刁智華，閆嬌楠，張萌，賀振東，婁泰山，吳青娥

(鄭州輕工業(yè)大學(xué)電氣信息工程學(xué)院，鄭州市，450002)

0 引言

在農(nóng)業(yè)的發(fā)展中，對于從事農(nóng)業(yè)的工作者來說，農(nóng)田中的雜草是影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的首要敵人，它們對莊稼危害極大，因?yàn)殡s草要與莊稼爭奪養(yǎng)分、陽光、空氣和水。雜草越多，農(nóng)作物的產(chǎn)量會(huì)越小，隨之而來的是經(jīng)濟(jì)效益會(huì)受到很大影響，因此，除雜草成為農(nóng)業(yè)工作者在作業(yè)時(shí)的重中之重。目前，一般采用化學(xué)除草和機(jī)械除草兩種方式，但大面積噴灑除草劑對環(huán)境和人員造成的傷害極大，而機(jī)械除草精準(zhǔn)化、自動(dòng)化程度不高，若根部清除不凈會(huì)造成雜草二次重生，且兩種方式智能化水平有待提高，因此綠色除草工具智能除草機(jī)器人應(yīng)運(yùn)而生。

針對智能除草裝置國內(nèi)外已經(jīng)進(jìn)行了一些研究，國內(nèi)賈洪雷等[1]設(shè)計(jì)了一種在中耕期玉米田間使用的避苗除草裝置，但由于梳齒需進(jìn)入土壤工作，需要降低該裝置的作業(yè)阻力，還要克服梳齒間雜草纏繞、增加雜草的種類問題。陳振歆等[2]設(shè)計(jì)了彈齒式苗間除草裝置，但除草效果不理想，存在傷苗率高等問題。齊龍等[3]研制了步進(jìn)式水田中耕除草機(jī)，但步進(jìn)式除草機(jī)的工作效率較低、勞動(dòng)強(qiáng)度大。陳樹人等[4]基于LabVIEW設(shè)計(jì)了八爪式株間機(jī)械除草裝置的控制系統(tǒng)，但電磁吸合裝置的吸合時(shí)間存在一定的延遲響應(yīng)。張春龍等[5]研究了移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)，設(shè)計(jì)了三指手爪鋤草機(jī)械手，鋤草機(jī)械手的鋤草率可達(dá)90%以上，但沒有進(jìn)行室內(nèi)或者田間試驗(yàn)。胡煉等[6]研究了除草爪齒余擺運(yùn)動(dòng)原理的株間機(jī)械除草裝置，機(jī)具前進(jìn)速度的增加會(huì)導(dǎo)致傷苗率增大。蘆新春等[7]設(shè)計(jì)了一種圓盤式行間中耕除草施肥機(jī)，能克服單項(xiàng)作業(yè)帶來的不利影響。國外Choi等[8]研究了水田除草機(jī)器人的導(dǎo)航精度，但試驗(yàn)是在圖像噪聲很小的情況下進(jìn)行的，還有提高的空間。Thijs等[9]提出了從圖像層面、應(yīng)用層面、現(xiàn)場層面對噴灑機(jī)器人評估，根據(jù)機(jī)器人做出的噴灑決定來分析雜草檢測，能有效控制雜草，但噴灑系統(tǒng)的分辨率有待進(jìn)一步提高。Kanagasingham等[10]為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)除草機(jī)器人完全自主的雜草控制，開發(fā)了一種視覺作物行檢測算法。Cordill等[11]通過使雙齒載體接觸土壤，避開玉米秸稈，非特異性地去除行內(nèi)的雜草植物，但在雜草密度高的田地里，性能有所下降。

針對上述除草機(jī)器人在除草過程中出現(xiàn)的問題，本文從機(jī)器人機(jī)械臂末端出發(fā)，設(shè)計(jì)了一種機(jī)械+化學(xué)的除草結(jié)構(gòu)和手動(dòng)+自動(dòng)的工作模式，基于ROS系統(tǒng)的ARM11主控板和STM32從控制板相互配合，驅(qū)動(dòng)玉米除草機(jī)器人行走，控制機(jī)器人機(jī)械臂末端執(zhí)行組件完成除草工作，并且在除草后的雜草部位精準(zhǔn)噴射除草劑保證徹底清除雜草。上述方法為玉米除草機(jī)器人后續(xù)研究提供了有效參考。

