四輪轉(zhuǎn)向，采用機(jī)器視覺(jué)技術(shù)識(shí)別雜草[2]。瑞典哈姆斯塔德大學(xué)Bjorn Astrand 和Albert-JanBaerveldt 研究了的除草機(jī)器人由直流伺服電機(jī)控制，具有阿克曼轉(zhuǎn)向控制機(jī)構(gòu)[3]，國(guó)內(nèi)對(duì)除草機(jī)器人的研究相比發(fā)達(dá)國(guó)家起步較晚, 于2005年開(kāi)始對(duì)除草機(jī)器人進(jìn)行研究，現(xiàn)如今國(guó)家逐漸加強(qiáng)了農(nóng)業(yè)除雜草工作的重視，也在開(kāi)始自主研發(fā)。其發(fā)展過(guò)程經(jīng)歷了從機(jī)械化除草到智能化除草的轉(zhuǎn)變。在之后的研究中，會(huì)形成我國(guó)獨(dú)特的除草機(jī)器人系統(tǒng)，為我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供良好的幫助。郭偉斌等提出了基于機(jī)器視覺(jué)的模糊導(dǎo)航的算法[4]，華南理工大學(xué)的張勤等人發(fā)明了一種水田除草機(jī)器人，該機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)跨越式換行，解決了換行操作時(shí)的轉(zhuǎn)彎半徑大，造成有效種植空間小的問(wèn)題[5]。在2014年，黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)的李謙和蔡曉華用土槽試驗(yàn)車進(jìn)行了基于機(jī)器視覺(jué)的機(jī)械手除草實(shí)驗(yàn)[6]。

1 除草機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為避免除草過(guò)程中對(duì)田間植株的破壞，設(shè)計(jì)一種對(duì)壟溝和壟臺(tái)邊緣除草的自動(dòng)行走機(jī)器人。該機(jī)器人以PLC 為控制核心，整車采用四輪驅(qū)動(dòng)的工作方式，每個(gè)輪都由一個(gè)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，小車的轉(zhuǎn)向方式為差速轉(zhuǎn)向，能夠減小轉(zhuǎn)向所需的空間，使其可以適應(yīng)更廣泛的工作空間。漫反射光電開(kāi)關(guān)安裝在車頭上，以控制除草機(jī)器人轉(zhuǎn)向。除草鏟部分使用液壓系統(tǒng)，可以通過(guò)漫反射光電開(kāi)關(guān)可以檢測(cè)除草機(jī)器人是否在壟溝里，如果在壟溝里除草鏟自動(dòng)下降，如果出壟溝自動(dòng)上升。除草機(jī)器人結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 控制核心

本除草機(jī)器人采用西門子PLC S7-200作為控制核心,其抗干擾能力強(qiáng)，故障率低，易于設(shè)備的擴(kuò)展，程序開(kāi)發(fā)周期短。CPU 224具有14個(gè)輸入點(diǎn)和10個(gè)輸出點(diǎn)，6個(gè)高速計(jì)數(shù)器(30kHz)，2個(gè)模擬電位器（8位分辨率），可編程并具有復(fù)位輸入，選用EM221作為擴(kuò)展模塊（8個(gè)輸入點(diǎn)），控制回路如圖2所示。PLC 的主控柜接線圖如圖3所示。由PLC 控制繼電器，再由繼電器控制各個(gè)模塊,程序設(shè)計(jì)采用模塊化編程方式，主要包括除草機(jī)器人的行走、避障以及除草鏟升降。

2.2 編程軟件

編程軟件為購(gòu)買S7-200后免費(fèi)提供的Step7Microwin4.0Sp9軟件，此軟件易于安裝，編程簡(jiǎn)便。軟件擁有梯形圖（LAD），語(yǔ)句表（STL），功能塊圖（FBD）3種編程語(yǔ)言，我們通常使用梯形圖作編程語(yǔ)言。程序設(shè)計(jì)采用模塊化編程方式，主要包括除草機(jī)器人的行走、調(diào)速、避障以及除草鏟升降等。

2.3 行走控制系統(tǒng)

本除草機(jī)器人行走控制系統(tǒng)包括手動(dòng)和自動(dòng)兩部分，手動(dòng)包括前進(jìn)后退左轉(zhuǎn)右轉(zhuǎn)，自動(dòng)部分包括前進(jìn)，后退、偏轉(zhuǎn)調(diào)整和左右轉(zhuǎn)彎。小車采用四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，由PLC 控制繼電器，兩個(gè)繼電器控制一個(gè)車輪，其中一個(gè)繼電器負(fù)責(zé)控制車輪前進(jìn)，另一個(gè)繼電器負(fù)責(zé)控制車輪后退，轉(zhuǎn)彎使用差速度轉(zhuǎn)彎的方法。差速轉(zhuǎn)向是指通過(guò)控制左右驅(qū)動(dòng)輪的速度來(lái)實(shí)現(xiàn)車輛的轉(zhuǎn)向。

