楊 震

（重慶科技學(xué)院，重慶 401331）

未來(lái)全球人口攀升，農(nóng)業(yè)消費(fèi)將會(huì)上漲，而農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力卻在減少，農(nóng)業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用可以緩解勞動(dòng)力壓力，使枯燥且重復(fù)性播種任務(wù)轉(zhuǎn)為自動(dòng)化與機(jī)械化模式，提高農(nóng)業(yè)播種效率，滿足日益增長(zhǎng)的農(nóng)業(yè)消費(fèi)需求。

1 農(nóng)業(yè)播種機(jī)器人的設(shè)計(jì)與工作原理

1.1 零部件設(shè)計(jì)

農(nóng)業(yè)工程領(lǐng)域現(xiàn)已成功研發(fā)出專門(mén)的水稻插秧機(jī)器人、采摘機(jī)器人以及除草機(jī)器人等[1]。農(nóng)業(yè)播種機(jī)器人中涵蓋移動(dòng)機(jī)構(gòu)和播種機(jī)構(gòu)，底座采用四輪設(shè)計(jì)方式，方便機(jī)器人在不平坦的地形上自由移動(dòng)，并在曲柄滑塊的概念下完成高效播種。關(guān)于播種機(jī)器人的重要零部件設(shè)計(jì)，大致內(nèi)容如下。

1）播種機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。采用曲柄滑塊機(jī)構(gòu)完成農(nóng)作物的播種，在曲柄滑塊的作用下，種子被機(jī)器人播入土壤，并到達(dá)適當(dāng)?shù)耐寥郎疃?，提高種子發(fā)芽率。曲柄滑塊和種子存儲(chǔ)機(jī)構(gòu)之間相互連接，由機(jī)器人上的存儲(chǔ)容器決定機(jī)構(gòu)運(yùn)行情況[2]。種子存儲(chǔ)容器當(dāng)中，圓形板憑借著曲柄滑塊的運(yùn)動(dòng)，讓種子成功從容器內(nèi)分發(fā)到軟管中，種子通過(guò)軟管完成播種，每次可播種1粒種子，種子發(fā)芽成功率顯著提升[3]。設(shè)備運(yùn)行主要有自主和手動(dòng)兩種模式，操作者手動(dòng)將機(jī)器人移動(dòng)，使其位于播種的最佳位置，再開(kāi)啟自主播種模式，機(jī)器人可沿著直線朝前行進(jìn)，并按照系統(tǒng)既定的行走距離停止，重復(fù)播種的操作[4]。

2）電池外殼設(shè)計(jì)。該部分主要采用鋁材料，并安裝于機(jī)器人的機(jī)架處，能夠容納主計(jì)算機(jī)和電池設(shè)備等零件，為各部分模塊的工作提供動(dòng)力，模塊外安裝防雨觸摸屏，在連接器的作用下與車載計(jì)算機(jī)相關(guān)聯(lián)[5]。

3）驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)模塊分別帶有1個(gè)電機(jī)與傳動(dòng)裝置，可與轉(zhuǎn)向模塊輸出軸相連，電機(jī)由電機(jī)控制器驅(qū)動(dòng)[6]。

4）旋轉(zhuǎn)模塊設(shè)計(jì)。機(jī)器人運(yùn)行時(shí)會(huì)有多個(gè)驅(qū)動(dòng)模塊繞著垂直軸旋轉(zhuǎn)工作，以此控制機(jī)器人播種時(shí)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向，提升機(jī)器人機(jī)動(dòng)性能。轉(zhuǎn)向模塊主要依靠驅(qū)動(dòng)模塊完成機(jī)器人方向的調(diào)整，與機(jī)器人框架或懸掛模塊框架相連，旋轉(zhuǎn)模塊一般包含直流電機(jī)、傳輸以及電機(jī)控制器等部分，控制器可以同時(shí)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向電機(jī)與驅(qū)動(dòng)模塊電機(jī)，使其360°旋轉(zhuǎn)工作，保持播種機(jī)器人的機(jī)動(dòng)性[7]。

5）傳感器安裝模塊與接口模塊。其中安裝模塊需要固定于機(jī)器人的機(jī)架上，可承載傳感器，在鋁型材的作用下將模塊滑動(dòng)到各個(gè)位置。不同播種機(jī)器人需要用到不同參數(shù)的傳感器，所以傳感器的使用與安裝至關(guān)重要，電腦連接USB集線器，接口模塊可以同時(shí)提供一個(gè)12 VDC與一個(gè)5 VDC的傳感器電源，此外還有CANopen設(shè)備和電機(jī)，設(shè)備運(yùn)行通常不會(huì)受到外界因素的干擾[8]。

