洪曉瑋，陳 勇，楊超淞，周衛(wèi)鵬

（1.南京林業(yè)大學(xué) 機(jī)械電子工程學(xué)院，南京 210037；2.鎮(zhèn)江市臨泰農(nóng)業(yè)科技有限公司，鎮(zhèn)江 212000）

0 引言

雜草不僅與作物爭奪水分和養(yǎng)料，而且促進(jìn)了病蟲鼠害的滋生。目前，雜草防除方法有人工除草、化學(xué)除草和生物除草等。人工除草勞動強(qiáng)度大且效率低?；瘜W(xué)除草見效快，但是容易造成環(huán)境污染。生物除草雖然環(huán)保，但是不適用于突發(fā)性的草害。國內(nèi)外研究人員從上世紀(jì)80年代起開始雜草識別和除草機(jī)器人研究以部分取代人工除草作業(yè)[1～3]。

美國加州大學(xué)研制了一種棉田除草機(jī)器人[4]，該機(jī)器人安裝有機(jī)器視覺系統(tǒng)和噴嘴，視覺系統(tǒng)識別出雜草后，噴嘴噴出藥劑進(jìn)行除草作業(yè)。日本北海道大學(xué)設(shè)計了一種葡萄園除草機(jī)器人[5]，該機(jī)器人在車頭安裝有一個兩自由度的機(jī)械臂并在機(jī)械臂下方安裝有圓鋸片，機(jī)械臂帶動圓鋸片移動從而切除雜草。江蘇大學(xué)研制了一種用于作物株間除草的機(jī)器人[6]，該機(jī)器人通過機(jī)身上的八爪式機(jī)械除草裝置進(jìn)行除草作業(yè)。華南理工大學(xué)設(shè)計了一種水田除草機(jī)器人[7]，該機(jī)器人利用兩個履帶行走機(jī)構(gòu)將雜草壓平，并通過水中的泥漿限制光合作用從而破壞雜草的生長環(huán)境。南京林業(yè)大學(xué)也對雜草識別和機(jī)器人除草技術(shù)進(jìn)行了深入研究[8～10]。目前，對用于玉米、甜菜等大田除草的雜草識別和機(jī)器人除草技術(shù)研究較多，而對用于有機(jī)蔬菜大棚內(nèi)除草作業(yè)的相關(guān)技術(shù)研究較少。

針對上述問題，本文研發(fā)了一種適用于有機(jī)蔬菜大棚的除草機(jī)器人。該機(jī)器人通過原地轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)零轉(zhuǎn)彎半徑的轉(zhuǎn)向，適用于溫室大棚狹小的空間；同時，該機(jī)器人通過智能識別雜草并沿著設(shè)定路徑行駛，從而全自主地進(jìn)行機(jī)械除草作業(yè)。

1 總體方案設(shè)計

圖1為有機(jī)蔬菜大棚內(nèi)部示意圖，大棚內(nèi)有4壟菜地。機(jī)器人先沿著一壟菜地行駛到一片農(nóng)作物區(qū)域上方，然后進(jìn)行雜草識別并挖除雜草，當(dāng)該區(qū)域的雜草挖除干凈后，機(jī)器人再次啟動行駛到下一區(qū)域進(jìn)行除草。如此往復(fù)，全自主地完成在整個大棚內(nèi)的除草作業(yè)。

圖1 大棚內(nèi)部示意圖

機(jī)器人基于磁導(dǎo)航沿著第1壟菜地從起始行駛至末端，然后從第1壟橫向行駛到第2壟，不需要轉(zhuǎn)彎半徑。機(jī)器人以同樣的方式行駛，直至完成整個過程，運(yùn)動軌跡如圖2所示。磁導(dǎo)航所需的磁條安裝在大棚橫梁框架上，磁導(dǎo)航傳感器固定在機(jī)器人上面支架的頂部。利用模糊控制算法確保機(jī)器人沿著磁條行駛。