1 玉米除草機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

玉米除草機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括小車主體、輪動(dòng)裝置、機(jī)械臂以及機(jī)械臂末端執(zhí)行組件。玉米除草機(jī)器人主體上安裝輪動(dòng)裝置，輪動(dòng)裝置由安裝在小車內(nèi)部的驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)運(yùn)行。小車主體上安裝有機(jī)械臂和機(jī)械臂末端執(zhí)行組件，機(jī)械臂各關(guān)節(jié)處和末端執(zhí)行組件處安裝有電機(jī)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)和控制裝置安裝在小車主體內(nèi)部。除草機(jī)器人主體前側(cè)安裝有視覺傳感器，可采集和傳輸圖像數(shù)據(jù)至小車主體內(nèi)部的控制裝置進(jìn)行處理，小車內(nèi)置有驅(qū)動(dòng)裝置、控制裝置、化學(xué)除草裝置、供電模塊、通信模塊、機(jī)械臂。

圖1 除草機(jī)器人結(jié)構(gòu)Fig. 1 Structure of the weeding robot1.視覺傳感器 2.針型噴霧頭 3.轉(zhuǎn)臺(tái) 4.鋸齒圓形刀片 5.旋轉(zhuǎn)電機(jī)Ⅱ 6.小臂 7.肘部舵機(jī) 8.大臂 9.肩座舵機(jī) 10.肩座 11.基座舵機(jī) 12.基座 13.小車主體 14.集草箱 15.車輪 16.壓力傳感器 17.除草劑瓶 18.旋轉(zhuǎn)云臺(tái) 19.旋轉(zhuǎn)電機(jī)Ⅰ 20.WiFi路由器

除草機(jī)器人上的視覺傳感器捕捉玉米和雜草圖像信息，經(jīng)過處理定位雜草位置，測量距離。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)行駛輪使機(jī)器人到達(dá)指定位置。機(jī)械臂各關(guān)節(jié)電機(jī)控制肩部、大臂、小臂的上下移動(dòng)，相互配合使除草機(jī)器人的末端執(zhí)行組件到達(dá)雜草位置。末端執(zhí)行組件完成除草的3個(gè)功能，旋轉(zhuǎn)機(jī)芯盤的鋸齒圓形刀片左右旋轉(zhuǎn)，在機(jī)械臂的配合下完成除草工作；合金抓手在旋轉(zhuǎn)機(jī)芯盤和機(jī)械臂的配合下將雜草放入集草箱；最后打開電磁閥針型噴霧頭對雜草切割部位進(jìn)行精準(zhǔn)噴射。

1.2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

1.2.1 小車主體設(shè)計(jì)

在對除草機(jī)器人的設(shè)計(jì)中，優(yōu)先設(shè)計(jì)小車主體部分。目前常用的小車分為兩種，一種是履帶式小車，一種是輪式小車。這兩種小車作為除草機(jī)器人的主體架構(gòu)都有較高的穩(wěn)定性，能在復(fù)雜的地面環(huán)境下工作。其中，履帶式小車的平穩(wěn)性要優(yōu)于輪式小車，但在除草的過程中容易嵌入雜物，易損壞，維修或者更換部件更復(fù)雜，因此，本設(shè)計(jì)優(yōu)先采用輪式小車。車身部分包括底盤和車輪。

1) 底盤。對底盤的設(shè)計(jì)務(wù)必要保持剛性，不僅是為了要承載機(jī)器人上的電源部分、電路部分和末端執(zhí)行組件部分，還要保證機(jī)器人在使用中不發(fā)生故障。由以上條件，設(shè)計(jì)了長為600 mm，寬為400 mm，厚為2 mm的底盤，并在底盤上設(shè)計(jì)出需要的孔徑。

2) 車輪部分。車輪部分是小車的驅(qū)動(dòng)核心，安裝在底盤下方。車輪部分包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)和橡膠車輪，驅(qū)動(dòng)電機(jī)安裝在車輪上并與車輪連接，且驅(qū)動(dòng)電機(jī)與控制裝置相連接。除草機(jī)器人的工作環(huán)境復(fù)雜，在選用電機(jī)時(shí)優(yōu)先考慮動(dòng)力性能，對電機(jī)的轉(zhuǎn)速要求不高，但是要能通過單片機(jī)輸出的PWM波來進(jìn)行控制轉(zhuǎn)速。綜合上述條件，選擇了大扭力減速電機(jī)(額定電壓12 V，50 r/min)，額定功率30 W，并且最大扭力為91 kg，可以滿足除草機(jī)器人的動(dòng)力需求。

