地空兩用信息采集機器人設計

王偉，李超藝，劉九慶，房銀杰

(東北林業大學機電工程學院， 黑龍江 哈爾濱 150040)

隨著物聯網技術在農業信息化、智能化進程中的不斷深入，精細農業是現代農業發展的必然趨勢。

本文提出了一種用于農業信息采集的地空兩用機器人。該機器人可以搭載用于農田信息采集的多種傳感器，可以從地面和空中兩個不同角度獲取智能溫室環境信息和作物生長狀況信息。該機移動靈活，可靠性高，能耗低，采集數據快速，且便于收集與匯總數據，能夠滿足智能溫室農田信息采集的需求。

1 農業信息采集地空兩用機器人總體結構及參數選擇

1.1 農業信息采集地空兩用機器人總體結構

農業信息采集地空兩用機器人總體結構如圖1所示。主要由：地面行走機構，飛行機構，控制系統及信息采集系統四部分組成。

圖 1 機器人三維模型

1.2 農業信息采集地空兩用機器人主要性能指標

為了滿足工作性能要求，機器人的主要性能指標，如表1所示。

表1 機器人主要性能參數

2 地空兩用農業信息采集機器人設計

2.1 地面行走機構設計

本機的地面行走機構，如圖2所示。地面行走機構的結構件材料選擇鋁鎂合金，很大程度上減輕了機構的重量，為后續實現整機的空中飛行提供了保障。機器人在農田工作時，通常要克服很大的地面阻力，因此本機采用四個圓周舵機提供動力的四輪驅動方式，以此來達到輸出大扭矩的目的。為適應復雜的地形地貌，因此設計時采用了可以擺動靈活的四桿機構，以減少在跨越溝壑時產生的震動對機構的損害以及對信息采集結果的影響。

圖2 行走機構示意圖

2.2 飛行機構設計

本機的飛行機構是基于四旋翼飛行器原理設計的。飛行機構簡圖，如圖3所示，電機1和電機3逆時針旋轉的同時，電機2 和電機4 順時針旋轉，因此當機器人平衡飛行時，陀螺效應和空氣動力扭矩效應均被抵消。由于各個旋翼對機身所施加的反扭矩與旋翼的旋轉方向相反，因此當電機1 和電機3 逆時針旋轉的同時，電機2 和電機4 順時針旋轉，可以相互抵消旋翼對機身的反扭矩，從而可以使整機保持平衡。

圖3 飛行結構簡圖

2.3 控制系統設計

2.3.1 控制系統硬件設計

機器人控制系統結構如圖4所示，該系統采用以STM32F407為核心的計算機主控板。主控板共有8個PWM輸出口，其中4個PWM輸出口通過電子調速器和4個無刷直流馬達相連，另外4個PWM輸出口通過舵機控制模塊和4個圓周舵機相連，通過控制PWM輸出口輸出電平的高低來控制各個電機的轉速與轉向，由此實現機器人的行走、飛行、變速和姿態調整等功能。同時，主控板通過串口與信息采集模塊相連，可以實現對信息采集模塊的控制以及對采集信息的處理。

2.3.2 控制系統軟件設計

主程序流程，如圖5所示。首先接收機等待指令輸入，一旦有運動指令輸入，判斷該指令是飛行還是行走，然后調用相應指令的子程序，完成相應的運動。

若收到飛行指令，則調用飛行子程序，接收機繼續等待，一旦有信息采集指令輸入，判斷該指令是否是空中信息采集命令，若是則調用懸停子程序，停穩后調用空中信息采集子程序進行信息采集，采集完后接收機繼續等待若收到返航指令則調用返航子程序執行返航，否則繼續飛行。

圖 4 控制系統結構框圖

若收到行走指令，則調用行走子程序，接收機繼續等待，一旦有信息采集指令輸入，判斷該指令是否是地面信息采集指令，若是則調用地面信息采集子程序進行信息采集，采集完后接收機繼續等待若收到返回指令則調用返回子程序執行返回，否則繼續行走。

圖5 主程序流程圖

2.4 信息采集系統設計

機器人的信息采集系統由農業信息采集模塊和飛行姿態檢測模塊組成。其中，農業信息采集模塊主要包括DHT溫濕度傳感器，FPV攝像頭；飛行姿態檢測模塊主要包括三軸加速度計、三軸陀螺儀、三軸羅盤和高精度氣壓計。各傳感器的參數如表2所示。

表2 傳感器參數表

主控板通過這些傳感器可以實時獲取當前的農業信息和飛行姿態信息，收集的農業信息可以為接下來的農業生產提供參考；收集的飛行姿態信息可以使機器人及時調整飛行速度以及姿態，從而使機器人在復雜的農田環境中可以高效的工作。

3 溫、濕度檢測試驗

一天中，在同一溫室大棚內進行樣機溫濕度檢測試驗。首先，在大棚內均勻的選取十個測量點并架設溫濕度傳感器，在固定的時間點回收采集的數據，并求得它們的平均值作為當前大棚的溫、濕度參考值。用樣機在同一時間同一點在大棚中進行溫、濕度檢測，得到實時數據，采集數據如表5所示。

表5 溫濕度采集數據表

通過比較兩組數據可以看出樣機測得的數據與參考值吻合，由此說明樣機可以準確地檢測出大棚里的實時溫濕度，可以為后續的農業生產提供可靠的依據。

4 結論

根據機器人的設計要求，設計了地空兩用農業信息采集機器人的軟硬件系統。機器人可以全方位、實時地采集農田中的信息，為后續的精細化農業生產提供了更加可靠的依據。

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