觸須仿形檢測的高桿作物智能對行自行走作業平臺

孫春陽++郭清乾++孫海峰++王宇皓

摘 要：針對我國目前農業生產機械自動化程度過低、農村勞動力人口銳減的現狀，設計了觸須仿形檢測的高桿作物智能對行自行走作業平臺。該平臺由觸須傳感裝置、信號采集模塊、中央IAP單片機等組成，能滿足自行走、自對行、低功耗的技術要求，且體積小、重量輕、功能強大，將對現代農業產生重要影響。

關鍵詞：觸須仿形；自行走；作業平臺

1 作品簡介

針對我國目前農業生產機械自動化程度過低、農村勞動力人口銳減的現狀，以及高桿作物田間作業小型化的需求，我們研制了基于觸須仿形檢測的新型智能田間自行走作業平臺。通過觸須感應作物方位，進而自動調節平臺的轉向及行進，使其能夠在高稈作物間作業而不致碰傷作物。這款新型的節省人力的高效智能田間作業平臺滿足了自行走、自對行、低功耗的技術要求，對現代農業具有重大意義。觸須仿形檢測的高桿作物智能對行自行走作業平臺模型如圖1所示。

圖1觸須仿形檢測的高桿作物智能對行自行走作業平臺模型

整個作品的實現分兩大部分：

（1）觸須仿形檢測模塊由兩個相同的彎曲傳感器交叉位于小車前段，傳感器觸碰小車前方及側前方作物并將信號經24位高精度的模數轉換芯片傳遞給IAP單片機控制中心，快速調整小車行進速度和轉向。

（2）利用光柵對車速進行實時跟蹤監測，通過反饋調節電機的PWM脈寬比來緩沖因地面不平整而影響車速的外界因素造成的影響，保證小車在各種環境下能夠正常行進和作業。我國的農業耕作一般都是拖拉機下地工作、人力操控，并忍受殘酷的環境（灰塵、毒辣的陽光、有害的農藥和化學物質等），費時，費力，費資源，我們發明的這款自行走高桿作物作業平臺能改善這種現狀。智能田間作業平臺實現了無人操控下的高精度、自對行、自行走目標，同時重量小，可避免壓緊土壤，影響農作物根部生長。

2 設計方案

基于觸須檢測的智能對行自行走平臺包括觸須傳感裝置和信號采集部分、中央IAP單片機控制模塊、舵機轉向機構、電機控制模塊、光柵反饋模塊以及電源模塊。觸須傳感裝置由左右兩個帶有鋼絲的彎曲傳感器并聯組成，可根據不同作物選用不同硬度的柔性鋼絲用于排開非障礙物，觸須傳感器裝置的信號傳送到采集模塊，進而輸出到單片機。

操作中，彎曲傳感器通過鋼絲帶動彎曲排開非障礙物，減小誤差，進而對障礙物與作業平臺的距離方位進行記錄檢測，轉化為彎曲傳感器的阻值信號，通電后轉化為連續的模擬電信號，再利用24位模數轉換芯片傳遞給單片機數字信號，進一步操控舵機轉向機構和電機驅動模塊，然后再次通過光柵的負反饋調節誤差。平臺設計方案如圖2所示。

圖2 平臺設計方案

首先建立相關的數據庫及關系模型，即通過對常見高桿農作物的葉子、枝條和幾種常用鋼絲的硬件分析數據庫，利用觸須傳感裝置對平臺與作物的方位進行分析，通過定量分析的方法建立小車和作物在不同距離和方位下，小車的轉角和速度對應關系模型。然后在實踐應用中將實際檢測到的方位信息進行分析，利用單片機與事先設定的關系模型進行比較，按照使用者需要的速度和走向進行調節和負反饋處理，極大地節省了人力和體力，實現高精度無損作物自行走控制。