1.2.2 機(jī)械臂設(shè)計(jì)

如圖1所示，除草機(jī)器人機(jī)械臂放置于小車頂部包括旋轉(zhuǎn)云臺(tái)、基座、肩部、肩關(guān)節(jié)、大臂、肘關(guān)節(jié)、小臂、腕關(guān)節(jié)[12-18]，表1為機(jī)械臂的尺寸參數(shù)。旋轉(zhuǎn)云臺(tái)由旋轉(zhuǎn)電機(jī)、金屬圓形大軸承、轉(zhuǎn)盤和配件構(gòu)成，金屬軸承連接旋轉(zhuǎn)電機(jī)和轉(zhuǎn)盤，可在旋轉(zhuǎn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下順時(shí)針逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，金屬大軸承可減小電機(jī)旋轉(zhuǎn)造成的摩擦?；颗c旋轉(zhuǎn)云臺(tái)固定在一起，起到承重和支撐的作用，基部、肩關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)處安裝舵機(jī)控制肩部、大臂、小臂的移動(dòng)，腕關(guān)節(jié)為一圓形軸承加旋轉(zhuǎn)電機(jī)，旋轉(zhuǎn)電機(jī)的輸出軸連接圓形軸承，軸承可在電機(jī)的作用下旋轉(zhuǎn)。

表1 機(jī)械臂尺寸參數(shù)Tab. 1 Mechanical arm size parameters mm

1.2.3 機(jī)械臂末端執(zhí)行組件設(shè)計(jì)

除草機(jī)器人機(jī)械臂末端執(zhí)行組件為人字形結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)盤，如圖2所示，由鋸齒圓形刀片、合金抓手、針型噴霧頭組成。人字形結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)盤的厚度大約40 mm，通過螺釘與腕關(guān)節(jié)圓形軸承固定在一起，可以隨圓形軸承的旋轉(zhuǎn)而旋轉(zhuǎn)。針型噴霧頭通過連接桿與舵機(jī)連接，并用螺絲固定于人字形結(jié)構(gòu)一端，化學(xué)除草裝置由除草劑和電磁噴霧控制器組成，電磁噴霧控制器的輸入管道連接除草劑瓶，輸出管道連接機(jī)械臂末端執(zhí)行組件的針型噴霧頭。物理除草裝置鋸齒圓形刀片和合金抓手通過連接件也分別固定在人字形結(jié)構(gòu)另外兩端，鋸齒圓形刀片采用40齒錳鋼刀片，外圍120 mm，對玉米地雜草輕松切割。合金抓手使用ROBOTIQ電動(dòng)夾爪，手指開合最大距離為155 mm，能夾持最多5 kg負(fù)載。三端呈120°夾角分布。

圖2 機(jī)械臂末端執(zhí)行組件Fig. 2 Terminal execution unit of the mechanical arm1.鋸齒圓形刀片 2.針型噴霧頭 3.合金抓手

末端執(zhí)行組件通過步進(jìn)電機(jī)調(diào)整與雜草、地面的位置。電機(jī)與末端執(zhí)行組件之間是螺桿傳動(dòng)，機(jī)械傳動(dòng)比

式中：v1——電機(jī)的轉(zhuǎn)速，r/min；

v2——螺桿的轉(zhuǎn)速，r/min。

一個(gè)電源脈沖，對應(yīng)電機(jī)前進(jìn)一步，被驅(qū)動(dòng)的末端執(zhí)行組件平移的距離叫步距，螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)一周末端執(zhí)行組件的平移距離叫螺距。假如電機(jī)轉(zhuǎn)一周需要6p個(gè)脈沖，那么末端執(zhí)行組件平移的距離就是一個(gè)步距，計(jì)算公式為