圖2 機(jī)器人運(yùn)動軌跡圖

2 機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 整體設(shè)計

除草機(jī)器人由車架、末端執(zhí)行器、行走機(jī)構(gòu)、原地轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、組合式線性模組、磁導(dǎo)航傳感器和攝像頭等組成，如圖3所示。該機(jī)器人采用四輪式行走機(jī)構(gòu)，以輪轂電機(jī)為驅(qū)動裝置，使得機(jī)器人能夠沿著田壟并橫跨于農(nóng)作物行駛；通過控制原地轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)中電機(jī)的轉(zhuǎn)向，使得機(jī)器人能夠完成壟與壟之間的橫向行駛；組合式線性模組能夠帶動末端執(zhí)行器在一定空間區(qū)域內(nèi)移動；末端執(zhí)行器采用三爪式結(jié)構(gòu)，能夠伸入土壤，實(shí)現(xiàn)挖除雜草的動作；磁導(dǎo)航傳感器使得機(jī)器人能夠沿設(shè)定路徑行駛。機(jī)器人使用左右兩個攝像頭識別雜草，兩個攝像頭固定安裝在Y軸線性模組底板的左右兩側(cè)。在開始除草作業(yè)前，Y軸線性模組移動到農(nóng)作物區(qū)域中央，攝像頭拍攝照片，獲得雜草圖像。

圖3 除草機(jī)器人結(jié)構(gòu)圖

圖4 原地轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)圖

2.2 行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計

2.2.1 結(jié)構(gòu)原理

大棚地面平坦，因此該機(jī)器人采用簡單靈活的四輪式行走機(jī)構(gòu)。因?yàn)檩嗇炿姍C(jī)將車輪與電機(jī)結(jié)合在一起，結(jié)構(gòu)緊湊，所以使用四個輪轂電機(jī)驅(qū)動機(jī)器人行駛。

2.2.2 輪轂電機(jī)的選型

機(jī)器人啟動時需要克服輪胎與地面間的滾動摩阻力偶矩，滾動摩阻力偶矩計算公式如下：

式(1)中：Mf為滾動摩阻力偶矩，N·mm；δ為滾動摩阻系數(shù)；Fn為地面對車輪產(chǎn)生的支持力，N。

根據(jù)大棚內(nèi)部結(jié)構(gòu)初步設(shè)定機(jī)器人長寬高尺寸為：1810mm×1310mm×1690mm，質(zhì)量為140kg。輪胎與地面的滾動摩阻系數(shù)δ=5，單個車輪支撐機(jī)器人1/4的質(zhì)量，所以單個車輪所受支持力為：

將上述參數(shù)代入式(1)，求得單個車輪滾動摩擦力偶矩為：

本文選用10吋輪轂電機(jī)，額定電壓為DC 36V，額定功率為180W，轉(zhuǎn)速為100r/min，輪胎外徑為直徑275mm。輪轂電機(jī)扭矩計算公式如下：

式(2)中：T為輪轂電機(jī)扭矩，N·m；P為輪轂電機(jī)輸入功率，kW；N為輪轂電機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min。

輪轂電機(jī)輸入功率P=0.18kW，轉(zhuǎn)速n=100r/min。

將上述參數(shù)代入式(2)，求得輪轂電機(jī)扭矩為：

因此，該輪轂電機(jī)滿足使用需求。

2.3 原地轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計

2.3.1 結(jié)構(gòu)原理

考慮到除草機(jī)器人在菜田壟與壟之間橫向行駛時需進(jìn)行直角轉(zhuǎn)彎，即車輪需要繞著垂直軸線旋轉(zhuǎn)90°，本文創(chuàng)新性地設(shè)計了一種原地轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)由減速步進(jìn)電機(jī)、車架、外支撐筒、內(nèi)軸、軸端法蘭蓋等組成，如圖4所示。轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)由最上端的減速步進(jìn)電機(jī)提供動力。電機(jī)機(jī)身固定在車架上，電機(jī)輸出軸將扭矩傳遞給內(nèi)軸，內(nèi)軸將扭矩傳遞給軸端法蘭蓋，軸端法蘭蓋與輪轂電機(jī)支架固定在一起，從而控制車輪進(jìn)行轉(zhuǎn)向。

2.3.2 步進(jìn)電機(jī)的選型

機(jī)器人原地轉(zhuǎn)向時需要克服車輪與地面間的阻力矩，原地轉(zhuǎn)向阻力矩計算公式[11]如下：

式(3)中：Mr為原地阻力矩，N·m；f為車輪與地面的摩擦系數(shù)；G1為機(jī)器人單根內(nèi)軸軸向負(fù)荷，N；p為汽車輪胎氣壓，MPa。

取f=0.7，p=0.25MPa，單根轉(zhuǎn)向軸負(fù)載為G1=343N。

將上述參數(shù)代入式(3)，求得原地轉(zhuǎn)向阻力矩為：

本文選用減速步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)向控制，電機(jī)額定電壓為DC24V，額定扭矩20N·m，滿載效率為95%。因?yàn)镸r