1.2 功能設(shè)計(jì)

播種機(jī)器人系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)如下：1）自動(dòng)播種功能，以自動(dòng)駕駛技術(shù)為基礎(chǔ)，在GPS偽距差分原理作用下，采用精密播種器完成播種作業(yè)，利用PC端線路規(guī)劃，合理進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的自主作業(yè)。2）人工控制下的播種功能，以ATmega328 MCU作為控制器，在Wi-Fi信號(hào)下完成數(shù)據(jù)傳輸，可實(shí)現(xiàn)在手機(jī)App客戶端中短程操控。機(jī)器人的攝像頭可將畫(huà)面?zhèn)鬏數(shù)绞謾C(jī)端，方便操作人員對(duì)播種作業(yè)進(jìn)行調(diào)整。3）漏播檢測(cè)補(bǔ)播功能，憑借著種子和土地可見(jiàn)光差異情況，檢測(cè)是否有漏播的情況，根據(jù)空種穴進(jìn)行點(diǎn)播，避免誤差情況發(fā)生。4）作物大數(shù)據(jù)分析功能，在云數(shù)據(jù)平臺(tái)中，以人工控制為前提，依靠環(huán)境信息采集系統(tǒng)對(duì)播種間距與深度等信息進(jìn)行自動(dòng)采集與記錄，再經(jīng)過(guò)匯總后為機(jī)器人的播種作業(yè)實(shí)施提供科學(xué)參考。

1.3 工作原理

農(nóng)業(yè)播種機(jī)器人的整體框架采用了空心方形鋁管，各部分零件在螺栓的作用下固定，最終形成了矩形的底座，鋁管憑借螺栓穿過(guò)基座，此時(shí)鋁管有著支撐梁的作用，可以減少播種機(jī)器人運(yùn)動(dòng)時(shí)框架的過(guò)度擺動(dòng)，保持機(jī)器人結(jié)構(gòu)剛性與運(yùn)行穩(wěn)定性。鋁管需焊接于底座位置，可支撐直流電機(jī)工作，倒U型支架與梁體焊接，以此更好地固定曲柄滑塊及相關(guān)組件[9]。

使用有機(jī)玻璃制作機(jī)器人的種植貯藏容器，該材料有著強(qiáng)度高和輕量化的特性，容器底部會(huì)有1個(gè)洞，其中連接橡膠軟管，種子就是通過(guò)軟管分發(fā)到具體播種路徑中，完成種子的自動(dòng)播種操作。貯藏容器右側(cè)位置會(huì)有圓形孔，用來(lái)安裝分苗機(jī)構(gòu)的構(gòu)件，曲柄滑塊及連桿由PLA長(zhǎng)絲打印，使播種機(jī)構(gòu)不會(huì)受到腐蝕性影響，與機(jī)器人的底座相連，電機(jī)被固定于支架處，L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和單片機(jī)之間有效連接。機(jī)器人工作期間，直流電機(jī)對(duì)曲柄進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)注射桿插入地面，種子被播到土壤深處。旋轉(zhuǎn)曲柄滑塊，隨后圓形板旋轉(zhuǎn)，鏟斗挑起了種子，種子被送到播種路徑內(nèi)，完成播種操作[10]。

2 農(nóng)業(yè)播種機(jī)器人的系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1.1 電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)

機(jī)器人采用3 000 mAh可充電12 V鋰電池，這是一種可充電電池，能夠與Arduino Mega微控制器相連，為機(jī)器人的電子元件工作提供充足的動(dòng)力。操作人員可以在電路系統(tǒng)中控制機(jī)器人播種作業(yè)開(kāi)關(guān)，從而節(jié)約能耗，提高資源利用率。

2.1.2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

機(jī)器人的控制系統(tǒng)當(dāng)中，直流電機(jī)擁有高扭矩特性，后期維修成本較低，控制系統(tǒng)包含4個(gè)變速直流電機(jī)，其額定電壓為5 V，電流為0.2 A，可驅(qū)動(dòng)輪子前進(jìn)，推動(dòng)底座運(yùn)動(dòng)，使機(jī)器人在各種路面或粗糙土壤中前進(jìn)。直流電機(jī)由L298N驅(qū)動(dòng)器構(gòu)成，可控制電機(jī)運(yùn)行速度與方向，并從微控制器端接收信號(hào)，再將電流控制信號(hào)轉(zhuǎn)為高電流信號(hào)，以此達(dá)到驅(qū)動(dòng)電機(jī)的目的。驅(qū)動(dòng)器的工作功率較高，可驅(qū)動(dòng)通道中額定電壓與電流分別為35 V與2 A的電機(jī)工作。單片機(jī)在數(shù)字信號(hào)作用下，將指令傳遞給驅(qū)動(dòng)器，實(shí)現(xiàn)對(duì)旋轉(zhuǎn)方向和轉(zhuǎn)速的有效控制。