當(dāng)車輛轉(zhuǎn)彎時(shí)，車輪的軌跡線是一條弧線。如果汽車左轉(zhuǎn)，弧線的中心點(diǎn)在左邊。同時(shí)，右輪的弧線比左輪的弧線長(zhǎng)。為了平衡這種差異，左輪應(yīng)該慢一點(diǎn)，右輪應(yīng)該快一點(diǎn)，不同的轉(zhuǎn)速應(yīng)該用來(lái)彌補(bǔ)距離上的差異。

系統(tǒng)控制流程圖如圖4所示。

2.4 避障系統(tǒng)

除草機(jī)器人在工作時(shí)碰到障礙物，會(huì)影響其正常工作，擁有避障系統(tǒng)是十分必要。本除草機(jī)器人使用E18-D80NK-N 漫反射式光電開(kāi)關(guān)，放置在車頭兩側(cè)，通過(guò)光電開(kāi)關(guān)不斷對(duì)比數(shù)據(jù)，可以幫助小車順利的找到通過(guò)的方向，從而實(shí)現(xiàn)沒(méi)有死角，能夠到達(dá)任意角落。通過(guò)不斷試驗(yàn)，確定出光電開(kāi)關(guān)的安裝位置，得到較為理想的避障系統(tǒng)，是機(jī)器人實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航功能的基礎(chǔ)和保障。

2.5 除草鏟升降系統(tǒng)

除草鏟部分在液壓、氣壓和絲杠傳動(dòng)中選擇使用液壓系統(tǒng)，因?yàn)橐簤合到y(tǒng)有體積小和質(zhì)量輕、剛度大、精度高、響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)，在支架兩側(cè)上安裝漫反射光電開(kāi)關(guān)，可以通過(guò)光電開(kāi)關(guān)檢測(cè)除草機(jī)器人是否在壟溝里，如果在壟溝里除草鏟自動(dòng)下降，如果出壟溝自動(dòng)上升。在升降桿上下兩端裝置行程開(kāi)關(guān)以控制升降距離。除草鏟升降系統(tǒng)的控制流程圖如圖5所示。

3 轉(zhuǎn)彎車速實(shí)驗(yàn)

除草機(jī)器人的轉(zhuǎn)彎穩(wěn)定性是除草機(jī)器人工作性能的重要一步。根據(jù)霍爾效應(yīng)原理，將永久磁鋼固定在輪軸轉(zhuǎn)盤邊緣，當(dāng)轉(zhuǎn)盤隨測(cè)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，磁鋼也會(huì)同步旋轉(zhuǎn)。在轉(zhuǎn)盤下面安裝有霍爾裝置，轉(zhuǎn)盤隨軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，磁鋼產(chǎn)生的磁場(chǎng)影響霍爾器件的輸出脈沖信號(hào)，其頻率與轉(zhuǎn)速成正比：

其中，n 為電機(jī)轉(zhuǎn)速；P 為電機(jī)轉(zhuǎn)一圈的脈沖數(shù)；T 為輸出方波信號(hào)周期。本實(shí)驗(yàn)中選擇型號(hào)為NJK-5002c 的霍爾開(kāi)關(guān)。

霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器原理：它由磁性轉(zhuǎn)盤和霍爾開(kāi)關(guān)集成傳感器組成，將磁性轉(zhuǎn)盤的輸入軸與被測(cè)轉(zhuǎn)軸相連，當(dāng)被測(cè)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，磁性轉(zhuǎn)盤跟隨轉(zhuǎn)動(dòng)，安裝在磁性轉(zhuǎn)盤附近的霍爾開(kāi)關(guān)集成傳感器會(huì)在每一個(gè)小磁鐵通過(guò)的時(shí)候產(chǎn)生一個(gè)脈沖。能夠檢測(cè)出單位時(shí)間內(nèi)的脈沖數(shù)，就可以知道被測(cè)物體的速度。磁性轉(zhuǎn)盤上小磁鐵的數(shù)量越多，傳感器的分辨率越高。

測(cè)量轉(zhuǎn)速度首先是將速度表示為可編程控制器可識(shí)別的脈沖信號(hào)，以便對(duì)脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)?；魻柶骷鳛闇y(cè)量轉(zhuǎn)速系統(tǒng)的傳感器，具有體積小、質(zhì)量輕、使用壽命長(zhǎng)、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)。因此，選擇霍爾傳感器來(lái)檢測(cè)脈沖信號(hào)。當(dāng)車輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，傳感器運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生相應(yīng)頻率的脈沖信號(hào)。經(jīng)信號(hào)處理后輸出至計(jì)數(shù)器或其它脈沖計(jì)數(shù)裝置進(jìn)行轉(zhuǎn)速測(cè)量。程序中C0為增計(jì)數(shù)器，記錄車輪轉(zhuǎn)速n。