3 工作原理

3.1 硬件工作原理

這款基于觸須仿形彎曲的快速精確裝置的特征在于：在作業車前端裝有交叉朝向的帶有適宜硬度金屬絲的具有嚴格數據控制的彎曲傳感器，構成了作品的觸須仿形檢測裝置；信號采集模塊由高精度的24位模數轉換芯片組成；中央IAP單片機連接的1602芯片用來監測和觀察作物方位以及小車速度。小車作業時，前端的鋼絲觸碰感應作物方位并帶動彎曲傳感器運動，觸須仿形監測裝置的信號輸出端將此信息經4位高精度模數轉換芯片轉化為數字信號后交由單片機處理，然后快速精確地調整舵機轉向和電機驅動。光柵實時監測車速，通過反饋調節電機動作的PWM脈寬比，以緩沖外界因素對小車速度的影響。

3.2 軟件工作原理

應用于田間自走機械的自動對行裝置的控制分為以下幾步：

（1）對不同作物的葉子、枝條以及常見幾種柔性材料進行硬度分析，建立硬度數據庫。

（2）用合適硬度的柔性觸須排開莖稈，通過柔性彎曲傳感器阻值的變化對作物與車的距離和方位進行精準快速分析，并將彎曲傳感器阻值的變化信息轉換為高精度的數字信號，并將此信號送入單片機進行誤差分析。

（3）對前輪所能實現的最大轉角和轉角問題進行分析，通過實際調試選擇車與作物在不同距離和方位下合適的轉角對應關系，得出阻值與轉角關系表。

（4） 對幾種最適宜田間耕作的作業速度進行分析，通過實際調試選擇車與作物在不同距離和方位下合適的速度，得出阻值與速度關系圖。

（5） 排除單片機的誤差因素，如排除因長期不使用造成的傳感器不靈敏問題；排除兩個傳感器感應相同時阻值不完全相同的問題；利用正態分布法設定合適的數值區間。

（6）根據單片機的誤差排除結果，通過定量分析法建立不同距離和方位下彎曲傳感器阻值信號與車轉舵角度和速度調控的關系模型，按照距離越近，彎曲程度越大，轉角越大，速度越慢的邏輯關系，設立不同情況下的標準速度。

（7）按照步驟（4）所述的關系模型，對舵機和電機進行實時控制。

（8）用光柵對小車行進的速度進行監控，將相應的結果反饋給單片機。

如果此時的速度與步驟（4）中設定的標準速度有偏差（因田間土地不平或泥濘，車輪上纏繞葉子、枝條、泥土等雜物等），可通過反饋對電機進行調節以盡量滿足標準速度。

4 創新點

（1）觸須仿形檢測是我們的靈感之一，仿照田間蟲子的觸須，我們選擇了柔性鋼絲帶動彎曲傳感器工作，在不損壞作物的前提下能準確檢測到作物的方位信息，進而通過一系列控制模塊實現根據作物與小車的距離和方位調節小車轉向和速度，利用光柵反饋來緩沖地面不平、坡度等因素對小車行進速度產生的影響，以保證小車的正常行進。

（2）利用單片機的多維外設，可以集施肥、撒藥、除草、摘心、收割、播種等功能于一體。

（3）自動化作業，可以大幅度減少人力資源，避免農藥等對人體的危害。

（4）體積小，適于對作物進行維護。

（5）重量輕，避免在作業時壓緊土壤。

5 市場前景

本作品實現了自動化及智能化，只需要將機器人放在苗壟上，按下啟動開關，機器人便會沿高桿作物之間的空地行走，自動規避作物，合理控制轉向角度。運用數學建模方法對轉向機構進行參數優化，提高了機構的工作性能與效率。

該機器人具有廣闊的應用價值，適用于高桿作物，如高粱，甘蔗等。能在無人管理的條件下，對大面積苗田進行精細看管，機器人以平均0.5 m/s速度作業時每天能對約1公頃的作物進行管理，大大減少人力、物力消耗，極具商業開發以及生產價值。

與現有技術對比，我們的自行走平臺更加具有節能減排的實質性效果。國外很早就有田間自走農業機器，但是其巨大的體積顯然不適合對作物進行維護，只適用于種和收，適用面過于狹窄。

本文所設計作品成本低，功能強大，使用方法簡單，若能批量生產投放相應市場，在未來幾年乃至幾十年內必能產生巨大的經濟效益。endprint