式中：l——步距，mm；

d——螺距，mm；

p——電機(jī)極對數(shù)。

若d=1 mm，i=1∶1，那么電機(jī)轉(zhuǎn)一周，末端執(zhí)行組件平移1 mm，l=1/6pmm。

若d=1 mm，i=10∶1，那么電機(jī)轉(zhuǎn)一周，末端執(zhí)行組件平移0.1 mm，l=0.1/6pmm。

若d=1 mm，i=100∶1，那么電機(jī)轉(zhuǎn)一周，末端執(zhí)行組件平移0.01 mm，l=0.01/6pmm。

步進(jìn)電機(jī)控制末端執(zhí)行組件到達(dá)雜草的位置時(shí)，鋸齒圓形刀片先開始動(dòng)作，在轉(zhuǎn)盤的旋轉(zhuǎn)下來回切割雜草，所以刀片的作業(yè)速度由轉(zhuǎn)盤的旋轉(zhuǎn)速度決定，刀片上任一瞬間的速度為

當(dāng)ωt=π+2kπ(k=0，1，2，…，n)時(shí)，則

vj=rω

式中：vj——刀片的切割速度，m/s；

r——刀片內(nèi)端半徑，mm；

ω——轉(zhuǎn)盤的角速度，rad/s。

2 基于WiFi的玉米除草機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 玉米除草機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

除草機(jī)器人的控制系統(tǒng)如圖3(a)所示，基于Linux操作系統(tǒng)，采用ROS集成開發(fā)環(huán)境開發(fā)的ARM11主控板和3塊STM32從控制板實(shí)現(xiàn)控制操作。ARM11主控板通過串口接收STM32從控制板發(fā)來的數(shù)據(jù)，基于ROS_serial節(jié)點(diǎn)橋梁功能，按數(shù)據(jù)協(xié)議發(fā)布msg消息到ros通信網(wǎng)絡(luò)；ARM11主控板到STM32從控制板的通信為ARM11主控板從ros網(wǎng)絡(luò)接收話題消息，通過串口傳輸?shù)絊TM32從控制板，以控制底層驅(qū)動(dòng)。

(a) 除草機(jī)器人控制系統(tǒng)

(b) 除草機(jī)器人通信設(shè)計(jì)圖3 玉米除草機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)Fig. 3 Design of control system for corn weeding robot

ARM11主控板用于避障和檢測識(shí)別雜草以及向STM32從控制板下發(fā)指令，且從控制板1用于控制機(jī)械臂組件，從控制板2用于控制機(jī)械臂末端執(zhí)行組件，從控制板3用于控制輪動(dòng)電機(jī)。具體為視覺傳感器模組的圖像輸出接口連接主控板，并將采集到的圖像數(shù)據(jù)傳輸給主控板進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)主控板避障和檢測識(shí)別雜草的功能。旋轉(zhuǎn)電機(jī)Ⅰ、基座舵機(jī)、肩座舵機(jī)和肘部舵機(jī)的信號(hào)線均與從控制板1相連接，從控制板1通過調(diào)節(jié)脈沖寬度來驅(qū)動(dòng)基座舵機(jī)、肩座舵機(jī)和肘部舵機(jī)，從而調(diào)節(jié)肩座、大臂、小臂的移動(dòng)；同時(shí)從控制板1通過輸出信號(hào)來控制旋轉(zhuǎn)電機(jī)Ⅰ的正反向旋轉(zhuǎn)，以調(diào)節(jié)機(jī)械臂所指的方向。旋轉(zhuǎn)電機(jī)Ⅱ、執(zhí)行電機(jī)和電磁噴霧控制器的信號(hào)線均與從控制板2相連接，從控制板2通過輸出控制信號(hào)來控制整個(gè)執(zhí)行組件的運(yùn)行以及化學(xué)除草劑的噴灑。輪動(dòng)電機(jī)與從控制板3相連接，當(dāng)主控板識(shí)別出雜草后，主控板能夠根據(jù)像素坐標(biāo)系到世界坐標(biāo)系下的轉(zhuǎn)換關(guān)系獲取空間位置，并將位置信息通過串口傳輸給從控制板3，從控制板3下發(fā)指令并輸出PWM波通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)輪動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，使小車主體到達(dá)指定位置；且輪動(dòng)電機(jī)連接從控制板3的芯片編碼器，實(shí)現(xiàn)從控制板3能夠獲取輪動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速值并回傳給主控板。

2.2 基于WiFi的玉米除草機(jī)器人通信設(shè)計(jì)