控制器能夠?qū)C(jī)器人的田間運(yùn)動(dòng)軌跡加以操作，并采用無(wú)線Play Staion2控制器，直流電機(jī)由PWM進(jìn)行速度調(diào)節(jié)，這是一種脈寬調(diào)制技術(shù)。智能控制系統(tǒng)經(jīng)過(guò)Arduino IDE編程和Mega微控制器使用，使控制器和驅(qū)動(dòng)器固定于機(jī)器人前端。機(jī)器人可以朝著前后左右4個(gè)方向移動(dòng)，停止功能可以讓機(jī)器人在等待下一個(gè)命令期間保持靜止?fàn)顟B(tài)。微控制器內(nèi)包含自主模式，使機(jī)器人沿著直線自主移動(dòng)，在系統(tǒng)設(shè)定的行程距離下進(jìn)行播種。PS2控制器可以對(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制，通過(guò)箭頭按鈕操控機(jī)器人運(yùn)行方向。

2.1.3 機(jī)器人直線校準(zhǔn)

采用增量式PID控制算法，即數(shù)字控制器輸出為控制量的增量ΔUk，關(guān)于PID控制器的理想化方程大致如下：

上述公式當(dāng)中，e(t)和u(t)分別指的是控制器輸入與輸出信號(hào)；Kp指的是控制器的比例系數(shù)；Ti是積分時(shí)間常數(shù)；Td是微分時(shí)間常數(shù)。Ti較短的時(shí)候，可經(jīng)過(guò)離散化將方程轉(zhuǎn)為差分方程，經(jīng)過(guò)累加代替積分，以矩形積分代替連續(xù)積分近似值的方法，得出增量式PID控制算法。

采用數(shù)字指南針完成機(jī)器人直線校準(zhǔn)，利用系統(tǒng)中的磁場(chǎng)檢測(cè)模塊，根據(jù)地球磁場(chǎng)的實(shí)際變化情況掌握機(jī)器人所在方位，再以0～360的數(shù)字表示方位信息，將檢測(cè)到的數(shù)據(jù)傳輸給終端。0與360表示的是正東方向；90和180分別代表正南與正西方向；270代表正北方向。如果將機(jī)器人設(shè)定為正東方向播種，隨后進(jìn)行增量式PID控制器應(yīng)用下的運(yùn)行播種，延時(shí)時(shí)間為2 s，使用指南針對(duì)機(jī)器人行進(jìn)方向做出調(diào)整。如果0＜θ≤180，需逆時(shí)針調(diào)速，讓機(jī)器人回歸正東方向；如果180＜θ≤360，需順時(shí)針調(diào)速。

2.2 程序測(cè)試分析

農(nóng)業(yè)播種機(jī)器人的測(cè)試會(huì)有專門(mén)的試驗(yàn)地點(diǎn)，共兩條長(zhǎng)度為20 m的播種路徑，機(jī)器人在起始點(diǎn)，朝著紅色箭頭的方向移動(dòng)并進(jìn)行播種作業(yè)。將系統(tǒng)設(shè)定成自主模式，播種機(jī)構(gòu)會(huì)按照5 km/h的速度直線行走20 m，植株間的間隔保持在0.2 m。完成第一個(gè)播種路徑后，機(jī)器人操作停止，人員手動(dòng)操作，將機(jī)器人帶到第二個(gè)路徑繼續(xù)自動(dòng)播種作業(yè)。

2.3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

通過(guò)對(duì)播種機(jī)器人的優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)如下：

1）運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，播種機(jī)器人多為車式或者輪形，后橋兩輪屬于驅(qū)動(dòng)輪，前橋?qū)儆谵D(zhuǎn)向輪，12 V直流電機(jī)是系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)設(shè)備，通過(guò)與減速箱的銜接可增加扭矩，從而提升機(jī)器人對(duì)于高負(fù)載作業(yè)條件的適應(yīng)性，應(yīng)用雙H橋電路進(jìn)行運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的控制，采用鋰電池，在機(jī)器人上部安裝太陽(yáng)能板，實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)能資源的高效利用，盡可能地降低對(duì)電池的消耗。