2.4 組合式線性模組的設(shè)計

根據(jù)大棚及菜地尺寸，本文設(shè)計了如圖5所示的組合式線性模組。兩X軸線性模組的有效行程為500mm，驅(qū)動電機(jī)額定扭矩為4.5N·m；Y軸線性模組的有效行程為1400mm，驅(qū)動電機(jī)額定扭矩為4.5N·m；Z軸線性模組的有效行程為600mm，驅(qū)動電機(jī)額定扭矩為0.64N·m。這些線性模組滑塊的移動速度范圍均為0～300mm/s。

圖5 組合式線性模組

該機(jī)構(gòu)的兩X軸線性模組固定在車架上，由一臺步進(jìn)電機(jī)通過傳動軸進(jìn)行同步驅(qū)動。Y軸線性模組機(jī)身固定在X軸線性模組的滑塊上，并能夠隨著滑塊作直線運(yùn)動。Z軸線性模組的滑塊與Y軸線性模組的滑塊固定在一起，使得Z軸線性模組能夠隨著Y軸線性模組左右移動，同時Z軸線性模組機(jī)身能夠上下移動。

2.5 末端執(zhí)行器設(shè)計

末端執(zhí)行器由步進(jìn)電機(jī)、聯(lián)軸器、外圓筒、連桿、抓桿、鏟子、梯形絲桿和螺母等組成，如圖6所示。末端執(zhí)行器安裝于Z軸線性模組底端，能夠隨著組合式線性模組在一定空間區(qū)域內(nèi)快速移動。該執(zhí)行器采用三爪式機(jī)構(gòu)，三個鏟子伸入土壤并挖除雜草。步進(jìn)電機(jī)輸出軸通過聯(lián)軸器與絲桿配合在一起，將步進(jìn)電機(jī)的扭矩傳遞給絲桿。絲桿上安裝有螺母，當(dāng)絲桿旋轉(zhuǎn)時，螺母能沿著絲桿上下移動。螺母圓周上等間距鉸接有3個連桿，外圓筒圓周上等間距鉸接有3個抓桿，抓桿與連桿間為鉸接。抓桿下端與鏟子固定在一起，使得抓桿能夠繞著鉸鏈架作圓周運(yùn)動而鏟子則作向下并向中心軸收緊的運(yùn)動，從而實(shí)現(xiàn)對雜草的抓取動作。

圖6 末端執(zhí)行器

3 機(jī)器人控制系統(tǒng)

機(jī)器人的控制系統(tǒng)由攝像頭、FPGA開發(fā)板、DSP主板、磁導(dǎo)航傳感器、電機(jī)驅(qū)動器等組成，如圖7所示。FPGA開發(fā)板通過攝像頭采集圖像并從中識別出雜草，再將雜草的坐標(biāo)位置發(fā)送給DSP主板，DSP再通過驅(qū)動器控制相應(yīng)電機(jī)工作，使得機(jī)器人完成除草及行駛等動作。行駛中，磁傳感器實(shí)時檢測機(jī)器人與理想路徑偏差量，基于模糊控制算法確保機(jī)器人沿著設(shè)定路徑行駛。

圖7 機(jī)器人控制系統(tǒng)框圖

4 機(jī)器人制作及實(shí)驗(yàn)

本文根據(jù)上述設(shè)計制作了如圖8所示的除草機(jī)器人，該機(jī)器人的長寬高為：1820mm×1310mm×1690mm，實(shí)際質(zhì)量為155kg。

圖8 除草機(jī)器人實(shí)物圖

表1為磁導(dǎo)航實(shí)驗(yàn)的20組數(shù)據(jù)，偏移量為磁導(dǎo)航傳感器相對于磁條中心線的距離，機(jī)器人每行駛5m記錄一次數(shù)據(jù)。從表中可以看出，機(jī)器人的偏移誤差小于4cm，滿足田間使用需求。在該實(shí)驗(yàn)中，機(jī)器人能夠以0m/s～1.5m/s的速度平穩(wěn)地前進(jìn)后退，并且能夠可靠地完成原地轉(zhuǎn)向動作，說明機(jī)器人結(jié)構(gòu)原理正確且控制方案可行。

表1 磁導(dǎo)航實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

5 結(jié)語

本文研制的除草機(jī)器人適用于有機(jī)蔬菜大棚內(nèi)的除草作業(yè)，該機(jī)器人通過原地轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)能夠在狹小的空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向，轉(zhuǎn)彎半徑為零，提高了大棚內(nèi)部空間的利用率；機(jī)器人通過機(jī)器視覺和磁導(dǎo)航傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)智能雜草識別和全自主行駛。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，機(jī)器人沿著設(shè)定路徑行駛的偏差量小于4cm/500cm，滿足大棚應(yīng)用需求。