除草機(jī)器人和手機(jī)控制端通過大功率WiFi中繼器實(shí)現(xiàn)無線通信，不僅通信可靠而且方便快捷。該手機(jī)控制端的功能有兩個(gè)，一是實(shí)時(shí)接收視覺傳感器實(shí)時(shí)回傳的圖像信息，監(jiān)測除草動(dòng)態(tài)；二是通過WiFi模塊、WiFi路由器、WiFi中繼器所建立的通信信道向主控板發(fā)送指令。除草機(jī)器人的通信設(shè)計(jì)如圖3(b)所示[19-20]。除草機(jī)器人通信模塊為WiFi路由器安裝在小車上，用來捕捉圖像的視覺傳感器安裝在小車前端外側(cè)，視覺傳感器采用CMOS數(shù)字圖像傳感器作為數(shù)字化采集單元，其型號(hào)為MT9V022IA7ATC，其連接的視覺傳感器模組安裝在小車前端內(nèi)側(cè)，視覺傳感器模組采用DSP信號(hào)處理芯片，其型號(hào)為ADSP-BF592KCPZ-2，視覺傳感器模組的網(wǎng)絡(luò)接口連接WiFi路由器，通過大功率WiFi中繼器實(shí)時(shí)回傳視頻至手機(jī)控制端，所述視覺傳感器模組的圖像輸出接口連接ARM主控板的HDMI接口，將采集到的圖像數(shù)據(jù)交給ARM主控板進(jìn)行算法處理。ARM主控板內(nèi)置WiFi模塊，通過WiFi路由器、大功率WiFi中繼器與手機(jī)控制端傳輸指令。

3 玉米除草機(jī)器人控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 采集和處理圖像

視覺傳感器采用CMOS傳感器作為數(shù)字化采集單元，通過視覺傳感器獲取玉米和雜草圖像信息，并將數(shù)字信號(hào)傳輸?shù)紸RM處理器進(jìn)行處理[21-24]。ARM處理器對采集到的圖像信息，基于最大正方形原理的玉米作物行骨架提取算法，進(jìn)行灰度化、閾值分割、濾波處理，區(qū)分玉米作物和雜草，準(zhǔn)確定位雜草位置，測算距離，將位置和距離信息通過串口輸出信號(hào)給STM32從控制板，為后續(xù)的除草機(jī)器人執(zhí)行動(dòng)作控制提供信息。除草機(jī)器人整體控制流程如圖4所示。

圖4 除草機(jī)器人整體控制Fig. 4 Overall control of weeding robot

3.2 除草機(jī)器人運(yùn)動(dòng)功能實(shí)現(xiàn)

STM32從控制板3輸出信號(hào)，控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)行駛輪，使除草機(jī)器人行走到指定位置，然后STM32從控制板1驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂各關(guān)節(jié)電機(jī)，控制肩部、大臂、小臂的向上向下移動(dòng)，相互配合使除草機(jī)器人的末端執(zhí)行組件到達(dá)雜草位置。STM32從控制板3的編碼器引腳與步進(jìn)電機(jī)的AB相連接，GPIO引腳連接電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制行駛輪的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，PWM引腳連接電機(jī)驅(qū)動(dòng)，STM32從控制板3控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)行駛輪行駛的步驟為：打開PWM設(shè)置轉(zhuǎn)速，同時(shí)使用_HAL_TIM_GET_COUNTER()獲取電機(jī)編碼器的tick值，根據(jù)時(shí)間獲取當(dāng)前時(shí)刻轉(zhuǎn)速值，根據(jù)轉(zhuǎn)速的誤差進(jìn)而產(chǎn)生PWM波，再用PWM波控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，做一個(gè)閉環(huán)控制。

3.3 末端執(zhí)行組件除草功能算法實(shí)現(xiàn)

玉米除草機(jī)器人的末端執(zhí)行組件開始完成除草工作的三步走，鋸齒圓形刀片固定在旋轉(zhuǎn)機(jī)芯盤上，在旋轉(zhuǎn)機(jī)芯盤左右旋轉(zhuǎn)和機(jī)械臂配合下，完成鋸齒圓形刀片松土除草工作，在旋轉(zhuǎn)機(jī)芯盤和機(jī)械臂配合下，完成合金抓手抓取雜草并放入集草箱，在旋轉(zhuǎn)機(jī)芯盤和機(jī)械臂配合下，STM32從控制板控制打開電磁閥完成針型噴霧頭的精準(zhǔn)噴射。