2）播種系統(tǒng)，如今的播種機(jī)器人正朝著精密化與智能化的方向發(fā)展，可實(shí)現(xiàn)單粒種穴播種，采用單粒穴播種器，每個(gè)種穴內(nèi)放置1粒種子，避免出苗之后進(jìn)行間苗作業(yè)，使作物營(yíng)養(yǎng)面積更加均勻。機(jī)器人的中耕作物行距偏寬，需根據(jù)實(shí)際情況做出調(diào)整，所以穴播機(jī)會(huì)應(yīng)用單體形式，多個(gè)單體按照行距要求安裝于同一橫梁處，最終形成了行數(shù)與幅寬各不相同的穴播機(jī)。

3）漏播檢測(cè)補(bǔ)播系統(tǒng)，以三原色原理為基礎(chǔ)，在TCS3200D傳感器的作用下檢測(cè)種穴內(nèi)的顏色，再將檢測(cè)到的信號(hào)返回給控制系統(tǒng)，系統(tǒng)經(jīng)過(guò)色彩信號(hào)處理后確定是否存在漏播的情況。如果種穴屬于空穴，那么控制系統(tǒng)將會(huì)向機(jī)器人發(fā)出指令信號(hào)，驅(qū)動(dòng)點(diǎn)播機(jī)進(jìn)行補(bǔ)播。點(diǎn)播機(jī)械包含播種嘴、種斗以及舵機(jī)開(kāi)關(guān)三部分，播種嘴位于地面上方位置，可對(duì)種穴播種；種斗能存儲(chǔ)種子；舵機(jī)開(kāi)關(guān)可控制播種嘴。

4）環(huán)境交互系統(tǒng)，以采集環(huán)境信息為目的，對(duì)信息展開(kāi)信號(hào)處理，從而規(guī)避障礙，實(shí)時(shí)返回工作畫(huà)面，將播種信息及時(shí)上傳到云數(shù)據(jù)庫(kù)中。機(jī)器人自主播種時(shí)采用時(shí)間差距法檢測(cè)前方是否有障礙物，以便在慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的作用下躲避障礙物，躲避動(dòng)作后再次回到RRT算法，繼續(xù)完成系統(tǒng)設(shè)定的播種作業(yè)。

3 農(nóng)業(yè)播種機(jī)器人試驗(yàn)研究

3.1 播種性能測(cè)試

為更好地驗(yàn)證機(jī)器人在田間的播種作業(yè)效率，將設(shè)備5 min之內(nèi)的播種數(shù)量同人工播種的數(shù)量進(jìn)行對(duì)比。采用玉米種子進(jìn)行試驗(yàn)，按照機(jī)器人運(yùn)動(dòng)速度與播種機(jī)構(gòu)運(yùn)行速度，每分鐘可以播種30粒，5 min可播種150粒。因機(jī)器人在操作期間存在著一定的不確定性或精度誤差，所以實(shí)際播種數(shù)量會(huì)有差異。試驗(yàn)期間，播種機(jī)器人可以將138粒種子播到土壤內(nèi)，成功率可以達(dá)到92%，與人工播種相比，作業(yè)效率提升35%，具體試驗(yàn)情況如表1所示。

表1 農(nóng)業(yè)播種機(jī)器人播種操作試驗(yàn) 單位：粒

3.2 電池壽命測(cè)試

對(duì)機(jī)器人展開(kāi)電池壽命測(cè)試分析，確保電池可以長(zhǎng)時(shí)間工作。自主模式中，機(jī)器人連續(xù)運(yùn)行，到達(dá)測(cè)試路徑的終點(diǎn)時(shí)，試驗(yàn)操作人員手動(dòng)操控機(jī)器人，將其放置在第二條路徑繼續(xù)播種作業(yè)，重復(fù)上述操作，最后得知機(jī)器人從滿電量一直到耗盡所有電量需要4 h，這一數(shù)值可以滿足機(jī)器人基本播種作業(yè)需要。

4 總結(jié)

總而言之，本研究以農(nóng)業(yè)播種機(jī)器人為研究對(duì)象，采用四輪設(shè)計(jì)模式，使機(jī)器人在各種土壤環(huán)境中移動(dòng)。播種機(jī)構(gòu)應(yīng)用曲柄滑塊使種子種植在土壤內(nèi)，經(jīng)過(guò)田間試驗(yàn)，得知機(jī)器人5 min可播種138粒，成功率可達(dá)到92%，省時(shí)省力，可提升播種效率。