測(cè)速程序如圖6所示。

轉(zhuǎn)彎調(diào)速選擇PWM 直流電機(jī)調(diào)速器，PWM 是英文“Pulse Width Modulation”的縮寫，簡(jiǎn)稱脈寬調(diào)制，由于其特殊的性能，常被用于直流負(fù)載回路，調(diào)光燈或直流電機(jī)調(diào)速。PWM 調(diào)速器已經(jīng)在伺服、電信和能量的傳遞等領(lǐng)域得了到廣泛應(yīng)用。本實(shí)驗(yàn)調(diào)速用AQMH3615NS 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，尺寸小，支持電機(jī)電壓9～36V，欠壓保護(hù)，最大持續(xù)負(fù)載電流12A (無(wú)散熱)、15A (簡(jiǎn)易散熱)、20A（厚型大散熱器），類似L298驅(qū)動(dòng)邏輯，可三線控制調(diào)速、正反轉(zhuǎn)及剎車，支持滿PWM，可直接使用按鍵控制正反轉(zhuǎn)，脈寬調(diào)制的有效范圍0.1%～100%。

工作原理：改變輸出方波的占空比，使負(fù)載上的平均電流功率由0～100%改變，從而改變負(fù)載和電機(jī)轉(zhuǎn)速。PWM 的優(yōu)點(diǎn)是可以充分利用電源的能量和功率，電路效率高。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 測(cè)速實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

4 可行性驗(yàn)證

4.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

在完成了系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)后，需要對(duì)除草機(jī)器人的可行性進(jìn)行驗(yàn)證。最終選擇在黑龍江省八一農(nóng)墾大學(xué)的電氣與信息學(xué)院室外進(jìn)行調(diào)試。實(shí)驗(yàn)主要工具和裝置包括秒表、卷尺和筆記本電腦等。

4.2 測(cè)試內(nèi)容

對(duì)于除草機(jī)器人的整體來(lái)說(shuō)測(cè)試包括以下5步。

（1）測(cè)試電源工作情況，檢查各個(gè)元件是否連接好。除草機(jī)器人的各個(gè)模塊能否得到良好供電。

（2）結(jié)合程序檢測(cè)電路輸入，輸出部分是否正常工作。

（3）測(cè)試避障系統(tǒng)是否穩(wěn)定，將漫反射光電開(kāi)關(guān)的檢測(cè)距離調(diào)節(jié)到最佳位置。

（4）對(duì)小車工作中各種可能出現(xiàn)的一些情況進(jìn)行測(cè)試，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，解決問(wèn)題。

（5）整理數(shù)據(jù)，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析。

4.3 避障系統(tǒng)測(cè)試

漫反射光電開(kāi)關(guān)為除草機(jī)器人避障裝置，檢測(cè)距離為3～80cm（距離可調(diào)）。在具體的試驗(yàn)過(guò)程中選10～80cm 的檢測(cè)距離，檢測(cè)距離間隔為10cm。

試驗(yàn)在室內(nèi)進(jìn)行，兩個(gè)電機(jī)可以采用兩個(gè)發(fā)光二極管來(lái)模擬接受控制信號(hào)[7]。漫反射光電開(kāi)關(guān)在設(shè)定距離范圍內(nèi)沒(méi)有檢測(cè)到障礙物的時(shí)候，發(fā)光二極管發(fā)光；當(dāng)漫反射光電開(kāi)關(guān)檢測(cè)到設(shè)定距離內(nèi)出現(xiàn)障礙物時(shí)，發(fā)光二極管熄滅。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

結(jié)果表明，在50cm 的距離范圍內(nèi)漫反射光電測(cè)量的誤差值小，對(duì)除草機(jī)器人的避障效果較好。在多次實(shí)際的試驗(yàn)中，測(cè)試距離會(huì)受到障礙物大小的影響而出現(xiàn)偏差，障礙物的大小會(huì)影響漫反射光電開(kāi)關(guān)的檢測(cè)準(zhǔn)確度，有時(shí)造成誤檢測(cè)而導(dǎo)致系統(tǒng)的不穩(wěn)定。

4.4 樣機(jī)測(cè)試

經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)，最終選擇在平坦的路上和在壟溝中對(duì)除草機(jī)器人進(jìn)行測(cè)試，在壟溝中的測(cè)試路徑如圖7所示，通過(guò)對(duì)硬件軟件多次調(diào)試，以達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)；但是在機(jī)器人避障過(guò)程中仍存在著不夠穩(wěn)定的缺點(diǎn)，今后對(duì)路徑規(guī)劃算法方面還需要進(jìn)行進(jìn)一步地改進(jìn)和完善。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文在分析了國(guó)內(nèi)外除草機(jī)器人發(fā)展和研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，提出了一種基于PLC 控制的除草機(jī)器人總體設(shè)計(jì)方案。該設(shè)備的制作已經(jīng)完成。經(jīng)過(guò)可行性驗(yàn)證，該除草機(jī)器人可以提高除草效率，減少人工數(shù)量。符合目前農(nóng)業(yè)智能化、高效化方向發(fā)展。