除草機(jī)器人完成鋸齒圓形刀片的松土除草算法如下。

1) STM32從控制板2的MCU對腕部旋轉(zhuǎn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行初始化，然后驅(qū)動(dòng)器對旋轉(zhuǎn)電機(jī)進(jìn)行初始化，MCU把相應(yīng)頻率的脈沖信號(hào)傳送至驅(qū)動(dòng)器，通過驅(qū)動(dòng)器的緩存配置，控制腕部旋轉(zhuǎn)電機(jī)按照要求的脈沖數(shù)進(jìn)行逆時(shí)針或順時(shí)針運(yùn)行，直到旋轉(zhuǎn)相應(yīng)的角度后，使鋸齒圓形刀片位于末端旋轉(zhuǎn)機(jī)芯盤正下方。

2) STM32從控制板1的MCU輸出控制信號(hào)控制機(jī)械臂的肩部、大臂、小臂移動(dòng)，直至鋸齒圓形刀片靠近除草位置。

3) STM32從控制板2的MCU中斷對腕部旋轉(zhuǎn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器初始化，設(shè)置相應(yīng)頻率的連續(xù)脈沖信號(hào)，通過驅(qū)動(dòng)器的緩存配置，控制旋轉(zhuǎn)電機(jī)順時(shí)針和逆時(shí)針往復(fù)旋轉(zhuǎn)，同時(shí)控制機(jī)械臂配合，使鋸齒圓形刀片不斷向除草位置遞進(jìn)，切除雜草。

4) STM32從控制板2的MCU控制腕部旋轉(zhuǎn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，使針型噴霧頭正對除草位置，然后輸出信號(hào)控制電磁噴霧器，使針型噴霧頭噴射除草劑，避免殘留物重生。

5) STM32從控制板2的MCU控制腕部旋轉(zhuǎn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，使合金抓手正對除草位置，然后輸出信號(hào)給合金抓手舵機(jī)，控制抓手完成雜草的夾持工作。

6) STM32從控制板1的MCU控制機(jī)械臂旋轉(zhuǎn)云臺(tái)旋轉(zhuǎn)，使機(jī)械臂順時(shí)針或逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)180°，然后驅(qū)動(dòng)肩部、大臂、小臂協(xié)調(diào)配合，然后STM32從控制板2的MCU輸出信號(hào)打開合金抓手，完成雜草放入集草箱的動(dòng)作，集草箱的底部安裝有壓力傳感器，且壓力傳感器連接主控板，壓力傳感器用于實(shí)時(shí)監(jiān)測所收集的雜草重量并傳輸給主控板，且主控板內(nèi)預(yù)設(shè)有重量閾值，當(dāng)集草箱內(nèi)的雜草重量超過該重量閾值時(shí)，主控板將超重信號(hào)反饋給控制終端以提醒及時(shí)處理。

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)在室內(nèi)土槽試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行，除草區(qū)長度20 m，寬度1.5 m，土槽深0.5 m，土槽面積30 m2。在現(xiàn)有試驗(yàn)條件下，為增加幼苗及雜草的數(shù)量，加大了幼苗密度，苗間距300 mm，每行幼苗為60株。泥腳深度為200～250 mm，最深達(dá)350 mm，平均株高150 mm，由于在室內(nèi)試驗(yàn)，雜草人工種植，主要為稗草、狗尾巴草、馬齒莧。

4.1 試驗(yàn)評價(jià)指標(biāo)

除草率和傷苗率是檢測除草作業(yè)質(zhì)量的主要指標(biāo)[3]。所以，選擇除草率和傷苗率作為除草作業(yè)任務(wù)的評價(jià)指標(biāo)。

除草機(jī)器人除草率

式中：X——檢測區(qū)域內(nèi)除草前雜草數(shù)；

Y——檢測區(qū)域內(nèi)除草后雜草數(shù)。

傷苗指的是在除草作業(yè)過程中，玉米苗被機(jī)器打斷、掩埋、連根拔起等情況，傷苗率

式中：M——除草后檢測區(qū)域內(nèi)損傷玉米苗數(shù)；

N——檢測區(qū)域內(nèi)總玉米苗數(shù)。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

對智能除草機(jī)器人的作業(yè)性能進(jìn)行測試，如圖5所示。本文通過試驗(yàn)設(shè)計(jì)的方法，選擇除草部件類型、工作速度、除草深度3因素3水平進(jìn)行正交試驗(yàn)，試驗(yàn)因素與水平如表2所示。根據(jù)理論分析預(yù)估各因素的取值，機(jī)具工作速度的取值范圍是0.6～0.8 m/s，除草深度的取值范圍是25～45 mm。通過正交試驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，選擇除草率和傷苗率作為試驗(yàn)指標(biāo)，正交試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

圖5 切割部位噴灑除草劑Fig. 5 Spraying herbicide at cutting site

表2 試驗(yàn)因素與水平Tab. 2 Factors and levels of text

表3 正交試驗(yàn)結(jié)果Tab. 3 Results of orthogonal experiment

由表3可知，在保證除草深度不變時(shí)，末端執(zhí)行組件的除草率最高，并且機(jī)具在低速運(yùn)行時(shí)除草率達(dá)到最高97.6%，末端執(zhí)行組件和單一除草部件相比較傷苗率明顯偏低為1.6%。為了能更清楚地看出來各因素的主次順序，對除草機(jī)器人的除草率和傷苗率做進(jìn)一步分析，分別求出均值和極差，如表4所示。

表4 除草率和傷苗率均值、極差Tab. 4 Weeding rate and seedling injury rate mean and range

由表4分析可得，當(dāng)只考慮除草機(jī)器人的除草率時(shí)，各因素影響除草率的主次順序?yàn)槌莶考愋?除草深度>工作速度；當(dāng)只考慮除草機(jī)器人的傷苗率時(shí)，各因素影響傷苗率的主次順序?yàn)楣ぷ魉俣?除草深度>除草部件類型。由此可得，最優(yōu)組合是除草部件類型為末端執(zhí)行組件、工作速度為0.6 m/s、除草深度為30 mm。在最優(yōu)組合下，平均除草率為94.9%，平均傷苗率為1.9%。

本文設(shè)計(jì)的是基于WiFi通信的除草系統(tǒng)包括手動(dòng)除草和機(jī)械除草，由于通信可靠，工作效率更高，除草效果更好。除草機(jī)器人機(jī)械臂末端執(zhí)行組件中的鋸齒圓形刀片的入土深度越大，對于雜草根土復(fù)合體的破壞作用越強(qiáng)烈，利于合金抓手抓取雜草，在配合針型噴霧除草劑，使得除草率增加。但是由于鋸齒圓形刀片扎進(jìn)土壤中，會(huì)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的阻力，所以在機(jī)具前進(jìn)的除草中，會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)位、移位的偏差，出現(xiàn)傷苗現(xiàn)象。除此之外，機(jī)具的前進(jìn)速度越快，對除草裝置的避苗動(dòng)作的反應(yīng)靈敏度要求越高，因此，過快的機(jī)具前進(jìn)速度也是造成傷苗的原因之一。

5 結(jié)論

1) 本文設(shè)計(jì)了一種基于WiFi通信的玉米除草機(jī)器人，除草機(jī)器人機(jī)械臂末端執(zhí)行組件為人字形結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)盤，由鋸齒圓形刀片、合金抓手、針型噴霧頭組成。機(jī)械除草過程是用40齒錳鋼鋸齒圓形刀片切割雜草，切割范圍120 mm，然后使用ROBOTIQ電動(dòng)夾爪夾持切割過的雜草，夾爪開合最大距離為155 mm，能夾持最多5 kg負(fù)載。利用鋸齒圓形刀片和合金抓手處理完雜草后，再用針型噴霧頭對準(zhǔn)切割雜草部位噴射農(nóng)藥，保證除草更加徹底。

2) 玉米除草機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)是基于Linux操作系統(tǒng)，采用ROS集成開發(fā)環(huán)境開發(fā)的ARM11主控板和3塊STM32從控制板實(shí)現(xiàn)控制操作。通信設(shè)計(jì)是玉米除草機(jī)器人和手機(jī)控制端通過大功率WiFi中繼器實(shí)現(xiàn)無線通信的，并且手機(jī)控制端能實(shí)時(shí)接收視覺傳感器實(shí)時(shí)回傳的信息。

3) 通過正交試驗(yàn)分析可知除草機(jī)器人在工作速度為0.6 m/s、除草深度為30 mm，除草部件類型為末端執(zhí)行組件時(shí)除草率最高，是該除草機(jī)器人的最優(yōu)組合，平均除草率為94.9%，平均傷苗率為1.9%。本設(shè)計(jì)經(jīng)過土槽試驗(yàn)表明具有較好的作業(yè)性能，智能化程度高，可以為農(nóng)業(yè)除草裝置的后續(xù)研究提供參考。